Dieser Beitrag wurde von unserem FiF Niklas Wagner (rnv-Auszubildender zur Fachkraft im Fahrbetrieb) erstellt und redaktionell bearbeitet vom rnv-Blog-Team.
Wo kommt er her, wo geht er hin?
Jeder von uns kennt es: Akku leer, Ladekabel in die Steckdose und schon können wir unsere smarten Geräte wieder mit Energie befüllen. Doch ganz so einfach wie beim E-Auto oder bei unseren eCitaros (vollelektrische Stadtbusse) ist das Ganze nicht, denn eine Straßenbahn kann man einfach nicht im Linienbetrieb irgendwo „einstecken“.
Unser Bahnstrom kommt, wie jeder andere elektrische Strom, aus z. B. Kraftwerken, Windparks oder Solaranlagen. Um diesen über weite Strecken zu transportieren, gibt es Hochspannungsleitungen, welche irgendwann nach vielen Kilometern in der Nähe einer Stadt in einem Umspannwerk enden. Dort werden die bis zu 320 kV (Kilovolt) starken Ströme auf die sogenannte Mittelspannung mit 20 kV umgespannt und in die Städte geleitet. Dies sind immer noch 5 kV mehr als die Deutsche Bahn (DB) für ihr Bahnstromnetz verwendet. In den Städten gibt es lokal noch vereinzelt Trafostationen, die dann den Strom auf die haushaltsüblichen 230 V (Volt) heruntertransformieren. Hier trennen sich der rnv-Bahnstrom und der Hausstrom. Während der Hausstrom – ein Wechselstrom mit 50 Hertz (Hz) und einer Spannung von 230 V – in unseren Steckdosen ankommt, ist der Strom auf unserem Fahrdraht, also der Oberleitung, ein Gleichstrom und hat eine Spannung von 750 V.
Zur Erklärung: Im europäischen Stromnetz kommt bei den Verbrauchern im Haushalt ein sogenannter Wechselstrom mit einer Spannung von 230 V an. Dieser elektrische Strom wechselt hierbei seine Richtung (Polung) 50-mal in der Sekunde, was mit 50 Hz angegeben wird.
Der elektrische Strom, der hingegen in unseren Fahrleitungen fließt, ist ein Gleichstrom. Dieser wechselt anders als der Wechselstrom nicht seine Polung. Dabei fließt in unseren Oberleitungen der Minusstrom und in unseren Schienen der Plusstrom.
Um den Gleichstrom für unsere Fahrzeuge zu erzeugen, haben wir im gesamten Fahrleitungsnetz fast 100 Gleichrichterunterwerke in mehr oder weniger gleichmäßigen Abständen, die diesen in die Fahrleitungen einspeisen.
Wozu brauchen wir Unterwerke und Streckenabschnitte und welche Aufgabe haben diese?
In einem Gleichrichterunterwerk (GUW) sind grob folgende Anlagenteile enthalten:
- 20 kV Mittelspannungsanlage zum Anschluss an das Mittelspannungsnetz des Stromversorgers,
- Drehstromtransformator zum Transformieren der Spannung auf 750 V,
- Gleichrichter zur Modellierung einer Gleichspannung,
- Gleichstromaschaltanlage mit Gleichstromschnellschalter,
- Schutzeinrichtung und Abgangsfelder zur Fahrleitung,
- Niederspannungshauptverteilung für die Stromversorgung von 230 V im GUW und angrenzende Bauwerke wie Haltestellen und Pausenräume,
- Eigenbedarfstrafo zur Herstellung von Niederspannung von 230 V sowie eine Batterieladeeinrichtung mit Batterien zur unabhängigen Stromversorgung der Schutzeinrichtungen.
Diese Unterwerke sind für die Bereitstellung des benötigten Betriebsstroms und für den sicheren Betrieb der Fahrleitungsanlage. Streckentrenner trennen einzelne Einspeisebereiche voneinander ab, da der elektrische Widerstand des Fahrdrahtes und der Tragseile der Fahrleitungsanlage mit zunehmender Länge größer wird. Dies ist auch notwendig, da der Gleichstromschnellschalter und die Schutzeinrichtungen im GUW auf einen maximalen Stromwert eingestellt sind. Dieser wird anhand der Fahrleitungslänge sowie des Kupferquerschnitts der Fahrleitung, der Einspeise- und Rückleiterkabel und der Schiene berechnet. Das verhindert Kurzschlüsse und sichert uns einen (fast) störungsfreien Betrieb.
Was passiert bei einem Kurzschluss oder Stromausfall?
Doch leider kommt es auch immer wieder zu Beschädigungen der Fahrleitung, wie zum Beispiel durch unachtsame Baggerfahrer oder Sturmschäden.. Doch auch ein defektes Fahrzeug kann in seltenen Fällen einen Kurzschluss auslösen. Sollte die Oberleitung tatsächlich so beschädigt sein, dass sie reißt und dadurch auf dem Boden bzw. auf den Gleisen liegt, schaltet sich das Unterwerk zunächst automatisch ab und prüft nach einer kurzen Zeit, ob der Kurzschluss noch vorhanden ist. Bleibt der Kurzschluss bestehen, wird in Summe drei Mal geprüft, ob der Kurzschluss noch vorhanden ist. Danach geht das Unterwerk in Blockierung. Ist der Kurzschluss nicht mehr vorhanden, schaltet sich das Unterwerk automatisch wieder zu. Ist dies der Fall, bekommen die Fahrgäste meist nichts von der Störung mit. Dieser Mechanismus greift auch, wenn mehr Strom benötigt wird als das Unterwerk liefern kann.
Sollte die Versorgung der 20 kV Leitung unterbrochen sein, schaltet sich das GUW ebenfalls ab. Ist das GUW abgeschaltet, müssen Kollegen aus der Infrastrukturabteilung ins betroffene Unterwerk fahren und es händisch wieder zuschalten. Im letzten Fall kann dies nur passieren, wenn der Versorger wieder die 20 kV liefern kann.
Was passiert, wenn eine Bahn unter einem Streckentrenner zum Stehen kommt?
Sollte ein Fahrer mit dem Bügel im stromlosen Abschnitt eines Streckentrenners stehen bleiben, muss dieser die Betriebszentrale anfunken und sich weitere Anweisungen einholen. Steht der Wagen im Gefälle, dann kann der Federspeicher aufgepumpt werden (das sogenannte „Notlösen“). Durch die Erdanziehung setzt sich das Fahrzeug somit langsam in Fahrt, sodass der Bügel sich wieder unter der Oberleitung befindet. Danach kann der Fahrer ganz normal weiterfahren. Sollte das Fahrzeug einmal in einer Kurve oder an einer Stelle ohne Gefälle zum Stehen kommen, muss in der Regel ein kleines Team an Werkstattmitarbeitern anrücken, welche dann den Zug mit einem speziellen LKW aus dem stromlosen Bereich schleppen. Je nach dem auf welchem Streckenabschnitt sich der Zug befindet, kann es unterschiedlich lange dauern bis die Kollegen aus der Werkstatt den Einsatzort erreichen.
Können unsere Straßenbahnen in irgendeiner Form Strom sparen?
Wir haben im Laufe der Jahre natürlich auch in unseren Fahrzeugen stromfressende Verbraucher ersetzt. Bei den Beleuchtungseinrichtungen werden beispielsweise stromsparende LED-Lampen verwendet anstatt Glühbirnen. Einen weiteren stromsparenden Effekt erzielen die Fahrzeuge der neuesten Bestandsflotte: Diese können Bremsenergie in die Fahrleitung zurückspeisen, welche dann von Bahnen, die sich in der Nähe befinden und im gleichen Speiseabschnitt sind, aufgenommen werden. Zudem sind einige Fahrzeuge mit sogenannten „Powercaps“ an Board ausgerüstet. Powercaps sind große Kondensatoren. Sie speichern die Bremsenergie und verwenden diese beim Anfahren der Bahnen. Diese müssen dann weniger Energie aus der Fahrleitung ziehen. Einige der älteren Fahrzeuge hingegen nutzen zum Bremsen ebenfalls die Fahrmotoren, indem diese beim Bremsen als Generatoren geschaltet werden. Der dadurch induzierte Strom wird in Widerständen in Wärmeenergie umgewandelt und somit abgegeben. Beobachten kann man das, wenn die alten Bahnen anhalten. Denn dann sieht man die abgegebene Wärme als Hitzeflimmern über dem Wagenkasten aufsteigen.
Was passiert am Ende mit dem „verbrauchten“ Strom?
Elektrischer Strom wird nicht wie Gas, Wasserstoff, Benzin oder Diesel verbraucht, sondern er fließt zum Stromerzeuger zurück. Dies passiert, anders als bei einem O-Bus, nicht über ein separat aufgehängtes Rückleiterkabel, sondern ganz einfach über die Gleise bis zum Unterwerk. Verbraucht. oder umgewandelt wird die elektrische Energie im Fahrzeug durch die Fahrmotoren in Bewegungsenergie oder durch die Heizung in Wärmeenergie.