miniatur|hochkant=1.5|Steckverbindungen für die Zugsammelschiene
Die Zugsammelschiene (ZS), in Österreich Zugheizung genannt, ist eine Leitung, die alle Wagen insbesondere von Reisezügen untereinander und mit der Lokomotive verbindet, um alle Einheiten von zentraler Stelle mit elektrischer Energie zu versorgen. Sammelschiene bezeichnet hier eine elektrotechnische Einrichtung. Während diese Leitung in der Vergangenheit hauptsächlich zur Versorgung der elektrischen Zugheizung genutzt wurde, werden heute auch andere Verbraucher mit elektrischer Energie versorgt. Es wird daher auch allgemein von einer Zugenergieversorgung gesprochen.
Im Geltungsbereich des Internationalen Eisenbahnverbandes (UIC) wird eine einpolige Zugsammelschiene eingesetzt; den Rückleiter der einpoligen Zugsammelschiene bilden die Gleise.UIC-Merkblatt 552:2005-06 Versorgung der Züge mit elektrischer Energie - Technische Einheitsmerkmale der Zugsammelschiene (ZS) In anderen Ländern, wie beispielsweise China, Indien und USA, werden dreipolige Zugsammelschienen eingesetzt, welche die Reisezugwagen mit Dreiphasenwechselstrom versorgen.
Geschichte Reisezugwagen wurden ursprünglich mit Öfen geheizt, die in jedem Wagen eingebaut wurden. Später verlegte man eine Dampfheizleitung (Rohrleitung) durch den Zug, um die Wagen mit Dampf aus dem Lokomotivkessel oder einem speziellen Heizwagen zu versorgen. Mit der Einführung des elektrischen Betriebs wollte man die Wagen elektrisch heizen und verlegte dazu eine elektrische Leitung durch den Zug. Diese wurde ihrer Zweckbestimmung folgend als Heizleitung bezeichnet. Da die elektrifizierten Strecken lange Zeit einzelne Inselbetriebe darstellten und die Wagen freizügig eingesetzt werden sollten, wurden sie, beginnend in den 1920er Jahren, mit elektrischer und Dampfheizung ausgerüstet. Für die Versorgung der Beleuchtung und vergleichbarer Kleinverbraucher erhielten die Reisezugwagen aus demselben Grund Achsgeneratoren. Die Versorgung im Stand erfolgte durch Akkumulatoren, die während der Fahrt von den Achsgeneratoren geladen wurden. Mit fortschreitendem Traktionswandel wurde in den 1970er Jahren im Rahmen der Eisenbahnverbände UIC und OSShD international festgelegt, dass die Zugheizung zur Vermeidung der Doppelausrüstung der Wagen nur noch elektrisch betrieben werden sollte. Mit dem Aufkommen von Klimaanlagen und anderen elektrischen Verbrauchern im Zug, deren benötigte Leistungen nicht von den Achsgeneratoren aufzubringen waren, änderte man die Bezeichnung in Zugsammelschiene. Die in diesem Zusammenhang immer mitgekuppelte und im Betrieb unter Spannung gehaltene Heizleitung ließ sich mit vergleichsweise wenig Aufwand auch für die Versorgung der übrigen elektrischen Verbraucher in den Reisezugwagen nutzen. Damit konnten die Achsgeneratoren und die dazugehörenden Schalteinrichtungen entfallen. Wegen der auch im Stand möglichen Versorgung durch die Zugsammelschiene war es möglich, die Batteriekapazität in den Reisezugwagen etwa zu halbieren. Zusätzlich entfiel die Instandhaltung der Generatoranlagen, außerdem sank der Laufwiderstand. Durch die entfallene zweimalige Energieumwandlung von elektrischer in mechanische Energie und zurück verbesserte sich auch der Wirkungsgrad. Bei technischen Daten zu Lokomotiven wird oft neben der Traktionsleistung auch die Heizleistung angegeben, womit die maximale Leistung auf der Zugsammelschiene gemeint ist.
Arten der Stromversorgung Versorgung ab Fahrleitung Bei Bahnen mit Gleichstromversorgung wird der Strom für die Zugenergieversorgung häufig direkt aus der Oberleitung entnommen und in die Zugsammelschiene gespeist. Dementsprechend variiert die Spannung in der Zugsammelschiene, je nach Bahnstromsystem, von 600 bis 3000 Volt Gleichspannung. Für das europäische Normalspurnetz sind die Gleichspannungen von 1,5 und 3 kV normiert.UIC-Merkblatt 550:2005-04 Elektrische Energieversorgungseinrichtungen für Wagen der Reisezugbauart
Versorgung ab Transformator Auf Triebfahrzeugen, die mit Wechselstrom versorgt werden, weist in der Regel der Transformator eine sogenannte Heizwicklung auf, aus der die Zugsammelschiene mit Wechselstrom versorgt wird. Bei den mit 15 kV und 16,7 Hz elektrifizierten Bahnen wird seit den 1920er Jahren eine Heizspannung von 1000 V verwendet. Da die Elektrifikation mit 25 kV und 50 Hz stark von Frankreich ausging, wurde die Spannungsebene von 1,5 kV mit 50 Hz zu einer weiteren Norm. Frankreich war das erste Land mit Fahrdrahtspannungen von 1,5 kV= und 25 kV, 50 Hz. Damit können die Wagen ohne technische Änderungen in beiden Teilnetzen eingesetzt werden. Aus demselben Grund gibt es in der ehemaligen Tschechoslowakei eine weitere, international nicht genormte Heizwechselspannung von 3 kV mit 50 Hz. Auf dem mit 11 kV bei 16,7 Hz elektrifizierten Meterspurnetz der Rhätischen Bahn und Matterhorn-Gotthard-Bahn wird seit 1913 eine Heizspannung von 300 V mit 16,7 Hz verwendet. Die durch die niedrige Spannung bedingten hohen Ströme erfordern teilweise einen zweiten Transformator im Zug, um die Zugsammelschiene in zwei Segmente unterteilt speisen zu können. Damit wird eine Überlast der Zugsammelschiene vermieden.
Versorgung ab Generator Frühere Diesellokomotiven waren nicht für die Energieversorgung des Zuges eingerichtet oder sie wiesen einen Heizkessel für die Versorgung der Dampfheizleitung auf. Für die Zugenergieversorgung wurde dann ein sogenannter Generatorwagen mit einem Dieselmotor mit angeflanschtem Generator verwendet. Zur Erzeugung der elektrischen Energie direkt auf den Dieseltriebfahrzeugen wurden verschiedene Bauweisen angewandt, u. a.:
Abnahme des Heizstroms vom Hauptgenerator eines dieselelektrischen Triebfahrzeugs, ohne besonderen Heizgenerator Antrieb des Heizgenerators vom Hauptdieselmotor Antrieb des Heizgenerators durch einen besonderen Hilfsdieselmotor
Besondere Heizgeneratoren wurden insbesondere bei Triebfahrzeugen mit dieselhydraulischen Antrieb notwendig.
Bei Triebfahrzeugen bei denen der Generator durch den Hauptdieselmotor angetrieben wird, ist die Frequenz des Heizstroms von der Dieselmotordrehzahl abhängig. Dies ist für den Heizbetrieb laut den internationalen Festlegungen der UIC nicht zulässig, wurde jedoch beispielsweise bei den Lokomotiven der Reihe M 41 der MÁV für den Inlandsverkehr angewendet. Alternativ wird mithilfe eines zusätzlichen Umrichters die Spannung und Frequenz des Heizstroms auf den benötigten Wert gebracht.
Versorgung ab Umrichter Mit der Entwicklung der Leistungselektronik konnte dann bei Dieseltriebfahrzeugen der Generator direkt an den Hauptdieselmotor angeflanscht werden und der Strom anschließend mit einem elektronischen Umrichter auf die benötigte Spannung und Frequenz gebracht. Der Umrichter ist notwendig, weil die Drehzahl des Dieselmotors im Betrieb schwankt.
In Deutschland verlangt die Norm 940 V bis 1060 V und 16,7 Hz. Bei Diesellokomotiven mit elektrischer Heizeinrichtung wurden als erstes Hüllkurvenumrichter, bei denen durch Thyristoren die höherfrequenten Phasen eines sechspoligen Drehstromgenerators so lange eingeschaltet wurden, bis die Halbwelle lang genug war, eingesetzt. Anschließend wurde auf die andere Halbwelle gewechselt und der Vorgang wiederholt. Solange der Strom nur für Heizzwecke gebraucht wurde, war das ausreichend. Batterieladegeräte und Klimaanlagen erzeugen aber eine induktive elektrische Last auf der Zugsammelschiene, bei der Umrichter dieser Bauart versagen; die Thyristoren verlöschen nicht mehr bei Abschluss der Halbwelle. Der gegenpolige Thyristor wird gezündet und es kommt zu einem Generatorkurzschluss. Aus diesem Grunde gilt für entsprechend ausgerüstete Wagen ein Verbot des Betriebs mit Dieselloks.
Die nächste Generation von Umrichtern arbeitet mit einem Gleichstromzwischenkreis und baut die Halbwelle als Rechteckhalbwelle mit einem Einschalt- und einem Löschthyristor auf oder verwendet GTO-Thyristoren oder IGBTs. Diese Generatoren vertragen zwar induktive Lasten, aber die nicht sinusförmige Halbwelle führt zu starken harmonischen Oberwellen. Da es im nicht elektrifizierten Netz in Deutschland noch immer Sicherungsanlagen mit 50-Hz-Gleisstromkreisen gibt und 50 Hz eine harmonische Oberwelle von 16,7 Hz ist, verlangt das EBA eine Umstellung der Umrichterfrequenz auf 22 Hz, um eine Beeinflussung auszuschließen.
Wird zur Zugenergieversorgung Dreiphasenwechselstrom verwendet, kommen auch bei elektrischen Triebfahrzeugen entweder gesonderte Heizumrichter zum Einsatz oder die entsprechenden Halbleiter-Bausteine sind im Traktionsstromrichter verbaut.
Ausrüstung der Reisezugwagen Elektrische Verbraucher wie Glühlampen in Reisezugwagen wurden über Achsgeneratoren und im Stand durch die während der Fahrt geladenen Akkumulatoren („Batterien“) mit Strom versorgt; üblich waren 24 oder 36 V Gleichspannung, beispielsweise in Deutschland später auch 48 und 110 V. Die elektrische Widerstandsheizung oder die Dampfheizung funktionierte daneben unabhängig. Die Zugsammelschiene, damals Heizleitung genannt, wurde so wie die Dampfheizleitung nur im Winter gekuppelt. Für die Anpassung an die unterschiedlichen Versorgungsspannungen wurden die einzelnen Heizkörper gruppenweise in Reihe und parallel geschaltet. In einigen Ländern, beispielsweise in Deutschland, war auf elektrischen Lokomotiven die Heizspannung umschaltbar. Für die Übergangszeit mit einer geringeren benötigten Heizleistung wurde über eine zusätzliche Anzapfung am Haupttransformator eine Spannung von 800 V abgegriffen. Anfänglich existierte noch eine dritte Spannung mit 600 V, doch diese wurde schon seit den 1930er Jahren nicht mehr genutzt und bei neuen Lokomotiven auch nicht mehr vorgesehen. Der Abgriff für die verringerte Heizspannung von 800 V wurde bei der DR letztmals in den Lokomotiven der Reihen 211 und 242 eingebaut, doch wenig später nicht mehr benutzt. Bei den anderen Bahnverwaltungen, die das 15-kV-System nutzen, war es vergleichbar.
Mit der Zunahme der elektrischen Verbraucher musste eine Versorgung ab der Zugsammelschiene aufgebaut werden. Ein Ladegerät versorgt nun die Akkumulatoren mit Strom, im Gegenzug konnte auf die Achsgeneratoren verzichtet werden. Um Verbraucher der üblichen Spannungsebenen 400 V Drehstrom oder 230 V Einphasenwechselstrom verwenden zu können, wird nach dem Akkumulator beziehungsweise dem Ladegerät ein Wechselrichter geschaltet. So kann zum Beispiel die Beleuchtung auch während eines Lokomotivwechsels eingeschaltet bleiben. Eine Leistungsregelung schaltet gewisse Verbraucher, insbesondere die Klimaanlage, ab, wenn die Zugsammelschiene spannungslos ist. Damit kann eine zu schnelle Entladung der Akkumulatoren vermieden werden.
Kupplung der Zugsammelschiene