mini|Bahnstrom-Oberleitung an Portalmast (Schweizerische Bundesbahnen) mini|Stromschienen der S-Bahn Hamburg mit 1200 Volt Gleichstrom (DC) mini|Drei Bahnstrom-Systeme nördlich des Londoner Bahnhofs Farringdon: linkes Gleispaar der U-Bahn mit 630 V DC über zwei Stromschienen, rechtes Gleispaar der Thameslink-Strecke mit durchgehender 25-kV-50-Hz-AC-Oberleitung und dem Beginn der in Südengland üblichen 750-V-Stromschiene mini| Oberleitung deutscher Bauart bei Thayngen, Schweiz (2018); 15 kV 16,7 Hz AC
Bahnstrom (auch Bahnenergie genannt) bezeichnet die elektrische Energie zum Betrieb elektrischer Bahnen. Sie wird überwiegend für den Antrieb von Triebfahrzeugen genutzt. Die Versorgung elektrischer Bahnen mit Bahnstrom wird als Bahnstromversorgung oder Bahnenergieversorgung bezeichnet. Diese lässt sich in die funktionellen Teilbereiche Erzeugung, Übertragung, Verteilung, Zuführung und Rückführung des Bahnstroms bzw. der Bahnenergie unterteilen. Dabei stellt die Speisung mobiler Verbraucher über Fahrleitungen und Stromabnehmer den wesentlichen Unterschied zum öffentlichen Stromnetz dar.
Historisch entwickelten sich in den verschiedenen Ländern oder bei unterschiedlichen Bahngesellschaften verschiedene Bahnstromsysteme bzw. Bahnstromarten, die in der Regel nicht direkt mit dem öffentlichen Stromnetz eines Landes gekoppelt sind, sondern eigene Anlagen benötigen. Dies ist insbesondere bei Betrieb mit Gleichstrom der Fall.
Ein Sonderfall bei Betrieb mit Wechselstrom ist die Abweichung zur in Europa üblichen Netzfrequenz von 50 Hz, die in deutschsprachigen Ländern und Skandinavien bei früher Elektrifikation gewählt wurde und weiterhin vorherrscht. Die Deutsche Bahn, die ÖBB und die SBB nutzen überwiegend einphasigen Wechselstrom, dessen Frequenz ursprünglich mit Hz bei exakt einem Drittel der Netzfrequenz lag, später jedoch zur Vermeidung einseitiger Belastungen in Umformerwerken auf 16,7 Hz erhöht wurde. Die Fahrdrahtspannung beträgt in diesen drei Streckennetzen nominell 15 kV.
Geschichte
Nach Einführung der Eisenbahn 1835 in Deutschland wurden Ende des Jahrhunderts erste Versuche mit verschiedenen elektrischen Systemen und Motoren gemacht, wobei sich 1912 im Deutschen Reich Einphasen-Wechselstrom mit 15 kV und Hz durchsetzte. Deren erste Anwendung im Regelbetrieb fand 1914 auf der niederschlesischen Strecke zwischen Niedersalzbrunn und Halbstadt (siehe Elektrischer Bahnbetrieb in Schlesien) statt.Tietze: Hertzschrittmacher. Eisenbahn Magazin, 7/2014.
Wegen der technisch anspruchslosen Regelbarkeit und des hohen Stillstandsdrehmoments erwies sich der Gleichstrom-Reihenschlussmotor als idealer Antrieb für Schienenfahrzeuge. Solche Motoren vertragen aber keine hohe Spannung und benötigen umso höhere Stromstärken, diese wiederum erfordern große und teure Querschnitte der Oberleitung oder Stromschiene. Bei größerem Abstand der Haltepunkte erweist es sich daher als wirtschaftlicher, die Lokomotiven mit Wechselstrom höherer Spannung zu versorgen und einen Transformator einzubauen; die zu dessen ständigem Mittransport erforderliche Energie ist geringer, als es Verluste in den kilometerlangen Fahrleitungen wären.
Das Gewicht eines Transformators ist im Wesentlichen von seinem Eisenkern bestimmt. Dieses wiederum ist annähernd umgekehrt proportional der Frequenz des Wechselstroms. Aufgrund der beherrschbaren Technologie im Transformatorenbau hatte sich eine Frequenz von 50 Hz in den europäischen Netzen durchgesetzt. Durch die an den Kollektoren entstehenden Bürstenfeuer gelang es jedoch nicht, Reihenschlussmotoren im erforderlichen Leistungsbereich mit einer Frequenz von 50 Hz zu betreiben. Daher entstanden Bahnstromnetze mit 25 Hz und Hz. Um mit rotierenden synchronen Umformern Bahnstrom aus dem 50-Hz-Stromnetz erzeugen zu können, wählte man die Teilerfaktoren 2 bzw. 3. Der Einsatz von modernen asynchronen Umformern bei einem ganzzahligen Teilungsverhältnis erwies sich bei hohen Leistungen allerdings als problematisch, sodass die Sollfrequenz vieler Netze inzwischen auf 16,7 Hz geändert wurde, wobei Hz innerhalb der Toleranz liegt.
Der heutige Stand der Technik im Bereich der Leistungselektronik macht die verminderte Frequenz des Wechselstroms nicht mehr zwingend. Moderne Fahrzeuge sind meist mit Drehstrommotoren, welche mit Drehstrom aus einem Frequenzumrichter versorgt werden, ausgestattet, mit einem Transformator mit 25 kV Primärspannung und Anzapfung bei 15 kV lassen diese sich als Mehrsystemfahrzeuge ausrüsten. Eine Umstellung des Bahnstroms auf 25 kV ist derzeit im Bereich der Deutschen Bahn nicht möglich, da der erforderliche erhöhte Sicherheitsabstand der Oberleitung zu vorhandenen Brücken nicht gegeben ist. Bei Neubauten werden jedoch größere Abstände eingeplant. Die ausstehende europaweite Vereinheitlichung der Bahnstromsysteme ist im grenzüberschreitenden Verkehr ein verhältnismäßig kleines Problem, die Mehrkosten für den Transformator in Mehrsystemfahrzeugen sind gering im Vergleich mit den Kosten für die mehrfachen Zugsicherungssysteme und die nationalen Zulassungsverfahren.
Außerdem wird der Zeitpunkt einer möglichen Umstellung des Bahnstroms in Deutschland beeinflusst durch die Nutzungsdauer der älteren Baureihen mit Wechselstrommotoren, die sich schwer umrüsten lassen. Die Baureihen 103, 141 und 150 sind bereits ausgemustert, unter den Einheitslokomotiven verbleiben die Baureihen 110, 140, 139, einige der jüngeren Exemplare der 111 sowie der 151. Wenn auch die Reichsbahn-Baureihen 112, 114, 143 und 155 ausgemustert sind, verbleiben im Bestand der Deutschen Bahn ausschließlich Drehstromlokomotiven. Eine Umstellung ist dann relativ einfach, im Gegenzug kann auf die Unterhaltung eines eigenständigen 110-kV-Hochspannungsnetzes verzichtet werden und die Unterwerke können an die Hochspannungsnetze der allgemeinen Energieversorgungsunternehmen angebunden werden. Da die Hochspannungsnetze schon errichtet sind, besteht kein Handlungsbedarf und die Ausmusterung der älteren Baureihen kann noch Jahrzehnte dauern.
In der Nachkriegszeit fiel die Entscheidung, großflächig Dampfloks durch E-Loks zu ersetzen. Anfangs waren nur 5 % der Strecken elektrifiziert, daher stellte sich die Wahl des Stromsystems neu. Um nicht von RWE abhängig zu werden, fiel die Entscheidung, kleinere technische Nachteile und eine Einzellösung in Mitteleuropa in Kauf zu nehmen und ein eigenständiges Bahnstromnetz zu errichten. Zum 1. Juni 1958 nahm die Zentralstelle für Bahnstromversorgung (ZBV) aufgrund einer Verfügung des Vorstands der Deutschen Bundesbahn in Frankfurt am Main ihre Arbeit auf.Bundesbahndirektion Mainz (Hrsg.): Amtsblatt der Bundesbahndirektion Mainz vom 6. Juni 1958, Nr. 27. Bekanntmachung Nr. 327, S. 157.
Bahnstromsysteme Gleichspannung mini|Bahneigenes Kraftwerk für 300 V Gleichspannung der Frankfurt-Offenbacher Trambahn-Gesellschaft von 1884
Fahrzeugseitig ist Gleichspannung die einfachste Lösung. Gleichstrom-Reihenschlussmaschinen waren lange Zeit die besten verfügbaren elektrischen Maschinen für Fahrzeugantriebe. Dies hat sich erst mit der seit den 1970er Jahren nach und nach verfügbaren Halbleiter-Leistungselektronik geändert. Das 1884 errichtete Kraftwerk der Frankfurt-Offenbacher Trambahn-Gesellschaft etwa erzeugte für die erste kommerziell betriebene elektrische Straßenbahnlinie der Frankfurt-Offenbacher Trambahn-Gesellschaft Gleichstrom mit einer Spannung von 300 V.
Da die Fahrzeuge Gleichstrom benötigten, lag es zuvor nahe, sie direkt aus der Fahrleitung mit Gleichstrom zu versorgen. Der größte Nachteil der direkten Versorgung der Fahrzeuge mit Gleichstrom ist die geringe mögliche Fahrleitungsspannung, wodurch sich bei gleicher Leistung die fließenden Ströme und damit die Verluste in der Fahrleitung erhöhen. Da keine Transformation im Fahrzeug erfolgen kann, ist die Spannung durch das Isolationsvermögen der in den Motoren verwendeten Isolierstoffe begrenzt, meist auf 1500 V oder 3000 V.
Der fehlende Haupttransformator im Fahrzeug muss allerdings kein Nachteil sein, denn dadurch lässt sich das Fahrzeug bei gleicher Leistung kürzer bauen und kann daher engere Kurvenradien durchfahren. Weiterhin ist es auch möglich, das Lichtraumprofil niedriger zu halten und das Triebfahrzeug mit einer durchgehenden Plattform auszustatten.
Wo nur relativ kleine Fahrzeugleistungen erforderlich sind, beispielsweise bei Straßenbahnen, oder wo aus mechanischen Gründen ohnehin große Leiterquerschnitte verwendet werden, z. B. bei Stromschienenbetrieb (U-Bahn), wird daher überwiegend Gleichstrom verwendet. Stromschienen können überdies wegen der Bodennähe und der dadurch erforderlichen geringen Isolationsabstände sowieso nur mit niedrigen Spannungen (in der Regel 500 V bis 1200 V) betrieben werden. Bei Straßenbahnen wären große Isolationsabstände zwar umsetzbar, ein Mittelspannungs-Oberleitungsnetz in der Enge von städtischen Straßen zwischen Gebäuden wäre aber zu gefährlich. Bei Stadtbahnen ergibt sich durch die geringeren Isolationsabstände ein niedrigeres Lichtraumprofil und damit ein erheblicher Kostenvorteil beim Bau der innerstädtischen Tunnelstrecken.
Auch bei elektrifizierten Werkbahnen spielen Kurvengängigkeit und das kleinere Lichtraumprofil eine Rolle. Bei Strossengleisen von Tagebauen und vor allem bei Grubenbahnen wird oft sogar eine Seitenfahrleitung verwendet, die Triebfahrzeuge sind dann auch mit ausgefahrenem Stromabnehmer nur so hoch wie die Wagen; zudem können die Wagen von oben beladen werden. Die niedrige Betriebsspannung ist hier sogar von Vorteil, da durch den fliegenden Aufbau der Strossen aufwendige Isolationsmaßnahmen schwierig umzusetzen wären.
Die fehlende Masse des Transformators muss hingegen häufig sogar durch Ballastgewichte ausgeglichen werden, damit das Fahrzeug beim Anfahren nicht schleudert. Die Ballastgewichte lassen sich aber unauffällig am Fahrzeugboden verteilen.
Obwohl dieser Vorteil des Gleichstrombetriebs bei Vollbahnen nicht ausgespielt werden kann, findet er in einigen Ländern Verwendung, z. B. in Italien, Slowenien, den Niederlanden, Belgien, Osteuropa, Spanien, Südostengland, Südfrankreich, Südafrika und Japan. Dies ist historisch bedingt, Neubaustrecken für den Hochgeschwindigkeitsverkehr wurden auch dort mit dem Stromsystem 20–30 kV und 50 oder 60 Hz errichtet.
Bei Vollbahnen mit Gleichstrombetrieb sind 3000 V Fahrleitungsspannung üblich. Lediglich die Niederlande, Japan und Frankreich verwenden 1500 V, Südostengland sogar nur 750 V (über Stromschienen neben den Gleisen). Da die Leistungen der Triebfahrzeuge vollbahntypisch sehr hoch sind, fließen in der Fahrleitung hohe Ströme. Deshalb muss die Fahrleitung anders konstruiert sein, oft handelt es sich um mehrere Leiterseile. Auch die Stromabnehmer der Triebfahrzeuge müssen anders konstruiert sein, da Lichtbögen bei Gleichstrombetrieb nicht selbst verlöschen. Besonders leistungsfähige Triebfahrzeuge müssen mehrere Stromabnehmer an die Fahrleitung anlegen, dies kann allerdings wiederum unvorteilhafte Fahrleitungsschwingungen zur Folge haben.
Ein großes Problem stellt im Gleichstrombetrieb die Leistungs- und damit die Geschwindigkeitssteuerung dar. Eine bei elektrischen Triebfahrzeugen grundsätzlich immer genutzte Möglichkeit ist die wahlweise Reihen- und Parallelschaltung der Fahrmotoren. Sind mehr als zwei Fahrmotoren vorhanden, werden diese üblicherweise nur in zwei Gruppen umgeschaltet, da die Isolation im Parallelbetrieb weiterhin nur 3000 V Spannung zulässt. Mit dieser Umschaltmöglichkeit bietet das Fahrzeug nur drei Fahrstufen (nur ein Motor/eine Gruppe, Reihenschaltung, Parallelschaltung). Die naheliegende Möglichkeit, die Leistung der Motoren durch Änderung der Betriebsspannung feiner zu steuern, wie das im Wechselstrombetrieb durch Abgriffe am Haupttransformator geschieht, ist bei Gleichstrombetrieb nicht möglich, da die Fahrdrahtspannung fest ist.