DeGrA: Detektoren und der Begriff Gleisschaltmittel

Um ausgehend von der Position eines Schienenfahrzeugs Aktionen in sicherungstechnischen Anlagen hervorzurufen, werden Detektoren im oder am Gleis verwendet. Sie beinhalten ein Sensorsystem und veranlassen in einfachster Form das Öffnen und Schließen eines elektrischen Kontakts bei der Detektion eines Fahrzeugs. [21,27]

Ein nachgelagertes System bildet aus der erkannten Befahrung eines oder mehrerer Detektoren die für das jeweilige Einsatzgebiet benötigten Informationen. Hierzu können die Fahrtrichtung, die Geschwindigkeit, das Erreichen eines Punktes mit der Zugspitze oder das vollständige Verlassen eines Abschnitts gehören. [7] Im Beispiel einer Bahnübergangssicherungsanlage ist die technische Sicherung des Bahnübergangs (BÜ) an einem gewissen Standort des Zuges einzuschalten und erst nach vollständigen Verlassen des BÜ auszuschalten.

Die einzelnen Detektoren lassen sich nach ihrem Wirkungsbereich gruppieren. Hierzu zählen punktförmige (stellenweise am Gleis), linienförmige (bereichsweise entlang der Schiene) und räumlich (Gleisflächen umfassend) wirkende Detektoren. Weiter lassen sie sich nach ihrem Arbeitsprinzip und der Art der Detektion unterscheiden. [21,27]

Die für Schalt- und Meldeaufgaben verwendeten Detektoren werden unter dem Oberbegriff Gleisschaltmittel zusammengefasst. Sie können weiter nach ihrer spezifischen Aufgabe, bspw. als Einschaltkontakt oder Anrückmelder, oder entsprechend ihrer Wirkweise genauer bezeichnet werden. Je nach Einsatzzweck kann das gemeinsame bzw. nacheinander zu erfolgende Wirken von Detektoren vorgegeben werden. Eine Teilmenge von Detektoren kommt besonders in Gleisfreimeldeanlagen zum Einsatz. Sie dienen dort der Feststellung des Frei- oder Besetztzustandes von Gleisabschnitten. [21]

Diese Themenreihe behandelt im Folgenden die Arbeitsprinzipien der Detektoren unabhängig von ihrem nachgelagerten Einsatzzweck, wobei an den jeweiligen Stellen auf die Verwendung hingewiesen wird. Das auswertende System der Detektoren wird hier nicht dargestellt. Für den Fall der Gleisfreimeldung wird auf die Beiträge in GlGlA, GlGlB, GlGlC und GlAzA verwiesen.

Diese Themenreihe ist meinem Vater gewidmet, der die Erstellung der Inhalte interessiert verfolgte, sie dabei wenig durchdrang aber stets hinterfragte und der ihre Fertigstellung nicht mehr erleben konnte.

DePuA: Punktförmig wirkende Detektoren (Schienenkontakt)

Punktförmige Detektoren reagieren auf ein einzelnes Rad an der Schiene. Sie werden daher allgemein als Schienenkontakte oder Radsensoren bezeichnet. Durch sie wird die Position eines fahrenden und im Regelfall auch stehenden Schienenfahrzeugs an einem bestimmten Punkt festgestellt. Zur Erkennung der Fahrtrichtung sind zwei Schienenkontakte nebeneinander zu installieren oder aus zwei Sensorsystemen zusammengesetzte Schienenkontakte zu verwenden. [21,22]

Schienenkontakte müssen an ihre spezifische Umgebung angepasst werden. Neben den Anbaubedingungen an die Schiene muss eine ortsspezifische Kalibrierung erfolgen. Sie wird je nach Technik unter Zuhilfenahme von Arbeitsmitteln (Einstelllehre) manuell oder während des laufenden Betriebs automatisch ausgeführt. Sie gewährleistet zugleich die Erkennung von Störzuständen, wie eine veränderte Position des Schienenkontakts.

Im Laufe der Zeit wurden bedingt durch den technologischen Fortschritt und sich verändernde Betriebsbedingungen (bspw. schnellere Fahrgeschwindigkeiten, Störeinflüsse durch Traktionsleistungen und Magnetschienenbremsen) unterschiedlich arbeitende Schienenkontakte realisiert [8,12]. In ihrer Anfangszeit wurden sie vorwiegend als Gleisschaltmittel zur Erkennung eines Fahrzeugs an sich verwendet. Durch die später ermöglichte achssensible Erfassung bilden sie heutzutage die Basis für Gleisfreimeldeanlagen mit Achszähltechnik.

Nachfolgend werden die Arbeitsprinzipien in ihrer chronologischen Entstehungszeit zusammen mit konkreten Schienenkontakten aufgeführt.

Mechanisch arbeitend

Die sogenannten Radtaster markierten im 19. Jhd. mit ihrem mechanischen Wirkprinzip den Startpunkt in der Entwicklung von Schienenkontakten. Sie bestehen aus mehreren federbelasteten Schalthebeln, die bei einer Überfahrt eines Rades heruntergedrückt werden und wiederum elektrische Kontakte betätigen. Je nach Bauform werden diese außen am Gleis von der Lauffläche des Rades oder auf der Gleisinnenseite durch den Spurkranz betätigt. [8,15,21,22]

Durch das mechanische Wirkprinzip sind sie einerseits unempfindlich gegen magnetische oder elektromagnetische Felder. Andererseits besteht durch die die Verschiedenheit von Rädern ein hohes Fehlerpotential, das den hohen Anforderungen zur Verhinderung einer unberechtigten Auslösung gegenübersteht. Radtaster wurden bis in die 1940er Jahre verwendet, jedoch schon in den Jahrzehnten davor durch Schienenkontakte anderer Wirkprinzipien ersetzt. Später kamen Nachfolgeversionen in verbesserter Bauform auf. Diese finden heutzutage als Meldekontakte in einigen Rottenwarnanlagen Anwendung. [8,15,19,22,29]

Hydraulisch und Pneumatisch arbeitend

Schienenkontakte nach hydraulischen und pneumatischen Wirkprinzipien nutzen den Umstand aus, dass das Gewicht des Fahrzeugs durch die vorliegende Achslast eine geringe Durchbiegung der Schienen verursacht. Hierzu wurden Ende des 19. Jhd. sogenannte Plattenstromschließer bzw. Scheibenstromschließer entwickelt. Sie arbeiten hydraulisch auf Basis einer Druckänderung in einem Zylinder- und Kolben-Gefüge. Als Flüssigkeit wurde zunächst Quecksilber, später Hydrauliköl eingesetzt. [19,21]

Technische Unzulänglichkeiten führten ab dem Jahr 1920 zu einer Umstellung auf ein pneumatisches Prinzip: Die durch eine Überfahrt verursachte Krafteinwirkung führt zu einer Volumenänderung in luftdichten Druckkammern, damit verbundenen Druckunterschieden und der Auslösung eines elektrisch leitenden Kontaktes. Es folgte die Vorstellung des Neptun-Kontakts des gleichnamigen Herstellers sowie dem vom Werk für Signal- und Sicherungstechnik Berlin (WSSB) gefertigten Schienenstromschließer. [21,23] Die Entwicklung von pneumatischen Kontakten fand ihren Höhepunkt mit dem 1944 eingeführten Schienenkontakt S 44 von Siemens & Halske. [21,26]

Aufgrund stetig steigender Anforderungen des Bahnbetriebs wurde später Abstand von diesem Wirkprinzip genommen. Der S 44 ist vereinzelt jedoch bis heute im deutschen Schienennetz anzutreffen und findet als Gleisschaltmittel an Bahnübergängen oder bei der Isolierten Schiene (siehe DeZuA) Anwendung.

Schienenkontakt S 44

Der später zur Einheitsbauform erhobene Schienenkontakt S 44 konnte in seiner ersten Version die Nachteile der Quecksilberkontakte seiner Vorgänger durch die Verwendung eines vollständig auf Luft basierenden Systems überwinden. [21,26]

Mit dem Aufkommen von Schienenbussen galt es ab 1950 sowohl leichte als auch schwere Fahrzeuge sicher zu erkennen. Hierzu mussten Radlasten ab 1,25 t bis zu 12,5 t sowie Schienendurchbiegungen von 0,04 bis 0,09 mm beherrscht werden. [17,18,26] Durch die verbesserte zweite Version des S 44 konnte jenen Anforderungen Rechnung getragen werden. Mit der finalen Version 3 wurde eine rüttelsichere Bauform herausgebracht. [18]

 

Der S 44 besteht aus einem Gußgehäuse, welches eine Druckkammer beinhaltet und unterhalb der Schiene in einem Schwellenfach montiert wird. Seitlich befindet sich ein Kontakteinsatz mit mehreren, den Durchfluss regulierenden Vorrichtungen sowie einer Membran mit zwei Membranräumen und einem elektrischen Kontakt mit Öffner und Schließer, wobei die hier gezeigte Version 3 über ein Doppelventil verfügt. Das Gefüge bildet zusammen einen luftdichten Kreislauf. Ein an der Schienenunterkante anliegender Druckstöpsel stellt die Verbindung zwischen der Schiene und der Druckkammer her. [17,18,21,26]

Die Befahrung der Schiene verursacht sinusförmig verlaufende Durchbiegungen (stark übertriebene Darstellung).

Beim Annähern an den Kontakt (Schiene bewegt sich nach oben) wird in der Kammer unterhalb der Schiene ein Unterdruck erzeugt. Darauf reagiert ein Ventil und lässt Luft aus dem Raum oberhalb der Membran in die Kammer strömen. [18,26]

Befindet sich das Rad direkt über dem Kontakt (Schiene biegt sich nach unten) wird die Kammer durch den Druckstöpsel zusammengedrückt. Die Luft strömt nun durch Umschalten eines Ventils in den unteren Membranraum, wodurch die Membran sich weiter nach oben beugt und einen Kontakteinsatz betätigt. [18,26]

Das Verlassen des Kontaktes (Schiene biegt sich nach oben) verstärkt die Wirkung durch erneutes Ableiten aus dem Raum oberhalb der Membran. [18,26]

 

Durch die Luftdrossel erfolgt ein Druckausgleich zwischen den beiden Räumen. Sie verlangsamt dabei den Luftstrom, damit auch bei schnellen Überfahrten der Kontakt noch eine gewisse Zeit in seinem umgeschalteten Zustand verharrt und angeschlossene Relais sicher anziehen können. Anschließend befindet sich der Schienenkontakt wieder in Grundstellung. [18,26]

Magnetisch arbeitend

Um unabhängig von der Masse des Fahrzeugs zu sein und zugleich einen berührungslos wirkenden Schienenkontakt zu ermöglichen, wurden nach dem Jahr 1945 Forderungen nach neuartigen Schienenkontakten laut. Sie sollten für die Achszählung geeignet sein und die seinerzeit zu diesem Zweck verwendeten mechanischen Radtaster ablösen. [29]

Als Wirkprinzip wurde sich des Magnetismus bedient und der Umstand ausgenutzt, dass magnetischen Feldlinien durch die Verwendung von Materialien hoher Permeabilität (bspw. Eisen) gebündelt und geleitet werden können. Jene Feldlinien können wiederum gezielt durch die Eisenmasse eines Rads bzw. seines Spurkranzes in Richtung und Intensität verändert werden und dadurch die Lage eines Schaltkontakts beeinflussen. [21,29]

Betriebsversuche mit ersten Versionen derartiger Kontakte verliefen erfolgreich, sodass fortan verschiedene Hersteller auf den magnetischen Wirkprinzipien beruhenden Schienenkontakte entwickelten. [25]

Einige der folgend vorgestellten Schienenkontakte (insb. MK und Impulsgeber) sind bis heute in einer großen Stückzahl in Altanlagen zu finden. Aufgrund der Verschiedenheit und des Abnutzungsgrades der Räder sowie einer regelmäßig durchzuführenden Kalibrierung – bedingt durch die das Magnetfeld aufnehmende Schiene und ihres Magnetisierungsverhaltens – stellte sich das Wirkprinzip später als wenig praktikabel für die Achszählung heraus. [21]

Magnetschienenkontakt (MK)

In mehreren Entwicklungsstufen wurde der Magnetschienenkontakt (MK) von Siemens & Halske entwickelt. Hierzu zählen die nach Entwicklungs- oder Anwendungsjahr benannten Bauformen 50, 51, 55 und 59. Die Entwicklung fand mit der Bauform 59 ihren Abschluss. Mit ihr wurden alle in den Bauformen zuvor aufgetretenen Mängel, wie Beeinflussungen durch herabhängende Eisenteile, Magnetschienenbremsen und Temperaturschwankungen, beseitigt. [29] Im Jahr 1976 wurden mit der Einführung eines elektronischen Kontakteinsatzes Beeinflussungen durch Erschütterungen abgestellt. [25]

 

Der MK setzt sich aus mehreren Permanentmagneten und einer Kontakteinrichtung zusammen. Hierzu zählt der Hauptmagnet, der das stärkste Magnetfeld aufweist. Sein magnetischer Fluss wird von der Schiene aufgenommen, durchdringt aber auch eine Kontakteinrichtung. Diese setzt sich aus zwei Polschuhen zusammen, die den magnetischen Fluss des Hauptmagneten durch einen Luftspalt (sogenannter Arbeitsluftspalt) leiten. In dem Spalt befindet sich ein Stück Metall als drehgelagerter Anker, der als Schaltkontakt dient. Damit der Anker durch magnetische Flüsse beeinflusst werden kann, wird dieser mit einem kleinen Magneten polarisiert. Durch den Fluss des Hauptmagneten wird der Anker zu einer Seite gelenkt und in einer Endlage fixiert. [15,21,29]

 

Der Arbeitsluftspalt wird ebenfalls durch den umgekehrt gerichteten Magnetfluss mehrerer Kompensationsmagneten durchflossen. Diese haben im Grundzustand aufgrund ihres schwächeren Magnetflusses keine Einwirkung auf den Anker. Dies ändert sich, wenn ein Rad den Schienenkontakt passiert. In diesem Moment nimmt das Eisenrad einen Großteil des Magnetflusses des Hauptmagneten auf. Im Arbeitsluftspalt verringert sich der Fluss des Hauptmagneten, sodass der Fluss der Kompensationsmagneten überwiegt. Nun lenkt der Anker im Arbeitsluftspalt um. [15,21,29]

Doppel-Schienenkontakt (DMK)

Um die für die Achszählung benötigte Fahrtrichtung ableiten und eine geforderte Überlappung der Impulsfolge zu ermöglichen, wurden zwei MK sich an beiden Schienen gegenüberliegend mit leichtem Versatz montiert. Um Zählfehler durch den Sinuslauf der Achsen sowie verschiedene Formen und Abnutzungen der Räder und Schienen zu reduzieren, sollten alsbald vier MK zusammenwirken. Um den Platzbedarf zu senken und die Schienenkontakte in einem gemeinsamen Schwellenfach unterbringen zu können, erfolgte eine Neukonstruktion. Hierbei wurden zwei MK eingekürzt und in einer gemeinsamen Einheit zusammengefasst. Dieser Aufbau erhielt den Namen Zwillingsmagnetschienenkontakt. Durch die Parallelschaltung zweier derartiger, sich an beiden Schienen gegenüberliegenden Kontakte konnten Zählfehler reduziert werden. Um die Anzahl an Schienenkontakten zu reduzieren und zugleich die geforderte Überlappung der Impulsfolgen innerhalb eines Zwillingsmagnetschienenkontakts zu ermöglichen, erfolgte eine Überarbeitung des Innenlebens. Die neue Version wurde fortan als Doppel-Schienenkontakt (DMK) bezeichnet und ist auf der Abbildung zu sehen. [29]

Magnetisches Gleisgerät

Von WSSB wurde 1954 das Magnetische Gleisgerät entwickelt [25]. Es besteht aus zwei Paaren von Dauermagneten und einem sogenannten Umwandlungsorgan, das ein Kontaktsystem auf Basis eines polarisierten Ankers enthält. Bei einer Überfahrt wird ein magnetischer Fluss verstärkt, wodurch der Anker seine Position ändert. [23]

Da nicht sichergestellt werden konnte, dass bei hohen Geschwindigkeiten und damit verbundenen geringeren Kontaktschließzeiten der Anzug eines nachgelagerten Relais sicher erfolgt, wurden sogenannte Impulsverlängerer nachgeschaltet. Diese können eine Schaltzeit von 8 ms auf mindestens 200 ms verlängern. Sollen stattdessen größere Lasten geschaltet werden (> 1 VA), konnte dem Gleisgerät ein Schaltverstärker nachgeschaltet werden. [23]

Impulsgeber

Der Impulsgeber wurde um das Jahr 1969 von WSSB vorgestellt [4]. Er arbeitet ähnlich wie sein Vorgänger bzw. der MK auf Basis von Dauermagneten, Polschuhen und einem Kompensationskreis. In einer ersten Version beinhaltete der Impulsgeber in seinem Umwandlungsorgan einen Schutzgaskontakt mit einem Kontaktfederpaar, welches durch einen Magnetfluss bestimmter Größe kurzschließt. [23]

Zur Verlängerung der Kontaktdauer wird dem Impulsgeber eine Verzögerungseinrichtung nachgeschaltet, welche sich in einem Gehäuse in unmittelbarer Nähe befindet. [23]

 

1977 wurde eine verbesserte Version des Impulsgebers herausgebracht [25]. Hierbei wurde das Umwandlungsorgan angepasst, welches fortan als Kontaktelement bezeichnet wurde. [23]

Die vormals verwendete Verzögerungseinrichtung wurde durch einen universal einsetzbaren Schaltzeitverlängerer (SZV) ersetzt. Dieser vereint die Eigenschaften des Impulsverlängerers und Schaltverstärkers und wird in einem Gehäuse in Gleisnähe untergebracht. [23]

Induktiv arbeitend

Da die Entwicklung magnetisch arbeitender Schienenkontakte mit den sich steigernden Anforderungen an technische Grenzen stieß, wurde sich mit der Verfügbarkeit neuer Technologien eines neuen Wirkprinzips bedient. Hierbei stand besonders die Beherrschung höherer Fahrgeschwindigkeiten, eines besseren Beeinflussungsschutzes gegen Fremdströme und Magnetfelder sowie eine Kompatibilität mit unterschiedlichen Schienenprofilen und Temperaturbereichen im Fokus. [8,12,22]

Ab den 1960er Jahren entstanden unterschiedliche Produktfamilien von Schienenkontakten, die jeweils auf einem induktiven Wirkprinzip beruhen (siehe auch GlGlA Geschichtliche Entwicklung). Sie unterscheiden sich überwiegend in ihrem Anwendungsgebiet und der zugehörigen Zulassung. Besonders für den Bereich der Achszählung etablierten sich aus zwei Sensorsystemen zusammengesetzte Doppelkontakte, um die Fahrtrichtung ableiten zu können. [21,22]

Von den einzelnen Schienenkontakten können zwei Gruppen gebildet werden. Die erste Gruppe beinhaltet einteilige Bauformen, deren Sensorsysteme in einem gemeinsamen Gehäuse vornehmend an der Gleisinnenseite angebracht sind. Sie zielen besonders auf die Erkennung des Spurkranzes der Räder ab. Dadurch gestaltet sich der Aufbau am Gleis einfacher. Im Gegenzug müssen die verschiedenen (abgenutzten) Ausführungen von Schienen und Rädern unter Berücksichtigung des Sinuslaufes beherrscht werden. [8]

Zur zweiten Gruppe gehören zweiteilige Bauformen, deren Sender- und Empfangskomponenten sich an einer Schiene gegenüberliegen. Sie detektieren dadurch das Rad bzw. den Radreifen an sich und können somit einfacher mit verschiedenen oder spurkranzreduzierten Rädern, auch bei höheren Fahrgeschwindigkeiten umgehen. Dafür gestaltet sich der Aufbau mit der separaten Sender- und Empfangskomponente aufwendiger.

Für Aufgaben eines reinen Gleisschaltmittels kommen meist die einteiligen Bauformen zum Einsatz. Im Bereich der Achszählung sind besonders die zweiteiligen Bauformen anzutreffen.

Die Verwendung induktiv arbeitender Schienenkontakte stellt bis heute den Regelfall dar.

Die Schienenkontakte werden nachfolgend entsprechend ihrer Arbeitsweise weiter zusammengefasst und dargestellt.

Arbeitsweise 0: Magnetodynamisch

Diese Art von Schienenkontakt besteht aus einem System von Permanentmagneten und Spulen. Sie bedient sich dem einfachen Prinzip der Induktion. Die durch ein vorbeirollendes Rad ausgelöste Magnetfeldänderung induziert eine Spannung in den Spulen. Diese Spannung wird von einer Auswerteeinrichtung als Überfahrt interpretiert. Mit zunehmender Überfahrungsgeschwindigkeit steigt die induzierte Spannung. Dies bedeutet jedoch auch, dass ein stehendes Rad gar keine Spannung in den Spulen induziert und in diesem Zustand nicht als solches detektierbar ist. [2,8]

Ein nach diesem Prinzip arbeitender Schienenkontakt ist das Gleisgerät Gl 10/2 von FEW Blankenburg.

Die überwiegende Anzahl von Schienenkontakten arbeitet hingegen nach einem der drei folgenden Prinzipien, weshalb dieses Prinzip aufgrund seiner geringen Bedeutung mit einer Null indiziert ist.

Arbeitsweise 1: Energieentzug durch Wirbelströme (Näherungssensor)

Schienenkontakte dieser Kategorie arbeiten als induktiver Näherungsschalter. Sie kommen in einteiliger Form mit einem oder zwei Sensorsystemen (Richtungserkennung) daher. Ein Sensorsystem basiert auf der Verwendung von Schwingkreisen in Form eines Oszillators. Durch den Anschluss an eine Speiseelektronik bildet sich um den Schienenkontakt ein elektromagnetisches Feld in einer bestimmten Resonanzfrequenz. Befährt ein Rad dieses Wechselfeld bilden sich Wirbelströme. Diese entziehen dem Schwingkreis Energie, schwächen ihn und bringen ihn zum Erliegen. Dadurch erhöht sich der Innenwiderstand des Oszillators. Die daraus resultierende, sinkende Leistungsaufnahme wird von einer Auswerteelektronik registriert. Die Befahrungsinformation wird als analoges Signal oder durch einen Schaltkontakt direkt am Schienenkontakt oder an einer zugehörigen Speise- und Auswerteelektronik innerhalb eines Gleisanschlussgehäuses ausgegeben. [12,21,22]

Schienenkopfkontakt

Die elektronischen Schienenkopfkontakte zählen zu den ersten Entwicklungen, die auf dem Prinzip eines induktiven Näherungsschalters beruhen. Hierbei wurde zunächst auf die Detektion des Laufkranzes gesetzt, um unabhängig von unterschiedlichen Spurkranzgrößen zu sein. Um die Bedeckung der Schiene durch das Rad festzustellen, wurde ein Sensorsystem durch eine vertikale Bohrung mittig in den Schienenkopf eingelassen. Durch die Bauform wurde sich ein besserer Schutz vor herunterhängenden Fahrzeugteilen und einer Abschirmung gegen Störeinflüsse durch Fremdfelder bei gleichzeitig beengten Platzverhältnissen versprochen. [6]

 

Mit dem von Siemens entwickelten elektronischen Schienenkopfkontakt (SKK) sowie dem Doppelten Schienenkopfkontakt (DSKK) startete 1969 eine Betriebserprobung im Rangierbahnhof Seelze. Eine außermittig montierte Weiterentwicklung kam erstmals ab 1975 im Rangierbahnhof Maschen mit ca. 2200 verbauten Kontakten zum Einsatz. [6]

Der Aufwand für die Anbringung in der Schiene ist hoch. Zugleich wird das Schienenprofil durch die Bohrung geschwächt. Daher blieb der Einsatz auf Rangierbahnhöfe, Industrieanlagen und Grubenbahnen begrenzt. [6]

Schienenkontakt am Gleis

Innerhalb von Personenbahnhöfen oder auf Strecken fanden die nachfolgenden Systeme Anwendung, die an die Schiene geschraubt oder geklammert werden.

Der 1986 von Siemens vorgestellte und abgebildete RS S (Radsensor Siemens) besteht aus dem eigentlichen Schienenkontakt RSE mit einem Sensorsystem und einer zugehörigen Speise- und Auswerteelektronik. [12]

 

Im Jahr 2004 wurden mit dem WSR (Wheel Sensor Relay) und dem WSS (Wheel Sensor Single) Nachfolgeprodukte vorgestellt. Beim WSR wurde die Speise- und Auswerteelektronik mit zwei Schaltausgängen vollständig im Gehäuse untergebracht. Beim WSS wird analog zum RSE ein analoges Signal ausgegeben, das von einer nachgelagerten Auswerteelektronik verarbeitet wird. Mit dem Wheel Sensor Double (WSD) wurden später zwei Sensorsysteme des WSS in einem gemeinsamen Gehäuse zur Fahrtrichtungserkennung untergebracht. Da WSR, WSS und WSD den gleichen Gehäusetyp verwenden, sind sie äußerlich nicht ohne weiteres zu unterscheiden. [9,10]

 

Weitere Beispiele sind der RSR 122 von Frauscher (oben links) und der Doppelschienenschalter (DSS) von Pintsch Tiefenbach (oben rechts). [1,8]

In einer etwas anderen Gestalt kommt der Schienenkontakt aus dem Achszählsystem AZSB 300 daher (unten). Technisch ist dieser aus dem in DeRaA vorgestellten Fahrzeugsensor FSSB hervorgegangen und basiert weitgehend auf dessen funktionalen Aufbau. [11,16]

Arbeitsweise 2: Induktive Kopplung

Das Prinzip der induktiven Kopplung kommt vor allem bei zweiteiligen Systemen zum Einsatz. Je Schienenseite stehen sich eigenständige Sende- und Empfangssysteme gegenüber. Der in einer Sendeeinheit enthaltene Schwingkreis erzeugt elektromagnetische Wechselfelder. Sie wirken permanent auf den gegenüberliegenden Empfänger ein und induzieren in ihm eine Spannung (Grundzustand). [13,22]

Befährt ein Rad den Schienenkontakt verändert es das Streufeld. Die induzierte Spannung steigt. Diese Änderung der Kopplungsintensität wird anschließend von einer Auswerteeinrichtung als Befahrung interpretiert. [13,21]

Ein Beispiel ist der doppelte elektronische Kontakt (DEK) 43 (Arbeitsfrequenz = 43 kHz) mit je zwei Sensorsystemen in einem Gehäuse (Richtungserkennung). Die Sendeeinheiten an der Schienenaußenseite und die Empfängereinheiten an der Schieneninnenseite befinden sich jeweils in einem gemeinsamen Kunststoffgehäuse. [21,28]

Arbeitsweise 3: Feldlinienänderung

Schienenkontakte dieser Kategorie sind im Regelfall ebenfalls zweigeteilt. Das von einer Spule eines Senders ausgesandte Magnetfeld trifft auf die Spule des zugehörigen Empfängers. Im Grundzustand treffen die Feldlinien in einem gewissen Winkel auf die Spule und induzieren dadurch eine Spannung. [14,21,27]

 

Die Feldlinien beginnen sich im Verlauf zu ändern, sobald sich ein Eisenrad annähert. Befindet sich dieses etwa 20 cm von der Sende- und Empfangseinrichtung entfernt, krümmen sich die Feldlinien derart, dass sie genau senkrecht auf die Empfängerspule treffen. Dadurch wird keine Spannung mehr in der Spule induziert. [8,21,27]

Befindet sich das Rad über dem Schienenkontakt, krümmen sich die Feldlinien weiter, sodass sie nun vom Schienenkopf seitlich die Spule erreichen. Es wird wieder eine Spannung induziert, die jedoch gegenüber dem Grundzustand umgekehrt gerichtet ist. [21,27]

Verlässt das Rad den Schienenkontakt wieder, kehrt sich erneut die Polarität um und das Magnetfeld nimmt seinen Ursprungszustand an. Der geänderte Spannungsverlauf an der Empfangsspule wird währenddessen von einer Auswerteeinrichtung erfasst und das Rad durch den Polaritätswechsel als solches erkannt. [27]

 

Dieses Verfahren wird vom Schienenkontakt (Sk) 30 (Arbeitsfrequenz = 30 kHz) angewendet. [14,21]

Kombination von Arbeitsweisen

Mitunter existieren Schienenkontakte, die mehrere Arbeitsweisen miteinander kombinieren und dabei aus nur einem Gehäuseteil bestehen.

Hierzu zählt beispielsweise der RSR123 von Frauscher. [8]

DePuB: Punktförmig wirkende Detektoren (Zugschlusssender)

Ein besonderer Detektor ist der Zugschlusssender. Er wird in der vereinfachten Stellwerksbauform Stw-vB im signalisierten Zugleitbetrieb (SZB) eingesetzt, um den Zugschluss zu erkennen (siehe auch GlSiA). [5]

Fahrzeugseitig wird ein als Dauermagnet konzipierter Sender verwendet [5]. Dieser kann entweder als technische Einrichtung fest im Zug verbaut sein und aktiv bzw. inaktiv geschaltet werden oder in einer Ausführung vorliegen, die an die Kupplung des Zuges gehängt wird.

Je nach Kupplungsform stehen unterschiedliche Varianten zur Verfügung.

Hier befindet sich die Einrichtung auf der Scharfenbergkupplung (Schaku).

Im Gleis befindet sich ein mit dem Zugschlusssender korrespondierender Zugschlussempfänger, der die Überfahrt eines Zuges registriert.

5Hierzu wirkt der Empfänger meist als Schaltmittel mit einem Gleisstromkreis (siehe DeLiA) oder einem Fahrzeugsensor (siehe DeRaA) zusammen. [5] Eine weitere Auseinandersetzung mit dem Verfahren zur Freimeldung ist in GlSiA dargestellt.

DeLiA: Linienförmig wirkende Detektoren (Gleisstromkreis)

Das galvanische Prinzip in konkreter Ausprägung eines Gleisstromkreises stellt den Regelfall für die linienförmige Wirkweise dar. Hierbei wird ein Fahrzeug entlang des Gleises durch die Existenz mindestens einer detektierbaren Achse innerhalb eines definierten Abschnitts erkannt. [22,27]

Gleisstromkreise werden hauptsächlich zur Gleisfreimeldung verwendet. Es bestehen jedoch auch Anwendungsfälle, in denen kurze Gleisstromkreise als Gleisschaltmittel herangezogen werden. Ein prominentes Beispiel ist die später in DeZuA erläuterte Isolierte Schiene. [22]

In gesonderten Beiträgen zur Gleisfreimeldung (GlGlA, GlGlB und GlGlC) erfolgt eine ausführliche Auseinandersetzung mit den technischen Eigenschaften, unterschiedlichen Varianten und planerischen Erfordernissen von Gleisstromkreisen. An dieser Stelle wird das grundlegende Prinzip eines Gleisstromkreises unabhängig von der eingesetzten Technik und dem Einsatzzweck erläutert.

 

Ein Gleisstromkreis basiert auf der elektrischen Leitfähigkeit der Schienen und der Achsen zusammen mit beiden Rädern. In dem zu überwachenden Abschnitt werden beide Schienen gegeneinander elektrisch isoliert. Es wird ein Stromkreis, bestehend aus einem Sender und einem Empfänger eingerichtet. Der Sender besteht aus einer Spannungsquelle, der Empfänger klassischerweise aus einem Verbraucher (elektrische Schaltung oder Motorrelais, siehe GlGlB Innenanlage). [21,22,24,27]

Arbeitsstrom-Gleisstromkreis

Dabei können zwei Arbeitsprinzipien zur Anwendung kommen. In einem Arbeitsstrom-Gleisstromkreis wird jeweils ein Pol des Senders und des Empfängers an einer Schiene angeschlossen. Die anderen beiden Pole werden miteinander verbunden. Das Relais ist in Grundstellung abgefallen. [21]

 

Durch das Befahren des Abschnitts werden die beiden Schienen durch die Achsen und Räder des Zuges elektrisch leitend miteinander verbunden. Durch diesen sogenannten Achsnebenschluss entsteht ein geschlossener Stromkreis, den der Empfänger registriert; das Relais zieht an. [21,24]

Ruhestrom-Gleisstromkreis

Beim Ruhestrom-Gleisstromkreis werden die Pole des Senders und des Empfängers je mit einer Schiene verbunden. Es liegt ein geschlossener Stromkreis vor (das Relais zieht an). [21]

Ein einfahrender Zug schließt die beiden Schienen kurz. Der Strom fließt nun über die eingefahrenen Achsen, wodurch kein ausreichender Strom mehr am Empfänger zur Verfügung steht; das Relais fällt ab. [21]

Das Relais fällt im Ruhestrom-Gleisstromkreis auch dann ab, wenn die Schienen oder der Leitungsweg durch Störungen unterbrochen (Schienen- oder Kabelbruch), die Spannungsquelle ausgefallen oder ein etwaiger Kurzschluss aufgetreten ist. Aus dieser Sicherheitsbetrachtung heraus stellt der Ruhestrom-Gleisstromkreis für die meisten Anwendungsgebiete (insbesondere der Gleisfreimeldung) den Regelfall dar. [21,22,27]

DeRaA: Räumlich wirkende Detektoren (Fahrzeugsensor)

Ein Fahrzeugsensor (FS) erkennt ein Fahrzeug anhand seiner räumlichen Ausdehnung auf Grundlage seiner metallischen Masse. Verbreitet ist ein auf dem induktiven Wirkprinzip basierendes Verfahren, welches auf der Verwendung von Gleisschleifen beruht. Es verhält sich ähnlich zu den in DePuA Induktiv arbeitend beschriebenen Schienenkontakten mit induktivem Wirkprinzip. [27]

Der Fahrzeugsensor wurde zusammen mit der Bahnübergangstechnik EBÜT 80 entwickelt und findet sich seit 1985 in einer Vielzahl an Bahnübergängen wieder [21]. Darüber hinaus bestehen weitere Einsatzgebiete, bspw. zur Anrückmeldung in Stellwerken [20].

Ein Fahrzeugsensor repräsentiert den Besetztzustand einer kleinen Fläche. Zur Richtungserkennung sind zwei Stück hintereinander einzusetzen.

Der Fahrzeugsensor besteht aus zwei Induktionsschleifen im Gleis, die sich als symmetrische Doppelschleife in der Form der Ziffer 8 über 2x 5 Schwellenfächer erstreckt. Die Schleife besteht aus mehradrigen Kabeln. Die einzelnen Adern werden in Reihe geschaltet, sodass eine Spule mit mehreren Windungen entsteht. In Kombination mit einer zugeschalteten Kapazität entsteht zusammen mit der Induktivität der Gleisschleife ein Schwingkreis in Form eines Oszillators. Zum Schutz vor äußeren Beeinflussungen werden die Leitungen in der Mitte der Doppelschleife gekreuzt. Von den Schienen einkoppelnde Fremdströme werden dadurch in gegenläufiger Richtung geführt und heben sich gegenseitig auf. [7,21]

Wird die Doppelschleife befahren, wird in der metallischen Masse des Fahrzeugs eine Spannung induziert. Es bilden sich Wirbelströme, die wiederum einen Energieverlust und damit eine Verringerung der Induktivität der Doppelschleife zur Folge haben. Im Gegenzug erhöht sich die Frequenz des Oszillators. Diese Änderung wird von einer Auswerteeinrichtung registriert und die Beeinflussung als solches erkannt. [7,21]

Im Schienennetz sind vornehmlich die drei Ausführungen FS P (Pintsch), FS SB 60/80 (Scheidt & Bachmann, Oszillatorfrequenz 60 kHz oder 80 kHz) sowie FS S (Siemens) anzutreffen, die alle einen vergleichbaren Aufbau besitzen, sich jedoch in Details unterscheiden (bspw. verwendete Frequenzen). [7,21]

DeZuA: Kombination von Detektoren (Isolierte Schiene)

Das Ausführen sicherheitsrelevanter Aktionen in alleiniger Verantwortung des Stellwerkspersonals birgt ein hohes Gefährdungspotential durch vorzeitige oder irrtümlich ausgeführte Bedienungen. Hierzu zählen besonders die Fahrstraßenauflösung sowie die Ausführung eines Rückblocks. [21,27]

Um Gefährdungen durch menschliche Fehler zu reduzieren, wurde im deutschsprachigen Raum ab dem 20 Jhd. die Zugmitwirkung als Kriterium zur Ausführung sicherheitsrelevanter Bedienhandlungen eingeführt. Sie setzt die Befahrung einer örtlich festzulegenden Stelle durch den Zug voraus. Hierbei gilt es festzustellen, dass der Zug den zu definierenden Punkt (bspw. den Abschnitt hinter der letzten Weiche im Fahrweg) erreicht und wieder verlassen hat. Für die Informationsbildung ist somit die erste Achse (Befahren des Punktes) und die letzte Achse des Zuges (Verlassen des Punktes) zu erkennen. [21]

Aus betrieblichen Gründen ist es sinnvoll, die Mitwirkung zu einem möglichst frühen Zeitpunkt auszuführen. Bspw. soll eine Fahrstraßenauflösung mit Verlassen des zugehörigen Abschnitts ermöglicht werden, um die Fahrwegelemente schnell wieder für eine neue Fahrstraße festlegen zu können. [21]

Da zum Einführungszeitpunkt der Zugmitwirkung keine Gleisfreimeldeanlagen verfügbar waren und diese erst ab den Relaisstellwerken zum Standard gehörten, wurde sich mit dem Einsatz von Gleisschaltmitteln beholfen. [21]

Technik

Zum Einführungszeitpunkt der Zugmitwirkung stand bereits das Prinzip des Gleisstromkreises zur Verfügung. Um einen kontinuierlichen Besetztzustand bei einer Befahrung durch einen Zug zu erzeugen, wurde für den Gleisstromkreis eine Regellänge von etwa 25 m (später 30 m) festgelegt, die den größtmöglichen Abstand zwischen zwei Achsen berücksichtigt. Der Gleisstromkreis arbeitet nach dem Ruhestromprinzip. Mit seiner Befahrung fällt ein mit ihm verbundenes Relais ab, das mit dem vollständigen Freifahren wieder anzieht. Es stünden somit beide Informationen zur Erkennung der ersten und letzten Achse zur Verfügung. Hierbei liegt jedoch eine sicherheitsmindernde Einschränkung vor: Mit der Verwendung des Ruhestromprinzips fällt das Relais auch dann ab, wenn es zu Stromausfällen oder Kontaktunterbrechungen kommt. Um eine derart irrtümlich auftretende Zugeinwirkung auszuschließen, wird ein Schienenkontakt als zusätzliches Kriterium ergänzt, das zugleich das Wirken zweier unterschiedlicher physikalischer Wirkprinzipien bedingt. Der Schienenkontakt wird innerhalb des Gleisstromkreises platziert. [21,27]

Gleisstromkreis und Schienenkontakt werden innerhalb einer Auswerteschaltung miteinander verknüpft. Die jeweiligen Informationen zur ersten Achse (Schienenkontakt befahren) und letzten Achse (Gleisstromkreis verlassen) werden an eigenen Auslöserelais ausgeben. Die Funktionsgruppe – bestehend aus Gleisstromkreis, Schienenkontakt und zugehöriger Auswerteschaltung – wird Isolierte Schiene genannt. Der Begriff meint dabei nicht die (isolierte) Schiene eines Gleisstromkreises allein. [21,27]

Für den Betrieb des Gleisstromkreises wird aufgrund der einfacheren Bereitstellung ein Gleichstrom verwendet. [27]

Dieses Beispiel zeigt eine Isolierte Schiene mit dem pneumatisch arbeitenden Schienenkontakt S 44 (siehe DePuA #1). Aus dessen Kontakteinsatz führen die jeweils Leitungen zur Ein- und Ausspeisung zu beiden Schienen.

In diesem Fall kommt der Impulsgeber (siehe DePuA #13) zum Einsatz. Innerhalb eines Gleisanschlussgehäuses befinden sich zusätzliche Einrichtungen für den Gleisstromkreis.

Isolierte Schiene im Stellwerk

Um fälschlicherweise ausgelöste Beeinflussungen durch Rangier- und Sperrfahrten im Bereich der Isolierten Schiene zu unterbinden, ist diese in Grundstellung abgeschaltet. Sie wird technik- und kontextabhängig mit der Fahrstraßenfestlegung oder Signalfahrtstellung (per Signalhebelkontakt) aktiv geschaltet. [21,27]

Während im Störungsfall der Isolierten Schiene eine Fahrstraße ersatzweise durch eine Hilfshandlung aufgelöst werden kann, lässt sich die Rückblocksperre nicht ohne weiteres aufheben. Um bei einem defekten Gleisstromkreis dennoch das Rückblocken zu ermöglichen, kann dieser durch eine genehmigungspflichtige Änderung an der Auswerteschaltung („Umschalten auf erste Achse“) überbrückt werden. Das Rückblocken wird dadurch bereits beim Befahren des Schienenkontakts ermöglicht. Um unzeitiges Rückblocken vor Beobachtung des Zugschlusses zu hemmen, wurde später die zusätzliche Bedienung einer Mitwirktaste verpflichtend. [21]

Die Isolierte Schiene detektiert eine vollständige Überfahrt in ihrem Bereich. Sie kann aber nicht die Zugvollständigkeit feststellen. Zugtrennungen mit unterwegs verlorenen Wagen werden nicht erkannt. Ohne technische Freimeldeanlagen auf den betreffenden Abschnitten ist daher weiter eine Beobachtung des Zugschlusses durch das örtliche Personal erforderlich. [21]

Relevanz

Seit der Einführung von Gleisfreimeldeanlagen und einer durchgängigen Überwachung von Gleisabschnitten in Relaisstellwerken sowie automatisch arbeitenden Blocksystemen verliert die Isolierte Schiene bis heute zunehmend an Bedeutung. Im Stellwerksbereich ist sie weiterhin in der (elektro)mechanischen Alttechnik sowie einigen Relaisstellwerksbauformen nach tabellarischem Prinzip anzutreffen. [27]

Die Isolierte Schiene wurde in der Vergangenheit auch zur Weichenfreimeldung in Ablaufanlagen, in Bereichen von Bahnübergängen oder als Anrückmelder für Züge eingesetzt. Auch dort besteht sie in Altanlagen bis heute fort. [3]

Literatur

[1] Broschüre Achszählsystem TAZ II: DePuA
PINTSCH GmbH: Sensortechnik und Achszählung. Achszählsystem TAZ II zur Anwendung als Gleisfreimeldeeinrichtung. [Broschüre]
[2] Broschüre FEW Gleisschaltmittel: DePuA
Fahrzeug- und Entwicklungswerk Blankenburg GmbH. (2011): Impulsgeber (Gleisschaltmittel) für die BÜ- und Stellwerkstechnik. Druckschrift 1550.1.92.0500:000 (4) [Broschüre]
[3] Broschüre Isolierte Schiene: DeZuA
VEB Werk für Signal und Sicherungstechnik Berlin. (1979): Isolierte Schienen – Bauart WSSB. Druckschrift Ag 27(04)15/79 [Broschüre]
[4] Fachartikel Signal und Schiene: DePuA
Koch, E. (1969): Die neuen Gleisschaltmittel der Deutschen Reichsbahn. Signal und Schiene, Heft 5/1969.
[5] Fachartikel Signal+Draht: DePuB
Auler, H. & Schuster, E. (1987): „Stw-vB“-Stellwerkstechnik für vereinfachte Betriebsbedingungen – Betriebsversuch Dachau-Altomünster –. Signal + Draht, Ausgabe 11/1987.
[6] Fachartikel Signal+Draht: DePuA
Christoph, H. (1980): Technik und Anwendung des Schienenkopfkontakts. Signal + Draht, Heft 9/1980.
[7] Fachartikel Signal+Draht: DeGrA, DeRaA
Czehowsky, J. (1988): Fahrzeugsensoren als Schaltmittel im Gleis. Signal + Draht, Ausgabe 1+2/1988.
[8] Fachartikel Signal+Draht: DePuA
Frauscher, J. (2006): Vom Schienenschalter zum induktiven Radsensor mit Verfahrensmix. Signal + Draht, Heft 1+2/2006.
[9] Fachartikel Signal+Draht: DePuA
Heilmann, A. & Radwan L. (2004): Neue Radsensoren für Schalt- und Meldeaufgaben. Signal + Draht, Heft 11/2004.
[10] Fachartikel Signal+Draht: DePuA
Heilmann, A. & Radwan, L. (2004): Neue Radsensoren für Schalt- und Meldeaufgaben. Signal + Draht, Ausgabe 11/2004.
[11] Fachartikel Signal+Draht: DePuA
Henning, S. & Laumen, H. (2004): Das Stellwerk ZSB2000 für die Anwendung ESZB. Signal + Draht, Heft 9/2004.
[12] Fachartikel Signal+Draht: DePuA
Hoffmann, G. & Sander, H. (1986): Das Radsensorsystem RS S als Zugeinwirkungspunkt. Signal + Draht, Ausgabe 12/1986.
[13] Fachartikel Signal+Draht: DePuA
Hoffmann, G. & Sander, H. (1987): Der elektronische Achszählpunkt ZP 43. Signal + Draht, Ausgabe 4/1987.
[14] Fachartikel Signal+Draht: DePuA
Hoffmann, G. & Uebel, H. (1985): Neue Zählpunkte (Zp 30) für Achszähler. Signal + Draht, Ausgabe 4/1985.
[15] Fachartikel Signal+Draht: DePuA
Lentz, G. (1961): Achszählanlagen. Signal + Draht, Ausgabe 6/1961.
[16] Fachartikel Signal+Draht: DePuA
Lütz, H., Stachelscheid, R. & Wiegmann, H. (2004): Achssensoren zur Ein- und Ausschaltung von BÜ-Anlagen. Signal + Draht, Heft 9/2009.
[17] Fachartikel Signal+Draht: DePuA
Mengel, H. (1955): Der Schienenkontakt S 44 (Schluß). Signal + Draht, Ausgabe 12/1955.
[18] Fachartikel Signal+Draht: DePuA
Mengel, H. (1955): Der Schienenkontakt S 44. Signal + Draht, Ausgabe 11/1955.
[19] Fachartikel Signal+Draht: DePuA
Rosenberger, M. (2011): Die Herausforderungen an Raddetektion und Achszählung in der Zukunft. Signal + Draht, Heft 9/2011.
[20] Fachartikel Signal+Draht: DeRaA
Ulmer, H. (2003): Innovative Anrückmeldung mit Fahrzeugsensor PINTSCH FSP. Signal + Draht, Heft 9/2003.
[21] Fachbuch Bahnsicherungstechnik: DeGrA, DeLiA, DePuA, DeRaA, DeZuA
Fenner, W., Naumann, P., Trinckauf, J. (2003): Bahnsicherungstechnik. Publicis Corporate Publishing, Erlangen, 1. Auflage.
[22] Fachbuch Eisenbahninfrastruktur: DeLiA, DePuA
Fendrich, L. & Fengler, W. (2019): Handbuch Eisenbahninfrastruktur. 3. Auflage, Springer Vieweg.
[23] Fachbuch Eisenbahnsicherungstechnik: DePuA
Arnold, H. & Weitere (1987): Eisenbahnsicherungstechnik. 4. Auflage, VEB Verlag für Verkehrswesen, Berlin.
[24] Fachbuch Fahrleitung: DeLiA
Zynovchenko, A. (2007): Ausbreitung von Stromoberschwingungen und Resonanzerscheinungen im Fahrleitungsnetz. 1. Auflage, Cuvillier Verlag Göttingen.
[25] Fachbuch Geschichte Eisenbahnsicherungstechnik: DePuA
Staab, W. (2022): Geschichte der Eisenbahnsicherungstechnik deutscher Staatsbahnen. Band 2, 1. Auflage.
[26] Fachbuch mechanisches Stellwerk: DePuA
Warninghoff, H. (1977): Das mechanische Stellwerk. 4. Auflage, Eisenbahn-Fachverlag Heidelberg Mainz.
[27] Fachbuch Sicherung Schienenverkehr: DeGrA, DeLiA, DePuA, DeRaA, DeZuA
Maschek, U. (2018): Sicherung Des Schienenverkehrs. 4 Auflage, Springer Vieweg.
[28] Taschenbuch Eisenbahntechnik: DePuA
Hanke, R. & Schmidt, W. (1974): Der elektronische Achszähler Bauform Siemens AzS 70. Elsners Taschenbuch der Eisenbahntechnik. Ausgabe 1974.
[29] Taschenbuch Eisenbahntechnik: DePuA
Wettengel, M. (1967): Achszählanlagen mit Magnetschienenkontakten, Drehwähler- und Motorzählwerken. Elsners Taschenbuch der Eisenbahntechnik. 17. Band.

Versionierung

03.07.2024: DeZuA
Neuerstellung.
03.07.2024: DeRaA
Neuerstellung.
03.07.2024: DeLiA
Neuerstellung.
03.07.2024: DePuB
Neuerstellung.
03.07.2024: DePuA
Neuerstellung.
03.07.2024: DeGrA
Neuerstellung.