Scherenstromabnehmer

Einholmstromabnehmer

Ein Stromabnehmer ist eine Vorrichtung an Fahrzeugen zum Übertragen elektrischer Energie von einer fest montierten stromführenden Leitung zu den elektrischen Einrichtungen des Fahrzeugs. Anwendung finden Stromabnehmer überwiegend bei elektrischen Schienenfahrzeugen und Oberleitungsbussen.

Bauformen

Es bestehen zahlreiche unterschiedliche Benennungen für spezielle Ausführungen von Stromabnehmern, die zum Teil denselben Typ bezeichnen. Die wichtigsten Stromabnehmertypen sind:

Kontaktwagen

Als erste Stromabnehmer für elektrische Überkopf-Versorgungsleitungen wurden kleine Kontaktwagen mit Rollen verwendet, die auf den Fahrdrähten laufend an Verbindungsleitungen hinter dem Motorfahrzeug hergezogen wurden. Von diesem Erscheinungsbild leitet sich auch die englische Bezeichnung "trolley" für solche - später mit festen Stangen statt der Kabelverbindung versehenen - Fahrzeuge ab, insbesondere für Obusse bzw. Trolleybusse. Die Kontaktwagen neigten jedoch zum Entgleisen, außerdem war das Befahren von Abzweigungen (Weichen) in den Fahrleitungen problematisch. Bei Zugkreuzungen wurden deshalb die Kontaktwagen gegenseitig übergeben.

1882: Kontaktwagen beim Elektromote, dem ersten Oberleitungsbus der Welt

Minenbahnlok in Frankreich, mit zwei Rollen-Laufkatzen als Stromabnehmern, 1897

Stangenstromabnehmer mit Kontaktrolle (Rollenstromabnehmer)

Straßenbahnwagen mit Rollenstromabnehmer

Detailaufnahme einer Kontaktrolle

Erst die Umstellung auf unterseitig gegen den Fahrdraht gedrückte Stromabnehmer unter Verzicht auf die Kontaktwagen machte die Stromzuführung betriebssicher. Diese Rollen- oder Stangenstromabnehmer gehören damit zu den ältesten Bauformen. Der amerikanische Ingenieur Frank J. Sprague setzte sie 1889 bei der Straßenbahn in Richmond (Virginia) ein.

Rollenstromabnehmer bestehen jetzt meist aus einer langen Stange, die schräg auf dem Fahrzeugdach montiert ist und durch eine Feder nach oben gedrückt wird. An deren oberen Ende befindet sich eine Rolle mit einer Rille entlang des Umfanges, die von unten am Fahrdraht entlangrollt und den elektrischen Kontakt herstellt. Einen weiteren Kontakt bildet das Lager (Graphit), das die Verbindung zur Stange herstellt. Der relativ geringe Durchmesser der Stromabnehmerrolle führt bei schnell fahrenden Fahrzeugen zu erheblichen Drehzahlen.

Gegenüber den später entwickelten Bügelstromabnehmern weisen die Rollenstromabnehmer allerdings einige schwerwiegende Nachteile auf: Der Stromabnehmer kann von der Fahrleitung abrutschen (entgleisen) und dabei die Oberleitung beschädigen und er muss bei Fahrtrichtungswechsel manuell umgelegt werden. Ferner ist die Oberleitungskonstruktion aufwändiger als bei Bügelstromabnehmern, da die Fahrleitung knickfrei montiert sein muss und bei Verzweigungen spezielle Oberleitungsweichen (sogenannte „Luftweichen“) eingebaut werden müssen. Die Fahrleitung ist beim Betrieb mit Stangenstromabnehmern außerdem anfällig gegen Vereisen.

Rollenstromabnehmer fanden ab 1890 weltweit große Verbreitung, vor allem bei Straßenbahnen. Die technischen Unzulänglichkeiten führten jedoch nach und nach zu einem weitgehenden Verschwinden der Rollenstromabnehmer im Straßenbahnbereich. Der letzte Straßenbahnbetrieb in Deutschland mit Stangenstromabnehmern war die Straßenbahn Hamburg, sie wurde 1978 stillgelegt. Kann ein Betrieb seinen Wagenpark beispielsweise aus finanziellen oder politischen Gründen jahrzehntelang nicht modernisieren, wie es etwa in weiten Teilen Amerikas der Fall ist, dann sind dort zum Teil ausschließlich Wagen mit Rollenstromabnehmern im Einsatz.

Letzter europäischer Straßenbahnbetrieb mit Rollenstromabnehmern ist die Straßenbahn Lissabon, bein ihr werden allerdings nur noch zwei von fünf Linien mit diesem System betrieben.

Stangenstromabnehmer mit Schleifschuh

Straßenbahn Toronto mit Stangenstromabnehmer

Eine Weiterentwicklung des Stangenstromabnehmers mit Kontaktrolle ist der Stangenstromabnehmer mit Schleifschuh. Zur Anwendung kommt hierbei statt der Rolle ein sogenannter Kontaktschuh mit Kohleschleifstück. Schleifschuhe bieten gegenüber anderen Systemen durch drehbare Lagerung der Stangen den Vorteil, das Fahrzeug beiderseits bis zu einigen Metern auch neben der Fahrdrahtführung fahren zu können. Stangenstromabnehmer mit Schleifschuh wurde zu Beginn des 20. Jahrhunderts vom Ingenieur Max Schiemann speziell für Oberleitungsbusse entwickelt und kamen erstmals auf der Bielatalbahn zur Anwendung. Bei Oberleitungsbussen sind diese bis heute Standard.

Vereinzelt wird das System auch bei Straßenbahnen angewandt, so beispielsweise die Straßenbahnen in Daugavpils, Riga und Toronto. Auch die österreichische Pöstlingbergbahn wurde bis 2008 mit Stangenstromabnehmern betrieben.

Bügel- oder Lyra-Stromabnehmer

Straßenbahnwagen mit Lyra-Stromabnehmer

Der Bügel- oder Lyra-Stromabnehmer wurde von dem deutschen Ingenieur Walter Reichel erfunden und seit 1887 auf der Lichterfelder Straßenbahn (bei Berlin) erprobt. Er besteht aus einem auf dem Fahrzeugdach montierten Metallbügel, der durch Federn gegen die Fahrleitung gedrückt wird. Die Form des Metallbügels erinnert an eine Lyra. Im oberen Bereich des Metallbügels ist ein ein bis zwei Meter breites Schleifstück quer zur Fahrtrichtung montiert, das den Kontakt mit dem Fahrdraht herstellt. Das Schleifstück besteht aus Kohlenstoff, in seltenen Fällen aus Kupfer. Bei Verwendung von Bügelstromabnehmern vereinfacht sich die Ausführung der Oberleitung gegenüber dem Rollenstromabnehmer, da auf Oberleitungsweichen verzichtet werden kann und Knicke im Fahrdrahtverlauf toleriert werden. Ähnlich wie bei Rollenstromabnehmern müssen bei Fahrtrichtungswechsel Lyrastromabnehmer umgedreht werden. Vom Wagen nachgezogen gleitet der Abnehmer besser und es besteht weniger Beschädigungsrisiko, wenn er sich verhaken sollte.

Lyrastromabnehmer fanden zwischen ca. 1890 und 1910 im Eisenbahn- und Straßenbahnbereich Verbreitung und wurden anschließend von den Scherenstromabnehmern weitgehend verdrängt. Ihre Leistungsfähigkeit konnten sie bei den Schnellfahrversuchen 1903 auf der Militär-Eisenbahn Marienfelde–Zossen–Jüterbog bei Berlin unter Beweis stellen, bei denen sie bei Fahrgeschwindigkeiten von bis zu 210 km/h eingesetzt wurden.

Scherenstromabnehmer

Amerikanische Grubenbahn-Lokomotive mit seitlichem Scherenstromabnehmer, 1895

Scheren-Stromabnehmer

Scheren- oder „Pantografen“-Stromabnehmer stellen eine Weiterentwicklung der Lyrastromabnehmer dar. Sie kombinieren das Prinzip des quer zur Fahrtrichtung montierten Schleifbügels mit einer Scherenmechanik, die das Schleifstück federnd gegen die Fahrleitung drückt und es dabei nach oben ausrichtet. Die Scherenmechanik ähnelt der eines Pantografen, weshalb Scherenstromabnehmer auch als Pantografen bezeichnet werden. Anders als bei Lyra- und Rollenstromabnehmern müssen Scherenstromabnehmer bei Fahrtrichtungswechsel nicht umgeklappt werden.

Diese Bauform kam in einer flachen seitlichen Ausführung bereits 1895 in einer Tunnelstrecke bei der Baltimore & Ohio Railroad zum Einsatz, die eine seitliche Oberleitung verwendete. In Deutschland entwickelte um 1900 erstmals Siemens & Halske solch einen Stromabnehmer.

Während bei älteren Bauformen meist nur ein Schleifstück pro Scherenstromabnehmer vorhanden war, werden bei moderneren Bauformen (ab ca. 1960) zwei Schleifstücke auf einer sogenannten Stromabnehmerwippe montiert, wodurch ein kontinuierlicherer Kontakt zwischen Fahrdraht und Stromabnehmer erzielt wird. Zur Gewichtsreduzierung wurden die Scherenstromabnehmer durch Vereinfachung der Scherenmechanik zu Halbscheren- und Einholm-Stromabnehmern weiterentwickelt.

Einholm-Stromabnehmer

Die einzelnen Komponenten eines Einholmstromabnehmers am Beispiel des ICE-3-Stromabnehmers

Der Einholm-Stromabnehmer hat gegenüber dem Scheren-Stromabnehmer den Vorteil des geringeren Platzbedarfs und der leichteren Bauweise. Insbesondere bei Mehrsystemfahrzeugen mit mehreren Stromabnehmern für verschiedene Oberleitungssysteme wirkt sich dies vorteilhaft aus.

Außerdem hat der Einholmstromabnehmer weniger gefederte Masse und reagiert deshalb auch weniger träge auf Änderungen des Abstands zwischen Fahrzeugdach und Fahrdraht. Des Weiteren kann die Anpressvorspannung, diejenige Kraft, mit der der Abnehmer gegen den Fahrdraht gepresst wird, reduziert werden, was den Fahrdraht schont. Daher wird er bei Hochgeschwindigkeitsfahrzeugen fast ausschließlich eingesetzt (ICE, TGV).

Der Einholmstromabnehmer kam erstmals 1958 bei der französischen Wechselstrom-Elektrolok BB 16500 und den BB16000 zum Einsatz. Bei der Deutschen Bundesbahn wurde er erstmals serienmäßig im ET 420 und später bei der Baureihe 111 eingesetzt, bei den ÖBB bei der Reihe 1042. Bei der Deutschen Reichsbahn fand er bei der Baureihe 243 (heute Baureihe 143) erstmals Anwendung. In der Schweiz wurden die Einholmstromabnehmer auf den Re4/4" Loks ab 1971 aufgebaut.

Mehrpolige Stromabnehmer

Für Drehstrom-Systeme und zweipolige Gleichstromsysteme mit Mittelpunkt-Neutralleiter gab es auch mehrpolig ausgeführte Stromabnehmer.

Siemens-Drehstrom- triebwagen mit übereinander angeordneten Schleifbügeln für eine dreipolige Fahrleitung, 1903

AEG-Drehstromtriebwagen, mit hintereinander angeordneten Schleifbügeln für eine dreipolige Fahrleitung, 1903

Elektrolokomotive Le Drac 1903 mit zweipoligem Lyra-Stromabnehmer für eine zweipolige Gleichstromfahrleitung

Doppelte Stromabnehmer der Jungfraubahn für eine zweipolige Drehstrom-Fahrleitung

Stromschienen-Stromabnehmer

Stromabnehmer einer U-Bahn

Bei U- und S-Bahnen mit seitlich neben dem Gleis angeordneten Stromschienen gibt es einfacher beschaffene Stromabnehmerbügel, die schleifend auf, seitlich oder unter der Stromschiene entlanggeführt werden.

Systemvarianten in Europa

Durch verschiedene technische und bauliche Randbedingungen haben sich auf dem kontinentaleuropäischen Eisenbahnnetz verschiedene Oberleitungsbauformen herausgebildet, die unterschiedliche Stromabnehmerbauweisen erfordern. Daher müssen Mehrsystemfahrzeuge für den internationalen Verkehr mit unterschiedlichen Stromabnehmern ausgerüstet sein. Die Bauarten unterscheiden sich in der Breite des Stromabnehmers und in der Art des verwendeten Schleifleistenmaterials. Lokomotiven der Baureihe 189 der DB sind beispielsweise je nach Einsatzgebiet mit Stromabnehmern mit folgenden Merkmalen ausgerüstet.

Einsatzgebiete	Stromsystem		Wippenbreite	Schleifleistenmaterial
Dänemark, Deutschland, Norwegen, Österreich, Schweden, Slowakei, Tschechien	Wechselstrom	15 kV/25 kV	1950 mm	Kohle
Frankreich, Luxemburg, Schweiz	Wechselstrom	15 kV/25 kV	1450 mm	Kohle
Ungarn (durch Oberleitungsanpassungen obsolet)	Wechselstrom	25 kV	2060 mm	Kohle
Belgien, Frankreich, Luxemburg, Niederlande, Slowakei, Tschechien	Gleichstrom	1500 V/3000 V	1950 mm	Kohle metallisiert
Italien	Gleichstrom	3000 V	1450 mm	Kupfer
Polen	Gleichstrom	3000 V	1950 mm	Kupfer

Funktionsweise und Überwachung von Schleifstück-Oberleitungs-Stromabnehmern

Während der Fahrt steht das Schleifstück in ständiger schleifender Berührung mit dem Fahrdraht, abgesehen von kurzzeitigen Unterbrechungen durch Unebenheiten der Fahrdrahtunterseite oder Fahrzeugstöße. Der Strom aus dem Fahrdraht fließt durch das Kohleschleifstück (auch andere Werkstoffe möglich) und die gegen das Dach isolierte metallene Stromabnehmerkonstruktion bis zu einem Kabel, das den Strom zum außenliegenden Hauptschalter oder ins Fahrzeuginnere weiterleitet.

Sowohl das Schleifstück als auch der Fahrdraht unterliegen einem Verschleiß durch die Reibung. Fahrdraht und Schleifstück müssen daher bei entsprechendem Zustand regelmäßig erneuert werden. Konstruktion und Materialwahl sind so ausgelegt, dass der Verschleiß des Abnehmers höher ist und der Fahrdraht geschont wird, da dieser sich nur mit erheblichem Aufwand wechseln lässt. Um den Verschleiß der Reibfläche des Abnehmers gleichmäßig zu gestalten und ein Einschneiden des Fahrdrahtes zu vermeiden, wird die Oberleitung für Schleifbügelstromabnehmer im Zickzack über den Gleisverlauf gespannt.

Kommt es während der Fahrt zu einem Schleifleistenbruch, kann die Oberleitung erheblich durch die nach oben drückende Trägerkonstruktion des Stromabnehmers beschädigt werden. Moderne Lokomotiven wie beispielsweise die Baureihe 101 der DB haben daher eine Schleifleistenüberwachung. Hierbei ist ein Messingröhrchen längs in den Kohlebarren eingelassen und an eine Druckluftversorgung angeschlossen. Wird das Röhrchen aufgerieben, wird der Druckabfall festgestellt und der Stromabnehmer automatisch gesenkt.

Die meisten Vollbahnlokomotiven verfügen über zwei Stromabnehmer. Üblicherweise wird davon der in Fahrtrichtung hinten liegende verwendet, um bei einer eventuellen Beschädigung ein Herabfallen von Teilen auf den noch intakten Stromabnehmer zu vermeiden, auch befindet sich der hintere Stromabnehmer bei höheren Geschwindigkeiten meist in einer aerodynamischer homogeneren Luftschicht mit weniger Luftwirbel. Bei Doppeltraktion werden der jeweils vorderste und hinterste Stromabnehmer des Lokgespanns verwendet, um Fahrdrahtschwingungen zu reduzieren. Denn sowohl die Schwingungen wie Luftverwirbelungen können dazu führen, dass der Stromabnehmer am Fahrdraht „springt“, er sich unter Lichtbogenbildung vom Fahrdraht trennt. Dies ist sowohl für den Fahrdraht wie den Stromabnehmer schädlich, weshalb bevorzugt der Stromabnehmer gehoben wird, der einen besseren Kontakt zum Fahrdraht hat, welcher in der Regel der hintere ist. Bei Straßenbahnen, bei welchen durch die niedrigeren Geschwindigkeiten die aerodynamischen Effekte noch nicht so ins Gewicht fallen, wird oft der vordere Stromabnehmer eingesetzt. Auch wird wegen des stets möglichen Funkenschlags von dieser Regel abgewichen, wenn direkt hinter der Lok feuergefährliche Güter oder PKW befördert werden oder ein Steuerwagen eingestellt ist. Bei vereisten Fahrdrähten werden oftmals alle Stromabnehmer gehoben.

Wenn man nur einen Stromabnehmer einsetzen will, sollte dieser mit mindestens zwei Schleifleisten (oder Schleifstücken) ausgerüstet sein, da bei der kleinsten Unebenheit der direkte Kontakt verloren geht und ein Lichtbogen erzeugt wird. Wenn es zwei Übertragungsmöglichkeiten gibt, fällt dieser Lichtbogen wegen des schwächeren Stromflusses durch den erhöhten Widerstand der Luft und der daraus resultierenden Gesetzmäßigkeit bei der Parallelschaltung kleiner aus. In der Anfangszeit der elektrisch betriebenen Bahnen besaßen die Scherenstromabnehmer nur ein Schleifstück, weshalb man auf alten Fotos sieht, dass immer beide Stromabnehmer gehoben sind, um den gleichen Effekt zu erzielen.

Ebenso werden die Fahrzeuge im Winter in der Regel mit zwei gehobenen Stromabnehmern aufgerüstet abgestellt, um einen Eisbelag möglichst gering zu halten.

Schleifstück/Schleifleiste

Es kann als Schleifstück/Schleifleiste theoretisch jeder elektrisch leitende Werkstoff eingesetzt werden. Dennoch werden heute im deutschsprachigen Raum hauptsächlich zwei Arten von Schleifstücken eingesetzt, solche aus Kohle und solche aus Aluminium-Legierungen. Daneben sind auch noch Kupfer-Schleifstücke bei der FS und PKP, also bei den hochgespannten Gleichstrombahnen im Einsatz. Kupfer-Schleifstücke sind sehr schwer, was eigentlich unerwünscht ist, denn je mehr Masse bewegt werden muss, desto träger reagiert der Stromabnehmer. Um diese Trägheit zu dämpfen, muss das Schleifstück mit einem hohen Anpressdruck an die Fahrleitung gedrückt werden. In der Folge muss die Fahrleitung stabiler ausgeführt sein, als bei einem schwachen Anpressdruck, um die hohen Anpressdrücke bewältigen zu können (was zur Folge hat, dass die Fahrleitung schwerer wird und zum Durchhängen neigt). Allerdings ist Kupfer ein sehr guter Leiter mit besseren Werkstoffeigenschaften als Aluminium und Kohle, auch findet keine negative elektrochemische Beeinflussung der heutigen Kupferfahrleitungen statt. Während heute praktisch nur noch Kupferoberleitungen eingesetzt werden, waren früher auch solche aus verzinktem Stahldraht im Einsatz. Bei diesen war ein Kohleschleifstück die schlechtere Wahl.

Bei den Kupfer-Fahrleitungen müssen entweder Kohle-Schleifstücke oder Aluminium-Schleifstücke eingesetzt werden. Ein Mischbetrieb ist zu vermeiden, da der Einsatz eines Kohle-Schleifstücks an einer Fahrleitung, welche mit Aluminium-Schleifstücken befahren wird, eine Zerstörung der leitenden Oxidationschicht zur Folge hat, während eine durch Kohle-Schleifstücke blanke Fahrleitung das Aluminium-Schleifstück angreift. Dies gilt im übertragenen Sinn auch für Kupfer-Schleifstücke. Elektrochemisch ergeben sich stets Nachteile, wenn unterschiedliche Werkstoffe als Schleifstücke an der gleichen Fahrleitung verwendet werden.

In der Regel werden bei Wechselstrom-Bahnen Kohle-Schleifstücke, bei Gleichstrom-Bahnen Metall-Schleifstücke (Aluminium- und Kupfer-Schleifstücke) eingesetzt.

Siehe auch

• Oberleitung

Literatur

• Kießling, B.; Thoma, C.: „Europalokomotive BR 189. Die Mehrsystemlokomotive für den europaweiten Einsatz“, Glasers Annalen 126 (2002) 9, Georg Siemens Verlag Berlin, S. 390–402

Weblinks

• Schleifleistenbruch mit nachfolgender Zerstörung des Stromabnehmers und der Oberleitung