Oberleitung
Eine Oberleitung oder Fahrleitung dient bei Bahnen und O-Bussen zur Fahrstromversorgung elektrischer Triebfahrzeuge. Im Prinzip besteht eine Oberleitung aus einem Spezialdraht, der an Masten in geeigneter Höhe über den Gleisen angeordnet ist. Auf den elektrischen Triebfahrzeugen befinden sich Stromabnehmer, die während der Fahrt in Berührungskontakt mit dem Oberleitungsdraht stehen und den Strom von dort in die elektrische Steuer- und Antriebsanlage des Fahrzeugs leiten.
Nachdem erste elektrisch angetriebene Bahnen ab 1879 über die Fahrschienen oder eine dritte Stromschiene mit elektrischer Energie versorgt wurden, gab es eine erstmalige Anwendung einer "Überkopf”-Fahrstromversorgung bei einer Trambahn in Paris im Jahre 1881. Den Angaben[1] zufolge handelte es sich um eine Schlitzrohrfahrleitung.
Versorgung
Zum System von Oberleitungen gehören Unterwerke, die in Abständen von (bei Fernbahnen) 60 bis 80 km an den Strecken angeordnet sind und von denen die Oberleitung abschnittsweise aus dem nationalen Verbundnetz oder einem eigenen Bahnstromnetz gespeist wird. In Gleichstrom-Netzen beträgt der Unterwerksabstand wegen der wesentlich niedrigeren Spannung und den damit höheren Stromstärken und Leitungsverlusten maximal 25 km.
Die elektrische Spannung in Oberleitungen beträgt einige hundert Volt bei Straßenbahnen sowie O-Bussen und bis zu 50.000 Volt bei Vollbahnen und Industriebahnen.
Fahrdraht
Die spezielle Beschaffenheit eines Fahrdrahtes hängt von verschiedenen Faktoren ab, die bei jeder Bahn anders sein können. Insbesondere beeinflussen die zu übertragende Stromstärke, die Spannweite zwischen den Aufhängepunkten, die alleinige Verwendung als Einzeldraht oder die Verwendung zusätzlicher Tragseile (Kettenwerk) sowie auch die Art der Fahrzeug-Stromabnehmer die Zusammensetzung, Form und Dicke des verwendeten Fahrdrahtes.
Der Fahrdraht hat zur besseren Befestigung seitlich zwei Rillen (Rillenfahrdraht) und besteht normalerweise aus Kupfer, entweder chemisch rein oder mit geringem Cadmium-, Silber- oder Magnesiumanteil, um seine Zugfestigkeit zu erhöhen. Zur Verstärkung der Zugfestigkeit kann der Fahrdraht neben dem Kupfermantel auch eine „Seele“ aus Stahldraht enthalten. In Zeiten gestiegener Kupferpreise sind auch Experimente mit Aluminium- und Stahlfahrdrähten unternommen worden, die jedoch unbefriedigend verliefen.
In Tunneln werden z. B. Rillenfahrdrähte in Aluminiumprofile geklemmt (Stromschienenoberleitung), um die Bauhöhe zu verringern und um eine gegenüber Einzeldrähten bzw. Kettenwerken höhere Steifigkeit zu erreichen.
In Gleichstromnetzen werden fallweise wegen der dort auftretenden höheren Stromstärken zwei in geringem Abstand parallel geführte Fahrdrähte (Doppelfahrdraht) verwendet.
Masten
Die Maste der Oberleitung können aus Holz, Stahlbeton oder Stahl gefertigt sein. Holzmaste werden in Deutschland kaum noch verwendet, kommen aber in einigen lawinengefährdeten Gebieten der Schweiz zum Einsatz.
Bei modernen Oberleitungsmasten hängt der Fahrdraht meist an einen Ausleger. Bei vielen parallel nebeneinanderlaufenden Leitungen in Bahnhöfen etc. werden statt neben jedem Gleis angeordneter einzelner Masten Portale (in der Schweiz, wo ausschliesslich so gebaut wird, werden diese Joche genannt) oder Querspannfelder von Tragseilen verwendet, von denen aus mehrere Gleise mit Fahrdrähten überspannt werden.
Oberleitungsmaste können neben der Oberleitung auch noch weitere Leitungen tragen. Gelegentlich tragen sie auf Traversen oberhalb der Leiterseile noch Zuleitungen (Bahnstromleitungen) von der Schaltstelle oder vom Unterwerk zu entfernteren, separat zu speisenden Oberleitungsabschnitten. Aus statischen Gründen wird hierbei entweder nur ein Stromleiter auf der Mastspitze verlegt, oder die Bahnstromleitung wird in Zweiebenenanordnung auf Traversen aufgehängt.
Erdung
Eine Erdung aller im Oberleitungsrissbereich befindlichen leitfähigen Teile ist als Sicherheit gegen gefährliche Berührungsspannungen im Falle eines Fehlers notwendig. Prinzipiell wird jeder Mast und jeder elektrisch leitende Anlagenteil (dazu gehören auch Brückengeländer u. ä.) mit einem eigenen Erdkabel unmittelbar mit dem Gleis verbunden. Auch Spannbetonmaste (Bewehrung aus Stahl) und deren leitende Anbauteile werden mittels einer Bahnerde mit den Gleisen verbunden. Im Falle eines Kurzschlusses wird somit das Ansprechen einer Überstrom-Schutzeinrichtung und eine automatische Abschaltung der Oberleitung erreicht.
Zusätzlich wird häufig ein Erdseil entlang der Strecke an der gleisabgewandten Seite der Oberleitungsmasten angebracht. Dies dient als Blitzschutz und Sicherheitsvorkehrung für den Fall, dass (z. B. während Bau- oder Unterhaltsarbeiten) die einzelne Erdung eines Masts beschädigt wird. Über das Erdseil wird jeder Oberleitungsmast mit seinen Nachbarn verbunden. Außerdem verbessert das Erdseil die Rückleitung des Stroms zum einspeisenden Unterwerk, die über die Gleise erfolgt.
Das Potential dieser Bahnerde ist entlang dem Schienenweg nicht mit dem geerdeten Neutralleiter des öffentlichen Stromnetzes und auch nicht mit metallischen Versorgungsleitungen verbunden. Bei Gleichstrombahnen muss die Rückleitung positiver gegenüber Versorgungsleitungen oder auch Bewehrungen (z. B. Tunnelerde) sein, um Elektrokorrosion an diesen systemfremden geerdeten Metallteilen zu vermeiden. Man verbindet daher die Schiene nur bei den Unterwerken mit Rohrleitungen und anderen geerdeten Teilen. Der Rest des Schienenweges nimmt (bei positiver Oberleitung) dann durch den Laststrom ein positives Potential gegen Erde an, sodass Elektrokorrosion nur an den Schienen selbst auftritt.
Um zu vermeiden, dass die Rückleitung von Gleichstrombahnen z. B. bei Kurzschlüssen oder hohen Spannungsfällen entlang der Gleise zu hohe Spannungen gegenüber dem Erdpotential annimmt, werden Erdungskurzschließer eingesetzt; diese überwachen die Spannungsdifferenz und verbinden die Rückleitung vorübergehend mit der (Wasser)erde.
Fahrleitungssysteme
Erste Systeme
Schlitzrohrfahrleitung
Nachdem erste elektrisch angetriebene Bahnen ab 1879 über die Fahrschienen oder eine dritte Stromschiene versorgt wurden, gab es eine erstmalige Anwendung einer "Überkopf”-Fahrstromversorgung bei einer Trambahn in Paris im Jahre 1881. Den Angaben[1] zufolge handelte es sich um eine Schlitzrohrfahrleitung.
Diese ersten über Kopfhöhe bzw. über Fahrzeughöhe angebrachten Fahrleitungen bestanden aus einem oder zwei auf der Unterseite geschlitzten Rohren, in denen sich längs bewegliche Metallschiffchen als Stromabnehmer für das darunter fahrende Triebfahrzeug befanden. Diese Schleifer wurden an Seilen oder Stangen vom Fahrzeug mitgezogen.
Verwendung fand dieses System bei einer Trambahn in Paris 1881, sowie jeweils 1884 bei der Lokalbahn Mödling – Hinterbrühl und der Frankfurt-Offenbacher Trambahn.
Seitliche Lage über dem Gleis
Erste Überkopf-Fahrleitungen waren zudem oft neben dem Gleis in passender Höhe aufgehängt. Damit wurde zunächst die aufwendigere Anbringung mit Auslegern mittig über dem Gleis vermieden. Bahnen bei denen dies durchgeführt wurde waren z.B. die oben erwähnte Pariser Trambahn, die Versuchsstrecke der Studiengesellschaft für Elektrische Schnellbahnen auf der Militäreisenbahn bei Berlin und die Tunnelstrecke der Baltimore and Ohio Railroad.
Einfachfahrleitung
Vor allem bei Straßenbahnen, vereinzelt aber auch auf Vollbahnen, die preiswert elektrifiziert werden sollten, wird eine mechanisch einfache Konstruktion verwendet. Dabei wird beispielsweise auf zusätzliche Tragseile und aufwendige Spann- und Dämpfungskonstruktionen verzichtet. Elektrische Spannung und räumliche Spannweiten sind jeweils kleiner als bei aufwendigeren Fahrleitungssystemen. Mangels Schwingungsdämpfung sind die erreichbaren Geschwindigkeiten auf ca. 100 km/h begrenzt.
Die Einfachfahrleitung wurde vor allem bei Betrieb mit Rollenstromabnehmern verwendet. Eine „Entgleisung“ des Stromabnehmers ist dabei eine gelegentlich zu beobachtende typische Erscheinung. Da die Leitung nicht im „Zick-Zack“ geführt werden muss, ist die Schwingneigung jedoch geringer. Heute wird die Einfachfahrleitung in manchen Innenstädten verwendet, damit die Oberleitung optisch weniger stört. Hier ist meist ohnehin eine niedrige Fahrgeschwindigkeit gefordert.
Kettenfahrleitung
Kettenfahrleitung (auch Kettenwerk genannt) ist die Regel-Oberleitungsbauform bei der DB. Sie besteht aus dem Fahrdraht, dem Tragseil, Hängern, Beiseilen und Stromverbindern, die zur Gleislängsachse beweglich abgespannt sind. Durch die Kettenwerksbauform sind größere Feldspannweiten zwischen den Stützpunkten möglich. Der Durchhang des Fahrdrahtes kann somit reguliert werden. Der Einbau eines Beiseils (sogenanntes Y-Beiseil) ermöglicht eine größere Elastizität der Fahrleitung wodurch größere Geschwindigkeiten von Elektro-Triebfahrzeugen erfolgen können. Maximale Länge eines nachgespannten Abschnittes ist 1500 Meter (750 m je Richtung vom Festpunkt aus).
Fahrdraht und Tragseile
Der üblicherweise verwendete Rillenfahrdraht hat einen grundsätzlich kreisförmigen Querschnitt, aus dem in der oberen Hälfte zwei V-förmige Rillen so ausgespart sind, dass dort Halteklemmen eingreifen können. Durch diese Konstruktion wird eine störende Berührung der Aufhängungselemente durch die Stromabnehmer vermieden. Gängige Querschnittsflächen sind 80 oder 100 Quadratmillimeter (Durchmesser ca. 10 bis 12 mm, Metergewicht ca. 0,9 kg/m); auf Strecken mit höherer Geschwindigkeiten der DB AG werden Querschnitte von 120 mm² verwendet.
Die Hilfstragseile sind aus Bronze gefertigt. Zusammen wiegen die Seile etwa 1,4 Tonnen pro Streckenkilometer.
Aufhängung und Führung
Es werden im Regelfall Stahlgittermaste verwendet; Maste aus Schleuderbeton kommen hauptsächlich für die Neubaustrecken zur Anwendung.
Der Fahrdraht hängt meist an einer Auslegerkonstruktion aus mehreren Rohrstäben, die etwa die Form eines liegenden „N“ haben. Die unteren Endstücke der Ausleger haben wechselnd unterschiedliche Längen, so dass die Fahrdrähte in der horizontalen Ebene im Zickzack verlaufen. Damit wird das Einschleifen von Rillen in die Graphit-Schleifleisten der Stromabnehmer vermieden. In Deutschland und Österreich sind Abstände von 400 mm beiderseits der Mittellinie üblich, in der Schweiz Abstände von 200 mm. Daher sind die Schleifleisten und damit auch die Stromabnehmer der Bahnen in Deutschland und Österreich breiter als in der Schweiz.
Ein Tragseil trägt den eigentlichen Fahrdraht und hält ihn einigermaßen gerade über dem Gleis. Dabei hängt das Tragseil in einer Kettenlinie durch; die Hänger, an denen der Fahrdraht am Tragseil aufgehängt ist, sind unterschiedlich lang, so dass der Fahrdraht annähernd horizontal verläuft (daher die Bezeichnung „Kettenfahrleitung“). Um die beim schnellen Durchgang von Stromabnehmern entstehende Fahrdrahthebung zu dämpfen, ist die Aufhängung des Tragseils flexibel ausgeführt. Zwischen Ausleger und Seil sind daher zwei schwenkbar angelenkte Seitenhalter eingebaut.
Die Tragseil-Aufhängung reicht allein nicht aus, um den Fahrdraht vor allem auch bei Stromabnehmerberührung und Wärmedehnung in gerader Lage zu halten. Daher wird der Fahrdraht zusätzlich straff gespannt. Dies geschieht für die maximal 1,5 km langen Abspannabschnitte des Fahrdrahts durch Spannvorrichtungen an den Masten, die Tragseil und Fahrdraht getrennt spannen. Früher waren dies meist Hebelwerke, heute wird der Fahrdraht an seinem Ende über eine Rolle nach unten geführt und mit Zuggewichten gespannt (sog. Radspanner). Die Zuggewichte sind dabei aufeinandergestapelte Beton- oder Stahlringe, die im Jargon „Kekse“ heißen.
Die jeweils nicht fortlaufend verbundenen Fahrdrahtabschnitte werden von oder zu den Befestigungspunkten am Mast bzw. den Spanngewichten seitlich so heraus- oder in den nächsten Streckenabschnitt hineingeführt, dass an den Übergangsstellen eine Längs-Überlappung mit dem Fahrdraht des nächsten bzw. voraufgehenden Abschnitts besteht. Der Stromabnehmerbügel berührt hierbei jeweils mindestens einen der mit einem kurzen Litzenstück elektrisch miteinander verbundenen Fahrdrähte. So wird entlang der Kette der separaten Fahrdrahtabschnitte eine ununterbrochene elektrische Versorgung gewährleistet.
Mehrpolige Fahrleitungen
Die Oberleitung von Bahnen ist meist einpolig ausgeführt, die Rückleitung des Stromes erfolgt dann über die metallenen Räder und die Schienen zur Versorgungsstation (Unterwerk). O-Busse (Trolley-Bus) müssen wegen der Gummireifen und fehlender Rückleitung durch metallene Schienen eine zweipolige Oberleitung verwenden. Ebenso haben sehr frühe Trambahnen ebenfalls eine zweipolige Oberleitung verwendet, da die Rückleitung über die Schiene erst später eingeführt wurde. Die erste Straßenbahn von Siemens in Berlin verwendete jedoch noch beide Fahrschienen als getrennte Zuleitung zum Fahrmotor, wobei Kriechströme durch die Holzschwellen und durch das Erdreich in Kauf genommen wurden.
Es gab auch Bahnen mit zweipoliger Gleichstrom-Oberleitung und einem neutralen Mittelleiter über die Fahrschiene, wie die Chemin de fer de la mure.
Bei früheren Versuchsfahrten mit Drehstrom-Fahrzeugen wurden dreipolige Fahrleitungen neben dem Gleis übereinanderliegend angeordnet und dazu seitlich in drei Ebenen angebrachte Schleifbügel an den Triebfahrzeugen verwendet. Diese an sich sehr günstige Antriebsart mit einfachen Drehstrommotoren konnte nicht weiter ausgebaut werden, weil diese Anordnung keinen ununterbrochenen Einsatz über Weichen und Kreuzungen zulässt.
Die ehemalige italienische Staatsbahn FS hatte von 1905 bis 1976 in Norditalien ein Drehstrom-Fahrleitungsnetz mit einer Spannung von 3.600 Volt und einer Frequenz von 16,67 Hertz. Die Oberleitung bestand hier aus zwei horizontal nebeneinander angeordneten Fahrdrähten, für die auf den Lokomotiven jeweils auch zwei nebeneinander angeordnete Stromabnehmerbügel vorhanden waren. Die Fahrschiene bildete dabei den dritten elektrischen Pol des Dreiphasensystems. Einige Zahnradbahnen in der Schweiz (Jungfraubahn, Gornergrat-Bahn) benutzen noch (Stand 2006) das gleiche System.
Moderne drehstrombetriebene Lokomotiven erzeugen ihren Motorantriebsstrom heute mit bordeigenen Umrichtern aus dem einphasigen Fahrleitungsstrom.
Varianten und verwandte Systeme
Stromschienen haben den gleichen Zweck wie Oberleitungen, werden jedoch meist neben dem Gleis montiert. Sie werden bei Stadtschnellbahnen eingesetzt, um das Lichtraumprofil auf Strecken mit vielen Tunneln oder vielen Brücken über der Strecke klein zu halten, oder bei Strecken, auf denen wegen Lawinengefahr die Aufstellung von Fahrleitungsmasten ungünstig erscheint (Beispiel: Strecke Martigny (CH) – St. Gervais (F)).
Für Tunnelabschnitte auf Neubaustrecken zeichnet sich als mögliche Alternative zur Fahrleitung die Deckenstromschiene ab. Brandversuche zeigen die wesentlich bessere Widerstandsfähigkeit gegen Feuer, was für die Evakuierung von Zügen im Brandfall von besonderer Bedeutung ist. Zum Einsatz kommt die Deckenstromschiene zum Beispiel auf einem 2,2 km langen Abschnitt auf der Strecke Wien – Salzburg, im Zürcher S-Bahnhof oder im neuen Berliner Hauptbahnhof und Tiergartentunnel. Seit 29. Mai 2007 wird auch ein 1,6km langer Doppelspurtunnel in Wien zwischen der Haltestelle Südtiroler Platz und Südbahnhof mit einer Deckenstromschiene versorgt. Hier ist die geringe Bauhöhe wichtig. Ausserdem auch die mechanische Festigkeit, da in den nächsten Monaten die Deckenkonstruktion der Haltestelle Südtiroler Platz bei bestehender Stromschienenfahrleitung getauscht wird.
Bei der Murgtalbahn wurde in vielen Tunneln eine Deckenstromschiene eingesetzt, da die Strecke erst nachträglich elektrifiziert wurde und so durch die geringere Bauhöhe auf eine Erweiterung des Lichtraums verzichtet werden konnte.
Oberleitungskontakte
Speziell bei Straßenbahnen, aber auch bei Vollbahnen können an der Oberleitung Kontakte angebracht sein, mit denen beispielsweise die Gleisbesetztmeldung erfolgt. Bis Mitte der 90er Jahre erfolgte bei Straßenbahnen auch häufig die Steuerung der Weichen über diese Oberleitungskontakte, wobei über die Stromaufnahme der Straßenbahn die Weichenstellung beeinflusst werden konnte. Je nachdem, ob die Straßenbahn mit Strom fuhr oder ohne Strom rollte, konnte die Stellung der Weiche geändert werden (wie genau, unterschied sich zwischen den einzelnen Betrieben). Aufgrund der Elektrik moderner Straßenbahnen, die häufig zu fehlerhaften Schaltungen führte, ist dies jedoch in Deutschland inzwischen verboten.
Oberleitung bei Modellbahnen
Für fast alle gängigen elektrisch betriebenen Modellbahnen sind auch (in der Regel unmaßstäbliche) Oberleitungen verfügbar. Die Oberleitung ermöglicht eine vorbildgetreue Stromversorgung von Modellen der Elektroloks und Elektrotriebwagen. Seltener werden Attrappen eingesetzt (z. B. Gummifaden der Arnold Spur-N-Oberleitung).
Elektrisch leitende Modell-Oberleitungen ermöglichen auch den Betrieb eines weiteren unabhängig steuerbaren Fahrzeugs, da ein zusätzlicher getrennter Stromkreise zur Verfügung steht, in Zeiten der digitalen Mehrzugsteuerung verliert dieser Aspekt aber immer mehr an Bedeutung.
Es werden verschiedene Bauarten einpoliger Oberleitungen angeboten. Modellbahnen mit zwei- oder dreipoligen Oberleitungen werden nicht kommerziell produziert, da solche Systeme beim Vorbild nur sehr selten vorkommen.
