Systemstudien für Bahnstromsysteme

Bahnstromsysteme sind ein wesentlicher Bestandteil des modernen Schienenverkehrs. Sie stellen die elektrische Energie für die Traktion von Zügen bereit und sind somit für die Mobilität und Effizienz des Bahnverkehrs entscheidend. Die Planung und Auslegung von Bahnstromsystemen erfordern sorgfältige Überlegungen und Berechnungen, um die Energieversorgung zuverlässig und effizient zu gestalten.

Die Planung von Bahnstromsystemen beinhaltet eine Vielzahl von Aufgaben, darunter Netzberechnungen, Simulationen und Dimensionierungen.

Netzberechnungen zur Auslegung von Bahn-Energieversorgungsnetzen

Enotrac führt Netzberechnungen für die Auslegung von Bahn-Energieversorgungsnetzen durch. Diese dienen dazu, die optimale Struktur und Größe des Energieversorgungsnetzes festzulegen. Dies umfasst die Bestimmung der geeigneten Spannung und Frequenz des Bahnstroms und die Dimensionierung der einzelnen Komponenten des Netzes unter der Berücksichtigung der geltenden EN-Normen.

Eine der größten Herausforderungen bei der Netzberechnung besteht darin, verschiedene Faktoren zu berücksichtigen. Dazu gehören die Anforderungen an die Traktion, die topografischen Gegebenheiten, die Leistungsverluste im Netz, die Verfügbarkeit von Energiequellen und die Sicherheitsaspekte. Die Netzberechnungen sind somit ein komplexer Prozess, der spezialisierte Software-Tools erfordert.

Konzeptionierung, Simulation, Dimensionierung

Die Konzeptionierung, Simulation und Dimensionierung von Bahnstromsystemen sind eng miteinander verknüpft. Die Konzeptionierung umfasst die Festlegung der grundlegenden Struktur des Bahnstromsystems, einschließlich der Spannung und Frequenz. Die Simulation ermöglicht es, das geplante System in verschiedenen Betriebsszenarien zu analysieren, um die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit zu überprüfen. Die Dimensionierung bezieht sich auf die Auswahl und Auslegung der Komponenten des Systems, wie beispielsweise Unterwerke, Leitungen und Schutzvorrichtungen.

Eine der wichtigen Entscheidungen in der Konzeptionierung betrifft die Wahl der Bahnspannung und Frequenz. Die Wahl hat Auswirkungen auf die Effizienz des Systems, die Kosten und die Kompatibilität mit den eingesetzten Fahrzeugen.

Berücksichtigung der geltenden EN-Normen

In der Bahnindustrie steht die Einhaltung von Normen und Regelwerken an oberster Stelle, da diese entscheidend für die Planung und Auslegung von Bahnstromsystemen sind. Insbesondere EN-Normen wie EN 50388, EN 50163, EN 50122 und EN 50329 haben einen enormen Einfluss auf die Gestaltung von Bahnstromsystemen.

Die EN 50388 Norm definiert Anforderungen in Bezug auf die elektrischen Aspekte, die für die technische Kompatibilität zwischen Bahnfahrzeugen und elektrischen Bahnenergieversorgungssystemen wichtig sind. Sie umfasst unter anderem die Schutzprinzipien zwischen der Energieversorgung und Triebfahrzeugeinheiten, Leistungsfaktoren, Strom- oder Leistungsbegrenzungen, die Koordination von Leistungsschaltern und die Interaktion mit Oberschwingungen und dynamischen Effekten.

Die EN 50163 legt Hauptkennwerte für Speisespannungen von Bahnsystemen fest, einschließlich der ortsfesten Einrichtungen für die Bahnstromversorgung und der Bahnfahrzeuge. Sie ist für verschiedene Systeme elektrischer Bahnen anwendbar, darunter Eisenbahnen, Nahverkehrsbahnen, Straßenbahnen oder Hoch- und Untergrundbahnen.

Bei der EN 50122 Norm werden Schutzmaßnahmen in Bezug auf die elektrische Sicherheit in ortsfesten Anlagen festgelegt, die mit Wechsel- und/oder Gleichstrom-Bahnenergieversorgungssystemen verbunden sind. Sie betrifft zudem Anlagen, die durch Energieversorgungsanlagen elektrischer Bahnen gefährdet werden können. Diese Norm ist relevant für neue Strecken und größere Änderungen an bestehenden Strecken in verschiedenen elektrischen Bahnsystemen.

In der EN 50329 Norm werden Anforderungen an die Leistungsfähigkeit von Bahn-Transformatoren spezifiziert, die in Bahnunterwerken oder entlang der Strecke für die Wechselstrom- oder Gleichstrom-Bahnenergieversorgung oder zur Bereitstellung von Energie für Nebenbetriebe eingesetzt werden. Diese Norm enthält Vorgaben in Bezug auf die Eignung von Transformatoren als auch Autotransformatoren für die vorgesehenen Lastspiele und deren Bemessungsleistungen.

Die Beachtung dieser Normen ist unerlässlich für die Sicherheit, Qualität und Interoperabilität von Bahnstromsystemen. Diese Standards sind notwendig, um die Zulassung von Bahnstrecken zu erhalten und einen sicheren Betrieb zu ermöglichen. Bei der Planung von Bahnstromsystemen ist es daher enorm wichtig, die relevanten EN-Normen explizit zu berücksichtigen. Dadurch können wir sicherstellen, dass die höchsten Standards in der Bahnindustrie eingehalten werden und ein reibungsloser Betrieb möglich ist.

Spezielle Software-Tools für Netzberechnungen: Fabel

Fabel ist eine spezialisierte Software von Enotrac, entwickelt für die anspruchsvolle Aufgabe der Netzberechnungen in Bahnstromsystemen. Dieses leistungsstarke Softwarepaket, das sich speziell auf die Analyse, Planung und Dimensionierung elektrischer Traktionsstromversorgungen konzentriert, bietet eine breite Palette von Funktionen.

In Fabel sind verschiedene Module integriert, die vielfältige Anwendungsfälle abdecken. Diese Module ermöglichen Netzberechnungen, Laststudien zur Energieversorgungsoptimierung und Energiestudien zur Evaluierung energieeffizienter Maßnahmen. Die Software ist maßgeschneidert für die Bedürfnisse der Bahnindustrie und gliedert sich in Module wie „Lastflussberechnungen“, die detaillierte Betriebssimulationen von Bahnstromsystemen ermöglichen und die Planung, Optimierung und Dimensionierung von Stromversorgungen unterstützen. Das „MTL-Modul“ bietet präzise Modellierung der Leiter in der Bahnstromversorgung und berücksichtigt Wechselwirkungen, sowohl statisch als auch dynamisch. Zusätzlich sind „emfcalc“ und „emfcalc3d“ enthalten, um die Auswirkungen des Magnetfelds auf die Umgebung der Bahnstrecke in zweidimensionalen und dreidimensionalen Räumen zu bewerten. Das „optidrive-Modul“ ermöglicht die Entwicklung von energieeffizienten Fahrprofilen auf Grundlage gegebener Fahrpläne.

FABEL bietet somit eine umfassende Lösung, die sicherstellt, dass die Energieversorgung in Bahnstromsystemen zuverlässig und effizient funktioniert, Engpässe vermieden werden und innovative energieeffiziente Maßnahmen entwickelt werden können.

Laststudien mit Fabel

Laststudien dienen zur Gewährleistung einer effizienten und zuverlässigen Bahnstromversorgung. FABEL bietet eine leistungsstarke Lösung zur Durchführung dieser Studien, um den Energiebedarf in verschiedenen Betriebsszenarien präzise zu analysieren und sicherzustellen, dass das Energieversorgungssystem den Anforderungen gerecht wird.

Mit Fabel können Laststudien auf eine Art und Weise durchgeführt werden, die die Planung und Optimierung der Bahnstromversorgung erheblich erleichtert. Das Mehrleitermodul von Fabel ermöglicht eine detaillierte Modellierung sämtlicher Leiter in der Bahnstromversorgung. Dadurch werden die Wechselwirkungen zwischen den Leitern präzise erfasst, was bei jedem Zeitschritt der Simulation und an jedem Standort unter Berücksichtigung des Strombezugs der Züge im Netz erfolgt.

Dieses Modul erlaubt sowohl „statische“ als auch „dynamische“ Lastflussberechnungen. Bei „statischen“ Berechnungen werden Betriebs- oder Fahrwegsimulationen nicht berücksichtigt und es werden feste Ströme eingeprägt. Im Gegensatz dazu berücksichtigen „dynamische“ Berechnungen die tatsächlichen Betriebsbedingungen und den variablen Stromverbrauch der Züge.

Die Mehrleitersimulation ermöglicht zudem die direkte Berechnung der von den Bahnbetrieb induzierten Spannungen auf Drittsysteme. Das bedeutet, dass beispielsweise Auswirkungen auf Kabel von Sicherungsanlagen oder parallele metallische Leitungen für Wasser, Öl und Gas, die neben den Bahngleisen verlaufen, präzise ermittelt werden können.

Energiestudien mit Fabel

Mittels Energiestudien können die Energieeffizienz und Nachhaltigkeit der Bahnstromversorgung verbessert werden. Fabel bietet eine leistungsstarke Plattform, um diese Studien durchzuführen und konkrete Maßnahmen zur Reduzierung des Energieverbrauchs, zur Optimierung des Energieeinsatzes und zur Integration erneuerbarer Energien zu entwickeln.

Ein beispielhaftes Projekt mit den Basler Verkehrsbetrieben (BVB) verdeutlicht, wie Fabel hierbei unterstützt. Die BVB erkannten, dass ein erheblicher Anteil der während des Bremsvorgangs erzeugten Energie in den Bremswiderständen der Tramfahrzeuge ungenutzt verpuffte. Die Herausforderung bestand darin, diesen Energieverlust zu minimieren und den Trambetrieb energieeffizienter zu gestalten.

Durch die Anwendung von Fabel wurden verschiedene Energieoptimierungsmaßnahmen detailliert analysiert, um ihren konkreten Nutzen zu bewerten. Dazu gehörten die Erhöhung der Rekuperationsspannung auf den Fahrzeugen, Optimierungen in der Netzschaltung, die Erhöhung der Systemspannung von 600 V auf 750 V, die Vergrößerung des Fahrleitungsquerschnitts und die Implementierung von fahrzeuggebundenen sowie stationären Energiespeicher- und Wechselrichtersystemen an geeigneten Standorten im Netz.

Die Bewertung des Nutzens jeder Maßnahme erfolgte durch umfangreiche Simulationen, bei denen der Energieverbrauch im gesamten Tramnetz analysiert wurde. Diese Ergebnisse wurden mit den Daten aus Basissimulationen verglichen, um die eingesparte Energiemenge bzw. den technischen Nutzen zu ermitteln. Die Studie berücksichtigte mittlere Belastungen, um realistische Jahresenergieverbrauchswerte zu erhalten. Die Wirtschaftlichkeitsanalyse belegte die Rentabilität der vorgeschlagenen Maßnahmen, was zur Entwicklung eines umfassenden Maßnahmenpakets führte. Dieses Paket wurde den BVB zur Umsetzung vorgeschlagen.

Fabel ermöglicht es, Energiestudien präzise und effizient durchzuführen, um die Energieeffizienz im Bahnverkehr zu steigern. Die Plattform unterstützt die Identifizierung von Energiesparpotenzialen und die Umsetzung nachhaltiger Strategien, die den Bedarf an konventioneller Energie reduzieren und die Integration erneuerbarer Energien fördern.

Auslegung von Fahrleitungsschutz basierend auf Kurzschlussberechnungen

Der Schutz der Fahrleitung ist ein wesentlicher Aspekt der Bahnstromversorgung. Um sicherzustellen, dass die Fahrleitung bei Störungen oder Kurzschlüssen geschützt ist, werden Kurzschlussberechnungen durchgeführt. Diese Berechnungen helfen dabei, die erforderlichen Schutzeinrichtungen und Schutzvorrichtungen zu dimensionieren und sicherzustellen, dass sie im Falle eines Kurzschlusses effektiv funktionieren.

Auslegung von Rückleitersystemen: Personenschutz und Schutz vor Streuströmen

Die Auslegung von Rückleitersystemen ist ein wichtiger Aspekt der Bahnstromversorgung, insbesondere bei Gleichstrombahnen. Diese Systeme dienen dem Personenschutz und dem Schutz vor Streuströmen. Der Personenschutz sorgt dafür, dass keine gefährliche Spannung an den Schienen oder anderen Teilen der Bahninfrastruktur auftritt, die von Menschen berührt werden könnten. Der Schutz vor Streuströmen verhindert, dass unerwünschte elektrische Ströme in die Umgebung gelangen, welche zu Korrosion an metallischen Strukturen führen können.

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Elektrische Bahninfrastrukturprojekte

Enotrac ist in verschiedenen elektrischen Bahninfrastrukturprojekten weltweit aktiv. Die Elektrifizierung von Bahnstrecken, die Umstellung von Dieselzügen auf elektrischen Betrieb und die Integration erneuerbarer Energien sind wichtige Schwerpunkte. Die Planung und Entwicklung elektrischer Bahnnetze erfordert spezialisierte Kenntnisse und Tools wie Fabel.

Ganzheitliche Betrachtung von Bahninfrastrukturen

Enotrac verfolgt einen ganzheitlichen Ansatz bei der Planung und Entwicklung von Bahninfrastrukturen. Dazu gehört die Berücksichtigung wirtschaftlicher, ökologischer und sozialer Faktoren neben den rein technischen Aspekten. Die Entwicklung nachhaltiger Bahninfrastrukturen ist das Ziel, um die Anforderungen der Gesellschaft und der Umwelt zu erfüllen.

Energieeffizienz im Bahnverkehr

Die Verbesserung der Energieeffizienz im Bahnverkehr ist ein wichtiges Anliegen von Enotrac. Es umfasst die Entwicklung von energieoptimierten Fahrprofilen, die Implementierung von Energierückgewinnungssystemen und die Reduzierung von Energieverlusten in der Energieversorgung. Diese Maßnahmen tragen zur Senkung der Betriebskosten und zum Umweltschutz bei.

Die Planung von Bahnstromsystemen steht vor verschiedenen Herausforderungen. Die Integration erneuerbarer Energien, die Digitalisierung des Bahnbetriebs und die Elektrifizierung von Bahnstrecken sind wichtige Themen. Die steigende Nachfrage nach Mobilität und die Notwendigkeit, die Umweltauswirkungen zu minimieren, erfordern kontinuierliche Entwicklungen in der Bahnindustrie.

Die Planung und Auslegung von Bahnstromsystemen ist ein komplexer Prozess, der spezialisierte Tools wie Fabel erfordert. Die richtige Wahl der Bahnspannung und Frequenz, die Auslegung von Fahrleitungsschutzsystemen und die Berücksichtigung von Normen sind wichtig, um ein sicheres und effizientes Bahnstromsystem zu schaffen. Enotrac ist führend in der Entwicklung von Instandhaltungskonzepten und elektrischen Bahninfrastrukturprojekten, die einen ganzheitlichen Ansatz verfolgen und die Energieeffizienz im Bahnverkehr fördern. Mit den aktuellen Herausforderungen und Zukunftsperspektiven ist die Bahnindustrie gefordert, innovative Lösungen zu finden, um den Schienenverkehr nachhaltig zu gestalten und die Mobilität der Zukunft zu sichern.