Rückstrom (Eisenbahn)

Als Rückstrom bezeichnet man die Summe der elektrischen Ströme, die zwischen Bahnenergieverbraucher und Bahnstromspeisequelle über die Schienen und danach ggf. auch über weitere Rückleitungen fließt. Speisequelle, Hin- und Rückleiter sowie Verbraucher bilden einen elektrischen Betriebsstromkreis.

elektrischer Betriebsstromkreis

Bahnenergieverbraucher

Bahnenergieverbraucher sind z. B.:

• Triebfahrzeuge mit den Fahrmotoren für die eigentliche Zugförderung (Traktion) sowie mit z. B. Beleuchtung, Bordelektronik, Kompressoren, Zugfunk;
• in den Wagen z. B. Beleuchtung, Klimaanlage, Türsteuerung, Zugheizung, Bordbistro, TV an Bord, 50-Hz-Bordnetz u. ä.;
• elektrische Weichenheizungen;
• Zugvorheizanlagen.

Speisequellen

Speisequellen sind die Unterwerke oder Schaltposten, die die Energie des öffentlichen oder Bahnstromnetzes an Speise- und Fahrleitung übergeben und bei denen die Rückströme in den Rückleiterschienen wieder zusammenlaufen und zum zweiten Pol geleitet werden.

Rückleiter

Rückleiter führen den Rückstrom zur Speisequelle zurück. Rückleiter sind zuvorderst die Schienen der Gleise. Da aber die Gleise direkt und/oder induktiv mit dem Erdreich verbunden sind und auch die Speisequellen geerdet sind, fließt ein kleinerer oder größerer Anteil des Rückstroms auch über das Erdreich. Es gibt des Weiteren vereinzelte Abschnitte, in denen die Rückleitung aus verschiedenen Gründen über besondere Kabel oder Schienen erfolgen muss. Jede Speisequelle versorgt einen Speisebezirk mit elektrischer Energie. In jedem Speisebezirk befinden sich i. d. R. mehrere Züge, Triebfahrzeuge oder stationäre Verbraucher. Das heißt, am Ort der Speisequelle treffen alle diesbezüglichen Rückströme ein. Entsprechend stark müssen die Rückleiteranschlüsse am Ort der Speisequelle dimensioniert sein.

Stromrichtung

Die Bahnstromversorgung der elektrifizierte Eisenbahnen arbeitet nach dem Zwei-Leiter-Prinzip, bei der es für den elektrischen Strom nur einen Hin- und einen Rückleiter gibt (Phase und Null-Leiter). Die Stromrichtung wird nach der Energiebereitstellung definiert: Die Speisung der Verbraucher erfolgt von der Speisequelle quasi mit Hinstrom zu den Verbrauchern. Nach Umsetzung der Energie vor Ort fließt der Strom zurück zur Speisequelle.

• Phase- oder Hinleiter sind die Speise- und Fahrleitungen.
  • Speiseleitungen sind Kabel zu den Fahrleitungsabschnitten.
  • Fahrleitungen sind
    • Oberleitungen (bei Fern-, Regional-, Werks- bzw. Grubenbahnen),
    • Stromschienen (bei S-, U- oder Grubenbahnen).
• Null- oder Rückleiter sind die Schienen, das Erdreich, besondere Kabel oder Rückstromschienen.

Diese Richtungsbetrachtung wird sowohl bei Gleichstrom- als auch bei Wechselstrombahnen angewandt, unabhängig davon, welche physikalische Polarität der elektrischen Spannung und welche physikalische Stromflussrichtung tatsächlich vorliegt.

angrenzende Themen

Gefahren durch Rückstrom

galvanisch verbundene Netze

Rückstrom beeinflusst auch immer die Schutzerdung von Anlagen im Bereich elektrischer Bahnen und umgekehrt. Daher sollte durch geeignete Maßnahmen ausgeschlossen werden, dass Anteile eines Rückstroms auch über geerdete Anlagen fließen.

Ebenso sollte ausgeschlossen werden, dass Anteile von Rückströmen über die Zugsammelschiene von Zügen fließen. Dafür gibt es spezielle Vorgaben in Projektierungs- oder Planungsrichtlinien.

bei Bauzuständen

Bei Bauarbeiten an Gleisen (z. B. Schienenauswechslung, Trennen oder Einsetzen von Schienen) ist zu beachten, dass bei einer Unterbrechung des „Rückleiters Schiene“ der Rückstrom einen anderen Weg nimmt. Damit dieser nicht über die Baumaschinen oder Menschen fließt, ist die Schienenunterbrechungsstelle vorher mit ausreichend dimensionierten Rückleiterkabeln zu überbrücken.

Bei Arbeiten an der Fahrleitung muss diese vorher ausgeschaltet und geerdet werden. Die Schutzerdung erfolgt durch Verbindungen der Fahrleitung mit der Schiene mindestens vor und hinter der Arbeitsstelle. Damit teilt sich der Rückstrom auf die bisherige Schiene und parallel über die Erdungs- und Kurzschlussvorrichtungen auf die Fahrleitung auf. Das ist zu berücksichtigen, wenn die Fahrleitung aufgetrennt werden soll. Ähnlich wie oben bei Gleisen beschrieben, ist die vorgesehene Unterbrechungsstelle in der Fahrleitung vorher mit ausreichend dimensionierten Rückleiterkabeln zu überbrücken.

Kurzschlussstrom

Im Falle eines Kurzschlusses im Bahnstromnetz kommt es zu vielfach höheren Strömen und damit auch Rückströmen. Wird der Kurzschluss durch die Sicherungseinrichtungen in den Unterwerken nicht rechtzeitig ausgeschaltet, kommt es zu so hohen Rückströmen, dass es zur Gefährdung der Menschen, Fahrzeuge und Anlagen im Rückstromweg und zur Zerstörung von Bahnstromanlagen kommen kann. Fehlende Schutzerden und Rückleiter (z. B. durch fehlerhaft ausgeführte Bauzustände, Zerstörung oder Diebstahl) bilden sogar eine unmittelbare, tödliche Gefahr für die Menschen.

Streustrom

Der aus den Fahrschienen ins Erdreich austretende Strom wird als Streustrom, früher auch als Irr- oder vagabundierender Strom bezeichnet. Er fließt im Erdreich und – so vorhanden – auch über in der Erde liegende metallene Teile (Rohre, Kabelmäntel, Erdungsanlagen u. ä.). Dabei kommt es an diesen Anlagen zu Korrosionsschäden und thermischer Beeinflussung. Umfang und Geschwindigkeit der Korrosion ist bei Gleich- und Wechselstrom unterschiedlich.

Potentialausgleich

Im Bereich mit mehreren Gleisen (z. B. in Bahnhöfen) verteilt sich der Rückstrom je nach den vorliegenden Übergangswiderständen zwischen Schienen und Erdreich unterschiedlich. Dabei könnte es zu unterschiedlichen elektrischen Potentialen der einzelnen Schienen oder Gleise kommen. Dagegen werden möglichst viele Schienen- und Gleisverbinder angebracht. Das dient sowohl dem Ausgleich der elektrischen Potentiale der Gleise als auch der Erhöhung des Gesamtquerschnitts der Rückleitung, was zur Verminderung des elektrischen Widerstands der Rückleitung und damit zur Verminderung der elektrischen Energieverluste im Betriebsstromkreis führt.

Die mögliche Anzahl der Schienen- und Gleisverbinder wird jedoch eingeschränkt durch die Notwendigkeit der Einrichtung von isolierten Gleisabschnitten für die Leit- und Sicherungstechnik.

Zusammentreffen von Gleich- und Wechselstrombahnen

An Schnittstellen von Gleich- und Wechselstrombahnen kann es zur Überlagerung der Rückströme aus beiden Netzen kommen.

Solche Schnittstellen bestehen:

• an Verbindungsstellen von internationalen Bahnstrecken mit verschiedenen Stromsystemen; das deutsche, österreichische und schweizerische Eisenbahnnetz haben beispielsweise Wechselstrom, das niederländische, belgische, italienische, polnische und tschechische Gleichstrom;
• beim Zusammentreffen von Fernbahn (Wechselstrom) und S- oder U-Bahnen, Gruben- oder Straßenbahnen (Gleichstrom);
• beim Zusammentreffen von Fernbahn (Wechselstrom) mit anderen, geerdeten Gleichstromnetzen, z. B. Autoscooter, Kleinbahnen u. ä.)

Die Beeinflussung des einen Netzes mit Rückströmen aus dem anderen Netz ist in beiden Richtungen unerwünscht:

• Einerseits bedrohen hohe Rückströme und Kurzschlussströme aus dem Bahnnetz die meist energieschwächeren und spannungsniedrigeren Gleichstromanlagen.
• Andererseits sättigen die Gleichströme die Transformatorkerne und Motoren im Bahnenergienetz.
• In beiden Fällen führen unkontrollierte Rückströme zu unkontrollierten Potentialen im beeinflussten Netz. Dies könnte zur unzulässigen Überschreitung der Berührungsspannung und damit zu Gesundheits- oder Lebensgefährdung von Menschen führen, die mit den durchströmten Anlageteilen des einen oder anderen Netzes in Berührung kommen.

Literatur

• Energieversorgung elektrischer Bahnen, VEB Verlag Technik Berlin 1975
• Elektrische Triebfahrzeuge, transpress VEB Verlag für Verkehrswesen Berlin 1981
• Kießling/Puschmann/Schmieder/Schmidt: Fahrleitungen elektrischer Bahnen – Planung, Berechnung, Ausführung, B.G. Teubner: Stuttgart 1998, ISBN 3-519-16177-X (ISBN 978-3-519-16177-6)
• Prof. Dr.-Ing. Frantisek Jansa, DRSC.: Elektrická Trakcia I, alfa vydavatelstvo technickej ekonimickej literatury Bratislava 1976