Warum benötigen Eisenbahnen transformatorbasierte USV-Anlagen für Signalanlagen?

TIPPS: Eisenbahnsignalanlagen sind eine kritische Infrastruktur, die den sicheren Zugbetrieb gewährleistet. Transformatorbasierte USV-Stromversorgung bildet das Rückgrat der Stromversorgung für die Signaltechnik. Es gewährleistet eine unterbrechungsfreie Stromversorgung bei Netzausfällen. In diesem Artikel wird erläutert, warum die Signaltechnik im Eisenbahnverkehr transformatorbasiert USV-Stromversorgung unter strikter Einhaltung der EMV-Normen nach EN 50121 und mit einem breiten Temperaturbereich (-25 °C bis +55 °C). Signalunterbrechungen können katastrophale Folgen haben. BKPOWER verfügt über fundiertes Fachwissen im Bereich der Stromversorgungslösungen für den Schienenverkehr. Wir liefern zuverlässige transformatorbasierte USV-Anlagen für „Belt and Road“-Projekte wie die Eisenbahnstrecke Ungarn–Serbien und die Eisenbahnstrecke China–Laos.

I. Die entscheidende Rolle des Stromschutzes in der Eisenbahnsignaltechnik

1. Signalanlagen: Das Nervensystem der Eisenbahn

Eisenbahnsignalanlagen fungieren als das “Nervensystem” des Schienenverkehrs. Sie steuern den Zugverkehr, regeln die Zugabfertigung und gewährleisten die Sicherheit. Die Zuverlässigkeit dieser Systeme wirkt sich unmittelbar auf die Sicherheit der Fahrgäste und die betriebliche Effizienz aus.

Der weltweite Markt für Eisenbahnsignalanlagen erreichte im Jahr 2024 ein Volumen von $18,2 Milliarden. Prognosen gehen von einem Wachstum auf $42,4 Milliarden bis zum Jahr 2034 aus. Dies entspricht einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 8,9%. Weltweit investieren Länder weiterhin in die Modernisierung der Signalanlagen.

2. Katastrophale Folgen von Signalausfällen

Ein Stromausfall in den Signalanlagen führt zu Katastrophenszenarien:

• Verlust der Zugkontrolle: Signalstörungen verhindern, dass Züge die Fahrfreigabe erhalten. Dies kann zu Auffahrunfällen oder Frontalzusammenstößen führen.
• Handlungsunfähigkeit: Die Leitstellen verlieren den Überblick über die Positionen der Züge. Das gesamte Schienennetz versinkt im Chaos.
• Enorme wirtschaftliche Verluste: Branchenstatistiken zeigen, dass Signalausfälle auf wichtigen Bahnstrecken Kosten in Millionenhöhe pro Stunde verursachen.
• Bedrohungen der öffentlichen Sicherheit: Signalstörungen zu den Stoßzeiten gefährden Tausende von Fahrgästen.

Ein Ausfall des Signalsystems in Europa im Jahr 2019 führte zu einer sechsstündigen Sperrung der Hauptstrecke. Über 50.000 Fahrgäste waren von Reiseunterbrechungen betroffen. Die wirtschaftlichen Verluste beliefen sich auf über 8 Millionen Euro. Dieser Fall verdeutlicht, wie entscheidend eine zuverlässige Stromversorgungssicherung ist.

Abbildung 1: Architektur eines Eisenbahnsignalsystems mit transformatorbasierter USV

II. Technische Vorteile von transformatorbasierten USV-Anlagen

1. Was ist eine transformatorbasierte USV?

Transformatorbasierte USV-Anlagen nutzen Netzfrequenztransformatoren als Komponenten zur Kernisolierung und Spannungsumwandlung. Diese Systeme unterscheiden sich grundlegend von Hochfrequenz-USV-Konstruktionen.

Zu den Kernkomponenten gehören:

• Netzfrequenz Trenntransformator: Sorgt für elektrische Trennung und Spannungswandlung
• Gleichrichter: Wandelt Wechselstrom in Gleichstrom um
• Wechselrichter: Wandelt Gleichstrom wieder in Wechselstrom um
• Batteriebank: Speichert Energie für Reservestrom bei Stromausfällen

2. Wesentliche Vorteile für Eisenbahnanwendungen

Transformatorbasierte USV-Anlagen bieten in Bahnumgebungen deutliche Vorteile:

(1) Hervorragende elektrische Isolierung

Netzfrequenztransformatoren sorgen für eine vollständige galvanische Trennung. Sie blockieren wirksam Überspannungen, Spannungsspitzen und Störsignale aus dem Stromnetz. Dieser Schutz ist für empfindliche Signalgeräte unerlässlich.

(2) Außergewöhnliche Überlastfähigkeit

Transformatorbasierte USV-Anlagen halten kurzzeitigen Überlastungen von über 300% stand. Diese Fähigkeit ermöglicht die Bewältigung von Einschaltströmen beim Start von Signalgeräten.

(3) Hervorragende Stoßspannungsfestigkeit

Transformatoren mit Eisenkern sind von Natur aus widerstandsfähig gegen Stromspitzen. Dies eignet sich besonders für den Einsatz im Eisenbahnbereich, wo häufige Lastschwankungen auftreten.

(4) Höhere Zuverlässigkeit

Ein einfacherer Aufbau bedeutet weniger Fehlerquellen. Die mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen (MTBF) beträgt mehr als 200.000 Stunden.

(5) Bessere Anpassungsfähigkeit an die Umweltbedingungen

Transformatorbasierte USV-Anlagen weisen eine geringere Empfindlichkeit gegenüber Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Höhe auf. Dies eignet sich für den Einsatz im Freien und in rauen Umgebungen.

3. Transformatorbasierte USV vs. Hochfrequenz-USV

Tabelle 1: Technischer Vergleich zwischen transformatorbasierten und Hochfrequenz-USVs

Der Vergleich zeigt, dass transformatorbasierte USV-Anlagen in puncto Wirkungsgrad und Größe leicht hinterherhinken. Allerdings liegen sie bei der elektrischen Trennung, der Überlastfähigkeit und der Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche Umgebungsbedingungen deutlich vorn. Diese Vorteile machen sie zur bevorzugten Wahl für Eisenbahnsignalanlagen.

III. Eisenbahnnormen und Konformitätsanforderungen

1. EN 50121 – Normen zur elektromagnetischen Verträglichkeit

Im Eisenbahnbereich herrschen komplexe elektromagnetische Bedingungen. Traktionsstromversorgungssysteme, der Zugbetrieb und Kommunikationsgeräte verursachen starke Störungen. Die Normenreihe EN 50121 befasst sich mit diesen Herausforderungen.

Die Normenreihe EN 50121 umfasst:

• EN 50121-1: Allgemeine Anforderungen
• EN 50121-2: Emissionen des gesamten Eisenbahnsystems
• EN 50121-3-1: Schienenfahrzeuge – Züge und komplette Fahrzeuge
• EN 50121-3-2: Schienenfahrzeuge – Ausrüstung
• EN 50121-4: Signal- und Telekommunikationsgeräte
• EN 50121-5: Ortsfeste Stromversorgungsanlagen und -geräte

USV-Anlagen für die Eisenbahnsignaltechnik müssen den Anforderungen der Normen EN 50121-4 und EN 50121-5 entsprechen.

2. Wesentliche Prüfvorschriften der Norm EN 50121

Die Norm EN 50121 schreibt vor, dass USV-Anlagen bestimmte kritische Prüfungen bestehen müssen:

Abgasuntersuchungen:

• Strahlungsemission
• Leitungsgebundene Emission

Immunitätstests:

• ESD: ±8 kV Kontaktentladung, ±15 kV Luftentladung
• Störfestigkeit gegen abgestrahlte Störungen: 10 V/m, 80 MHz–6 GHz
• EFT: ±2 kV an Stromanschlüssen, ±1 kV an Signalanschlüssen
• Spannungsspitzen: ±4 kV Leitung-Erde, ±2 kV Leitung-Leitung
• Geleitete Störfestigkeit: 10 V, 150 kHz–80 MHz
• Spannungseinbrüche und kurze Unterbrechungen

Abbildung 2: Schematische Darstellung der Prüfung der elektromagnetischen Verträglichkeit gemäß EN 50121

3. Weitere relevante Normen

Zusätzlich zu der Norm EN 50121 müssen USV-Anlagen für den Eisenbahnbereich folgende Anforderungen erfüllen:

• IEC 62040-Reihe: Leistung, Sicherheit und EMV von USV-Anlagen
• EN 50126/50128/50129: RAMS (Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit, Wartbarkeit, Sicherheit)
• EN 50124-1: Anforderungen an die Wärmedämmung
• NFPA 130: Lebensrettungssysteme (mindestens 2 Stunden Betriebsdauer)

BKPOWER entwickelt transformatorbasierte USV-Anlagen unter strikter Einhaltung dieser Normen. Unsere Produkte gewährleisten die Einhaltung der Vorschriften bei Eisenbahnprojekten weltweit.

IV. Auslegung für einen breiten Temperaturbereich in rauen Umgebungen

1. Temperaturbedingte Herausforderungen im Eisenbahnbereich

Eisenbahnsignalanlagen werden häufig im Freien oder unter halb-freiluftähnlichen Bedingungen betrieben. An diesen Standorten herrschen extreme Temperaturschwankungen:

• Kaltregionen: Im Winter sinken die Temperaturen auf -25 °C oder darunter
• Heiße Regionen: Die Temperaturen im Sommer liegen über +55 °C
• Starke tageszeitliche Schwankungen: In einigen Regionen betragen die täglichen Temperaturschwankungen mehr als 30 °C
• Große Höhe: Die Hochlandbahnen erreichen Höhen von über 4.000 Metern

Extreme Temperaturen beeinträchtigen die Leistung der USV:

• Niedrige Temperaturen verringern Batteriekapazität und kann Elektrolyte gefrieren lassen
• Hohe Temperaturen beschleunigen die Alterung der Bauteile und verkürzen deren Lebensdauer
• Schnelle Temperaturschwankungen führen zu Kondenswasserbildung und Isolationsfehlern

Abbildung 3: USV mit breitem Temperaturbereich, die unter extremen Bedingungen betrieben wird

2. BKPOWER-Lösungen für einen breiten Temperaturbereich

BKPOWER entwickelt transformatorbasierte USV-Anlagen mit großem Temperaturbereich für Bahnanwendungen. Der Betriebsbereich reicht von -25 °C bis +55 °C.

Wichtige Technologien für den breiten Temperaturbereich:

(1) Intelligente Temperaturregelung

• Mehrere Temperatursensoren überwachen kritische Komponenten
• Die intelligente Lüfterdrehzahlregelung passt die Kühlung an die Temperatur an
• Automatische Beheizung für den Niedertemperaturbetrieb

(2) Batterietechnologie für einen breiten Temperaturbereich

• Spezielle Elektrolytformulierung für Leistung bei niedrigen Temperaturen
• Unabhängige Temperaturregelung des Batteriefachs
• Unterstützung für VRLA-, Lithium- und Nickel-Cadmium-Akkus

(3) Auswahl der Komponenten

• Komponenten in Industriequalität für einen breiten Temperaturbereich (-40 °C bis +85 °C)
• Festkörper- oder hochzuverlässige Elektrolytkondensatoren
• Leistungsbauelemente mit großzügigen Temperaturreserven

(4) Strukturoptimierung

• Optimiertes Luftstromdesign für eine effektive Wärmeableitung
• Staub- und Wasserschutz (IP54 und höher)
• Das Anti-Kondensations-Design verhindert Feuchtigkeitsprobleme

3. Anwendungsbeispiele aus der Praxis

Die BKPOWER-USV mit großem Temperaturbereich bewährt sich in extremen Eisenbahnumgebungen:

Eisenbahnstrecke Ungarn–Serbien:

• Wintertiefsttemperatur im serbischen Abschnitt: -20 °C
• BKPOWER UPS sorgt für einen stabilen Betrieb
• Gewährleistet eine zuverlässige Stromversorgung für die Signalübertragung

Eisenbahnstrecke China–Laos:

• In Teilen von Laos steigen die Sommertemperaturen auf über +45 °C
• UPS liefert auch bei hoher Hitze und Luftfeuchtigkeit hervorragende Leistung

Eisenbahnprojekte in Zentralasien:

• Große Höhe (über 3.000 Meter) mit starken Temperaturschwankungen
• UPS passt sich rauen Bedingungen an und gewährleistet so die Transportsicherheit

V. Anwendungsszenarien in der Eisenbahnsignaltechnik

1. Räume für Signaltechnik

In den Signaltechnikräumen befinden sich wichtige Knotenpunkte: Stellwerkssysteme, Gleisstromkreise und Signale.

UPS-Funktionen in Signalräumen:

• Computer mit Stromversorgungsverriegelung ohne Unterbrechung
• Den Betrieb der Gleisstromkreise aufrechterhalten
• Stellen Sie sicher, dass die Signalanzeigen korrekt sind
• Stromversorgung für Stützschalter-Maschine

Typische Konfiguration: Transformatorbasierte USV mit 10 kVA bis 40 kVA, 30 Minuten bis 2 Stunden Sicherungszeit.

2. Kommunikationszentren

Kommunikationssysteme im Eisenbahnverkehr dienen der Zugdisposition, der Zugsteuerung und der Fahrgastinformation.

UPS-Funktionen in Kommunikationszentren:

• Energieübertragungs- und Schaltanlagen
• Unterstützung von Basisstationen für die drahtlose Kommunikation
• Sicherstellung der Verfügbarkeit der Notfallkommunikation

Typische Konfiguration: Transformatorbasierte USV mit 20 kVA bis 100 kVA, N+1-Redundanzkonfiguration.

3. Leitstellen

Leitstellen sind das Gehirn des Bahnbetriebs. Sie erfordern höchste Stromversorgungssicherheit.

UPS-Funktionen in den Versandzentren:

• Stromverteilungsserver und Arbeitsstationen
• Wartung von Großbild-Anzeigesystemen
• Support für Netzwerk- und Speichergeräte

Typische Konfiguration: Modulare USV, Leistung von 100 kVA bis 500 kVA, redundante 2N-Architektur.

4. Traktionsunterwerke

Traktionsunterwerke versorgen Züge mit Strom. Auch ihre Steuerungssysteme benötigen einen USV-Schutz.

USV-Funktionen in Traktionsunterwerken:

• SCADA-Systeme für die Energieversorgung
• Funktionsfähigkeit der Schutzausrüstung sicherstellen
• Stromversorgung für die Steuerung der Schaltanlage

Typische Konfiguration: Industrielle USV mit 5 kVA bis 20 kVA und hoher Störfestigkeit.

VI. BKPOWER-USV-Lösungen für den Eisenbahnbereich

1. Unternehmensprofil

BKPOWER ist ein Hightech-Unternehmen, das sich auf industrielle Stromversorgungslösungen spezialisiert hat. Unser Forschungs- und Entwicklungsteam besteht aus Dutzenden hochqualifizierter Fachleute aus den Bereichen Konstruktion, Elektrotechnik, Softwareentwicklung und Industriedesign.

Die Produkte von BKPOWER werden in über 100 Ländern und Regionen eingesetzt. Wir verfügen über umfangreiche Erfahrungen in den Bereichen Eisenbahn, Energie, Medizin und industrielle Fertigung.

2. Bahnspezifische USV-Produktreihen

BKPOWER entwickelt spezielle USV-Produkte für Bahnanwendungen:

BK-L33-Serie (10 kVA–40 kVA):

• Dreiphasig, hochfrequent Online-UPS
• Für Signaltechnikräume und Kommunikationszentralen
• Entspricht der Norm EN 50121-4/5
• Auslegung für einen breiten Temperaturbereich (-25 °C bis +55 °C)

BK-T33-Serie (20 kVA–120 kVA):

• Transformatorbasierte industrielle USV
• Für große Signalgebäude und Leitstellen
• Vollständige elektrische Isolierung mit hohem Störschutz
• Unterstützung für N+1-Parallelredundanz

BK-Rail-Serie (Sonderanfertigung):

• Maßgeschneiderte Entwicklung für spezifische Projektanforderungen
• Unterstützung bei besonderen Anforderungen an Spannung und Frequenz
• Einhaltung spezifischer Normen und Zertifizierungsanforderungen

3. Erfolgsgeschichten

Eisenbahnstrecke Ungarn–Serbien: BKPOWER lieferte komplette USV-Stromversorgungslösungen für den serbischen Abschnitt. Das Projekt umfasste mehr als 40 transformatorbasierte USV-Anlagen für die Signalanlagen entlang der Strecke. Die Produkte arbeiten seit ihrer Inbetriebnahme störungsfrei. Die Kunden loben unsere Leistung in höchsten Tönen.

Eisenbahnstrecke China–Laos: Die Eisenbahnstrecke China–Laos ist ein Vorzeigeprojekt der ’Belt and Road“-Initiative. BKPOWER lieferte hochzuverlässige USV-Anlagen. Unsere Produkte sind an das Klima in Laos mit hohen Temperaturen und hoher Luftfeuchtigkeit angepasst. Wir gewährleisten einen sicheren Eisenbahnbetrieb.

Inländische Hochgeschwindigkeitsbahnprojekte: BKPOWER-Produkte kommen in großem Umfang auf den inländischen Hochgeschwindigkeitsstrecken zum Einsatz. Dazu gehören die Hochgeschwindigkeitsstrecken Peking–Shanghai, Peking–Guangzhou und Shanghai–Kunming. Wir verfügen über umfangreiche Erfahrungen im Bereich der Eisenbahnanwendungen.

VII. Schlussfolgerung und Ausblick

1. Wichtigste Erkenntnisse

Transformatorbasierte USV-Anlagen stellen die ideale Stromversorgungslösung für Eisenbahnsignalanlagen dar. Zu den wesentlichen Vorteilen zählen:

• Hervorragende elektrische Isolierung: Blockiert Netzstörungen wirksam und schützt empfindliche Geräte
• Hohe Überlast- und Stoßbelastbarkeit: Passt sich den besonderen Lastmerkmalen der Signaltechnik an
• Hervorragende Anpassungsfähigkeit an die Umweltbedingungen: Die Auslegung für einen breiten Temperaturbereich gewährleistet einen stabilen Betrieb unter rauen Bedingungen
• Einhaltung der Eisenbahnnormen: Erfüllt die strengen EMV- und Sicherheitsanforderungen der Norm EN 50121
• Hohe Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer: Einfacher Aufbau, einfache Wartung, geringere Lebenszykluskosten

2. Entwicklungstrends in der Branche

Die USV-Technologie im Eisenbahnbereich entwickelt sich in folgende Richtung:

(1) Intelligenz

• Fernüberwachung und Diagnostik
• Vorausschauende Instandhaltung
• Digital-Twin-Technologie

(2) Grüne Technologie

• Höherer Wirkungsgrad (>96%)
• Lithiumbatterien ersetzen Blei-Säure-Batterien
• Technologie zur Energierückgewinnung

(3) Modularität

• Hot-Swap-fähiges Modul-Design
• Flexibler Kapazitätsausbau
• Schnelle Wartung

(4) Integration

• In die Stromverteilung integrierte USV
• Abstimmung mit Energiemanagementsystemen
• Anwendungen für intelligente Mikronetze

3. Das Engagement von BKPOWER

BKPOWER baut sein Fachwissen im Bereich Stromversorgungslösungen für die Bahn weiter aus. Wir bieten unseren Kunden aus der Bahnbranche weltweit:

• Hochwertige Produkte: Eine strenge Qualitätskontrolle gewährleistet die Zuverlässigkeit der Produkte
• Maßgeschneiderte Lösungen: Auf die Projektanforderungen zugeschnittene optimale Lösungen
• Schnelle Reaktion: Beantwortung von Pre-Sales-Anfragen innerhalb von 2 Stunden, Übermittlung des technischen Angebots innerhalb von 8 Stunden
• Professioneller Service: Ein kompetentes Ingenieurteam bietet technischen Support über den gesamten Lebenszyklus hinweg

Entscheiden Sie sich für eine transformatorbasierte USV von BKPOWER. Entscheiden Sie sich für Sicherheit und Zuverlässigkeit bei Eisenbahnsignalanlagen.

Referenzen

1. Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC)Offizielle Website: www.iec.ch
2. Underwriters Laboratories (UL)Offizielle Website: www.ul.com
3. Europäisches Komitee für Normung (CEN)Offizielle Website: www.cen.eu
4. Standardization Administration of China (SAC)Offizielle Website: www.sac.gov.cn
5. Zhongguancun Energy Storage Industry Technology Alliance (CNESA)Offizielle Website: www.cnESA.org
6. Internationale Organisation für Normung (ISO)Offizielle Website: www.iso.org