Wechselstrom oder Gleichstrom auf Vorortbahnen. Wechselstrom oder Gleichstrom auf Vorortbahnen. In einem längeren Aufsatz legt Paul M. Lincoln in „Electrical World and Engineer“ No. 24, Vol. XLII. 12. Dez. 1903, die Vorteile und Nachteile bei Wechselstrombetrieb auf Vorortbahnen dar und bringt einen Kostenvoranschlag für ein typisches Beispiel, sowohl für Gleich- als auch für Wechselstrom durchgerechnet. Die Verhältnisse sind zwar ganz dem amerikanischen Betrieb angepasst, manches findet sich auch schon in anderen Aufsätzen, trotzdem dürfte einiges davon auch den deutschen Leser interessieren. Die allgemein ausgesprochene Ansicht, der elektrische Betrieb von Bahnen sei besonders eine amerikanische Einrichtung, dürfte bei uns manchen Widerspruch herausfordern, indem hier gesagt wird, dass er die weiteste Verbreitung in Amerika gefunden hat und hauptsächlich von amerikanischen Ingenieuren ausgebaut und entwickelt sei. Während in Amerika jede Stadt über 5000 Einwohner bereits eine elektrische Bahn habe, seien überall sonst nur ganz grosse Städte mit solcher versehen. Speziell aber wird in Amerika nur Gleichstrom zu Bahnzwecken verwandt, und Drehstrom-Induktionsmotoren sind als völlig ungeeignet erachtet, obwohl man in Europa bereits Bahnen mit Drehstrom-Induktionsmotoren gebaut hat. Die Gründe sind folgende: 1. Der Drehstrom-Induktionsmotor arbeitet amgünstigsten nur bei einer Umdrehungszahl, während der Gleichstromserienmotor unabhängig von der Umdrehungszahl arbeitet und sich daher zu Bahnzwecken, wo fortwährend die Geschwindigkeit sich ändert, in ganz anderer Weise eignet. Wendet man Kaskaden-Schaltung an, so erhält man bei gleicher Polzahl der beiden Motore zwei gleich günstige Geschwindigkeiten, die sich wie 1 : 2 verhalten, bei verschiedener Polzahl zwar vier solche Punkte, aber dafür nicht die Gesamtenergie der beiden Motore. Gibt man dem Wagen vier Motore, davon zwei grössere und zwei kleinere, welch letztere nur zu der Kaskadenschaltung verwendet werden, sonst leer laufen, so hebt der Verlust durch die Vermehrung des toten Gewichtes den Gewinn beim Anfahren reichlich auf. 2. Bei Drehstrombetrieb muss man zwei, und wenn man die Schienen nicht als Rückleitung verwenden will, sogar drei Zuleitungen haben. Die Isolationsschwierigkeiten sind besonders bei hoher Spannung ganz enorm. Die Amerikaner suchten daher nach einem brauchbaren Wechselstrommotor und glauben in der Verwendung des Gleichstromserienmotors für Wechselstrom das einzig mögliche gefunden zu haben, besonders für Vorortbahnen. Kann man Einphasen-Wechselstrom anstatt Gleichstrom verwenden, so hat man folgende Vorteile: 1. Die Spannung der Zuleitung kann beliebig hoch sein. 2. Die Verluste in den Widerständen fallen weg. 3. Die Unterstationen haben keine rotierenden Umformer, sondern Transformatoren. 4. Die Unterstationen brauchen daher nicht ständig beaufsichtigt sein. 5. Die Stromrückleitung wirkt nicht mehr elektrolytisch zerstörend auf Gas- und Wasserleitungen. Zur besseren Erklärung sei noch zu den einzelnen Punkten gesagt: 1. Bei Gleichstrom kann man nicht gut über 600 bis 700 Volt Spannung hinausgehen. Da bei Vorortbahnen der Kraftbedarf ein grosser ist, wird die Streckenausrüstung sehr verteuert, und da die Streckenausrüstung bis zu 50 v. H. der Gesamtkosten verschlingt, unter Umständen der Betrieb unrentabel, auch kann der grosse Strom nur mehr mit Schwierigkeiten während der Fahrt abgenommen werden. 2. Da man bei Wechselstrom beim Anfahren die zu grosse Spannung nicht wie bei Gleichstrom in Widerständen vernichten muss, so kann man, wenn die Strecke viele Haltestellen hat, Energie sparen. 3. Rotierende Umformer sind nicht bloss teurer, sondern haben auch einen schlechteren Wirkungsgrad als Transformatoren. 4. Während rotierende Umformer wie alle Gleichstrommaschinen ständig unter Aufsicht stehen müssen, arbeiten die Transformatoren ganz ohne Aufsicht und können sogar durch Fernschalter geschaltet werden. 5. Die zerstörende Wirkung der Rückleitung ist eine grosse Gefahr bei Gleichstrom, und ihre Vermeidung ein bedeutender Gewinn. Diesen Vorteilen stehen folgende Nachteile des Wechselstrombetriebes gegenüber. 1. Schwerere Wagenausrüstung. 2. Schwierigkeit auf bestehende Linien überzugehen. 3. Grössere Verluste in der Schienenrückleitung. 4. Gefährliche Sitemannung in den Feldwindungen. 5. Störung des Teleitemhonbetriebs. Zu den einzelnen Punkten ist wieder zu bemerken: 1. Ein Wechselstrommotor ist grösser und schwerer als ein Gleichstrommotor von gleicher Leistung. Dazu kommt wegen der hohen Spannung am Fahrdraht ein Transformator und eine Vorrichtung, die es gestattet, dem Motor veränderliche Spannung zuzuführen. Verwendet man hierzu einen Induktionsregulator, so hat man den Vorteil, den Strom nicht unterbrechen zu müssen, und vermeidet so die Zerstörungen durch den Unterbrechungsfunken. 2. Vorortbahnen müssen in und sogar durch Orte geführt werden, in denen Stadtbahnen mit Gleichstrombetrieb vorhanden sind. Die Wagenausrüstung muss daher derartig sein, dass man auch Gleichstrom verwenden kann, d.h. der Motor muss mit Wechselstrom und Gleichstrom betrieben werden können, die Transformatoren müssen abschaltbar sein, der Wagen muss endlich auch Widerstände für den Gleichstrombetrieb haben. 3. Durch Versuche wurde festgestellt, dass für eine bestimmte Ampèrezahl bei 17 bis 25 Perioden, die Leitungsverluste in einer Eisenschiene drei bis fünf Mal grösser sind als bei Gleichstrom. Allerdings ist zu berücksichtigen, dass wegen der höheren Spannung die Stromstärke eine kleinere ist. 4. An den Enden der Felderregung tritt bei Wechselstrom wegen des grossen induktiven Widerstandes eine viel höhere Spannung auf, als bei Gleichstrom. Es ist daher die Isolierung viel sorgfältiger auszuführen, zumal schon bei Gleichstrommotoren das Ausbrennen einerFeldspule eine sehr häufig vorkommende Erscheinung ist. Dabei ist noch zu berücksichtigen, dass ein Gleichstrommotor mit einer kurzgeschlossenen Spule zur Not noch betriebsfähig ist, niemals aber ein Wechselstrommotor. 5. Betreffs der Störungen in Telephonen sind zwar noch nicht viel Erfahrungen gemacht worden, jedenfalls aber lassen sich Vorrichtungen treffen, um zu grosse Schädigungen hintanzuhalten. Als Beispiel sei eine Vorortbahn gewählt von ungefähr 100 km Länge mit 30 Haltestellen, einer Geschwindigkeit von 50 km i. d. Stunde. Angenommen wird das Gewicht des vollständigen Wagens bei Gleichstrom zu 35 t, bei Wechselstrom zu 41,5 t, dabei ist das Gewicht absichtlich für den Wechselstrom etwas zu ungünstig gewählt. Die Kraftstation liegt in beiden Fällen in der Mitte, längs der Bahn sind fünf Unterstationen, eine davon in der Zentrale. Betriebsspannung an der Gleitschiene 550 Volt bei Gleichstrom, am Fahrdraht 3000 Volt bei Wechselstrom. Für die Hochspannung ist bei Gleichstrombetrieb Drehstrom, bei Wechselstrom Einphasenstrom gewählt. Alles übrige ist in der folgenden Gegenüberstellung enthalten: Kraftbedarf. Gleichstrom Wechselstrom Durchschnittliche Leistung am  Wagen bei einer Fahrt zwischen  zwei Haltestellen     67,2 KW     73,9 KW Gleichzeitig laufende Wagen       8      „       8      „ Mittlere Wagenzahl einer Un-  terstation       1,6   „       1,6   „ Durchschnittliche scheinbare Lei-   stung am Wagen –   129,0   „ Mittlere Ampèrezahl f. d. Wagen   185,3 Amp.     43,0 Amp. Mittlere Ampèrezahl f. d. Unter-  station   279,0   „     68,8   „ Leitungswiderstand zwischen zwei  Unterstationen       0,9 Ohm       4,2 Ohm Leitungsverlust f. d. Unterstation     16,1 KW       3,3 KW Mittlere Leistung einer Unter-  station am Wagen   107,5  „   118,0   „ Mittlere Leistung einer Unter-  station an der Unterstation   123,6 „   121,3   „ Verlust im Regulator und Wagen-   transformator –       5,0 v.H. Leitungsverlust     15,5 v.H.       2,8  „ „ Verlust im rotierenden Umformer     10    „ „ – Verlust im Transformator der Un-  terstation       3,5 „ „       3,5  „ „ Verlust in der Hochspannungs-  leitung       2,5 „ „       2,5  „ „ Verlust im Transformator der  Zentrale       3,5 „ „       3,5  „ „ Gesamtverlust zwischen Wagen  und Kraftstation     39,5 „ „     18,4  „ „ Mittlere Leistung der acht Wagen  am Wagen   537 KW   591 KW Mittlere Leistung der acht Wagen  an der Kraftstation   750   „   700   „ Mittlere scheinbare Leistung der   acht Wagen an der Kraftstation –   825 KW Maximal-Belastung einer Unter-  station, zwei Wagen fahren zu  gleicher Zeit an   560  „   550   „ In der Unterstation ein rotieren-  der Umformer für   400  „ In der Unterstation ein Transfor-   mator für –   350   „ Zeitweilige Ueberlastungsfähigkeit  (so dass eine Station für kurze  Zeit ausfallen kann)     40 v.H.     50 v.H. Maximale Leistung der Zentrale 1200 KW Maximale scheinbare Leistung der   Zentrale – 1400 KW mit drei Generatoren für je   400 KW mit drei Generatoren mit je –   450   „ Kosten- Voranschlag. Kosten der elektrischen Ausrüstung. 3 Drehstrom-Generatoren a 400 KW 360 Volt     82800 M. 3 Wechselstrom-Generatoren a 450 KW 3000 Volt     89300 M. 7 Oel-Transformatoren a 150 KW 350–20000 Volt     36900  „ 3 Oel-Transformatoren a 400 KW 3000–20000 Volt     31900  „ 1 Schaltbrett in der Zentrale     19100  „ 1 Schaltbrett in der Zentrale     16100  „ 77 km Hochspannungsleitung   183500  „ 77 km Hochspannungsleitung   224500  „ Blitzschutz-Vorrichtungen     10600  „ Blitzschutz-Vorrichtungen       8500  „ 12 Oel-Transformatoren a 135 KW 20000–360 Volt     60000  „ 4 Oel-Transformatoren a 350 KW 20000–3000 Volt     37400  „ 5 rotierende Umformer a 400 KW 600 Volt   110000  „ Fern-Schalt-Einrichtung     31900  „ 5 Schaltbretter in den Unterstationen     59500  „ 5 Schaltbretter in den Unterstationen     31900  „ 105 km Ausrüstung mit Stromschiene   670000  „ 105 km Ausrüstung mit Oberleitung   241000  „ 105 km Schienenstoss-Verbindung   107000  „ 105 km Schienenstoss-Verbindung   107000  „ 12 Wagen vollständig ausgerüstet   221500  „ 12 Wagen vollständig ausgerüstet   432000  „ –––––––––– ––––––––– Gesamtes Anlagekapital: 1560900 M Gesamtes Anlagekapital: 1271500 M. Jährliche Betriebskosten. 10 Maschinisten in der Zentrale   38200 M. 10 Maschinisten in der Zentrale   38200 M. 8 Maschinisten für die Unterstationen   30600  „ Kohlen, Wasser, Oel usw. ½ v. H. f. d. KW/St.    (4.890.000 KW/St.) 104000  „ Kohlen, Wasser, Oel ½ v. H. f. d. KW/St.   98000  „ Reparaturen und Unterhaltung der Zentrale, 3 v. H.    der Kosten     4100  „ Reparaturen und Unterhaltung der Zentrale, 3 v. H.    der Kosten     4100  „ Reparaturen der Hochspannungsleitung, 5 v. H.     9700  „ Reparaturen der Hochspannungsleitung, 5 v. H.   12600  „ Reparaturen der Stromzuführung, 1 v. H.     7800  „ Reparaturen der Stromzuführung, 4 v. H.   15500  „ Reparaturen der Unterstation, 4 v. H.     9200  „ Reparaturen der Unterstation, 6 v. H.     6100  „ Reparaturen der Wagen, 12 v. H.   32000  „ Reparaturen der Wagen, 10 v. H.   43500  „ –––––––– ––––––– Jährliche Betriebskosten: 235600 M. Jährliche Betriebskosten: 218000 M. Da nur die scheinbare Leistung der Zentrale bei Wechselstrom grösser ist als bei Gleichstrom, so sind wohl die Dynamomaschinen und Transformatoren grösser zu wählen, nicht aber die Dampfmaschinen und Dampfkessel. Einfacher sind auch die Schaltbretter in der Zentrale für Wechselstrom, ferner die Unterstationen, besonders aber die Streckenausrüstung, teuerer sind die Hochspannungsleitung und die Wagenausrüstung. Bei den jährlichen Betriebskosten werden die Arbeiter in den Unterstationen erspart, dagegen wird für die Reparaturen und die Unterhaltung der Unterstationen ein höherer Prozentsatz (6 v. H. gegen 4 v. H.) eingeführt. Trotz der Mehrausgaben für die Unterhaltung der Hochspannungslinie, der Streckenausrüstung und der Wagen ergibt sich für die jährlichen Betriebskosten, ebenso wie für das Anlagekapital, dass sich der Wechselstrombetrieb auf Vorortbahnen dem Gleichstrombetrieb überlegen zeigt.