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Für den Betrieb von Gleichstrombahnen wird die Lokomotive mit Strom versorgt. Dabei wird gemäss Figur 1 vom Speisegleichrichter Strom in die Oberleitung gespiesen. Von der Oberleitung fliesst dieser Strom über die Motoren in die Schienen und zurück zum Speisegleichrichter. Über die Oberleitung und die Schienen ist folglich ein geschlossener niederohmiger Stromkreis sichergestellt. Im Idealfall kommt es zu keinem Streustromaustritt aus den Schienen ins umliegende Erdreich. Der Querschnitt der Rückleitung besteht aus dem gesamten Schienenprofil, und oft ist die Rückleitung noch zusätzlich mit parallelen Rückleiterseilen aus Kupfer verstärkt, was zu einer sehr niederohmigen Rückleitung führt. Im Betrieb können aber bei Beschleunigung und in Steigungen beträchtliche Traktionsströme im Bereich von Kiloampere auftreten. Trotz dem niederohmigen Rückleiter ergibt sich in diesen Fällen eine Anhebung des Schienenpotenzials gegenüber der Erde. Gleichzeitig erfolgt dabei im Bereich des Speisegleichrichters oder bei bremsenden Fahrzeugen eine Verschiebung des Schienenpotenzials in negative Richtung. Diese Potenzialanhebung und -absenkung der Schienen bewirkt einen Stromaus- und -eintritt in die Schienen, wie in Figur 1 dargestellt. Dieser sogenannte Streustrom durch den Erdboden ist proportional zur Schienenpotenzialänderung und zur Schienenisolation. Zwar liefert der Rückstrom über die Erde einen Beitrag zur Rückleitung und verbessert somit die Energieeffizienz der Fahrzeuge, der Stromaustritt aus den Schienen bewirkt aber Korrosion an der Bahninfrastruktur. Die Folge sind beispielsweise geschädigte Schienenklammern. Aus Gründen der Betriebssicherheit ist es somit wichtig, dass der Streustromaustritt aus den Bahnanlagern möglichst beschränkt wird. Zur Sicherstellung der Dauerhaftigkeit der Bahninfrastruktur ist gemäss SN EN 50122-2 [1] der Streustromaustritt pro Laufmeter Gleis auf 2,5 mA zu begrenzen. Diese Vorgaben können nur eingehalten werden, wenn die Schienen gegenüber Erde isoliert werden, und die Verschiebung des Schienenpotenzials möglichst gering gehalten wird.
Selbstverständlich war es für die Bahnbetreiber nicht möglich, diese Vorgaben der SN EN 50122-2 in Bezug auf Streustromemission innerhalb weniger Jahre umzusetzen. Vielmehr wurden diese Verbesserungen in den letzten Jahrzehnten bei Neubauten und Gleiserneuerungen schrittweise eingeführt. Die konsequente Trennung der Schienen von fremden Erdungssystemen, die qualitativ hochwertige Isolation der Schienen sowie die Qualitätssicherung bei der Inbetriebnahme und im Unterhalt haben die Streustromsituation in den letzten Jahren deutlich verbessert, obwohl die Leistung der Fahrzeuge und die Fahrplanfrequenz kontinuierlich zugenommen haben. Zudem wird heute bei den meisten Fahrzeugen die Bremsenergie für die Stromerzeugung genutzt. Dies ist aus Sicht der Energieeffizienz sehr sinnvoll, kann aber in ungünstigen Fällen die Streustromgefährdung durch erhöhte Speiselängen zusätzlich verschärfen.
Die konsequente Umsetzung dieser Schutzmassnahmen aufseiten der Streustromverursacher hat aber auch Auswirkungen auf die Schutzmassnahmen, die aufseiten der Beeinflussten zu treffen sind. Im Folgenden werden diese Aspekte und die daraus resultierenden neuen Massnahmen
diskutiert.
Eingangs wurde erläutert, dass die Verschiebung des Schienenpotenzials zu einem Stromübertritt in die Erde führt und daraus resultierende Korrosionsschäden an der Bahninfrastruktur bewirkt. Die konsequente Umsetzung von Streustromschutzmassnahmen ist folglich primär auch für den sicheren Bahnbetrieb unerlässlich. Dieser Stromübertritt von den Bahnanlagen in den Boden bewirkt aber auch einen Streustromfluss im Boden und, abhängig vom Bodenwiderstand, zu einem Spannungsfall im Erdreich. Derartige Spannungsfälle im Erdreich können zum Übertritt des Stroms in Drittstrukturen führen, wobei Rohrleitungen und Erdungsanlagen aufgrund ihrer grossen räumlichen Ausdehnung besonders gefährdet sind. Aber auch Verankerungen und Stahlbetonstrukturen können kritische Beeinflussungen gemäss SN EN 50162 [2] erfahren, wenn keine geeigneten Schutzmassnahmen getroffen werden, wie sie zum Beispiel in der Richtlinie C3 der SGK beschrieben sind [3].
Die Auswirkung von Streuströmen auf eine erdverlegte Rohrleitung ist schematisch in Figur 2 dargestellt. Der Stromeintritt in die Schiene bewirkt einen Spannungsfall im Boden und eine entsprechende Verschiebung des Bodenpotenzials um ΔUk. Eine Rohrleitung mit zwei Fehlstellen greift nun diesen Spannungsfall ΔU ab, was zum Stromein- und -austritt führt, wobei Korrosion beim Stromaustritt erfolgt. In Figur 3 ist ein typischer Korrosionsschaden aufgrund von Streustromkorrosion an einer Rohrleitung gezeigt.
Diese Situation ist vergleichbar mit dem Personenschutz bei Blitzschlag. Der Blitzstrom verteilt sich im Boden und führt analog zum Streustrom zu einer Verschiebung des Bodenpotenzials. Eine Person, die mit zwei Füssen auf der Erdoberfläche steht, greift diese Spannung ab. Dies führt zu einem Stromfluss über Füsse und Beine und möglicherweise zu einem gravierenden Personenschaden durch Verbrennungen oder Herzstillstand. Aus dem Blitzschutz ist bekannt, dass die Füsse möglichst nahe beieinander zu halten sind, um die abgegriffene Spannung und den resultierenden Strom zu vermindern. Mithilfe dieser Analogie kann die wichtigste und kostengünstigste Schutzmassnahme gegen Streustromschäden verdeutlicht werden: Der Einsatz von Gussrohrleitungen mit isolierender Muffenverbindung verringert die räumliche elektrisch leitfähige Ausdehnung der Rohre, vermindert die abgegriffene Spannung im Boden und eliminiert damit die mögliche Streustromgefährdung. Für Versorgungsunternehmen besteht die einfachste Streustromschutzmassnahme daher im Einsatz von geeigneten elektrisch isolierenden Rohrverbindungen, wie sie heute von sämtlichen Rohrlieferanten angeboten werden. Bildlich gesprochen, verringert sich der Fussabstand der Rohrleitung auf ein Rohrsegment von 6 m, was deren Korrosionsgefährdung durch Streuströme in den meisten Fällen auf ein vernachlässigbares Mass verringert.
Nebst dieser einfachen und kostengünstigen Schutzmassnahme basierend auf der Unterbrechung der Längsleitfähigkeit kann es bei älteren elektrisch durchgängig längsleitfähigen Rohrleitungen oder Kabelmänteln erforderlich sein, weiterführende Schutzmassnahmen zu treffen, damit die Vorgaben der SN EN 50162, der ISO 21856 und der Richtlinie C3 der SGK eingehalten werden können. Im Zusammenhang mit der Wahl und der Dimensionierung der geeigneten Schutzmethode ist es unerlässlich, die in den letzten Jahrzehnten von den Bahnbetreibern umgesetzten Massnahmen mit zu berücksichtigen. Als die Schienen noch ohne Isolation als Rasengleis verlegt wurden, war ein ungehinderter Streustromaustritt ins umliegende Erdreich möglich. Die fehlende Trennung der Schienen von Erdungsanlagen hat ebenfalls zu hohem Stromaustritt und beträchtlichem Streustromfluss im Boden geführt. Unter diesen denkbar ungünstigen Beeinflussungsbedingungen mussten einfache und leistungsfähige Schutzmassnahmen getroffen werden, um die Schäden an Rohrleitungsanlagen zu begrenzen. Diese in der Vergangenheit eingesetzten Verfahren werden im folgenden Kapitel beschrieben.
Aus den Figuren 1 und 2 wird deutlich, dass der Korrosionsangriff an den Rohrleitungen bei Stellen mit Stromaustritt erfolgt. Es war daher naheliegend, den Stromaustritt aus den Rohrleitungen zu unterbinden, indem die Rohrleitung über eine Diode mit den Schienen verbunden wurde (Fig. 4). Diese sogenannte Streustromdrainage hatte zur Folge, dass der Strom nicht mehr aus dem Rohr austritt, sondern direkt über das elektronenleitende Kabel zu den Schienen zurückfliesst. Es ist ausser Frage, dass mit dieser Massnahme ein wirksamer Korrosionsschutz erreicht wird. Aus Figur 4 folgt sofort, dass der Einbau einer Drainage einer Erdung der Schiene an die Rohrleitung gleichkommt. Der folgende Aspekt ist nun wesentlich bei der Bewertung der Zweckmässigkeit einer Drainage: Die korrosive Wirkung der Schiene auf die Rohrleitung ist die Folge des negativen Schienenpotenzials und der schlechten Schienenisolation. Mit dem Einbau der Drainage nimmt nun die Rohrleitung dasselbe negative Potenzial der Schiene an. Dies bedeutet, dass die drainierte Rohrleitung ihrerseits eine korrosive Auswirkung auf benachbarte nicht drainierte Rohrleitungen ausübt. Diese korrosive Wirkung der Rohrleitung auf Drittstrukturen ist besonders ausgeprägt, wenn die drainierte Rohrleitung keine oder nur eine schlechte Umhüllung aufweist. Konkret wird im ungünstigsten Fall ein Korrosionsproblem auf der drainierten Rohrleitung gelöst und eine Vielzahl von zusätzlichen kritischen Beeinflussungen bei Drittstrukturen erzeugt.
Diese ungünstigen Effekte einer Drainage können mithilfe einer sogenannten Soutirage deutlich verringert werden. Eine Soutirage (Fig. 5) besteht aus einem potenzialgeregelten Gleichrichter, der einen Strom zwischen der zu schützenden Rohrleitung und der Schiene derart regelt, dass das Rohrleitungspotenzial, gemessen gegen die Bezugselektrode, den vorgegebenen Sollwert nicht überschreitet. Im Gegensatz zur Drainage wird das Rohr nicht direkt mit der Schiene verbunden. Somit wird die Schiene nicht direkt an die Rohrleitung geerdet. Die Anlage liefert gerade so viel Strom, dass die Veränderung des Bodenpotenzials durch den Streustrom mithilfe einer Verschiebung des Rohrleitungspotenzials in die negative Richtung kompensiert wird. Der Vorteil der Soutirage besteht folglich darin, dass die Beeinflussung der Rohrleitung auf Drittstrukturen auf das minimal erforderliche Mass begrenzt wird.
Die Drainage und die Soutirage sind aber nur dann sinnvoll, wenn die Schienen nicht isoliert sind. Dies lässt sich am besten am Beispiel der Drainage verdeutlichen: Gemäss SN EN 50122-2 müssen die Bahnbetreiber die Vorgaben in Bezug auf austretenden Streustrom einhalten, um eine kritische Schädigung ihrer Anlagen zu verhindern. Dies kann nur durch teure Investitionen in die Isolation der Geleise erreicht werden. Wenn nun diese aufwendig isolierte Schiene mit einer Drainage oder einer Soutirage verbunden wird, kommt dies einer Erdung der isolierten Schiene gleich. Diese Erdung erhöht das Schienenpotenzial und damit die Korrosionsgefährdung der Bahninfrastruktur. Die Drainage verhindert folglich die Korrosion der geschützten Rohrleitung, erhöht aber den Streustromfluss, die Korrosionsgefährdung der Geleise und jene von Drittleitungen.
Diese Problematik ist auch bei der Soutirage gegeben. Die zunehmende Isolation der Schienen führt dazu, dass während der Betriebsruhe in der Nacht deutlich positive Schienenpotenziale beobachtet werden. Diese sind die Folge von ungeeignet eingestellten Soutiragen, die oft als kathodische Korrosionsschutzanlagen betrieben werden. Die Schienen werden somit faktisch als Anoden benutzen. Bei isolierten Schienen ist dies nicht länger zulässig, da dies direkt zu einer Korrosionsgefährdung der Bahninfrastruktur führt. Es gibt aber noch einen weiteren wichtigen Grund, der die Prüfung der Zweckmässigkeit von Soutiragen nahelegt. Mit der Schienenisolation und der zunehmenden Traktionsleistung steigen die Schienenpotenziale bei modernen Bahnanlagen deutlich an. Die hohe Zugsfrequenz führt zudem zu schnellen Änderungen des Schienenpotenzials. Viele heute eingesetzte Soutiragen sind nicht mehr in der Lage, die Potenzialregelung ausreichend schnell und im erforderlichen Spannungsbereich vorzunehmen. In der Folge erhöhen sie die Potenzialvariation auf der Rohrleitung, was eine starke Streustrombeeinflussung suggeriert. Tatsächlich handelt es sich aber lediglich um eine unzureichend wirksame Potenzialregelung.
Angesichts der veränderten Situation aufseiten der Verursacher ist es angezeigt, die Wirksamkeit und Zweckmässigkeit der getroffenen Schutzmassnahmen für Rohrleitungen regelmässig zu prüfen. In vielen Fällen wird dabei festgestellt, dass die Drainagen und Soutiragen aufgrund der bahnseitig vorgenommenen Schienenisolation gar nicht mehr erforderlich sind. Bei dieser Bewertung kann nicht der Drainagestrom als Nachweis für die Wirksamkeit der Schutzmassnahmen herangezogen werden. Vielmehr muss eine Beurteilung der Streustromgefährdung der beeinflussten Struktur gemäss Richtlinie C3 der SGK vorgenommen werden.
Es zeigt sich, dass durchaus gewisse Rohrleitungen auch heute noch gegen unzulässige Streustrombeeinflussungen geschützt werden müssen. Die Ausführungen in Bezug auf die Auswirkungen der in der Vergangenheit eingesetzten Systeme machen deutlich, dass deren Zweckmässigkeit zu überdenken und alternative Verfahren zu prüfen sind. Insbesondere ist die Verwendung der Schienen als Anoden heute nicht mehr zu rechtfertigen. Aus diesem Grund sollten Drainagen und Soutiragen in deren ursprünglicher Form nicht mehr neu erstellt werden. Zudem sind die noch in Betrieb befindlichen Anlagen regemässig in Bezug auf deren Notwendigkeit zu prüfen. Konkret stellt sich aber die Frage, welche Verfahren bei kritischer Streustrombeeinflussung unter den heutigen Randbedingungen noch sinnvoll angewendet werden können.
Gemäss Richtlinie C3 besteht die einfachste Lösung des Beeinflussungsproblems in der Erstellung einer Anodenanlage für die Soutirage gemäss Figur 6. Neu erfolgt der Anschluss der Soutirage nicht mehr an die Schiene, sondern an die eigens gebauten Anode. Mit dieser Massnahme werden zwei wichtige Probleme
gelöst:
Aus heutiger Sicht ist es also angezeigt, parallel zur Isolierung der Schienen die Soutiragen mit Anoden auszurüsten. Bei korrekter Dimensionierung und Materialisierung dieser Anode werden mehrere Jahrzehnte Betriebsdauer erreicht.
Mit diesen potenzialgesteuerten Anoden wird eine wirksame Korrektur der Streustrombeeinflussung der Rohrleitung erreicht. Dabei wird auf die Absenkung des Bodenpotenzials aufgrund des Streustromflusses mit einem Absenken des Rohrleitungspotenzials reagiert. Diese Schutzmassnahme verhindert wirksam den Streustromaustritt aus dem Rohr. Stattdessen wird dieser anodische Strom über die Anodenanlage ins Erdreich geleitet, wobei weder die Rohrleitung noch die Schiene korrosiv belastet wird.
Diese Schutzmassnahme ist gut erprobt und hat sich weltweit durchgesetzt. Sie ist aber nicht in allen Fällen unproblematisch. So kann eine Soutirage mit Fremdstromanode problemlos zum Streustromschutz von erdverlegten Gasleitungen verwendet werden, die sowieso bereits mit einem kathodischen Korrosionsschutz ausgerüstet sind. Für den Streustromschutz von faserzementumhüllten Gussrohrleitungen oder von Fundamenterdern ist diese Massnahme aber gänzlich ungeeignet. Der Grund besteht im niederohmigen Erdübergangswiderstand dieser Strukturen. Um beispielsweise eine anodische Streustrombeeinflussung einer gut umhüllten Gasleitung zu kompensieren, sind Ströme in der Grössenordnung von 100 mA erforderlich. Demgegenüber sind für eine Gussleitung Ströme im Bereich von mehreren Ampere notwendig. Diese Ströme sind nicht nur schwierig über Anodenanlagen ins Erdreich einzubringen. Die dazu erforderliche Leistung ist auch aus regeltechnischer Sicht und aus Gründen der Fremdbeeinflussung nicht unbedenklich.
Dies bedeutet, dass die Kompensation einer streustrombedingten Bodenpotenzialanhebung mithilfe einer Korrektur des Rohrleitungspotenzials nur in wenigen Fällen möglich ist, die meist sowieso schon mit einem kathodischen Korrosionsschutz ausgerüstet sind. Aus betrieblicher Sicht ist es zudem nur bedingt sinnvoll, das gesamte Rohrpotenzial anzupassen, um eine lokale Beeinflussung des Bodenpotenzials zu korrigieren. Dies kann insbesondere in Bezug auf Überpolarisation der Rohrleitung oder bei kritischer Wechselspannungsbeeinflussung ungünstig sein.
Diese Probleme der Soutiragen können mithilfe einer aktiven Bodenpotenzialsteuerung (Fig. 7) gelöst werden. Die Vorgehensweise ist dabei denkbar einfach: Der Streustromfluss im Erdreich bewirkt eine Veränderung des Bodenpotenzials, die zur korrosiven Beeinflussung führt. Anstatt diese Bodenpotenzialveränderung mithilfe des Rohrleitungspotenzials zu korrigieren, ist es aus technischer Sicht viel sinnvoller, durch einen entsprechenden Gegenstrom die Bodenpotenzialveränderung zu kompensieren. Die Potenzialsteuerung wird zum Personenschutz auf Hochspannungsanlagen seit Langem technisch genutzt, um gefährliche Ströme über den menschlichen Körper zu verhindern. Dieselbe Technologie kann zum Kompensieren von korrosiven Strömen an Rohrleitungsanlagen verwendet werden. Dabei wird der Kompensationsstrom im Bereich von einigen zehn Milliampere zwischen einer lokalen Anode und einer fernen Erdungsanlage eingespeist. Das heisst, die zu schützende Rohrleitung wird nicht mit einem Strom beaufschlagt. Vielmehr wird gemäss Figur 7 die Veränderung des Rohrpotenzials durch den Stromfluss zwischen Anode und Erdungsanlage korrigiert. Die lokale Streustrombeeinflussung wird folglich durch eine lokale Korrekturmassnahme verringert. Dabei sind die Umhüllungsqualität und die galvanische Trennung der Rohrleitung irrelevant. Mithilfe der lokalen Potenzialsteuerung kann einfach eine lokale Korrektur der Beeinflussung mit verhältnismässig geringen Strömen erreicht werden. Mit dieser Massnahme wird weder der Streustromaustritt aus den Geleisen noch die Beeinflussung von benachbarten Drittstrukturen relevant erhöht.
Die bahnseitig getroffenen Massnahmen zur Verringerung der Streustromemission, insbesondere die stark verbesserte Schienenisolation, haben in der Schweiz in den letzten Jahren zu einer deutlichen Verringerung der Streustrombeeinflussung geführt. Die heute systematisch eingebaute galvanische Trennung in den Gussrohrleitungen hat die korrosive Beeinflussung von Wasserleitungen weiter stark vermindert.
Der Einbau von Drainagen, aber auch Soutiragen ist angesichts dieser Schutzmassnahmen heute nicht mehr sinnvoll. Mit der schrittweisen elektrischen Isolation der Schienen ist die Zweckmässigkeit von bestehenden Drainagen regelmässig zu kontrollieren. Zudem ist der Neubau von Drainagenanlagen nicht mehr sinnvoll, da die elektrische Verbindung einer Rohrleitung mit den Schienen einer Erdung der aufwendig elektrisch isolierten Geleise gleichkommt. Dies ist im Widerspruch zu den Streustromschutzkonzepten in SN EN 50122-2. Angesichts dieser Randbedingungen sind heute zum Streustromschutz von kathodisch geschützten Rohrleitungen Soutiragen in Kombination mit Fremdstromanoden einzusetzen. Alternativ kann ein wirksamer Streustromschutz von sämtlichen erdverlegten Strukturen mithilfe der Bodenpotenzialsteuerung erreicht werden. Dabei wird die korrosive Wirkung des Streustroms durch einen entsprechenden Gegenstrom kompensiert. Mit diesen Verfahren kann ein wirksamer Streustromschutz bei gleichzeig minimaler Beeinflussung von Drittstrukturen erreicht werden.
[1] SN EN 50122-2 (2010): Bahnanwendungen – Ortsfeste Anlagen – Elektrische Sicherheit, Erdung und Rückleitung – Teil 2: Schutzmaßnahmen gegen Streustromwirkungen durch Gleichstrom- Zugförderungssysteme
[2] SN EN 50162 (2005): Schutz gegen Korrosion durch Streuströme aus Gleichstromanlagen
[3] SGK (2015): Richtlinie C3 «Richtlinie zum Schutz gegen Korrosion durch Streuströme von Gleichstromanlagen»
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