Die Schweizerischen Bundesbahnen SBB transportieren jährlich 366 Millionen Fahrgäste und täglich 210 000 Tonnen Güter. Sicherheit und Zuverlässigkeit haben höchste Priorität, im Stellwerk eines Bahnhofs muss alles reibungslos funktionieren, damit ein Zug einfahren kann: Die Bahnschranke schließen, die Weichen sind korrekt gestellt, die Signale zeigen freie Fahrt sowie eine Geschwindigkeitsbegrenzung an. Zudem darf sich auf keinen Fall ein Zug auf dem zu befahrenden Gleis befinden - nur dann geht ein Signal auf Grün. Dabei kommt die Gleisfrei-Meldeeinrichtung ins Spiel, ein sicherheitsrelevanter Teil der Signalanlagen. Die SBB arbeitet hier mit der Gleisisolierung, die meldet, ob ein Gleis frei ist und der Zählung der Zug-Achsen.
Der kleine Bahnhof Münchenbuchsee bei Bern nutzt für die Gleisfrei-Meldung ein Spurplan-Relaisstellwerk. Aufbau und Verkabelung der Innenanlage entsprechen exakt der Anordnung der Elemente in der Außenanlage. Ein Relaisstellwerk verarbeitet die gemeldeten Zustände der Gleisstromkreise. Wenn alle anderen Aktoren wie Weichen, Barrieren oder Zugsicherung den betrieblich notwendigen und sicheren Zustand haben, werden die Signale auf Grün gesetzt - Personal ist nicht vor Ort. Grundsätzlich läuft alles automatisch, der Fahrdienst überwacht den Bahnhof von der Leitebene aus in Bern. Wird das Gleis aufgrund einer Störung als besetzt gemeldet, kann niemand prüfen, ob tatsächlich ein Zug dort steht. „Die Konsequenz ist, dass der Lokführer des nachfolgenden Zuges die Anweisung erhält, auf Sicht zu fahren“, sagt Markus Zemp, Fachspezialist Sicherungsanlagen im Bereich Infrastruktur-Instandhaltung bei der SBB. „Deshalb muss die Gleisfrei-Meldeeinrichtung immer voll funktionsfähig sein. Bei Fehlern kommt es zu Verspätungen.“
Redundanz für maximale Sicherheit
Die Achszählung kommt als Gleisfrei-Meldeeinrichtung im drei Kilometer entfernten Bahnhof Zollikofen zum Einsatz. Dafür sind am Anfang und Ende des Freimeldeabschnittes elektromagnetische Impulsgeber, die Achszähler, an den Schienen installiert. Jede darüber fahrende Achse erzeugt einen Impuls. In der Steuerung erfolgt der Abgleich, so dass eine Freimeldung der Gleise abgesetzt wird, sobald genauso viele Achsen den Bahnhof verlassen haben wie herein gekommen sind. Liefern die Achsenzähler unterschiedliche Ergebnisse, wird auf besetzt geschaltet.
„In unseren Stellwerken setzen wir die Netzteile Quint Power ein, je nach Bedarf mit 12, 24 oder 48 V DC Ausgangsspannung“, so Zemp. Sie liefern zum Beispiel die Spannung für die Gleisstromkreise, die Achszählung, den automatischen Signalbetrieb oder die Steuerung der Weichenheizung. Der gesamte Aufbau ist soweit wie möglich redundant ausgelegt, von der Netzversorgung des Stellwerks bis hin zur Versorgung der DC Spannungen. Für die Gleisstromkreise kommen 12-V-Stromversorgungen mit 15 A Nennstrom zum Einsatz. Die Eingangsspannung von 230 V AC liefert die USV, welche aus dem 50-Hz-Ortsnetz und dem 16,7-Hz-Bahnnetz gespeist wird. Bei einem doppelten Netzausfall wird die Versorgungsspannung für eine Stunde über die Batterie der USV aufrechterhalten. Auch die Gleichstromnetzteile arbeiten redundant. Kommt es zu einem Fehler in einem der Versorgungszweige, übernimmt das zweite Gerät die komplette Versorgung der Gleisfrei-Meldeanlage. Daher sind die Netzteile so dimensioniert, dass der gesamte Strombedarf in allen Betriebszuständen von nur einem Modul abgedeckt werden kann. Ein Spannungsüberwachungsrelais überwacht zudem die Ausgangsspannungen der Netzteile und schaltet bei Unter- oder Überspannung die 230-V-AC-Zuleitung des betroffenen Geräts ab.
Die Parallelschaltung von zwei Netzteilen birgt einige Risiken. Tritt ein Kurzschluss in der wegführenden Leitung auf, sinkt die Spannung an der Last auf 0 V, da der gesamte Strom in den Kurzschluss fließt. Zu große Last oder ein falsch angeschlossenes Netzteil führen ebenfalls zu Problemen. „Zur weiteren Erhöhung der Betriebssicherheit entkoppeln wir deshalb über eine Diode beziehungsweise einen Oring die parallel geschalteten Netzteile. So hat ein Kurzschluss am Ausgang des Netzteils keinen Einfluss auf die Versorgung der Last“, sagt Zemp. Er zählt auf die aktiven Redundanzmodule Quint Oring. Sie überwachen die redundante Lösung von den Ausgangsspannungen der Stromversorgungen bis zum Laststrom. Das Oring-Modul erkennt kritische Betriebszustände und teilt sie frühzeitig mit.
Symmetrische Lastaufteilung
Zudem wird der Laststrom überwacht, was einen erheblichen Vorteil bei Um- oder Ausbauten von Anlagen bedeutet: Schließt der Anwender zusätzliche Lasten an eine redundante Stromversorgung an, kann dies zum Verlust der Redundanz führen. Das Oring-Modul informiert den Anlagenbetreiber sofort über die Überlast. Weitere Gründe für Oring im Vergleich zu Dioden sind die ACB-Technologie (Auto Current Balancing) und der geringe Eigenverbrauch. ACB sorgt für eine symmetrische Belastung der Stromversorgungen. Dabei wird die Eingangsspannungsdifferenz zwischen den Stromversorgungen kontinuierlich ermittelt und bis zu einer Abweichung von 300 mV automatisch ausgeregelt. Der Laststrom teilt sich somit vollkommen symmetrisch auf. Das ist wichtig, denn bei asymmetrischer Belastung ist ein Netzteil stärker belastet als das andere. Dies führt zu einer höheren thermischen Belastung und einer schnellen Alterung.
Das Quint Oring-Modul bietet die potentialfreien Signalkontakte „Redundancy OK“ und „ACB OK“. Würde eine Fehlermeldung abgesetzt, erkennt ein Techniker vor Ort anhand eines Bargraphs die Auslastung der Stromversorgungen auf einen Blick. Oring-Module arbeiten mit Mosfets statt mit herkömmlichen Dioden, die entstehende thermische Belastung reduziert sich um bis zu 70 Prozent. Diese geringere Verlustleistung sorgt dafür, dass alle Komponenten kühler bleiben und die Gerätelebensdauer insgesamt erhöht wird.
