Stromsystem und Oberleitung

Geschichtliche Entwicklung

Fahrleitung in Österreich
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Als Werner Siemens am 31. Mai 1879 in Berlin seine erste elektrisch betriebene Lokomotive präsentierte, wurde der kleinen Maschine der Gleichstrom durch die gegeneinander isolierten Flacheisen-Fahrschienen zugeführt. Erste Anwendungen dieses Prinzips waren Grubenbahnen und kurzzeitig auch die erste Straßenbahn von 1881. Da die Gefahr von Stromschlägen bei Überschreiten und Betreten der unter Spannung stehenden Gleisanlage für Mensch und Tier (Hufeisen!), zu groß war, wurden sehr schnell Oberleitungen eingeführt.

Elektrischer Vollbahnbetrieb begann erst 1895, und zwar in den USA. Zu dieser Zeit waren Oberleitungen, auch Fahrleitungen genannt, bereits Stand der Technik. Unterschieden wurden sie, stets von unten bestrichen, nach Art des Stromabnehmers mit Schleifbügel, Schleifschuh oder Rolle sowie nach Art der Aufhängung. Versuche mit drei Fahrdrähten zwecks Zuführung von Dreiphasen-Wechselstrom (Drehstrom) wurden zwar unternommen, konnten jedoch nicht praxisgerecht sein. Ab 1904, in Österreich beginnend mit der Stubaitalbahn, wurde Einphasen-Wechselstrom für den Bahnbetrieb eingeführt. Ein Fahrdraht reicht hier wie bei den Gleichstrombahnen aus. Nur bei Oberleitungsomnibussen als Spezialfall der „gleislosen elektrischen Bahn“ und fünf Eisenbahnen weltweit sind bis heute zwei Fahrdrähte (Pole) erforderlich, um den Stromkreis zu schließen. Bei allen Schienenbahnen mit externer Energieversorgung bilden ansonsten die stählernen Schienen des Fahrweges den Rückleiter.

Bahnstromarten

Elektrische Energie für den Bahnbetrieb wird in unterschiedlichsten Spannungen und – bei Wechselstrombahnen – auch unterschiedlichsten Frequenzen bereitgestellt. Diese Bandbreite ist einerseits historisch bedingt, andererseits auch von landestypischen Faktoren abhängig und zudem im Zuge der technischen Weiterentwicklung Veränderungen unterworfen. So fahren beispielsweise Gleichstrombahnen in abgeschlossenen Netzen, die einst mit 500 V oder 600 V versorgt wurden, heute durchaus unter 750 V bis 1.000 V. So sind die Übertragungsverluste in der Leitung geringer und zugleich wird die Nutzung rückgespeisten Bremsstromes effektiver. Bahnstromnetze der Vollbahnen hingegen werden zwar stetig ausgebaut, bleiben in der Regel jedoch aufgrund des enormen Umstellungsaufwandes bei der einmal gewählten Art der Bahnstromversorgung. Alle Bahnstromsysteme weichen von den in Westeuropa üblichen überörtlichen Stromnetzen (Dreiphasen-Wechselstrom 50 Hz unterschiedlicher Höchstspannung) ab. So sind Hochspannungsmasten für Bahnen leicht von jenen der Landesnetze zu unterscheiden: Bahnstromleitungen werden immer paarig geführt, jene der allgemeinen Landesnetze in Dreiergruppen.

Gleichstrom und Wechselstrom

Zweiteiliges Stromschienensystem der Londoner U-Bahn (630V Gleichstrom) zur Verhinderung von Streustrom
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Mit Gleichstromsystemen (DC, Direct Current) begann die Elektrifizierung der Bahnen. Gleichstrommotoren sind einfach aufgebaut und robust. Sie sind gut zu regeln und haben ein hohes Anfahrmoment, allerdings erfordert ihre Steuerung verlustbehaftete Widerstände. Diese werden im Anfahrvorgang nach und nach abgeschaltet. Ein weiteres Problem ist, dass Gleichstrommotoren hoher Leistung auch hohe Ströme benötigen, da die Spannung unverändert und zumeist recht niedrig ist (Leistung gleich Spannung mal Strom, P = U·I). Für hohe Ströme ist jedoch ein großer Leiterquerschnitt erforderlich. Gleichstrom kann nicht verlustfrei über größere Distanzen geleitet werden. Erst mit steigender Spannung und daher kleinerem Strom sinken die Leitungsverluste. Wenn Vollbahnen mit Gleichstrom betrieben werden, ist ihr Kennzeichen daher die im Allgemeinen gegenüber Straßenbahnen und elektrischen Kleinbahnen mit ihren regional begrenzten Netzen (600 bis 1.200 V) höhere Spannung von 1.500 oder 3.000 V.

Wechselstromsysteme (AC, Alternating Current) sind ähnlich weit verbreitet wie Gleichstrombahnen, doch geht wegen ihrer Vorteile der Trend bei umfassenden Elektrifizierungen, neuen Netzen oder neuen Hochleistungsstrecken zum Wechselstrom. Dessen großer Vorteil ist, dass er transformiert werden kann. Hohe Spannungen lassen sich mit vergleichsweise geringen Leitungsverlusten auch über große Strecken transportieren, idealerweise als Dreiphasen-Wechselstrom (Drehstrom, „Höchstspannungs-“ und „Hochspannungs-Landesnetze“ der Stromversorgung, Hochspannungs-Bahnstromnetze). An Übergabestellen wird aus dem Landesnetz für die Bahn der Einphasen-Wechselstrom niedrigerer Spannung erzeugt („Umspannwerke“, Abstand etwa alle 60 bis 80 km). Üblich sind in Deutschland, Österreich und der Schweiz 15 kV. Die 50-Hz-Frequenz der Zuleitungen konnte anfangs in Wechselstrommotoren nicht befriedigend umgesetzt werden, es entstand eine Drittelung auf 16 2/3 Hz, heute 16,7 Hz. Andere Bahnen nutzen 25 Hz. Sollte in einem Land die Bahn-Elektrifizierung erst begonnen werden, kann das Netz auch mit 50 Hz getaktet sein, moderne Motoren mit Leistungselektronik verarbeiten dies problemlos.

Überblick Stromsysteme in der EU

In Europas landesweiten Eisenbahnnetzen sind vor allem vier Stromsysteme verbreitet, teilweise auch grenzüberschreitend wie beispielsweise im Raum Deutschland/Österreich/Schweiz oder in Südosteuropa. Andererseits gibt es in manchen Staaten zwei unterschiedliche Bahnstromsysteme ihrer Vollbahnen (Frankreich, Spanien, Russland). All dies ist historisch gewachsen, war manchmal als bewusste Abgrenzung zum Nachbarn auch politisch bedingt. Die vier häufigsten Stromsysteme der Vollbahnen in Europa sind: 

  • Gleichstrom 1.500 V DC
  • Gleichstrom 3.000 V DC
  • Wechselstrom 15 kV AC 16,7 Hz
  • Wechselstrom 25 kV AC 50 Hz

Der früher beim Übergang vom einen auf ein anderes Spannungssystem in Grenzbahnhöfen erforderliche Lokwechsel wird durch die Verbreitung von Mehrsystemlokomotiven, die bis zu vier Bahnstromarten verarbeiten können, nach und nach entbehrlich – sofern diese Triebfahrzeuge die von Land zu Land unterschiedlichen Zugsicherungssysteme an Bord haben. Allerdings fällt die Leistung von Mehrsystemlokomotiven je nach Stromart und Spannung möglicherweise unterschiedlich aus. 

Aufgabe der Fahrleitung

Die Fahrleitung führt elektrisch angetriebenen Fahrzeuge die erforderliche Energie extern zu. Sie ist letztes Glied der Bahnstromversorgung, deren Kette am Kraftwerk beginnt. Die Fahrleitung ist erforderlich, da bei der Bahn die elektrischen Antriebsmaschinen – anders als in der Industrie – mobil, teilweise international unterwegs sind. Daher gelten für das Zusammenspiel von Fahrleitungsanlage und Stromabnehmer bestimmte Normen, denen alle einzusetzenden Fahrzeuge entsprechen müssen. Gegebenenfalls werden unterschiedliche Stromabnehmer montiert (einer für Deutschland und Österreich, ein zweiter für die Schweiz).

In der Regel und bei allen kontinentaleuropäischen Vollbahnen ist die externe Stromversorgung per Fahrleitung als Oberleitung ausgebildet, die dem Verbraucher den elektrischen Strom von oben her zuführt. Als Oberleitung dienen entweder spezielle Drahtprofile aus Kupferlegierungen oder kleine Schienenprofile, etwa in Tunneln. Bei einigen S- und U-Bahnen sind statt Oberleitungen Stromschienen als seitliche, dritte Schiene installiert, was engere Tunnelquerschnitte ermöglichte und somit Baukosten senkte. Hier ist die Spannung allerdings auf 1.000 V AC oder 1.500 V DC begrenzt. Zweisystem-S-Bahnen in Hamburg können sowohl unter Fahrdraht als auch an seitlicher Stromschiene verkehren. Noch geringer ist die Verbreitung unterirdischer Stromzuführung, wie sie bei einigen Straßenbahnen insbesondere in Frankreich auf innerstädtischen Streckenabschnitten verwirklicht wurde. Sie ist an einem abgedeckten Schlitz mittig zwischen den Schienen des Gleises – die Fahrleitung verläuft hier im Untergrund – zu erkennen.

Oberleitungen von Hochgeschwindigkeitsstrecken sind wegen der mechanischen Belastungen nicht nur konstruktiv anders gestaltet als jene an herkömmlichen Bahnanlagen, sie bestehen auch aus einer speziellen Legierung. Diese sorgt für besseren Kontakt, verringert somit

Spannungsabrisse zwischen Fahrdraht und Stromabnehmer. Der TGV in Frankreich zeigt, dass Geschwindigkeiten bis 350 km/h im Regelbetrieb problemlos möglich sind. Für die bekannten Rekordfahrten hingegen wurde die Oberleitungsanlage verstärkt.

Bauarten der Oberleitung

Kettenwerk zur Spannung und Fixierung der Oberleitung
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Bei der Vielfalt elektrischer Bahnen von Werksbahnen über Straßenbahnen bis zum Hochgeschwindigkeitsverkehr überrascht es nicht, dass es auch unterschiedlichste Oberleitungskonstruktionen gibt.

Grundsätzlich können zwei Bauarten unterschieden werden: Der Einfachfahrdraht ist eine schlichte Leitung an Befestigungspunkten. Die Kettenfahrleitung kann seitlich abgespannt als Flachkette oder mit Tragseil als senkrecht ausgebildete Hochkette ausgeführt sein. Bei Vollbahnen ist die Hochkette oder Kettenfahrleitung mit Tragseil, Aufhängungen, Beiseilen, Abspannungen und den alles tragenden Fahrleitungsmasten üblich. Da der Fahrdraht möglichst horizontal verlaufen soll, wird er gespannt. Die Oberleitungskonstruktion muss diese horizontalen Kräfte ebenso wie auftretende vertikale Kräfte (Stromabnehmer-Anpressdruck, Eigengewicht) und die unvermeidlichen Schwingungen aufnehmen können. Fahrdraht und Tragseil werden hierfür separat abgespannt und unter Zug gehalten.  

In regelmäßigen Abständen sind Speisepunkte vorhanden, auch können Streckenabschnitte elektrisch voneinander getrennt sein. Bogenabzüge an der Bogenaußenseite lassen die Oberleitung dem Gleisbogen in Form eines Polygonzugs folgen. Um den Verschleiß an der Schleiffläche des Stromabnehmers zu verringern, ist jeder Fahrdraht in einem steten Zickzack-Verlauf innerhalb vorgegebener Grenzen relativ zur Gleismitte verspannt.