Betriebliche und technische Herausforderungen für den Einsatz der

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Betriebliche und technische Herausforderungen für den Einsatz der Powered By Docstoc
					        Betriebliche und technische
   Herausforderungen für den Einsatz der
 Transrapid-Technologie im Regionalverkehr
                              A. Stephana,1 und E. Fritzb,2
       a
           IFB – Institut für Bahntechnik GmbH, Niederlassung Dresden
           Wiener Str. 114-116, D-01219 Dresden, Deutschland



Kurzfassung: Beim Einsatz der ursprünglich für den schnellen Personenfernverkehr
entwickelten Magnetschnellbahn Transrapid im Regionalverkehr ergeben sich eine Reihe
neuer Herausforderungen an die Transrapid-Technologie, wofür teilweise auch neue tech-
nische Lösungen zu entwickeln sind. Dies betrifft insbesondere die Fahrwegtechnologie, die
Fahrzeugtechnik, das System Antrieb und Energieversorgung, die Betriebsleittechnik und die
Sicherheitseinrichtungen. Der Vortrag stellt die Anforderungen an den Einsatz des Trans-
rapid als schnelles Regionalverkehrsmittel vor und zeigt Ansätze und Wege zur Lösung der
anstehenden betrieblichen und technischen Problemstellungen auf.

Schlagworte: Regionalverkehr; Magnetschellbahn Transrapid; Fahrweg; Fahrzeug; Antrieb;
Energieversorgung; Betriebsleittechnik; Sicherheitskonzept




 1
     E-mail: as@Bahntechnik.de, URL: www.bahntechnik.de
 2
     E-mail: ef@bahntechnik.de, URL: www.bahntechnik.de
1. Einleitung
Nach der Einstellung des Transrapid-Projektes Berlin – Hamburg im Februar 2000 wurde in
einer Grundsatzvereinbarung von Bund, Herstellern und Betreiber DB AG festgelegt, neue
Einsatzfelder für die deutsche Magnetfahrtechnologie insbesondere im Regionalverkehr zu
suchen. Nach einer umfangreichen Streckenauswahl, die mittels einer Vorstudie unter
Federführung der DB AG im Jahr 2000 und einer vertieften Machbarkeitsstudie [1] im
Zeitraum 2001 - 2002 erfolgte, wurden die beiden Strecken Transrapid München Hbf –
Flughafen und Metrorapid Düsseldorf – Dortmund als machbar eingestuft und für die weitere
Planung empfohlen.

Während sich das Münchner Projekt hinsichtlich Technik und Betriebsprogramm mit der
inzwischen realisierten Transrapid-Strecke in Shanghai vergleichen lässt, unterscheiden sich
die Anforderungen bei einer Regio-Anwendung deutlich. Die ursprünglich für den schnellen
Personenfernverkehr entwickelte Transrapid-Technologie steht beim Einsatz im
Regionalverkehr vor einer Reihe neuer Herausforderungen wie:
    • Systemverträglichkeit im Ballungsraum (Bau und Betrieb),
    • dichter Fahrplantakt,
    • aktive Schwebetechnologie ohne Zugangsbeschränkung zu den Fahrzeugen,
    • Trassenführung im Tunnel sowie
    • sehr hohe Verfügbarkeitsanforderungen des Betreibers.

Hierfür sind in kürzester Zeit Lösungen zu entwickeln. Dies betrifft insbesondere:
   • die Fahrwegtechnologie (einschließlich Tunnelstrecken),
   • die Fahrzeugtechnik,
   • das System Antrieb und Energieversorgung,
   • die Betriebsleittechnik und
   • die Sicherheitseinrichtungen.

Im Folgenden werden die Anforderungen an den Einsatz des Transrapid als schnelles Regio-
nalverkehrsmittel vorgestellt und Ansätze und Wege zur Lösung der anstehenden betrieb-
lichen und technischen Problemstellungen aufgezeigt. Zum besseren Verständnis wird
zunächst der bisher erreichte Entwicklungsstand des Betriebssytems kurz dargestellt.


2. Entwicklungsstand des Transrapidsystems

2.1    Systemmerkmale
Die Magnetschnellbahn Transrapid ist mit einem elektromagnetischen Schwebesystem und
einem synchronen Langstator-Linearmotor ausgerüstet. Die drei fahrdynamischen Grundfunk-
tionen Tragen, Führen und Antreiben werden elektromagnetisch realisiert. Wesentliche Merk-
male der Transrapid-Technologie sind:

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   •   Berührungsfreie Trag- und Führfunktion durch geregelte, sicher überwachte Elektro-
       magnete,
   •   berührungsfreie Antriebs- und Bremsfunktion durch synchronen eisenbehafteten
       Langstator-Linearmotor im Fahrweg mit Bereitstellung der notwendigen Traktions-
       leistung in stationären Anlagen,
   •   zusätzliche witterungsunabhängige sichere Bremsfunktion durch fahrzeugseitige Wir-
       belstrombremsen,
   •   Kraftübertragung vom Fahrzeug auf den Fahrweg als Flächenlast über die gesamte
       Fahrzeuglänge,
   •   separate und weitgehend rückwirkungsfreie Regelungsmöglichkeit von Antriebs- und
       Tragkraft, bezeichnet als „integrierte Magnetfahrtechnik“,
   •   autonome, sichere Bordenergieversorgung durch Lineargeneratoren und batteriegepuf-
       ferte Bordnetze,
   •   automatisierter, technisch gesicherter Betrieb und
   •   aufgeständerte und ebenerdige Ausführungsformen des Fahrweges.


2.2     Fahrzeuge
Ein Transrapid-Fahrzeug besteht aus zwei Endsektionen, zwischen die mehrere Mittelsektio-
nen eingefügt werden können. In jeder Fahrzeugsektion sind vier seitenbewegliche Schwebe-
gestelle vorhanden, welche die magnetischen Trag- und Führfunktionen realisieren und die
den Bogenlauf des Fahrzeuges ermöglichen.

Für das sichere Tragen und Führen, die Klimatisierung der Fahrzeuge, die Speisung der Hilfs-
betriebe, Niederspannungsverbraucher und der Wirbelstrombremse wird Bordenergie benö-
tigt. Im Stillstand und bei niedriger Geschwindigkeit bis etwa 100 km/h erfolgt die
Bereitstellung der Bordenergieversorgung über fahrwegbegleitende Stromschienen bei DC
400 V. Während der Fahrt mit Geschwindigkeiten größer als 100 km/h wird die Bordenergie
berührungsfrei durch Lineargeneratoren, deren Wicklungen in den Tragmagneten der Fahr-
zeuge eingebaut sind, sichergestellt. Durch die elektromagnetische Energiewandlung in den
Lineargeneratoren entsteht eine zusätzliche Fahrwiderstandskraft.

Die Tragregelung des Fahrzeuges gewährleistet ständig die Einhaltung eines vorgegebenen
Luftspaltes 11 mm ± 2 mm zwischen den Tragmagneten und dem fahrwegseitigen Langstator
bei allen Betriebsbedingungen. Die Energie zum Tragen und Führen aus redundanten Bord-
netzen in den Fahrzeugen sicher zur Verfügung gestellt, das Fahrzeug kann seine Schwebe-
funktion unabhängig vom Linearantrieb für ausreichende Zeit erhalten.


2.3   Antrieb
Beim Magnetschnellbahnsystem Transrapid erfolgen Antreiben und Bremsen im Gegensatz
zur Rad/Schiene-Technik stationär vom Fahrweg aus. Die Unterwerke speisen die im Fahr-
weg angeordneten Linearmotoren mit einer in Frequenz und Amplitude variablen drei-

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phasigen Spannung. In Fahrweglängsrichtung besteht der Antrieb aus einzelnen
aufeinanderfolgenden Antriebsbereichen, in denen pro Fahrweg nur je ein Fahrzeug geführt
werden kann. Die Länge eines Antriebsbereiches ist hauptsächlich abhängig vom Fahrplan-
takt und kann zwischen 5 und 50 km betragen.

Die Wicklung des synchronen Langstator-Linearmotors befindet sich beidseitig unterhalb des
Fahrwegtisches. Durch diese Konstruktion existieren zwei unabhängig regelbare Linear-
motoren rechts und links am Fahrweg. Die dreiphasigen Linearmotorwicklungen sind zur
Reduzierung der Spannunsgfälle und Verluste im Motorabschnitte von 500 bis 2500 m Länge
unterteilt, die über Leistungsschalter in Schaltstellen von parallel zur Trasse mitgeführten
Streckenkabeln versorgt werden.

Die aus mehreren Streckenkabelsystemen bestehenden Streckenkabelverbunde können
sowohl einseitig als auch zweiseitig von den Unterwerken gespeist werden. Die Doppel-
speisung bietet den Vorteil der Stromaufteilung auf den Streckenkabeln und ermöglicht damit
entweder eine Erhöhung der Schubkraft oder eine Reduzierung der Verluste und damit eine
günstigere Energiebilanz. Darüber hinaus kann bei Ausfall eines Unterwerkes das benachbarte
Unterwerk allein die Antriebsstrecke mit verminderter Leistungsfähigkeit der Fahrzeuge
versorgen.

Im Unterwerk befinden sich Einrichtungen zur Einspeisung aus den Netzen der Energiever-
sorgungsunternehmen, die Antriebsblöcke bestehend aus Transformatoren, Zwischenkreis-
umrichtern mit Leistungsteil und Kühlanlage, die Antriebsregelung und -steuerung, die
Ausgangsschaltanlage, Schutzeinrichtungen sowie Einrichtungen für die Betriebs- und Netz-
leittechnik und die Eigenbedarfsversorgung. Den Anforderungen entsprechend wurden
verschiedene Unterwerkstypen entwickelt, die sich hinsichtlich der Anzahl zu speisender
Antriebsbereiche, der Leistung und der Baugröße unterschieden.


2.4    Energieversorgung
Aufgrund der hohen Traktionsleistungsanforderungen erfolgt die Energieversorgung des
Transrapid aus Hochspannungsnetzen mit 110 kV. Für die Bereitstellung der Antriebsenergie
wird eine Mittelspannungsebene erzeugt, aus der die Traktionsumrichter in den Unterwerken
über vorgeschaltete Transformatoren gespeist werden. Bei den Planungen zum Projekt Berlin
– Hamburg sowie in Shanghai wurde dafür die Standardspannungsebene 20 kV gewählt. Die
Anlagen zur Umspannung 110/20 kV können in die Unterwerke integriert oder in separaten
Umspannwerken angeordnet werden.

Die Versorgung der Elektroenergieverbraucher an der Strecke erfolgt ebenfalls über die
Mittelspannungsebene, die über zusätzliche Energieversorgungskabel entlang der Strecke mit-
geführt wird. In Trafostationen erfolgt die Anpassung der Spannung an die Erfordernisse der
einzelnen streckenseitigen Verbraucher wie die Gleichrichter für die DC-Stromschie-
neneinspeisung, Niederspannungsverbraucher in Stationen, Schaltstellen, Weichen und Funk-
maste. Weitere Verbraucher wie Schaltstellen und Funkmaste werden über Niederspannungs-
                                             4
kabel an die Trafostationen angeschlossen.


2.5    Leittechnik
Das Leitsystem umfasst die technischen Einrichtungen, die für die Betriebsführung und
-sicherung erforderlich sind. Zu den stationären Einrichtungen gehören:
    • die Betriebszentrale,
    • die untergeordneten dezentralen Einheiten, die in ihrer räumlichen Struktur an das
        Antriebssystem angepasst und in die Unterwerke integriert sind,
    • Einheiten in den Stationen,
    • Einheiten in den Instandhaltungsanlagen,
    • Einheiten in den Spurwechseleinrichtungen.

Die leitungsgebundenen Kommunikationseinrichtungen und die Funkbasisstationen des
38 GHz-Richtfunksystems zur Datenübertragung vom und zum Fahrzeug sind kontinuierlich
entlang der Strecke in Abständen von etwa 2 km angeordnet.

Für die leittechnischen Anlagen sind bis auf die Funkmaste keine eigenen Bauwerke erforder-
lich. Die notwendigen Räume sind in die Gebäude der Betriebszentrale, der Instandhaltungs-
anlagen, der Unterwerke und der Stationen sowie der Fahrweganlagen integriert. Weitere
Einrichtungen des Leitsystems sind in den Fahrzeugen vorhanden.


2.6     Fahrweg
Der Fahrweg der MSB Transrapid wird entsprechend den Anforderungen an die land-
schaftliche und städtebauliche Einbindung in Abhängigkeit der Gradientenlage in verschie-
dene Bauformen ausgeführt. Abhängig von der Lage der Fahrwegoberkante (FOK) zur
Geländeoberkante (GOK) wird unterschieden in [1]:
    • Hochlage               FOK > 2,00 m über GOK,
    • Niveaulage             FOK liegt zwischen 1,50 m unter und 2,00 m über GOK,
    • Einschnittslage        FOK liegt mehr als 1,50 m unter GOK.

In der Regel werden bei Niveau- und Einschnittslage der Plattenfahrweg (Typ III) und bei
Hochlage der Trägerfahrweg (Typ I und Typ II) eingesetzt. Die Trägerfahrwegtypen I und II
sind auf Einzelfundamenten gelagert und haben Regelfeldweiten von 31,00 m (Typ I) bzw.
12,40 m (Typ II). Der Plattenfahrweg (Typ III) besteht aus einem kontinuierlichen Streifen-
fundament mit eingespannten Stützscheiben und der damit verbundenen Fahrwegplatte mit
einer Länge von 6,20 m.


2.7   Systemsicherheit
Das System Transrapid ist systemimmanent durch folgende sicherheitsrelevante Merkmale
gekennzeichnet:
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   •   automatischer, technisch gesicherter Betrieb (individuelle Energiebereitstellung jedes
       Fahrzeuges schließt Kollision mit anderen Fahrzeugen aus, Sicherstellung eines frei
       verfügbaren Bremsweges)
   •   unabhängiger Fahrweg in Hoch-, Niveau- oder Einschnittslage ohne höhengleiche
       Kreuzungen mit anderen Verkehrsträgern
   •   entgleisungssichere Umgreifung des Fahrweges durch das Fahrzeug
   •   berührungsfreie Antriebs- und Bremsfunktion durch eisenbehafteten Langstatorantrieb
   •   Einteilung des Antriebes in voneinander unabhängig gespeiste Antriebsbereiche
       (ABE) mit unabhängiger Speisung der rechten und linken Statorseite
   •   durch fahrzeugseitige Wirbelstrombremse zusätzliche sichere Bremsfunktion

Grundlage für die Funktionen „Tragen und Führen“ und Ausgangspunkt für die Mehrheit der
Sicherheitsanforderungen und –maßnahmen ist das Prinzip des „Sicheren Schwebens“.
Damit wird die Eigenschaft des Transrapid gekennzeichnet, seine Schwebefunktion auch bei
den größten anzunehmenden Stör- bzw. Notfällen zumindest soweit aufrecht zu erhalten, dass
ein eingeschränkter und kurzzeitiger Weiterbetrieb bis zum Erreichen eines Halteplatzes
(Station oder Betriebshalteplatz) möglich ist. Die Halteplätze sind entlang der Strecke so
angeordnet, dass sie aufgrund des sicheren Schwebens erreicht werden können. Das sichere
Schweben wird durch systemtechnische (Redundanz von Trag-Führsystem, Zusatzbrems-
system, Ortung, Bordenergieversorgung) und bauliche Maßnahmen (Betriebshalteplätze)
gewährleistet.

                     km/h
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                        Bild 1: Prinzip des sicheren Schwebens [2]




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3. Anforderungen für die Anwendung im Regionalverkehr

3.1    Streckencharakter und Betriebskonzept
Mit dem Einsatz des Transrapid im Regionalverkehr werden an das Betriebssystem der Mag-
netbahn neue Anforderungen gestellt:
    • Streckenlänge kleiner 100 km,
    • Haltestellenabstände zwischen 8 und 20 km,
    • Höchstgeschwindigkeit maximal 300 km/h,
    • kurze Fahrzeiten zwischen den Stationen von 4 bis 7 Minuten,
    • dichter Fahrplantakt, Zugfolgezeit 10 Minuten, damit hohe Betriebsstabilität erforder-
       lich,
    • hohe Beschleunigung/Bremsverzögerung möglichst über den gesamten Geschwindig-
       keitsbereich zur Erzielung von Fahrzeitvorteilen,
    • höhere Fahrzeugauslastung durch Stehplätze im Fahrzeug,
    • keine Zugangsbeschränkung zum Fahrzeug,
    • sehr hohe betriebliche Verfügbarkeitsanforderungen.

Zusätzlich leiten sich neue Anforderungen auf die Gestaltung der Betriebsanlagen insbeson-
dere aus der Flächennutzung und der Bündelungssituation ab:
    • enge Bündelung mit vorhandenen Eisenbahnstrecken und Straßen,
    • Streckenführung unmittelbar durch die dicht bebauten Zentren der Städte,
    • nur begrenzt verfügbare Flächen für die Betriebsanlagen in den Stadtgebieten.


3.2     Fahrzeugkonzept
Die Auslegung der Personenfahrzeuge orientiert sich grundlegend an der vorhandenen
Technik des Anwendungsfahrzeuges TR 08 (Einsatz auch in Shanghai), die auf der
Systemspezifikation Transrapid sowie der Magnetbahn Bau- und Betriebsordnung MbBO
beruht. Da alle bisherigen Transrapid-Fahrzeuge für den Fernverkehr mit Reservierungs-
system entwickelt wurden, waren in den Fahrzeugen für alle Passagiere ausschließlich Sitz-
plätze vorgesehen.

Für einen Betrieb im Regionalverkehr sind bei der Fahrzeugauslegung neben den Sitzplätzen
auch eine ausreichende Anzahl Stehplätze vorzusehen. Dabei ist in den Spitzenstunden des
Betriebes von bis zu 4 Personen pro m² Stehplatzfläche bzw. von einer maximalen Belastung
bis zu 500 kg/m² Stehplatzfläche auszugehen. Dies stellt hinsichtlich der Lastannahmen für
das Fahrzeug und das aktive Schwebesystem deutlich höhere Anforderungen. Um eine gleich-
mäßigere Gewichtsverteilung im Zug und eine höhere spezifische Nutzlast zu erreichen, wur-
de im Gegensatz zu den Fernverkehrsfahrzeugen eine Verkürzung der Wagenkästen der End-
sektionen von 27,2 m auf 25,5 m festgelegt. Der bisher über die Schwebegestelle heraus-
ragende Bug der Endsektionen entfällt damit. Unter Ausnutzung der Reserven im Schwebe-
system konnte das maximale Sektionsgewicht von ca. 64 t auf ca. 70 t gesteigert werden.

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Aufgrund der im Regionalverkehr erforderlichen geringeren Fahrgastwechselzeiten werden je
Sektionsseite zwei Fahrzeugtüren vorgesehen. Diese besitzen im Gegensatz zum Fernverkehr
eine größere lichte Weite (z.B. 2 x 0,9 m in doppelflügeliger Ausführung, damit nutzbar für
Rollstuhlfahrer). Die Anordnung der Fahrzeugtüren erfolgte abweichend von der Fern-
verkehrsvariante des TR 08 in den Viertelspunkten der Sektionen. Aufgrund der identischen
Längen von End- und Mittelsektionen ergibt sich somit über die gesamte Zuglänge ein
einheitlicher Türteiler. Je Fahrzeugtür ist eine Ausstiegshilfe für den seltenen Fall vorgesehen,
dass Fahrgäste außerhalb von Stationen das Fahrzeug verlassen müssen. Für Evakuierungs-
zwecke muss es möglich sein, die Fahrzeugtüren von beiden Seiten aus manuell zu öffnen
und zu schließen.

In den Einstiegsbereichen sind Gepäckracks und eine 3er-Bestuhlung parallel zur Fahrzeug-
außenwand vorgesehen um für den reibungslosen Fahrgastwechsel ausreichend Stehfläche im
Türbereich zur Verfügung zu stellen. Die Sitz- und Fensterteiler werden an die geänderten
Türraster anwendungsspezifisch angepasst. Entsprechend den Betreiberanforderungen kann
eine Sitzteilung in 1. (Großraumbereich der Endsektion 2+2-Bestuhlung) und 2. Klasse
(Großraumbereich 3+3-Bestuhlung) vorgenommen sowie eine Ausstattung der Fahrzeuge mit
Toiletten und Mehrzweckräumen vorgesehen werden. Die Fahrzeugausstattung ist ent-
sprechend den UIC-Forderungen behindertengerecht ausgeführt. Die Technikschränke, in
denen sich u.a. die Luftbehandlungsgeräte befinden, werden an den Sektionsübergängen
positioniert.

Das Fahrzeuglayout im Inneren des Fahrzeuges zeigt Bild 2 am Beispiel des Metrorapid.
          Gepäckregal: 2,9 m2   Glastrennwand mit Schiebetür: 0,4 m2            Gepäckrack: 0,8 m2    Technikschrank: 1 m2




       Cockpitfläche: 15,6 m2                                                             Ausstiegshilfe: 0,25 m2




        • Grundflächen:         87 m² für Endsektion (einschließlich Cockpitfläche),       Behinderten-/Doppel-WC: 4 m2
                                88 m² Mittelsektion
        • Geräte- und
          Sonderflächen:         8 m² Endsektion 1 und 2,
                                13 m² Mittelsektion 1 (mit Behinderten-/Doppel-WC)
                                 9 m² Mittelsektion 2 (ohne Behinderten-/Doppel-WC)

 Bild 2 Aufteilung der Innenraumflächen beim Metrorapid (Fahrzeuglayout der DB AG) [3]

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3.3    Antriebsstruktur
Wie die Aufstellung in Tabelle 1 zeigt, weichen die Anforderungen an den Antrieb im
Regionalverkehr hinsichtlich Leistung und Speiselänge deutlich von den Fernverkehrs-
projekten Berlin – Hamburg und Shanghai ab. Durch den dichten Fahrplantakt und die
häufigen Halte einer Regio-Anwendung ist beim Langstatorantrieb ein vergleichsweise
geringer Unterwerksabstand erforderlich. Daraus resultiert bezogen auf die Streckenlänge
eine deutlich höhere Anzahl von Unterwerken.

Die Antriebsbereichsgrenzen müssen systembedingt in unmittelbarer Nähe der Stationen
liegen. Dies sind meist die Bahnhöfe in den meist dicht bebauten Stadtzentren. Diese Anfor-
derung ergibt sich zwingend aufgrund der Betriebsführung unter Berücksichtigung des Fahr-
profiles, der Stationslagen und der Belegungsdauern der Antriebsbereiche.

Bei der im Fernverkehr vorteilhaften Doppelspeisung sind die Unterwerke somit in der Nähe
der Antriebsbereichsgrenzen zu positionieren. Für Doppelspeisung sind mit Ausnahme der
Streckenenden Unterwerke vom Typ II mit 4 Streckenabgängen erforderlich. Diese weisen
gegenüber dem Typ I mit nur 2 Abgängen jedoch etwa den doppelten Komponenten- und
Platzbedarf auf. Aufgrund der vorliegenden Flächennutzung in Ballungsgebieten sind an den
funktional notwendigen Standorten der Unterwerke die erforderlichen großen Grundstücke
nur in den seltensten Fällen verfügbar. Die unveränderte Umsetzung des Antriebskonzeptes
für den Fernverkehr weist damit im Regionalverkehr ein hohes planerisches Konfliktpotenzial
auf, welches in Anwendungsfällen wie dem Metrorapid die Machbarkeit grundsätzlich in
Frage stellte. Zudem ist das ursprünglich für den Fernverkehr mit großen Unterwerks-
abständen und hohen Leistungsanforderungen entwickelte Konzept mit einem hohen
Investitionsaufwand verbunden, was wegen der vergleichsweise geringen Unterwerks-
abstände im Regionalverkehr überproportional kostenwirksam wird. Die installierte Leistung
wird darüber hinaus nur in geringem Maße ausgenutzt.

Aus den genannten Gründen wurde daher für Regionalanwendungen das Antriebskonzept mit
Einfachspeisung favorisiert. Hierbei ergibt sich ein wesentlicher Vorteil: Bei Einfachspeisung
können die Unterwerke an beliebiger Stelle im Antriebsbereich positioniert werden, im
Idealfall sollten sie in der „elektrischen“ Mitte stehen, um eine gleichmäßige Leistungsfähig-
keit im gesamten Antriebsbereich und eine günstige Verlustbilanz zu erreichen. Die Wahl des
Standortes kann somit im Bedarfsfall planerischen und umweltrelevanten Kriterien nach-
geordnet werden. Bezogen auf die Streckenführung bei Regionalanwendungen liegen die
Unterwerksstandorte somit zwischen den Metropolen. Auf dieser Basis konnte für Regio-An-
wendungen ein machbares Konzept entwickelt werden.

Trotz der planerischen Vorteile hat dieses Antriebskonzept jedoch auch Konsequenzen
hinsichtlich Leistungsfähigkeit, Verfügbarkeit und Energiebedarf. Aufgrund der im Regional-
verkehr reduzierten Anforderungen an die Höchstgeschwindigkeit kann auch bei Einfach-
speisung ein ausreichend hohes Beschleunigungsvermögen erreicht werden. Zur Sicherung
einer konstanten hohen Bremsverzögerung ist aus heutiger Sicht jedoch der Einsatz des
aufwändigeren Dreischrittverfahrens für die Motorabschnittsfortschaltung unverzichtbar.
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Bei Ausfall eines Unterwerkes steht zunächst keine redundante Einspeisung der Antriebs-
strecke automatisch wie bei Doppelspeisung zur Verfügung. Unter Berücksichtigung der be-
trieblichen Verfügbarkeitsanforderungen ist eine detaillierte Analyse der technischen System-
zuverlässigkeit erforderlich. Sofern erforderlich muss die technische Verfügbarkeit des
Antriebssystems entweder durch eine Erhöhung des Zuverlässigkeitsniveaus der eingesetzten
Komponenten oder durch zusätzliche Redundanzen in der technischen Struktur der Unter-
werke gesichert werden.

Durch die mit der Einfachspeisung auftretenden höheren Verluste vor allem in den
Streckenkabeln kann sich fallweise ein bis zu 10 % höherer Energiebedarf ergeben. Diesem
steht allerdings ein reduzierter Instandhaltungsaufwand für die entfallenden Antriebskompo-
nenten gegenüber, der die Betriebskosten insgesamt zugunsten der Einfachspeisung beein-
flusst. Zudem wird durch den Einsatz neuer rückspeisefähiger Netzstromrichter die Energie-
rückspeisung beim Bremsen ermöglicht.


3.4    Struktur der Energieversorgung
Bei der Wahl des Energieversorgungskonzeptes sind die Aspekte der Wirtschaftlichkeit, der
Betriebsführung sowie des Umwelt- und Naturschutzes zu berücksichtigen. Die bisher vorlie-
gende Konzeption der Energieversorgung ging von einem separaten Hochspannungsanschluss
für jeden Unterwerksstandort aus. Bezogen auf typische Regionalanwendungen wie dem
Metrorapid wären dafür auf knapp 80 km Streckenlänge insgesamt neun Einspeisungen aus
verschiedenen regionalen 110-kV-Netzen erforderlich. Aufgrund der damit verbundenen
planerischen Risiken und der hohen Investitionen wurde dem Beispiel der
Bahnenergieversorgung der Berliner S-Bahn folgend ein neues Konzept für die Einspeisung
der Unterwerke entwickelt.

Bei Regionalanwendungen, insbesondere in Ballungsräumen, werden die Unterwerke aus
einem bahneigenen leistungsfähigen Mittelspannungsnetz versorgt, welches entlang der
Strecke mitgeführt wird und die Unterwerke miteinander verbindet. Die Einspeisung in dieses
Mittelspannungsnetz erfolgt an wenigen ausgewählten Stellen aus den örtlich vorhandenen
Hochspannungsnetzen über Umspannanlagen. Die Umspannanlagen werden entweder an
Trassenkreuzungen mit bestehenden 110-kV-Leitungen neu errichtet oder durch Erweiterung
bereits vorhandener Umspannanlagen in Trassennähe realisiert. Auf diese Weise können die
erforderlichen Anlagen- und Leitungsneubauten im Ballungsraum auf ein Minimum reduziert
werden. Die Struktur des Energieversorgungsnetzes bei Regionanwendungen ist in Bild 3 am
Beispiel des Metrorapid dargestellt.




                                             10
   Versorgungsstruktur Regio
   110 kV                         110 kV                          110 kV
  Angerland                       Leithe                         Dorstfeld


                30 kV                          30 kV                           30 kV

    20 kV                         20 kV                           20 kV


                             n-2-Reserve                    n-2-Reserve




                             Neben-                         Neben-
                             anlagen                        anlagen

    30-kV-     30-kV- 30-kV-       30-kV-     30-kV- 30-kV-       30-kV-      30-kV- 30-kV-
   Anlage     Anlage Anlage       Anlage     Anlage Anlage       Anlage      Anlage Anlage
   Traktion   Traktion Traktion   Traktion   Traktion Traktion   Traktion    Traktion Traktion



     Bild 3 Struktur des Versorgungsnetzes beim Metrorapid (Zeichnung: RWE Net [4])

Aufgrund der reduzierten Anzahl von Anschlusspunkten an die 110-kV-Netze der örtlichen
Energieversorgungsunternehmen kann gleichzeitig ein günstigerer Energiepreis erzielt
werden. Das bahneigene Verteilungsnetz sorgt über einen Lastausgleich für eine Reduzierung
der Spitzenbelastungen bei der Energieentnahme aus der 110-kV-Ebene. Zudem verbleibt die
Bremsenergie weitgehend im System. Beim Metrorapid wurde für dieses Mittelspannungsnetz
aus Gründen der Leistungsfähigkeit und des Anlagenaufwandes die Spannungsebene 30 kV
gewählt.

Die Speisung der sonstigen streckenseitigen Verbraucher erfolgt weiterhin über ein 20-kV-
Kabelnetz. Dieses wird jedoch nicht in den Unterwerken, sondern ebenfalls in den Umspann-
anlagen eingespeist. Somit können bei reduzierter Zahl von Einspeisungen die für diese Span-
nungsebene entwickelten zahlreichen Anlagen der Streckenperipherie unverändert eingesetzt
werden.

Weiterer Qualifizierungsbedarf wird im Bereich der Energieversorgungsanlagen für die DC-
Stromschieneneinspeisung gesehen. Aufgrund der geringeren Fahrgeschwindigkeiten und des
dichten Stationsabstandes vergrößert sich die Länge der Stromschienenbereiche. Die derzei-
                                             11
tige Versorgung mit der Spannung DC 400 V führt aufgrund der hohen Ströme zu zahlreichen
und aufwändigen Anlagen. Eine Optimierung sowohl der Anlagenstruktur als auch des Span-
nungsniveaus ist dringend geboten. Dies kann allerdings nur System übergreifend mit dem
Fahrzeug erfolgen.

Die wesentlichen Vergleichsparameter der Konzeptionen von Antrieb und Energieversorgung
für verschiedene Transrapid-Anwendungen sind in Tabelle 1 zusammengestellt.
        Tabelle 1 : Konzeptionen von Antrieb und Energieversorgung des Transrapid
Kriterium                     Berlin – Hamburg      Shanghai          Regio
Energieversorgung
  Einspeisung Traktion        110-kV-               110-kV-           110-kV-Umspannan-
                              Einzelanbindung       Einzelanbindung   lagen + 30-kV-Ringnetz
  Streckenperipherie          20-kV-Ringnetz        20-kV-Ringnetz    20-kV-Ringnetz
Antrieb
  Unterwerksabstand          bis 48 km              etwa 30 km        5 bis 18 km
  Höchstgeschwindigkeit      430 km/h               430 km/h          300 km/h
  Speisung Antrieb           Doppelspeisung,        Doppelspeisung,   Einfachspeisung
                             Einfachspeisung        Einfachspeisung
  Standort Unterwerke        Nähe ABE-Grenze*       Nähe ABE-Grenze   etwa Mitte ABE
  Abschnittswechselverfahren Dreischritt,           Dreischritt       Dreischritt
                             Wechselschritt
  Rückspeisung Bremsen       Nein                   Nein              Ja
  Bremswiderstände           Ja                     Ja                Nein
  Eingangsstromrichter       B12-Brücke             B12-Brücke        4QS
  Stromrichterventile        GTO                    GTO               IGCT
  Netzleistungsfaktor cos ϕ  0,8 bis 0,9            0,8 bis 0,9       1,0
  Blindleistungskompensation Ja                     Ja                Nein
  Oberschwingungsfilter      Ja                     Ja                Ja
  Besonderheiten             -                      -                 Redundante
                                                                      Motorregelung/-
                                                                      steuerung pro
                                                                      Antriebsblock
   Grundfläche Unterwerk      8 000 bis 15 000 m²   8 000 m²          4 000 m²

* Anmerkung: ABE –Grenze: Grenze des Antriebsbereichs


3.5    Leittechnik / Funk
Wesentliche Merkmale des Regionalverkehrs sind kurze Stationsabstände sowie dichte
Zugfolgezeiten. Diese haben beim Transrapid gegenüber dem Fernverkehr kurze
Antriebsbereiche und damit eine hohe Anzahl von dezentralen Betriebsleiteinrichtungen
(BLD) zur Folge. Damit ergeben sich einige gegenüber dem Fernverkehr geänderte
Anforderungen:
    • Realisierung geringerer Eigenzeiten der betriebsleittechnischen Einrichtungen,
       insbesondere bei den Stationshalten sowie bei Weichenstell- und Kehrvorgängen,



                                             12
   •   aufgrund der kurzen Stationsabstände und vergleichsweise geringeren Betriebsge-
       schwindigkeiten zahlreiche Betriebshalteplätze und Stromschienenbereiche, die in die
       Leittechnik zu integrieren sind,
   •   aufgrund des dichten Bebauungsgrades im Stadtbereich und der spezifischen
       Trassierung (viele Bögen, Einschnitte und Tunnel) sehr dichter Funkmastabstand zur
       geforderten Doppelausleuchtung jedes Fahrwegortes; damit neue Technologien zur
       Errichtung und Wartung von Funkeinrichtungen an Brücken, im Tunnel oder anderen
       Bauwerken an der Strecke erforderlich,
   •   zur Erhaltung einer ausreichenden Betriebsstabilität im Regel- und Störbetrieb sind
       zahlreiche Überleitverbindungen mit dezentralen Weichensicherungen erforderlich,
       die mit dem Ziel hoher Verfügbarkeit zu steuern und zu überwachen sind.

Insgesamt sind im Regionalbetrieb des Transrapid gegenüber dem Fernverkehr wesentlich
mehr betriebsleittechnische Einrichtungen im Stationsbereich und entlang der Strecke erfor-
derlich, wodurch die Komplexität der leittechnischen Funktionen zunimmt.


3.6   Fahrweg
Aufgrund der dichten Bebauung in den Stadtbereichen und den bereits vorhandenen
Verkehrsträgern ergeben sich für den Bau der MSB Transrapid im Regionalbereich folgende
Anforderungen:
    • häufige Wechsel der Fahrweglagen (Gradientenwechsel) aufgrund von Stadteinfüh-
      rungen und Zwangspunkten in der Trassierung und Betriebsführung (Überleitverbin-
      dungen),
    • zahlreiche Kreuzungen mit anderen Verkehrsträgern, Unter- und Überführungen durch
      Brücken- und Tunnelbauwerke,
    • Transport und Lagerung langer Fahrwegträger in bebauten Gebieten ist technologisch
      äußerst schwierig.

Aus den genannten Anforderungen ergibt sich die nahezu ausschließliche Anwendung des
Trägerfahrweges vom Typ II sowie des Plattenfahrweges, welcher auch auf Sonderbauwerken
wie MSB-Primärtragwerken und bei Tunnelbauten eingesetzt werden kann. Der Einsatz des
Transrapid in Ballungsräumen erfordert darüber hinaus z.T. anspruchsvolle Fahrwegkonstruk-
tionen und Sonderbauwerke. Aufgrund der kurzen nächtlichen Betriebspausen resultieren
zudem höhere Anforderungen an die Fahrweginspektion und -instandhaltung. Aus den darge-
stellten Problemkreisen ergibt sich ein genereller Weiterentwicklungsbedarf im Bereich des
Magnetbahnfahrweges.


3.7    Sicherheitseinrichtungen
Für den sicheren Betrieb des Transrapid im Regionalverkehr ist ein streckenspezifisches
Sicherheitskonzept zu erarbeiten, aus dem die erforderlichen Sicherheitseinrichtungen
abgeleitet werden. Zu diesem Zweck werden Störfallszenarien analysiert, die das System

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und/oder die Fahrgäste beeinträchtigen können. Aus der Risikoanalyse für den Betrieb
ergeben sich Gefahrenpotentiale durch systembedingte Ereignisse, durch Wechselwirkungen
mit anderen Verkehrsträgern aufgrund von Bündelungen, durch Wechselwirkung mit der
Umgebung, durch Einwirkungen von Innen (z.B. Brand im Fahrzeug) sowie durch Ereignisse
an den Stationen. Diese Ereignisse werden anhand einer Risiko- und Maßnahmenanalyse in
nicht risikorelevante und risikorelevante Ereignisse eingestuft. Aus letzteren ergeben sich
dann die spezifischen Sicherheitsmaßnahmen und –einrichtungen. Diese betreffen u.a.
    • den Brandschutz im Fahrzeug,
    • die Entwicklung spezifischer Szenarien zur Evakuierung der Fahrzeuge im Notfall,
    • die Kollisionsvermeidung bzw. –toleranz sowie
    • spezielle sicherheitstechnische Lösungen für die Tunnel.

Der Brandschutz im Fahrzeug basiert auf aktiven Maßnahmen, die eine Brandentstehung
weitgehend ausschließen und passiven Maßnahmen, die im Brandfall eine Brandausbreitung
verhindern oder solange verzögern bis die Passagiere das Fahrzeug an einer Station verlassen
können. Die Fahrgasträume sind so beschaffen, dass kein systemeigener Brand entstehen
kann und mit automatischen Brandmeldern sowie tragbaren Feuerlöschern ausgestattet
(gemäß höchster Brandschutzstufe nach DIN 5510-1). Aufgrund der kurzen Stationsabstände
im Regionalverkehr wird das 10-min-Kriterium für die Anordnung von Evakuierungs-
halteplätzen erfüllt, wodurch diese in der Regel entfallen können. Wegen des höheren
Besetzungsgrades der Fahrzeuge im Regionalverkehr ...

Zur Kollisionsvermeidung bzw. –toleranz dienen u.a. folgende konstruktiven und betriebli-
chen Sicherheitsmaßnahmen:
   • Kollisionsschutz an Stützen bei Verkehrswegen unter dem Fahrweg sowie Schutz der
       Fahrwegträger durch Einhaltung bestimmter Durchfahrtshöhen,
   • Vorsehen von Konstruktionen zum Kollisionsschutz bei parallelen Verkehrswegen
       (z.B. Jersey-Betonelemente bei Autobahnen, Fangschienen bei Eisenbahnen),
   • Schutzbauten gegen Herabstürzen von Fahrzeugen bei Verkehrswegen über dem
       Fahrweg,
   • besondere Vegetationspflege entlang der Trasse der Magnetschnellbahn zur Licht-
       raumfreihaltung und zum Schutz vor umfallenden Bäumen.

Für das Novum der Führung von Magnetbahnstrecken im Tunnel wurde in Anlehnung an
vorhandene Regelwerke für Rad-Schiene-Strecken eine entsprechende EBA-Richtlinie
entwickelt.


4. Zusammenfassung

Veränderte betriebliche und planerische Anforderungen beim Einsatz des Transrapid im Re-
gionalverkehr führen zu angepassten technischen Lösungen insbesondere bei den Subsyste-
men Antrieb, Energieversorgung, Fahrzeug und Fahrwegtechnologie.
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Das neu entwickelte Regio-Antriebskonzept mit Einfachspeisung gewährleistet sowohl eine
hohe Leistungsfähigkeit als auch die planerische Machbarkeit bei insgesamt geringeren Inves-
titionen und Betriebskosten. Für die Sicherung einer hohen Verfügbarkeit sind zusätzliche
Redundanzen im Antriebssystem erforderlich. Bei der Energieversorgung können durch Auf-
bau eines leistungsfähigen bahneigenen Mittelspannungsnetzes zur Versorgung der Unterwer-
ke die erforderlichen Neubauten von Hochspannungsleitungen im Ballungsraum auf ein Mini-
mum reduziert und ein günstiger Energiepreis erzielt werden.

Für die Fahrzeuge kommen aufgrund der im Regionalverkehr vorzusehenden Stehplätze und
der kurzen Fahrgastwechselzeiten höhere Lastannahmen, angepasste Längenmaße für End-
und Mittelsektion, einheitliche Türteiler, größere Türbreiten und ein verändertes Innenraum-
design zur Anwendung.

In der Fahrwegtechnologie sind flexibel an die topografischen Gegebenheiten anpassbare
Fahrwegelemente erforderlich, die zudem einen geringeren Inspektions- und Instandhaltungs-
aufwand ermöglichen. Entsprechende Weiterentwicklungen wurden angestoßen.

Im Bereich der Systemsicherheit wurden gemeinsam mit der Zulassungsbehörde angepasste
Lösungen für die Fahrzeug- und Fahrwegausrüstung sowie die Trassenführung der
Magnetbahn im Tunnel entwickelt.

Besondere Erwähnung verdient, dass die meisten der gefundenen technischen Lösungen für
die Regionalverkehrsanwendung des Transrapid planungsbegleitend entwickelt wurden.


5. References / Literatur

   [1] Bundesministerium für Verkehr, Bau- und Wohnungswesen, Machbarkeitsstudie Transrapid –
       Metrorapid, Februar 2002.

   [2] Institut für Bahntechnik GmbH, Genehmigungsplanung Metrorapid, Sicherheitskonzept Met-
       rorapid, Stand 11.04.2003.

   [3] Institut für Bahntechnik GmbH, Genehmigungsplanung Metrorapid, Fahrzeugkonzept Metro-
       rapid, Stand 30.06.2003.

   [4] Institut für Bahntechnik GmbH/RWE Net, Genehmigungsplanung Metrorapid, Energieversor-
       gungskonzept Metrorapid, Stand 30.06.2003.




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