Bahnerdung

Stahl-Oberleitungsmast mit zusätzlicher Versorgungsleitung an der Spitze und Erdseil darunter

Die Bahnerdung ist eine Erdungsmaßnahme, die im Bereich von elektrisch betriebenen Bahnen angewandt wird. Diese Erdungsmaßnahme dient dem Schutz von Personen und Betriebsmitteln im Oberleitungs- und im Stromabnehmerbereich.^[1] Die Bahnerdung wird in der DIN EN 50122-1 geregelt.^[2] Die Bahnerdungskonzepte sind aufgrund der verschiedenen Bodenverhältnisse in den jeweiligen Ländern unterschiedlich geregelt.^[3]

Grundlagen

Werden bei elektrisch betriebenen Bahnen die Fahrschienen als Stromrückleitung verwendet, entsteht zwischen den Schienen und der Erde eine Potentialdifferenz. Diese Spannung kann ganz oder teilweise von Personen abgegriffen werden. Die Höhe des Schienenpotentials ist von verschiedenen Faktoren abhängig. Je nach Längswiderstand der Rückleitung, Höhe des Betriebsstromes, Unterwerksabstand und Fahrbetrieb in den angrenzenden Strecken kann das Schienenpotential auch unzulässig hohe Werte erreichen. Zum Schutz vor diesem unzulässig hohem Schienenpotential wird die Bahnerdung angewandt.^[2] Die Bahnerdung hat gegenüber den Erdungen der öffentlichen Stromversorgungen einige wesentliche Besonderheiten. Die Bahnerdung ist mit dem weit verzweigten und weiträumig geerdeten Schienensystem in Verbindung. Außerdem fließen über die Bahnerdung auch Betriebsströme in Form von Gleisrückströmen. Aufgrund der wesentlich tieferen Frequenz des Bahnstromes von 16 2/3 Hertz breiten sich die Erdströme anders aus als bei einer Netzfrequenz von 50 Hertz.^[4]

Bahnerde

Erdungskabel an einem Gleis, Kabelseite und Gegenmutter an der gegenüberliegenden Schiene

Basis für die Bahnerdung ist die Bahnerde, sie besteht aus den als Fahrstromleiter dienenden Fahrschienen und sämtlichen mit ihnen verbundenen Leitungen, Fahrzeugen und Anlageteilen.^[5] Das Hauptelement dabei bilden die Fahrschienen. Diese müssen zur Erhöhung des Leitwerts in Längs- und Querrichtung gut leitend miteinander verbunden werden. Zur Verbindung der Schienen eines Gleises sind Laschenverbindungen geeignete Verbindungsmittel. Die Schienenstöße müssen in Längsrichtung überbrückt werden. Bei nebeneinander liegenden Gleisen mit einem Gleisabstand von 30 Metern und weniger müssen die jeweiligen Gleise mittels Gleisverbindern untereinander verbunden werden. Zusätzlich werden zur Verbesserung der Rückleitungsverhältnisse separate Leitungen an den Masten der Oberleitung als Rückleitungsseil montiert und mit der Bahnerde verbunden.^[1] Diese Erdseile müssen einen genügend großen Querschnitt haben. In der Regel reichen Erdseile mit einem Querschnitt von 95 mm² aus. Bei felsigem Untergrund oder schlechtleitendem Untergrund und im Bereich von Gleichstrombahnen muss der Querschnitt größer sein. Hier werden dann mehrere parallel verlegte Erdseile verwendet. Zweck der Verwendung von Erdseilen ist es, den Rückstromanteil überwiegend durch das Erdseil zu führen. Dazu müssen die Erdseile einen deutlich niedrigeren Widerstand haben als die Fahrschienen und das Erdreich. Neben der Rückstromführung dienen die Erdseile gleichzeitig als Schutzerdung und zur Minderung der Potentialdifferenz zwischen den Fahrschienen und dem Erdreich. Die Erdungsseile werden nach Möglichkeit mit den Fahrleitungsmasten verbunden. Um einen möglichst großen Strom über die Erdseile zu ermöglichen, müssen in Abständen von 250 bis 300 Metern Querverbindungen erstellt werden. Diese Querverbindungen verbinden die Fahrschienen elektrisch leitend mit den Fahrleitungsmasten. Die Querverbindungen dienen gleichzeitig als Potentialausgleich. Zum Schutz vor Beschädigungen werden die Querverbindungen mindestens 25 Zentimeter tief im Schotter eingegraben.^[5] Die Fahrschienen und die damit verbundenen elektrisch leitfähigen Teile werden gezielt mit dem Erdreich geerdet.^[2]

Bauwerkserdung

Geerdetes Geländer auf einem Bahnsteig

Die Bauwerkserdung wird als Erdung bei Tunneln oder sonstigen Kunstbauten angewandt. Hier werden alle elektrisch leitfähigen Metallteile wie z.B. Bewehrungen, Metallkonstruktionen von Tunneln oder Stützmauern und anderen Gebäuden im Bereich der Bahntrasse miteinander elektrisch leitend verbunden. Diese Bauwerkserdung bildet ein von der Bahnerde und der Erde des öffentlichen Netzes metallisch getrenntes System. Die Bauwerkserde kann entweder von der Bahnerde getrennt oder elektrisch leitend mit ihr verbunden werden. Werden Bahnerde und Bauwerkserde getrennt verlegt, muss in den Plänen auch eine klare Trennlinie zwischen beiden Erdungssystemen vollzogen werden. Diese Trennlinie muss auch über die Lebensdauer des Bauwerks sichergestellt sein. Ob die jeweiligen Erdungssysteme getrennt oder verbunden verlegt werden, obliegt den jeweiligen Planern. Bei Gleichstrombahnen ist eine konsequente Trennung zwischen der Schutzerde des Niederspannungsnetzes und der Bauwerkserde und besonders zur Bahnerde einzuhalten. Bei getrennter Verlegung muss der Personenschutz durch andere Maßnahmen wie z.B. isolierte Gehwege erreicht werden. Für die zeitweise Verbindung der Erdungssysteme dienen bei unzulässig hoher Potentialdifferenz automatische Kurzschlussvorrichtungen, die die Bauwerkserde mit der Bahnerde im Bedarfsfall leitend miteinander verbinden.^[5]

Probleme mit der Bahnerdung

Potentialverschleppung

Aufgrund der Bahnerdung können unter bestimmten Voraussetzungen in das Netz der öffentlichen Versorger Rückströme eingeschleppt werden. Dies kann zu einer Beeinflussung der elektrischen Anlagen im VNB-Netz führen.^[2] Bei der Frequenz von 16 2/3 Hertz sind die Stromverdrängungseeffekte weniger stark ausgeprägt als bei 50 Hertz. Dadurch können die Ströme weiter ins Erdreich eindringen. Das hat zur Folge, dass der Erdrückstrom weniger eng an die Leitungstrasse gebunden ist.^[4] Zur Verschleppung des Potentials der Bahnerde kommt es insbesondere dann, wenn außerhalb der Bahntrasse liegende Objekte mit der Bahnerde leitend verbunden werden. Dadurch wird der Potentialtrichter, der rechts und links parallel zur Bahntrasse entsteht, von der Bahntrasse nach außen verschoben. Dies führt zu einer Einstreuung von Bahnfrequenzen in das öffentliche Netz. Aber auch in dicht bebauten Gebieten kommt es aufgrund der niedrigen Erdungsimpedanzen zu einer Kopplung des Bahnstroms und des Netzstroms. Im Bereich von Bahnhöfen wird die Niederspannung für die elektrischen Anlagen in der Regel aus dem öffentlichen Netz bezogen, hier kann es zu einem ungewollten, aber auch zu einem gewollten Zusammenschluss der beiden Erdungssyteme kommen. Um einen Potentialausgleich zwischen beiden Erdungen zu erzielen, wird dann die Bahnerde mit der Schutzerde verbunden. Dies kann zum Einkoppeln von störenden 16 2/3-Hertz-Strömen in das Niederspannungsnetz führen.^[5]

Streuströme

Bei Gleichstrombahnen kann es zu Streuströmen im Erdreich kommen. Dadurch bedingt werden Rohrleitungen oder andere metallische Bauteile, die im Erdreich verlegt sind, durch Korrosion zerstört. Außerdem besteht die Gefahr, dass Kabel thermisch überlastet werden.^[2] Aber auch bei Wechselstrombahnen kann es zu Beeinträchtigungen kommen. Rohrleitungen, die in unmittelbarer Nähe der Bahntrasse im Erdreich verlegt sind, können durch den Schienenspannungstrichter eine ohmsche Beeinflussung erhalten. Dadurch kann es unter bestimmten Bedingungen durch vagabundierende Wechselströme im Erdreich an den Rohrleitungen zur Wechselstromkorrosion kommen.^[6] Bei der Wechselstromkorrosion ist die Wechselstromdichte an den Angriffsflächen der Metallteile von großer Bedeutung. Überschreitet die Wechselstromdichte den kritischen Wert von 30 Ampere pro Quadratmeter, so sind metallische, elektrisch längsleitfähige, Rohrleitungen durch Wechselstromkorrosion besonders gefährdet. Durch den undefinierten Stromdurchgang zwischen der Rohrleitung und dem Erdreich kommt es zu einer elektrochemischen Reaktion. Diese Reaktionen führen an den Rohrleitungen zu Lochfrass.^[7]

Abhilfen

Um das Verschleppen des Bahnpotentials zu vermeiden, gibt es unterschiedliche Lösungsansätze. Die Bahnerde ist nach Möglichkeit nicht mit der Netzerde zu verbinden. Im Bereich von Bahnhöfen sollte die Netzversorgung über separate Transformatoren erfolgen, dadurch ist die Bahnerde sicher von der Netzerde getrennt. Nach Möglichkeit sollten keine längeren elektrisch leitfähigen Objekte, wie z. B. Rohrleitungen, Leitplanken oder ähnliches, entlang der Bahntrasse verlegt werden. Zäune oder Mauern, die sich entlang der Bahntrasse befinden, sind nicht mit der Bahnerde zu verbinden. Nach Möglichkeit sollte der Berührungsschutz der Schutzerdung vorgezogen werden.^[5] Um den Rückführungsstrom der Gleichstrombahnen vom Erdreich wirksam zu trennen, müssen die Schienen von Gleichstrombahnen, insbesondere in Bereichen, in denen mit der Beeinflussung durch Streuströme beeinflusst werden, gegenüber dem Erdreich isoliert verlegt werden.^[2] Nach Möglichkeit sollte ein engmaschiger Potentialausgleich zur Vermeidung von Potentialunterschieden erstellt werden. Rohrleitungen, die entlang der Bahntrasse verlegt werden, sollten zum Schutz gegen Lochfrass mit einer Isolierschicht versehen sein. Besonders geeignet sind hier Vollschutzrohre mit optimalem Korrosionsschutz und Zementmörtelumhüllung. Diese Rohre haben keine Verbindung zur Bahn- oder Netzerde, sind aber trotzdem gut elektrisch leitend miteinander verbunden. Dadurch kann es nicht zu Potentialunterschieden kommen.^[7]

Einzelnachweise

1. ↑ ^{a b} Lothar Fendrich (Hrsg.): Handbuch Eisenbahninfrastruktur. Springer Verlag, Berlin Heidelberg 2007, ISBN 3-540-29581-X
2. ↑ ^{a b c d e f} Ulrich Bette: Rückstromführung, Erdung und Potentialausgleich im Nah- und Fernverkehr. Technische Akademie Wuppertal e.V. (abgerufen am 21. Juli 2011)
3. ↑ Christian Budde: Vergleich der Bahnerdungskonzepte verschiedener 16,7-Hz-Bahnen. In Bahn Praxis Spezial E1/ 2007 (abgerufen am 22. Juli 2011)
4. ↑ ^{a b} Reinhold Bräunlich, Günther Storf, Max Sigg: Erdungsmessungen in Unterwerken der schweizerischen Bundesbahnen. (abgerufen am 21. Juli 2011)
5. ↑ ^{a b c d e} Schweizerischer Verband der Strassen- und Verkehrsfachleute: Erdungshandbuch. Regelwerk Technik Eisenbahn, Bern 2008
6. ↑ Wolfgang Vesper: Wechselstromkorrosion. Mitteilung des Fachverbandes Kathodischer Korrosionsschutz e.V. (abgerufen am 22. Juli 2011)
7. ↑ ^{a b} Rene Mathys: Zusammenschluss der Bahn- und Netzerdung (abgerufen am 22. Juli 2011)