Streuströme elektrischer Gleichstrombahnen. Von Dr. K. Michalke. (Schluß von S. 407 d. Bd.) MICHALKE: Streuströme elektrischer Gleichstrombahnen Es läßt sich die Forderung, daß der Spannungsverlust in den Gleisen 2,5 Volt nicht übersteigen darf, auch bei Wahl eines starken Schienenprofils und durch bestleitende Stoßverbindungen mit einer einzigen Schienenspeisung nicht erfüllen, wenn das Gleisnetz in verkehrsreichem Ort weit ausgedehnt ist. Es muß der Strom an verschiedenen Stellen des Netzes den Gleisen zugeführt werden. Am günstigsten liegen hierbei die Verhältnisse, wenn der Strom den einzelnen Schienenspeisesteilen von getrennten Maschinen oder Kraftwerken zugeführt wird, weil in diesem Falle die gespeisten Bezirke unabhängig voneinander sind, und die Streuströme nur aus kurzen Strecken austreten, und auch keine besonderen Ausgleichwiderstände in den Schienenspeiseleitungen erforderlich sind. Werden die Gleise an verschiedenen Stellen von gemeinsamer Sammelschiene aus gespeist, so müssen die Schienenspeiseleitungen durch Widerstände so abgeglichen sein, daß zwischen den einzelnen Speisepunkten keine Spannung auftritt. Die größten Widerstände liegen hierbei in den kürzesten Kabeln, die zu den dem Kraftwerk nächsten Speisepunkten führen. Statt der Widerstände können mit Vorteil in den Speiseleitungen kleine Generatoren, Saugdynamos, verwandt werden. Die Maschinen mit den höchsten Saugspannungen werden in die Kabelstrecken für die entferntesten Speisepunkte geschaltet. Die Gleise können in einer für die Verminderung der Streuströme vorteilhaften Weise von Strom entlastet werden, wenn das Dreileitersystem verwandt wird, wobei die Gleise den (geerdeten) Mittelleiter bilden. Auf einzelnen Strecken wird hierbei die Oberleitung mit dem positiven Pol des einen Maschinensatzes, auf anderen Strecken wird die Oberleitung mit dem negativen Pol eines zweiten Maschinensatzes verbunden. Der Betrieb wird hierbei weniger einfach, da zwei Maschinensätze und nötigenfalls auch zwei Pufferbatterien im Betrieb sein müssen, was diesen verteuert. Obwohl durch das Dreileitersystem die Gleisströme und daher auch die Streuströme vermindert werden, wird das Dreileitersystem wenig angewandt. Die verschiedenen Arten der Schienenspeisung sind um so wirksamer, je weniger Strom die Gleise führen, je geringer daher der Spannungsverlust ist, der in den Gleisen auftritt. Je weniger aber die Gleise zur Stromleitung herangezogen werden, um so mehr und um so stärker isolierte Schienenspeiseleitungen, Kabel oder oberirdisch verlegte Leitungen oder sonstige Einrichtungen sind erforderlich, die den Betrieb teuer und unwirtschaftlich machen können. Es muß daher schon beim Entwurf der Bahn ein Mittelweg eingeschlagen werden, um einerseits einen wirtschaftlichen Betrieb zu ermöglichen, andererseits die Rohrleitungen in der Erde nicht zu gefährden. Schutzmaßnahmen an den Rohren werden im allgemeinen nur angewandt, um auf kurzen Strecken, z.B. an Kreuzungen, örtliche Gefährdungen zu beseitigen. Isolierende Verbindungsstücke zwischen den einzelnen Rohrstücken können zwar die Rohrströme fast völlig beseitigen, es ist jedoch schwierig, diese Isolierungen dauernd brauchbar herzustellen, sie sind auch nur genügend wirksam, wenn sie in nicht zu weiten Abständen wiederholt angebracht werden. Isolierender Anstrich der Röhren schützt nicht genügend, Hülsenrohre aus Steinzeug und ähnliche Hilfsmittel haben nur örtliche Bedeutung. Da die in Röhren eingedrungenen Ströme nur dort die Röhren anfressen, wo die Ströme aus den Röhren ins Erdreich austreten, wurde versucht, die in Röhren eingedrungenen Ströme gefahrlos wieder abzuführen. Es wurde versucht, die Rohrströme durch Hilfspannungen, die z.B. durch Akkumulatoren erzeugt werden, abzusaugen und sie entweder in die Gleise oder in den Erdboden oder unmittelbar zum negativen Pol der Schaltanlage des Kraftwerkes zu führen. Sieht man auch von der Schwierigkeit ab, die dauernd sich ändernden Spannungen zwischen Rohr und Gleis durch konstante Spannungen zu beheben, so haben die Absaugevorrichtungen nur Erfolg, wenn die Hilfspannungen so gewählt werden, daß in der Nähe des Schienenspeisepunktes die Spannung zwischen Rohr und Gleis zum Verschwinden gebracht wird. Diese Erniedrigung des Rohrpotentials hat aber infolge verstärkter Saugwirkung eine unerwünschte Vermehrung der Rohrströme zur Folge. Diese Ströme können Anfressungen an andern benachbarten Metallmassen herbeiführen. Auch in einem ordnungsmäßig ausgebauten Gleisnetz sollte die Gleisanlage dauernd instand gehalten werden. Sind Prüfdrähte vom Kraftwerk nach den Schienenspeisepunkten und auch nach einzelnen Gleisstellen zwischen den Schienenspeisepunkten gelegt, so kann während des Betriebes überwacht werden, ob die höchstzulässige Spannung in den Gleisen unterschritten bleibt. Durch geeignete Messungen kann der Zustand der Gleisanlage untersucht und festgestellt werden, inwieweit die Rohranlage gefährdet ist. Die Firma Siemens & Halske A.-G. hat unter Mitwirkung von Reg.-Baumeister Buschbaum für alle einschlägigen Messungen eine Reihe von besonders geeigneten Meßgeräten auf den Markt gebracht. Wichtig ist die Kontrolle der Schienenstoßverbindungen, die mit dem Schienenstoßmeßapparat gemessen werden. Es wird hiermit der Widerstand der Stoßverbindung mit dem Widerstand eines stoßfreien Schienenstücks nach der bekannten Brückenmethode verglichen, wobei während des Betriebes der in den Gleisen fließende Betriebstrom als Stromquelle benutzt werden kann (Abb. 4). Ein Schienenstoß ist fehlerhaft, wenn sein Widerstand größer als der von 10 m stoßfreier Schiene ist. Grobe Fehler in den Schienenverbindungen, die z. B. durch Bruch der Verbindungsleitungen oder bei Diebstahl des für die Verbindungen verwandten Kupfers auftreten, können meist schon durch einfache Spannungsmessungen oder Untersuchen mit einem Telephon erkannt werden. Textabbildung Bd. 329, S. 424 Abb. 4. Wichtig ist auch die Kenntnis der Spannungen, die im Gleisnetz während des Betriebes auftreten, da die Gefährdung durch Streuströme mit zunehmender Spannung in den Gleisen wächst. Diese Spannungen rühren von den Spannungsverlusten durch die Gleisströme her. Sie werden noch erhöht, wenn die Widerstände in den Schienenspeiseleitungen nicht abgeglichen sind, wenn also die Schienenspeisepunkte nicht gleiches Potential haben. Infolge der dauernd wechselnden Belastung der Gleise durch Anfahren und Halten der Wagen schwankt die Belastung stark. Die zu verwendenden Spannungsmesser sind daher überaperiodisch gedämpft. Die gleichen Meßgeräte dienen zum Messen der Spannung zwischen Gleisen und Röhren und der Spannungen, die durch in den Rohrleitungen durch die eingedrungenen Ströme auftreten. Es muß dabei dafür gesorgt sein, daß der Widerstand an den Anschlußstellen der Meßdrähte die Meßergebnisse nicht beeinträchtigt. Durch großen Eigenwiderstand der Meßgeräte wird der Einfluß solcher Uebergangswiderstände vermindert. Wenn diese Messungen für sich auch keinen vollkommen sicheren Schluß auf Gefährdung durch Streuströme gestatten, so sind sie doch für die Beurteilung der Rohrgefährdung von großem Wert. Die Spannungen in den Rohren sind, wenn sie von Bahnströmen herrühren, den Spannungen in den Gleisen proportional. Ob die zwischen Rohr und Gleis gemessenen Spannungen von Bahnströmen herkommen und nicht etwa Polarisationsspannungen sind, kann außer an den dauernden Schwankungen noch daran erkannt werden, daß sie nach Betriebsschluß verschwinden. Die Stärke der Gleisströme wird am einfachsten durch Messen der Ströme in den Schienenspeiseleitungen und aus der Stellung der einzelnen Wagen zu bestimmten Zeiten festgestellt. Der an unverzweigtem Rohrstück in der Erde meist geringe Rohrstrom kann unter anderm derart bestimmt werden, daß in eine Rohrstrecke von einer Hilfsstromquelle ein Strom von entgegengesetzter Richtung gesandt und so geregelt wird, daß der Rohrstrom aufgehoben wird. Der stromlose Zustand des für die Messung benutzten Rohrstücks wird hierbei durch Spannungsmessungen festgestellt. Der Strom im Hilfsstromkreis ist alsdann gleich dem zu messenden Rohrstrom. Wenn auch die Stärke des Rohrstromes kein unmittelbares Maß für die Gefährdung ist, da die Ströme ungefährlich sind, so lange sie nur im Rohr verlaufen, so kann man unter Berücksichtigung der örtlichen Verhältnisse oft wertvolle Schlusse auf die Größe der Stromdichten an den Röhren ziehen. Die Spannungen zwischen Gleisen und Röhren stehen mit den Spannungen in den Gleisen und in den Röhren im Zusammenhang. Je größer die Rohrwiderstände sind, um so größer sind unter sonst gleichen Verhältnissen die Spannungen, die zwischen beliebigen Stellen in der Rohrleitung auftreten, und um so kleiner sind daher die Spannungen zwischen Gleisen und Röhren, d.h. um so schwächer ist der Stromübergang von dem Gleise zu den Rohren. Wenn auch aus der Größe dieser Spannungen noch kein sicherer Schluß auf die Erdstromdichte, also die Stromstärke, die durch die Flächeneinheit hindurchgeht, gezogen werden kann, so gibt die Kenntnis dieser Spannungen doch einen Anhalt zur Beurteilung der Gefährdung. Aus den gemessenen Spannungen kann die mutmaßliche Stromdichte an den Röhren ermittelt werden, wenn die Entfernung der Röhren von den Schienen deren Abmessungen und die Leitfähigkeit des Erdbodens bekannt sind.Vgl. Archiv der Mathematik und Physik III, Reihe XII, Heft 1, S. 66.Die Leitfähigkeit des Bodens kann aus einer Erdprobe mit einer Telephonmeßbrücke in bekannter Weise bestimmt und etwa auf den Widerstand eines Würfels von 1 m Kantenlänge umgerechnet werden. Die Leitfähigkeit des Erdbodens ist je nach dem Prozentsatz der gelösten Salze verschieden. Im Mittel kann etwa mit 300 Ohm für 1 m3 Erde gerechnet werden. Textabbildung Bd. 329, S. 424 Abb. 5. Schwieriger als die erwähnten Messungen sind Strom- und Spannungsmessungen in der Erde, da durch Polarisationsspannungen die Messungen beeinträchtigt werden. Geeignete Meßgeräte mit unpolarisierbaren Elektroden sind von Haber angegeben worden. Die Ströme treten aus den Röhren den Kirchhoff sehen Gesetzen entsprechend senkrecht aus, sie verlaufen auf Kreisbahnen von den Röhren nach den Gleisen. Sie kommen scheinbar von einer Achse, die exzentrisch innerhalb der Röhre liegt. Das Spannungsgefälle ist unmittelbar am Rohr oder an den Schienen am größten, weil da die Stromdichte am stärksten ist. Das Spannungsgefälle an den Röhren ist unter sonst gleichen Verhältnissen an dünnen Röhren größer als an dicken. Der Spannungsverlauf in der Erde kann mit Haber sehen Tastelektroden (Abb. 5) verfolgt werden. Eine solche besteht aus einem Glaszylinder, der am untern Ende durch eine poröse Tonplatte abgeschlossen ist. Die obere Oeffnung der Glasröhre wird durch einen Gummistopfen verschlossen, durch den ein Zinkstab geführt ist. Der Zinkstab taucht im Glasrohr in gesättigte Zinksulfatlösung. Zum Messen werden die Tastelektroden an den Meßstellen in den Erdboden eingeführt. Nach der Nullmethode wird gemessen, indem die zu ermittelnde Spannung durch die Teilspannung einer Hilfsbatterie aufgehoben wird. Die Spannung zwischen zwei Meßstellen in der Erde kann an der Schieberstellung am Meßdraht unmittelbar abgelesen werden. Bei Messungen zwischen Rohr und Erde muß die Eigenspannung der Tastelektrode berücksichtigt werden. Für das Messen der Stromdichte an den Röhren, der sogenannten Freßdichte, von der unmittelbar die Gefährdung der Röhren abhängt, hat Haber Erdamperemeterrahmen hergestellt. Solche werden von Siemens & Halske A. G. in zwei Größen von 100 und 10 cm2 wirksamer Fläche geliefert. Die größeren werden vorteilhaft bei tiefliegenden Röhren oder bei großem Rohrdurchmesser, die kleineren bei Röhren, die nahe an den Schienen liegen oder bei kleinerem Rohrdurchmesser gebraucht. Der Erdamperemeterrahmen (Abb. 6) enthält zwei in einen Holzrahmen eingespannte Kupferplatten, die durch eine Weichgummischeibe voneinander isoliert sind. Um Polarisationsspannungen bei der Messung auszuschließen, werden die Kupferplatten auf den Außenseiten mit einer Kupfersulfatpaste bestrichen. Auf die Paste wird ein in Glaubersalzlösung getränktes Pergamentpapier gelegt, hierüber wird Erde gestrichen. An die Kupferplatten sind Meßdrähte angelötet, zwischen die ein Milliamperemeter geschaltet wird. Der so hergerichtete Rahmen wird dicht am Rohr zwischen diesem und Gleis eingegraben. Das Amperemeter gibt den den Rahmen durchsetzenden Strom, also die Stromdichte für die wirksame Rahmenfläche an. Unter Berücksichtigung des Verlaufs der Strombahnen wird, da der Rahmen eben ist, die Röhren aber gekrümmt sind, bei genauen Messungen noch eine Korrektion (nach Besig) vorgenommen. Im Sinne der Verbandsvorschriften gilt ein Rohr gefährdet, wenn der Strom für 1 dm2 Austrittsdichte 0,75 Milliampere überschreitet. Textabbildung Bd. 329, S. 425 Abb. 6. Ob und in welchem Maße Strom aus den Röhren tritt, kann auch durch Eisenplatten von gemessener Oberfläche, die an die Röhren von diesen isoliert angelegt werden, die sich möglichst der Krümmung der Röhren anschmiegen, gemessen werden. An Rohr und an Eisenteil werden Meßdrähte angelötet, die durch einen empfindlichen Stromzeiger verbunden werden. Die Eisenteile können im Gegensatz zu den Erdampererahmen nach Zuschütten der Meßgrube dauernd in der Erde bleiben, so daß die Messungen nicht durch den Zutritt von Luftsauerstrom beeinträchtigt werden. Bei dieser Anordnung strahlt das mit dem Rohr metallisch verbundene Eisenstück in gleicher Weise wie das Rohr Strom aus. Der gesamte Strom, der von der eisernen Meßplatte ausgestrahlt wird, wird durch den Stromzeiger angegeben. Da die Abmessungen der Meßplatte bekannt sind, kann die Freßdichte, d. i. der Strahlungsstrom für 1 dm2 Oberfläche bestimmt werden. Angenähert kann die Gefährdung eines Rohres bestimmt werden, wenn neben dieses Rohr von diesem getrennt ein Rohrstück in der Erde verlegt und durch ein zwischen Rohrleitung und Rohrstück geschaltetes Amperemeter der Strom gemessen wird, der aus dem eingelegten Rohrstück ausgestrahlt wird. Es sind sonach viele und sorgfältige Messungen und Untersuchungen nötig, um die nicht leicht zu übersehenden Vorgänge bei Vorhandensein von Streuströmen aufzuklären und die Streuströme und deren Wirkung nachzuweisen. Nur von geübter sachverständiger Seite kann unter Verwendung zweckentsprechend ausgebildeter Meßgeräte einwandfrei nachgewiesen werden, daß Schäden durch Streuströme elektrischer Bahnen veranlaßt sind. Es ist dies wohl auch der Grund, daß so sehr häufig Anfressungen von Rohren oder sonstigen Metallmassen in der Erde den Streuströmen zur Last gelegt werden, während diese garnicht oder nur zum kleinsten Teile schuld waren. Tatsächlich sind in Deutschland bei zweckmäßig angelegten Gleisanlagen nur wenig Schäden von Belang durch Streuströme einwandfrei nachgewiesen worden. Bei den strengen deutschen Vorschriften sind auch bei vorschriftsmäßig gebauten und überwachten Gleisanlagen solche Schäden kaum zu befürchten, falls nicht besonders ungünstige örtliche Verhältnisse vorliegen. Die durch säurehaltigen Boden oder das natürliche Rosten der Röhren in der Erde herbeigeführten Schäden spielen häufig eine bedeutend größere Rolle, so daß die Zusatzschäden durch die Streuströme meist nicht die Bedeutung haben, die ihnen zuweilen zugeschrieben wird. Die Lebensdauer der Röhren in der Erde, die durch das natürliche Rosten und andere Einflüsse beschränkt ist, wird in den meisten Fällen durch die Streuströme nicht wesentlich verkürzt. In Amerika, wo man durch die ersten Mißerfolge bei ganz unsachgemäß angelegten Gleisanlagen besonders gewarnt wurde, glaubt man mit bedeutend milderen Vorschriften noch auskommen zu können.