Als Rückstrom bezeichnet man die Summe der elektrischen Ströme, welche zwischen Bahnenergieverbraucher und Bahnstromspeisequelle über die Schienen und danach ggf. auch über weitere Rückleitungen fließt. Speisequelle, Hin- und Rückleiter sowie Verbraucher bilden einen elektrischen Betriebsstromkreis.
Elektrischer Betriebsstromkreis Bahnenergieverbraucher Bahnenergieverbraucher im Betriebsstromkreis sind unter anderem:
Triebfahrzeuge mit den Fahrmotoren für die eigentliche Zugförderung (Traktion) sowie mit z. B. Beleuchtung, Bordelektronik, Kompressoren, Zugfunk; Weitere Lasten in den Triebwagen beziehungsweise in den Wagen über die Zugsammelschiene z. B. Beleuchtung, Klimaanlage, Türsteuerung, Zugheizung, Bordbistro, TV an Bord, 50-Hz-Bordnetz u. ä.; Zusätzlich können weitere Verbraucher im Betriebsstromkreis auftreten, die aber auch unabhängig davon versorgt werden können. Die Speisung erfolgt in diesem Fall über Transformatoren die auch als Masttransformator ausgeführt sein können: elektrische Weichenheizungen; Eisenbahnsignale; Zugvorheizanlagen.
Speisequellen Speisequellen sind die Unterwerke, die die Energie des öffentlichen oder Bahnstromnetzes an Speise- und Fahrleitung übergeben und bei denen die Rückströme in den Rückleiterschienen wieder zusammenlaufen und zum zweiten Pol geleitet werden.
Rückleiter mini|Rückleiter bei 15 kV ~ Bahnstromsystem
Rückleiter führen den Rückstrom zur Speisequelle zurück. Rückleiter sind zuvorderst die Schienen der Gleise. Da aber die Gleise direkt und/oder kapazitiv mit dem Erdreich verbunden sind und auch die Speisequellen geerdet sind, fließt ein Teil des Rückstroms auch über das Erdreich.
Jede Speisequelle versorgt einen Speisebezirk mit elektrischer Energie. In jedem Speisebezirk befinden sich i. d. R. mehrere Züge, Triebfahrzeuge oder stationäre Verbraucher. Das heißt, am Ort der Speisequelle treffen alle diesbezüglichen Rückströme ein. Entsprechend stark müssen die Rückleiteranschlüsse am Ort der Speisequelle dimensioniert sein.
Stromrichtung Die Bahnstromversorgung der elektrifizierten Eisenbahnen arbeitet nach dem Zwei-Leiter-Prinzip, bei der es für den elektrischen Strom nur einen Hin- und einen Rückleiter gibt. Die Stromrichtung wird nach der Energiebereitstellung definiert: Die Speisung der Verbraucher erfolgt von der Speisequelle quasi mit Hinstrom zu den Verbrauchern. Nach Umsetzung der Energie vor Ort fließt der Strom zurück zur Speisequelle.
Hinleiter sind die Speise- und Fahrleitungen. Speiseleitungen sind Kabel zu den Fahrleitungsabschnitten. Fahrleitungen sind Oberleitungen (bei Fern-, Regional-, Werks- bzw. Grubenbahnen), Stromschienen (bei S-, U- oder Grubenbahnen). Rückleiter sind die Schienen, das Erdreich, besondere Kabel oder Rückstromschienen.
Diese Richtungsbetrachtung wird sowohl bei Gleichstrom- als auch bei Wechselstrombahnen angewandt, unabhängig davon, welche physikalische Polarität der elektrischen Spannung und welche physikalische Stromflussrichtung tatsächlich vorliegt.
Rückstromkonzept mini|Fahrleitungsmast mit zusätzlichem Rückleiter (oben, ohne Isolator aufgehängt) und Speiseleitung auf Stützisolator Die Rückstromführung über die Schienen ist aus verschiedenen Gründen nicht in jedem Fall ausreichend und muss situationsbezogen untersucht werden. Probleme können durch einen zu hohen elektrischen Widerstand, was zu einer schlechten Spannungsqualität führt und so die Leistung am Triebfahrzeug begrenzt, aber auch die Verschiebung des Erdpotentials sowie Streuströme verursachen.
Der aus den Fahrschienen ins Erdreich austretende Strom wird als Streustrom, früher auch als Irr- oder vagabundierender Strom bezeichnet. Er fließt im Erdreich und – so vorhanden – auch über in der Erde liegende metallene Teile (Rohre, Erdungsanlagen u. ä.). Dabei kommt es an diesen Anlagen zu Korrosionsschäden und thermischer Beeinflussung. Umfang und Geschwindigkeit der Korrosion ist bei Gleich- und Wechselstrom unterschiedlich, Korrosionsschäden sind bei Gleichstrom deutlich ausgeprägter.
Der Widerstandsbelag beträgt pro Schiene 30 mΩ/km (Profil 60E2) für Gleichstrom. Der Widerstandswert halbiert sich wenn beide Schienen genutzt werden können auf 15 mΩ/km. Im Fall von Wechselstrom ist der Widerstand signifikant höher, aufgrund des verstärkten Skin-Effekts, bedingt durch die ferromagnetische Eigenschaft des Stahls. Bei einer Frequenz von 16,7 Hz erhöht sich dadurch der spezifische Schienenwiderstand auf 200 mΩ/km pro Schiene, beziehungsweise 100 mΩ/km für beide Schienen.
Verstärkung der Rückleitung Die untenstehenden Ansätze senken mittels Verstärkung der Rückleitung den Widerstand. Damit werden die Streuströme verringert und gleichzeitig die Spannungsqualität erhöht.
Vermaschung der Rückleitung Im Bereich mit mehreren Gleisen (z. B. in Bahnhöfen) verteilt sich der Rückstrom je nach den vorliegenden Übergangswiderständen zwischen Schienen und Erdreich unterschiedlich. Dabei könnte es zu unterschiedlichen elektrischen Potentialen der einzelnen Schienen oder Gleise kommen. Dagegen werden möglichst viele Schienen- und Gleisverbinder angebracht. Das dient sowohl dem Ausgleich der elektrischen Spannung zwischen den Gleisen als auch der Erhöhung des Gesamtquerschnitts der Rückleitung, was zur Verminderung des elektrischen Widerstands der Rückleitung und damit zur Verminderung der elektrischen Energieverluste im Betriebsstromkreis führt.
Die mögliche Anzahl der Schienen- und Gleisverbinder wird jedoch eingeschränkt durch die Notwendigkeit der Einrichtung von isolierten Gleisabschnitten für die Leit- und Sicherungstechnik.
Zusätzliche Rückleiter Ein zusätzlicher zur Strecke verlegter Rückleiter, der in regelmäßigen Abständen mit den Schienen verbundener ist, senkt den Rückleiterwiderstand. Dieser zusätzliche Rückleiter wird ohne Isolator an den Fahrleitungsmasten mitgeführt und auch als Erdseil bezeichnet. Der zusätzliche Rückleiter wird auch zur Masterdung verwendet. Dabei ist er alle 250 m mit den Schienen verbunden. Dies stellt zusammen mit der Vermaschung die Standardlösung in Deutschland, Schweiz und Österreich dar.
Der Widerstandsbelag eines Erdseils von 95 mm² Kupfer beträgt 0,184 Ω/km. Damit wird der Rückleitungswiderstand signifikant gesenkt (dies jeweils parallel zu den oben genannten Schienenwiderständen). Das Erdseil wird dabei möglichst nahe an der Fahrleitung und Speiseleitung verlegt, damit sich die Magnetische Flussdichten möglichst gegenseitig kompensieren. Diese magnetische Kopplung erhöht den Anteil des Rückstroms im Erdseil und verbessert die elektromagnetische Verträglichkeit der Bahnstromanlage.
Am Beispiel der Neubaustrecke Mattstetten–Rothrist wird mit einem Erdseil von 165 mm2 Kupferäquivalent eine Rückstromverteilung von 40,6 % Schienen, 36,3 % Erdseil und 23,1 % Erdreich erreicht. Die Verteilung ist aber stark ortsabhängig. Beim Triebfahrzeug ist der Schienenstrom am höchsten. Bereits bei der ersten Verbindung mit dem Erdseil verlagert sich ein großer Teil des Rückstroms in dieses. Der Strom im Erdreich ist am höchsten auf halber Strecke zwischen Triebfahrzeug und Unterwerk. Dazwischen erfolgt eine kontinuierliche Verlagerung des Rückstroms ins Erdreich beziehungsweise wieder zurück in die Schienen und Erdseil. Bei schlecht leitendem Erdreich, wie beispielsweise bei der Lötschberg-Bergstrecke, kann ein zweites Erdseil notwendig sein, um gefährliche Schrittspannungen zu vermeiden.
Saugtransformatorensysteme mini|Saugtransformator in einer Bahnstromanlage Der Rückleiter ist hier mit zwei Leiterseilen ausgeführt und mit kurzen Isolatoren isoliert. Der Anschluss der beiden Fahrleitungssegmente erfolgt über die Leitungen mit den langen Isolatoren. Mit Saugtransformatoren, auch als Boosttransformatoren (BT) bezeichnet, ist es möglich, den Rückstrom von Wechselstrombahnen gezielt zu lenken. Saugtransformatoren sind technisch einfache Querregeltransformatoren und ähnlich ausgeführt wie Stromwandler. Saugtransformatoren weisen ein fixes Übersetzungsverhältnis von 1:1 auf. Dabei wird jeweils eine Wicklung in die Fahrleitung in Reihe eingeschleift und die andere Wicklung in Reihe in die Rückleitung eingeschleift. So ist durch die Übersetzungsverhältnis von 1:1 sichergestellt, dass in der Fahrleitung und in der Rückleitung der gleiche Strom fließt. Mit diesem Prinzip lässt sich der Rückstrom gezielt lenken und damit Streuströme reduzieren. Zudem werden Potentialverschiebungen reduziert. Verschiedene Saugtransformatorensysteme werden in Norwegen und Schweden verwendet.
Streckensegmente ohne zusätzlicher Rückleiter In diesem Fall wird die Fahrleitung inklusive den Schienen in Streckensegmente aufgeteilt. Dabei werden auch die Schienen mittels Isolierstößen getrennt. Mit Saugtransformatoren werden die Streckensegmente verbunden. Der Rückstrom fließt dabei weiterhin in den Schienen, wird aber durch die Saugtransformatoren besser gelenkt mit dem Effekt, dass die Streustrombereiche verkleinert werden.
Streckensegmente mit zusätzlichem Rückleiter In diesem Fall wird ein getrennter und isolierter Rückleiter verwendet, in den der Rückstrom mittels den Saugtransformatoren gesogen wird. Nur die Fahrleitung ist in diesem Fall in Segmente aufgeteilt, die mit Saugtransformatoren verbunden sind. In jedem Segment gibt es eine Verbindung vom isolierten Rückleiter zur Schiene. Einen Streustrombereich gibt es daher nur noch zwischen dem Triebfahrzeug und dem Verbindungspunkt von der Schiene mit dem isolierten Rückleiter. In den übrigen Segmenten fließt kein Rückstrom in den Schienen.
Streckensegmente mit teilweise zusätzlichem Rückleiter Es ist zudem möglich, nur auf Teilabschnitten einen zusätzlichen isolierten Rückleiter zu führen. Das System entspricht einer Mischform aus den oben genannten Systemen, bei dem auf einigen Abschnitten auf zusätzliche Rückleiter verzichtet wird.
Autotransformatorensysteme Ein alternativer Ansatz für Wechselstrombahnen ist der Einsatz des Autotransformatorensystems (AT). Dafür werden entlang der Strecke in regelmäßigen Abständen Autotransformatoren eingesetzt, welche zum einen den Rückstrom aus der Schiene ziehen und gleichzeitig die Fahrleitung speisen. Es findet deshalb eine Erhöhung der Spannungsqualität und eine Verringerung der Streuströme statt. Zur Versorgung der Autotransformatoren wird eine zusätzliche Leitung, die eine um 180° phasenverschobene Spannung zur Fahrleitung führt benötigt. Diese zusätzliche Leitung wird negative Feeder genannt.
Mit Speiseleitung und Segmentierung der Fahrleitung mini|Autotransformatorstation 2 × 15 kV / 16,7 Hz. Oben auf dem Fahrleitungsmast befinden sich die Speiseleitungen (beschriftet mit NL und PL), sowie ein zweipoliger Masttrenner. Der Anschluss des Autotransformator am Streckenrand im grünen Trafohaus erfolgt per Kabel. In diesem Fall wird sowohl eine Speiseleitung (Positive Feeder) sowie auch den negative Feeder an der Strecke mitgeführt. Die Autotransformatoren werden an die Schienen, die Speiseleitung und den negative Feeder angeschlossen. Die Fahrleitung ist in Segmente aufgeteilt und wird aus der Speiseleitung versorgt.
Nur zusätzlichen negative Feeder In diesem Fall wird auf eine Speiseleitung verzichtet und die Autotransformatoren werden direkt mit der Fahrleitung, den Schienen und dem negative Feeder verbunden.
Gefahren durch Rückstrom Galvanisch verbundene Netze Rückstrom beeinflusst auch immer die Schutzerdung von Anlagen im Bereich elektrischer Bahnen und umgekehrt. Daher sollte durch geeignete Maßnahmen ausgeschlossen werden, dass Anteile eines Rückstroms auch über geerdete Anlagen fließen.