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Unterwerke
der Berliner S-Bahn
Geschichtliche
Entwicklung der Stromversorgung
Der
Anwendung einer dritten Schiene für die Berliner S-Bahn mit einer
Betriebsspannung von 750 V gingen umfangreiche Versuche voraus. Die
Wirtschaftlichkeit gegenüber dem Dampflokbetrieb und der beginnenden
Elektrifizierung mit Oberleitung und Wechselspannung war zu beweisen. 1919
fiel der Entschluß, für den Berliner Nahverkehr 750V Gleichspannung und
die dritte seitlich angeordnete Schiene zu verwenden. Die Umrüstung
der ersten Nordstrecke begann 1922 mit der Strecke Berlin - Bernau. Die
Inbetriebnahme erfolgte am 08.08.1924. Die erforderliche Gleichspannung
lieferten die Umformerwerke Pankow und Röntgental. Die Strecken nach
Oranienburg und Velten folgten 1927 mit den Umformerwerken Hermsdorf und
Borgsdorf. Nach der „Großen Elektrifizierung“ der Ring - und Stadtbahn
von 1926 - 1929 hatte das System seine Wirtschaftlichkeit und Zuverlässigkeit
unter Beweis gestellt. Mit der Ausrüstung der Strecken ging
parallel der Aufbau der Schaltwerke Markgrafendamm und Charlottenburg (heute
Halensee) voran. Die 30 kV - Drehstrom - Einspeisung erfolgte durch die
BEWAG und die weitere Verteilung über ein bahneigenes Kabelnetz zu den
Unterwerken. In den vierziger Jahren besaß Berlin ein
Nahverkehrssystem mit der größten installierten Gleichrichterleistung der
Welt.
Die elektrische Ausrüstung eines Unterwerkes
Die Versorgung der Speiseabschnitte der Fahrleitungsanlage erfolgt durch Unterwerke, die entlang der Strecke angeordnet sind. Die Abstände der Unterwerksstandorte von 3 - 6 km, der Ausrüstungsumfang und der Leistungsbedarf richtet sich nach betrieblichen und elektrotechnischen Anforderungen.
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30
kV - Schaltanlagen Die über das 30 kV - Kabelsystem zugeführte Energie wird durch die 30 kV - Schaltanlage des Unterwerkes weiter verteilt. Neben den Standardausspeisungen - 30 kV - Kabelabzweige, Gleichrichtergruppen, Eigenbedarfstransformatoren (bis 1998) - sind Längs - und Querkupplungen entsprechend der Netzkonfiguration vorhanden bzw. vorgesehen. Die verwendeten Schaltanlagen spiegeln die Entwicklung der letzten Jahrzehnte der Elektrotechnik wieder. Während in den Jahren 1924 - 1960 Anlagen in offener Bauweise errichtet wurden, zeichnen sich die heutigen Anlagen in Einfach - oder Doppelsammelschiene durch blechgekapselte Ausführungen aus. |
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Die
Anlagen der ersten Unterwerke wurden überwiegend mit Ölleistungsschaltern
bestückt. Diese Schalter fanden sowohl in den Gleichrichterabzweigen als
auch in den Kabelabzweigen in einer Vielzahl von Typen Anwendung.
Die Nachteile dieser Schalter
- hohe Brand - und
Explosionsgefahr infolge von 400 - 700 Liter Isolieröl
- begrenztes Schaltvermögen
führten schon frühzeitig zur Entwicklung von Schaltern mit veränderten Löschprinzipien.
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Ölarmer
Leistungsschalter, Expansinschalter, Druckgasschalter Der
Bau von Schaltern mit Einzelpolen / Phase fand seine Umsetzung und
Einsatz in der nächsten Schaltergeneration.
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Feststoffisolierte
Anlagen Typ ASIF 36 Feststoffisolierte
Anlagen wurden ab 1970 in großen Umfang bei der Grunderneuerung und
Neubau von Unterwerken eingesetzt. Die trennerlosen Anlagen mit
Einfachsammelschienen und Längskupplungen mit Abzweigen für Kabel,
Gleichrichter und Eigenbedarfstransformatoren sind mit ölarmen
Leistungsschaltern mit Federspeicherantrieb vom Typ Muskau ausgerüstet.
Da die Ersatzteilhaltung, und die damit im Zusammenhang stehenden
Instandhaltungskosten, zunehmend an Bedeutung gewinnen, ist der Ersatz
der Anlagen in den nächsten Jahren unausweichlich. |
30 kV - ASIF 36 - SchaltanlageUnterwerk Biesdorfer Kreuz |
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SF6
isolierte Schaltanlagen Als
Ersatz für die bisher genannten Anlagen finden bei der
Grunderneuerung / Neubau von Unterwerken Schaltanlagen mit dem
Schutzgas SF6 Anwendung.
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30 kV - SF6 - Schaltanlage |
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Die
Betätigungsorgane für die Schaltgeräte - Trenner und
Leistungsschalter - sind sehr vielfältig. Das
30 kV - Kabelnetz ist aufgrund seiner räumlichen Ausdehnung und
seiner großer Bedeutung mit elektrischen Schutzeinrichtungen ausgerüstet.
Das Netz wird in Resonanz - Sternpunkt - Erdung betrieben. Die
Erdschlußspulen sind im Netz an den Einspeisepunkten angeordnet.
Auftretende Erdschlüsse werden durch Netzschutzrelais erfaßt und
abgeschaltet. Für die Fehlerarten Kurzschluß - und
Doppelerdschluß werden schnellwirkende Distanzschutzrelais
eingesetzt. Die elektromechanischen Distanzschutzrelais werden
schrittweise durch digitale Relais, mit der Möglichkeit der
Schutzdatenübertragung zur Netzleitstelle, abgelöst. Gleichstromanlagen Gleichrichter |
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| Die
ersten Einankerumformer wurden in den Unterwerken der Nordstrecken mit
Leistungen von 1000 kW, 1500 kW und 2000 kW eingesetzt. Zwei Umformer
wurden für den regulären Betrieb benötigt, während der 3. Umformer
als Reserve diente. |
 Einankerumformersätze Unterwerk Röntgental, 1925 |
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Quecksilberdampf
- Großgleichrichter Durch
geringe Überlastbarkeit, hohe Empfindlichkeit gegenüber Kurzschlüssen
und der geringen Lebensdauer bestand nach kurzer Zeit die
Notwendigkeit die rotierenden Umformer durch neue Gleichrichtertypen
zu ersetzen. Die wassergekühlten Quecksilberdampfgleichrichter wurden
deshalb auch zuerst in den Unterwerken der Nordstrecken eingesetzt.
Die in Leistungsgrößen von 800 kW, 1000 kW und 2400 kW gelieferten
Gleichrichter bewährten sich derart gut, daß schon 1932 der
Austausch der rotierenden Umformer begann und in wenigen Jahren
beendet wurde. |
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| Für
den Betrieb der 12 anodigen Gleichrichter war eine ausreichende Kühlung
der Gefäße und zur Abführung der Verlustwärme waren aufwendige Rückkühlanlagen
mit einer Vielzahl von Bauelementen notwendig. |
Rohrleitungsplan einer Rückkühlanlage |
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-
Luftgekühlte
Gleichrichter Der
Bedarf an umfangreichen Zusatzanlagen ( Rückkühlanlagen,
Vakuumerzeugung) war ein Nachteil der wassergekühlten Gleichrichter.
Durch den Einsatz von luftgekühlten Gleichrichtern ab 1936 wurden die
Nachteile weitestgehend beseitigt. Von den sechsanodigen Gefäßen,
wobei 2 Gefäße (je 1500 A) immer eine Gleichrichtergruppe bildeten,
sind, im Gegensatz zu den wassergekühlten Gleichrichtern, noch 10 Gefäße
im Einsatz (Unterwerk Markgrafendamm und Mühlenbeck). Das
Vakuum wird in einem Formierungsprozeß industriell erzeugt. Die Abführung,
der beim Gleichrichtungsprozeß entstehenden Wärme, erfolgt durch
Luftkühlung. |
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Silizium
- Gleichrichter In
den sechziger Jahren fand der Einsatz von industriell gefertigten
Halbleitern auch in der Bahnstromversorgung von Nahverkehrsbahnen
seine erste Anwendung. Bei
der Berliner S-Bahn wurde in den Unterwerken Köpenick, Zeuthen und
Rahnsdorf der erste Siliziumgleichrichter ab 1968 eingesetzt. Diese
zwangsbelüfteten Gleichrichter wurden im Laufe der folgenden Jahre ständig
verbessert.Sie führten neue Dioden zur Verminderung der Parallel-
bzw. i. Reihenschaltung von Dioden. Die Leistung der Diodenblöcke
wurde ständig erhöht und die Selbstkühlung mit Erfolg eingeführt. |
Siliziumgleichrichter;
4000 A; 3,2 MW
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Transformatoren Die
Ausführung der Transformatoren wird durch den nachgeschalteten
Gleichrichter mit dessen Schaltung bestimmt. Bei
den wasser- und luftgekühlten Gleichrichtern fand überwiegend die F2
- Schaltung Anwendung. Die beiden um 180° versetzten Sekundärwicklungen
in Sternschaltung wurden über eine Saugdrossel verschaltet. Die Öltransformatoren
mit offenem Kessel arbeiteten mit Selbstkühlung. Die letzten Anlagen
sind noch in den Unterwerken Savignyplatz und Prenzlauer Allee in
Betrieb.
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| Durch die Integration einer Eigenbedarfswicklung von 100 kVA innerhalb der Transformators entfallen zukünftig die separaten Eigenbedarfstransformatoren einschließlich der Trafozellen. Die erste Anwendung und Inbetriebnahme findet im Uw Stresow im IV. Quartal 1998 statt | |
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Gleichspannungsschaltanlage
750 V DC Die
Hauptaufgabe der Gleichspannungsschaltanlage besteht in der Verteilung
der Gleichspannung auf die einzelnen Speiseabschnitte.
Auch hier fand eine Entwicklung, ausgehend von offenen Schaltanlagen
zu blechgekapselten Anlagen, statt. Die Schaltung wurde in der
Vergangenheit durch den Einsatz von Rückstromschaltern bei
Quecksilberdampfgleichrichtern geprägt. Diese wurden bei den
Siliziumgleichrichtern durch steuerbare Trenner ersetzt.
Die ebenfalls bei älteren Anlagen vorhandene Umgehungsschiene mit
Ersatzschalter wird bei den heutigen Anlagen durch die Integration
einer Schaltstelle abgelöst. Die 750 V -
Minussammelschiene ist, je nach Erfordernis, durch Längskupplungen
unterteilbar. Die jetzt zur Anwendung kommenden Anlagen
werden in trennerloser Bauweise mit ausfahrbaren Schaltwagen
konzipiert und errichtet. Die Anlagen werden in die Schutzmaßnahme
„Verbindung mit der Rückleitung“ einbezogen. Die
isolierte Aufstellung der Schaltanlage ist dabei Voraussetzung. Überwachungseinrichtungen,
in Form von Spannungs- und Stromrelais sind notwendig. Die
Streckenabzweige sind mit Streckenprüfeinrichtungen
unterschiedlichster Funktionsprinzipien ausgerüstet. Die Prüfung der
Strecke, nach Auslösung des Streckenschalters infolge Kurzschluß,
erfolgt automatisch. Die Streckenschalter stellen
das wichtigste Schaltglied der Gleichspannungsschaltanlage dar. Nach
dem Eintreten eines Kurzschlusses schaltet der Streckenschalter in
wenigen Millisekunden den Kurzschluß ab. Viele Typen befanden bzw.
befinden sich im Einsatz |
u.
a. - AEG - Schnellschalter - Gearapid - Schnellschalter
-
Siemens - Schnellschalter
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Bestandteil
der Gleichspannungsschaltanlage ist auch die Plusanlage (Rückleitungspol).
Sie wurde in der Vergangenheit häufig als separate Anlage errichtet. Der
heutige Gleichrichterschrank integriert die Plussammelschiene (s. Bild 35).
Der Anschluß der Kabel von den Fahrschienen, des Parallelen Rückleiters
und weiterer notwendiger Verbindungen erfolgt teilweise über Shunts oder
direkt an die Sammelschiene. Die Plussammelschiene ist gleichzeitig der
Anschlußpunkt für die Schutzmaßnahme „Verbindung der Rückleitung“.
Schaltstellen
Bei Gleichspannungsschaltanlagen ohne Umgehungssammelschiene und
Ersatzschalter wird der Gleichspannungsschaltanlage eine Schaltstelle
nachgeordnet. Die Lasttrennschalter mit einem Nennstrom von 4 kA
werden, je nach Vorgabe, in einem Baukörper in Fertigteilbauweise oder als
Freiluftausführung aufgestellt. Die Schaltung der Lasttrennschalter
ermöglicht, neben der Direktspeisung der Strecke, eine Vielzahl von
Schaltungen, mittels Längs- und Querkupplungen, u. a. für den Störungsfall.
Für alle Speisemöglichkeiten ist die Kurzschlußsicherheit meßtechnisch
nachzuweisen.
Eigenbedarfsanlagen
Die noch im großen Umfang in Betrieb befindlichen Anlagen, bestehend aus 2
Eigen-bedarfstransformatoren und der Niederspannungsschaltanlage mit den
Sammelschienen für wichtige und unwichtige Verbraucher, wird bei den zukünftig
zu bauenden Unterwerken nicht mehr angewendet.
Durch die Anordnung einer Zusatzwicklung im Gleichrichtertransformator wird
die Spannung für das Eigengedarfsnetz von 400 V AC erzeugt. Die Leistung
von 100 kVA / Gleichrichtertransformator ist ausreichend für alle
Leistungsanforderungen. Die nachgeschaltete Niederspannungsschaltanlage aus
3 - 5 Schaltzellen verschaltet die Einspeisungen von den
Eigenbedarfswicklungen, die Verbraucherabgänge und die Ortsnetzeinspeisung.
Abhängigkeiten und Verriegelungen gewährleisten einen sicheren Betrieb
Lüftung
/ Heizung
Zur Abführung der Verlustwärme und aus bauphysikalischen Gründen sind Lüftungsanlagen
notwendig. Bei älteren Unterwerken waren umfangreiche Lüftungsanlagen
infolge der großen Wärmemengen, die bei den wasser - bzw. luftgekühlten
Gleichrichtern entstanden, unabdingbar. Eigene Räume für die Unterbringung
dieser Anlagen und umfangreiche Rohrleitungsanlagen waren Bestandteil der
Raumkonzeption. Moderne Unterwerke zeichnen sich durch eine kombinierte Lüftungs-
und Heizungsanlage aus. Für die Transformatorzellen wird grundsätzlich
eine natürliche Lüftung vorgeschrieben.
Kabelanlagen
Die Verknüpfung der elektrischen Anlagen eines Unterwerkes erfolgt durch
eine Vielzahl von Steuer - und Leistungskabel mit verschiedenen
Querschnitten und Merkmalen. Mit der Einführung der Unterwerksleittechnik
und der Lichtwellenleiter wird hoffentlich der Umfang der Steuerkabelpakete
stark abnehmen. Die Glasfaserkabel dienen der Verknüpfung der Anlagen, der
Übertragung von Informationen und der Steuerung von Prozessen zur Betriebsführung.
Fernsteuerung
/ Leittechnik
Die Überwachung und Steuerung der Anlagen eines Unterwerkes wird mittels
Fernwirkanlagen vorgenommen. Nach dem Einsatz von Wählersteuerungen ab
1930, der anschließenden Umstellung auf Relaissteuerungen erfolgt nun die
komplette Umrüstung auf eine rechnerkompatible Fernwirktechnik. Die
derzeitige Umrüstung steht in engem Zusammenhang mit dem Aufbau einer
rechnergestützten Netzleitstelle in Markgrafendamm. Die
Steuerung der Unterwerksprozesse erfolgt zukünftig über eine zentrale
Stationsleittechnik auf der Basis von Industriestandards. Alle Anlagen des
Unterwerks werden mit entsprechenden Feldbausteinen an die Leittechnik
angeschlossen.
Ausblick
Neben den aufgeführten Anlagen werden noch weitere Geräte und Ausrüstungen
für die sichere Funktion eines Unterwerkes benötigt.