Modernisierung von Bahninfrastruktur mit Knick Hochspannungs-Trennverstärkern und Dewesoft DAQ-Systemen

In großen und kleinen Städten nutzen täglich Milliarden von Menschen weltweit den öffentlichen Nahverkehr. Der Bahnbetrieb erfordert die Überwachung und Wartung von Hunderten von Fahrstromunterwerken, Leistungsschaltern, Transformatoren, Gleichrichtern und Schutzrelais. In der Bahninfrastruktur müssen zahlreiche Größen wie Spannung, Strom und Temperatur kontinuierlich erfasst werden. Eine Nahverkehrsgesellschaft stand vor dem Problem, dass die schiere Anzahl an Kanälen mit den vorhandenen Messsystemen nicht zu erfassen war. Zur Bewältigung dieser Herausforderung suchte die Nahverkehrsgesellschaft nach Hochspannungsmessgeräten und Datenerfassungssystemen für die Bahntechnik. Welche Lösung sie fand – und welchen Nutzen sie daraus zog – erfahren Sie im folgenden Beitrag.

Die Herausforderung

Die Überwachung von Spannung, Strom und Temperaturen in Fahrstromunterwerken Bahnstromunterwerken und Kuppelstellen stellt hohe Anforderungen an die Technik – insbesondere bei Anlagen mit Hochgeschwindigkeits-Leistungsschaltern, Transformatoren, Gleichrichtern und Schutzrelais. Die Überwachung von TriebwagenFahrzeugen, Strom- und Spannungswerten sowie Unterwerkskomponenten ist eng miteinander verknüpft – und erfordert hochisolierende DAQ-Systeme und Hochspannungs-Messumformer. Die Ingenieure der Verkehrsgesellschaft erkannten den Bedarf an einem dezentralen System zur synchronen Datenerfassung – und begaben sich auf die Suche nach einer Lösung.

Da die Züge der Verkehrsgesellschaft elektrisch betrieben werden, ist die Überwachung hoher Spannungen und Ströme von zentraler Bedeutung. Damit die Erfassung dieser Daten sicher erfolgen kann, muss die eingesetzte Hardware über eine zuverlässige Potentialtrennung verfügen. Die Messungen müssen außerdem äußerst genau und schnell erfolgen. Die richtige Einordnung dieser elektrischen Größen im Zusammenhang mit der Leistungsfähigkeit der Unterwerksausrüstung ist entscheidend.

Kurzschlüsse und andere potenziell gefährliche Ereignisse lassen sich dank der direkten Kommunikation zwischen Messumformer, Schutzrelais und Hochgeschwindigkeits-Leistungsschalter frühzeitig erkennen und schnell beheben. Sicherheit, Geschwindigkeit und Genauigkeit sind entscheidend, um transiente Vorgänge unter wechselnden Betriebsbedingungen zuverlässig aufzuzeichnen.

Transformatoren und Gleichrichter wandeln den Strom aus der Wechselspannung des Stromnetzes um und speisen ihn in das Bahnstromsystem ein. Temperaturanstiege können auf lose, verschlissene oder defekte elektrische Anschlüsse hinweisen – es ist daher unerlässlich, sie an verschiedenen Messpunkten zu überwachen.

Durch eine genaue Spannungs-, Strom- und Temperaturüberwachung kann die Nahverkehrsgesellschaft Probleme beheben, bevor sie den Betriebsablauf beeinträchtigen oder zu Sicherheitsmängeln führen. Durch die kontinuierliche Überwachung kann die Verkehrsgesellschaft den Gesamtzustand der Bahnanlagen ermitteln und gleichzeitig wertvolle historische Daten erfassen, um die Ursachen von Systemstörungen zu analysieren. Wartungsteams bleiben so jederzeit über den Zustand der Anlagen informiert – und potenzielle Betriebsunterbrechungen lassen sich gezielt vermeiden.

Die Ingenieure der Nahverkehrsgesellschaft analysierten den Markt und stießen dabei auf die hochisolierenden Messumformer von Knick und das DAQ-System Krypton von Dewesoft:

Lösung Nr. 1: Knick-Messumformer

Die elektrischen Vorgaben der Verkehrsgesellschaft enthalten eine umfassende Liste an Anforderungen an die Messumformer. Dazu zählt eine dauerhaft wirksame Isolation ab 2,2 kV zur Absicherung gegen Dauerspannungen – sowie eine Prüfspannung von 10 kV für den Schutz vor transienten Überspannungen. Um transiente Signalverläufe präzise zu erfassen, müssen die Messwerte bis mindestens 200% des Nennbereichs des Messumformers linear sein. Die Übertragungsgeschwindigkeit spielt eine zentrale Rolle: Eine 90%ige Änderung des Eingangssignals muss innerhalb von 110 Mikrosekunden am Ausgang erscheinen – bekannt als T90.

Prüfdaten mit Knick-Messumformern der Serie P41000 belegen die Linearität bis zum Doppelten des Nennbereichs.

Die Nahverkehrsgesellschaft entschied sich für Knick-Strommessumformer der Serie P41000 und Knick-Spannungsmessumformer der Serie P42000. Diese Modelle erfüllen die Anforderungen des Projekts – oder übertreffen sie sogar und haben sich über viele Jahre als Standard-Messumformer für anspruchsvolle Anwendungen im Bahnbereich etabliert.

Diese kompakten Geräte lassen sich auf DIN-Tragschienen montieren. Die Ein- und Ausgangsparametrierung kann flexibel gewählt werden. Die Universal-Spannungsversorgung unterstützt 20 bis 253 V AC / DC. Die galvanische 3-Port-Trennung zwischen Eingang, Ausgang und Versorgung bietet einen dauerhaften Spannungsschutz bis 3.600 V AC/DC.

Der P41000 misst den Strom über die Shunt-Spannung – in diesem Fall mit einem von der Verkehrsgesellschaft gewählten Nenneingang von ±50 mV. In Verbindung mit einem leistungsstarken Shunt können so Ströme bis zu 25 kA DC präzise und sicher gemessen werden.

Mit dem Spannungsmessumformer P42000 plante die Nahverkehrsgesellschaft die Überwachung eines bipolaren Nennbereichs von 1.000 V DC – und die Erkennung von Systemstörungen bis ±2000 V DC. Die Vorteile der Hochspannungs-Messumformer von Knick in Bahnsystemen zeigten sich sofort – sie liefern Daten auch bei Grenzfrequenzen über 5 kHz.

Knick’s P41000 and P42000 series high-voltage transducers

Lösung Nr. 2: KRYPTON

KRYPTON DAQ-Module vereinen Schutzart IP67, einen extremen Betriebstemperaturbereich von -40 bis +85 °C (-40 bis +185 °F) und eine Stoßfestigkeit bis 100g – und das ohne Leistungseinbußen. Durch ihr kompaktes Design lassen sich die KRYPTON-Module problemlos in die Schaltschränke der Nahverkehrsinfrastruktur integrieren.

Die KRYPTON DAQ-Serie von Dewesoft umfasst Einzel- und Mehrkanalmodule.

KRYPTON-Module nutzen 24-Bit-ADCs mit integrierter Anti-Aliasing-Filterung auf jedem Kanal – für höchste DAQ-Performance. KRYPTON-Module liefern präzise Messergebnisse bei gleichzeitig hoher Bandbreite. Auch die Isolation und die standardisierten Industrieanschlüsse spielten eine zentrale Rolle. Die KRYPTON-Module kommunizieren über EtherCAT – eine speziell für DAQ-Systeme angepasste Ethernet-Schnittstelle zur Übertragung von Strom, Signalen und Zeitinformationen über nur eine Leitung. Das EtherCAT-Protokoll sorgt für die Zeitsynchronisation aller Module in der Messkette.

Mit 20-kHz-Abtastrate führt das KRYPTON 8xLA-Modul gleichzeitig FFT- und Oberschwingungsanalysen aller analogen Eingänge durch. Funktionen wie die Erstellung eigener Formeln, Filter und Statistiken in Echtzeit machen Dewesoft zur idealen Lösung.

Die digitalen Eingänge der KRYPTON 16xDI-Module erfassen präzise die digitalen Ein-/Aus-Signale von DC-Relais. Diese digitalen Signale lösen vor und nach dem Abschalten eines Leistungsschalters eine Aufzeichnung mit maximaler Abtastrate aus und erfassen dabei kurzzeitige Spannungsspitzen verlustfrei und mit hoher Genauigkeit. Diese Hochgeschwindigkeitsaufzeichnungen sind entscheidend für die Ermittlung der Ursachen von Störungen und unterstützen die Ingenieure der Nahverkehrsgesellschaft dabei, Lösungen zu entwickeln und künftige Störungen zu vermeiden.

KRYPTON 8xLA Modul

KRYPTON 16xDI Modul

Fazit

Die Nahverkehrsgesellschaft investierte strategisch in Lösungen von Knick und Dewesoft, um ihre Bahninfrastruktur aufzurüsten. Die skalierten Ausgänge der Knick-Messumformer passen perfekt zu den Eingängen der KRYPTON-Module von Dewesoft. Diese Geräte erfassen und analysieren sowohl historische als auch Echtzeitdaten – so können die Ingenieure der Verkehrsgesellschaft fundierte Entscheidungen treffen. Sie können unerwartete Ausfälle des Stromverteilungssystems in Echtzeit erkennen und darauf reagieren. Die Sicherheit ihrer elektrischen Systeme – und der Menschen, die sie nutzen – steht für sie an erster Stelle.

Die Überwachung und Instandhaltung von Fahrstromanlagen ist eine echte Herausforderung. Die Kombination aus den vorgestellten Lösungen und dem Know-how der Ingenieure der Nahverkehrsgesellschaft reduzierte Ausfallzeiten, verbesserte die Performance und steigerte die Effizienz. Diese Verbesserungen steigern die Zufriedenheit der Fahrgäste.