Een spoorstroomloop is een treindetectiemiddel dat elektrische de afwezigheid van een trein kan detecteren (functievervuller spoorvrijmelding). Hiertoe wordt in een aan weerszijden begrensd stuk spoor, een sectie, aan de “voedingszijde” een spanningsbron aangesloten op de spoorstaven en aan de “ontvangstzijde” een ontvanger, meestal een spoorrelais. Als er geen trein aanwezig is staat er een spanningsverschil tussen de spoorstaven en kan het spoorrelais aantrekken en daarmee het spoor vrijmelden. Er bestaat als het ware een gesloten circuit tussen zender en de ontvanger via de spoorstaven. De spanning tussen de spoorstaven kan worden kortgesloten door de assen van een passerende trein, die daarmee dat gesloten circuit onderbreken, waardoor de ontvanger spanningsloos wordt.
Spoorsroomloop principe (c) ProRail
Hiermee kan spoorstroomloop gebruikt worden voor treindetectie, spoorvrijmelding (track vacancy detection [en], Gleisfreimeldung [de]). Zolang de spanning wordt kortgesloten, geeft het systeem aan dat het spoor niet vrij is. Er bestaan geen garantie dat er zich een trein in de betreffende sectie bevindt als de ontvanger het spoor niet vrij meldt. Door het fail-safe ontwerp van de spoorstroomloop zal nl. elk defect of storing uitwerken als een bezetmelding.
Er bestaan verschillende vormen spoorstroomlopen. In Nederland kennen we:
1. De gelijkspanningsspoorstroomloop (komt niet meer voor).
2. De wisselspanningsspoorstroomloop
a. 50 Hz (komt niet meer voor)
b. 75 Hz verving de 50 Hz spoorstroomloop bij de invoering van de ATB
3. De toonfrequente spoorstroomloop
a. Een spoorstroomloop type dat geen mechanische elektrische scheidingslassen nodig heeft en daardoor de voorkeur geniet bij toepassing op lang-gelast spoor. Een TF-spoorstroomloop kan echter niet, of met grote moeite, ATB-code genereren. In Nederland o.a. toegepast in Venlo en op de SUN-lijn.
4. De prikspanningsspoorstroomloop
a. Speciaal type spoorstroomloop voor gebruik op sporen waar niet frequent genoeg treinen rijden en roestvorming het gebruik van laagfrequent of TF-spoorstroomlopen problematisch maakt.
Werkwijze
Noot: De volgende tekst is voor het grootste deel een vertaling en bewerking van het back to basics artikel Train detection – the basics, gepubliceerd in IRSE News 261, geschreven door Paul Darlington en David Fenner.
De simpelste en oudste uitvoering van een spoorstroomloop, daterend uit de tijd dat alleen accu’s voor een betrouwbare voeding konden zorgen, bestaat uit een gelijkstroom (DC) voeding, die via een impedantie door de spoorstaven in een stuk van het spoor, een sectie, die wordt begrensd door een paar geïsoleerde mechanische scheidingslassen (ES lassen) het spoor voedt. Aan andere zijde bevindt zich een detector of ontvanger, meestal een relais, die met de spoorstaven verbonden is en door de gelijkstroom geactiveerd wordt, mits er geen trein in de sectie aanwezig is.
Zodoende bevestigt de spoorstroomloop de afwezigheid van een trein aan de beveiliging (sectie vrij). De metalen wielen en assen van een trein binnen de grenzen van de sectie sluiten de spoorstaven kort. De verhoogde stroom resulteert in een grotere spanningsval door de voedingsimpedantie, wat, samen met het effect van de kortsluiting, betekent dat de detector niet langer voldoende elektrische energie ontvangt om geactiveerd te blijven. Hierdoor komt de ontvanger in de spanningsloze of “afgevallen” toestand. Deze statuswijziging vertelt de beveiliging dat het spoor 'bezet' is.
Elke elektrische kortsluiting tussen de spoorstaven, al dan niet veroorzaakt door een trein, of elke onderbreking van het spoorstroomloop circuit (bijvoorbeeld een kabel die wordt doorgesneden of van de spoorstaaf valt), of een verlies van de voeding, zal ertoe leiden dat de spoorstroomloop naar de bezette toestand gaat, conform het fail-safe principe. Dit betekent dat vrijwel elk defect ervoor zorgt dat het systeem 'veilig faalt' en daardoor de seinen op rood houdt. Hoewel dat in principe veilig is, kan dit gedrag leiden tot onbetrouwbaarheid, vooral als de spoorstroomloop niet correct is ingesteld of onderhouden. Een hulpmiddel dat een kortsluiting van de sectie veroorzaakt, bijvoorbeeld de kortsluitkabel uit de cabine van de trein,
Kortsluitkabel geplaatst op spoor foto nicospilt.com
of een kortsluitlans die door spoorwerkers wordt geplaatst, kan zo dus worden gebruikt om een trein te simuleren en in geval van nood te beschermen
Kortsluitlans foto nicosilt.com
De juiste werking van een spoorstroomloop hangt onder meer af van een goed elektrisch contact tussen de wielen van een trein en de spoorstaven, samen met een continu pad met lage impedantie tussen elk wiel via de as van de trein.
Minimum sectielengte
De minimumlengte van een sectie wordt bepaald door de voorwaarde dat wanneer een trein aanwezig is er altijd tenminste een as van die trein in de sectie moet staan om het spoor kort te sluiten. De minimum sectielengte wordt dus bepaald door de langste afstand tussen de (binnenste) assen van een railvoertuig.
Maximum sectielengte
De maximale sectielengte hangt af van de gebruikte techniek en de elektrische condities van het spoor:
• Ballastimpedantie.
• Shuntwaarde: de toegestane maximale waarde van de impdantie van een wielas.
• Enkelbenige of dubbelbenige isolatie
• Frequentie van de spoorstroomloop
• De waarde van serieweerstanden en balansimpedanties etc. die gebruikt worden tbv tractie immuniteit
• Gevoeligheid van de ontvanger
Het oranje cursusboek “spoorstroomlopen” bevat een groot aantal analyses van dit soort berekeningen voor de GRS 75 Hz spoorstroomlopen voor verdere verdieping in de materie.
DC, AC en gecodeerde spoorstroomlopen
Hoe eenvoudig de spoorstroomloop ook lijkt, er zijn verschillende manieren om het systeem van stroom te voorzien en de staat van het circuitcircuit (bezet of vrij) te detecteren, en ze hebben allemaal hun sterke en zwakke punten.
De bron van elektrische energie kan gelijkspanning (DC), wisselspanning (AC) met de frequentie van het elektriciteitsnet of juist een daarvan afwijkende frequentie (meestal 50, 66 2/3 of 75Hz ), AC op audiofrequenties (enkele kHz) zijn.
Een reeks impulsen of complexe golfvormen inclusief digitale codes kunnen gebruikt worden om de voedingsspanning/stroom te coderen. De detector kan een eenvoudig relais, een AC 'vane' relais of een meer complexe ontvanger zijn, die is afgestemd op een bepaalde frequentie of een bepaald patroon van signalen
B2 Vane spoorrelais
Het grote volume geleidend metaal in een spoorstaaf resulteert in een hoge inductiviteit, zodat spoorstroomlopen met een hogere frequentie meestal korter van (maximale) lengte zijn. Sommige spoorstroomlopen kunnen ook fungeren als drager voor gecodeerde signalen die aan de trein worden doorgegeven. Deze worden meestal gebruikt in ATB- en vroege ATO-systemen, zoals de Nederlandse ATB, TVM 300 enTVM430, het originele ATP-systeem dat wordt gebruikt op Franse hogesnelheidslijnen en de oorspronkelijke implementatie van ATP met ATO op de Londense Victoria metrolijn.
Ballastimpedantie
De twee spoorstaven in een sectie zijn in de praktijk niet perfect van elkaar geïsoleerd. Er is altijd een lekweg tussen die twee door de spoorstaafbevestigingen, de dwarsliggers, de ballast en de aarde zelf. Dit staat bekend als de ballastweerstand of ballastimpedantie. De waarde ervan is afhankelijk van de staat van eventuele spoorstaafisolatie, de vervuiling van de ballast en de heersende weersomstandigheden. De waarde van de ballastimpedantie is omgekeerd evenredig met de lengte van de spoorstroomloop e wordt aangegeven als de geleiding (G) in S.m. Hoge waarden van de ballastweerstand zijn ideaal voor een spoorstroomloop en kunnen voorkomen in droge/schone omstandigheden of tijdens ijzig weer, maar natte omstandigheden kunnen de waarde aanzienlijk verlagen, vooral wanneer er sprake is van slechte drainage van het spoor en/of verontreiniging door geleidende materialen in de ballast. In Nederland zijn vooral de middensecties van overwegen, die meestal in het wegdek liggen berucht. Als de wegbeheerder met pekel strooit kan de ballastimpedantie aanzienlijk dalen. Voor deze zgn. pekelsecties zijn speciale meet en instelvoorschriften en schakelingen ontwikkeld. Bij een sterke daling van de ballastweerstand wordt de spoorstroomloop bezet weergegeven en blijft het sein op rood staan. Ook natte tunnels, zeeweringen en soortgelijke locaties kunnen een bijzonder probleem zijn, omdat de omstandigheden vaak aanzienlijk kunnen variëren, wat betekent dat de instelling van de spoorstroomloop herhaaldelijk moeten worden aangepast om ze betrouwbaar en veilig te laten werken.
Roestvorming en spoorstaafverontreinigingen
De weerstand van de wielen en assen van de trein is een belangrijke factor in de goede werking van de spoorstroomloop, omdat het de trein is die het spoor kortsluit. Er zijn verschillende manieren waarop de weerstand van deze kortsluiting kan toenemen, met nadelige gevolgen voor de werking van de spoorstroomloop.
De eerste is de aanwezigheid van een roestfilm op de spoorstaafkop of het wiel. De mechanische sterkte van lichte roestfilms wordt sterk verminderd door de aanwezigheid van vocht, waardoor de verontreiniging de neiging heeft om uit het wiel/spoorstaaf contactvlak te worden geperst en de weerstandswaarde van de roest afneemt. Daarom zullen licht verroeste spoorstaven alleen een probleem zijn als ze droog zijn. Zware roest, door langdurig niet berijden van het spoor, of na het vervangen van één of beide spoorstaven, kan ertoe leiden dat spoorstroomlopen niet in staat zijn om treinen te detecteren, vooral lichtgewicht treinen, omdat ze niet zwaar genoeg zijn om de roest laag te doorbreken. Spoorstroomlopen stellen dus eisen aan de kortsluitwaarde van het materieel. Behalve bij de prikspanningsspoorstroomloop, die met scherpe spanningsimpulsen van 100V piek of hoger een doorslag door de roest kan bewerken, is er in Nederland een eis dat per dag tenminste 10 assen het spoor berijden om roestvorming te voorkomen. Als er bij werkzaamheden enige tijd niet aan deze eis voldaan is moet het spoor ontroest worden, bijv. door een trein voordat het spoor weer in dienst wordt gegeven of onder “bewaking” te laten “roest rijden”.
In de herfst kan bladval leiden tot het ontstaan van een isolerende laag (zwarte band) die tot detectieproblemen kan leiden [3]. Bladeren worden in de wiel-spoorstaaf interface getrokken door de passage van een trein waar ze worden geplet tot een pulp. Dit vervuilt zowel de spoorstaaf als het wiel. Die pulp veroorzaakt gladheid en adhesieproblemen wanneer het nat is en verhoogt de elektrische weerstand aanzienlijk wanneer de pulp opdroogt en een harde zwarte band op de spoorstaafkop vormt.
Problemen met kolenstof en andere soortgelijke verontreinigingen op de spoorstaafkop zijn meestal beperkt tot sporen in de nabijheid mijnen, hoogovens en andere laad- en losplaatsen. Zandverontreiniging kan ook een probleem zijn, bijvoorbeeld op de Maasvlakte, maar meestal met langzaam rijdende of aanzettende locomotieven, die overmatige hoeveelheden zand gebruiken om de adhesie te verbeteren. De combinatie van veel zand en hoge aanzetstromen kan zelfs leiden tot het lokaal ontstaan van een glasachtige laag op de kop van de spoorstaaf.
Deze omstandigheden zijn vergelijkbaar met het effect van zware roestvorming. Problemen met ballastcondities kunnen ook veroorzaakt worden door koolstof en ijzererts verontreinigingen.
Trein eigenschappen
Een dunne laag verontreiniging op de wielband die het wiel isoleert van de spoorstaaf, kan vaak worden “doorboord” als er een ruw oppervlak op het loopvlak van het wiel zit. De nu ouderwetse blokkenremmen die met gietijzeren blokken op het loopvlak van de wielband remmen, zorgden ervoor dat de wielbanden bij elke rembeweging werden gereinigd en opgeruwd, terwijl modernere schijfremmen dat niet doen. Composiet remblokken kunnen zelf een vervuilende laag op de wielband achterlaten. Daarom garandeerden blokkenremmen over het algemeen een betere werking van de spoorstroomloop dan moderne remsystemen.
Blokkenrem
Evenzo heeft het asgewicht een effect, omdat een zware belasting een vervullende laag gemakkelijker zal doorboren. Moderne lichtgewicht treinen, die zijn ontworpen om slijtage van het spoor te minimaliseren, veroorzaken meer problemen met de spoorstroomloop dan ouderwetse zware locomotieven of treinstellen met een geprononceerdere “vetergang”. Hierdoor leidde de introductie van de DH-treinstellen (Wadlopers) op de noordelijk nevenlijnen in Nederland in de jaren ’80 van de vorige eeuw tot aanzienlijke detectie problemen. Daardoor moesten “hals over kop” aanvullende detectiemiddelen zoals pedalen en vasthoudschakelingen voor overweg aankondigingen worden aangebracht, wat weer een aanzienlijke verslechtering van de betrouwbaarheid en beschikbaarheid van de beveiliging tot gevolg had.
Spoor Isolatie
Zoals beschreven, zal elke directe metalen verbinding tussen de twee spoorstaven door de spoorstroomloop worden geïnterpreteerd als een trein en ervoor zorgen dat de sectie bezet is. Afgezien van de geïsoleerde spoorverbindingen of lassen die worden gebruikt om secties elektrisch te scheiden, vereist de betrouwbare werking van spoorstroomlopen daarom het gebruik van isolerende componenten om te voorkomen dat de spoorstroomloop kortgesloten wordt.
Op een aantal punten zijn er bijvoorbeeld veel dwarsverbindingen zoals bedien- en controle stangen van wisselaandrijvingen, de wisselstellers en wisselverwarmings elementen, die allemaal moeten worden geïsoleerd, wat aanleiding geeft tot vrij complexe isolatie- en montage voorzieningen. Bovendien kruisen de tussenspoorstaven in een wissel elkaar bij het puntstuk, waardoor geïsoleerde verbindingen in de tongbewegingen nodig zijn. Het ontwerpen van spoorstroomlopen om betrouwbaar en veilig te werken in complexe wissels en kruisingen kan een hele uitdaging zijn.
Betonnen dwarsliggers bevatten een rubberen onderlegplaatje (pad) tussen de onderkant van de spoorstaaf en de ingegoten spoorstaafbevestigingen. Deze verhogen de ballastweerstand tot niveaus die aanzienlijk hoger zijn dan bij houten dwarsliggers. Deze isolerende pads kunnen echter bezwijken door de trillingen van passerend verkeer en daardoor inspectie en periodieke vervanging vereisen. Het wapeningsijzer in de betonnen dwarsliggen kan eveneens de weerstandswaarde negatief beïnvloeden.
Stalen dwarsliggers zijn uiteraard een nog groter probleem. Ze worden natuurlijk ook geïsoleerd van de spoorstaven, maar elke aantasting van die isolatie zal ernstige problemen opleveren.
Uiteindelijk zal de maximale lengte van een spoorstroomloop(type) worden beperkt door de haalbare ballastweerstand, de variabiliteit daarvan als gevolg van de heersende omgevingsfactoren en het vereiste beschikbaarheidsniveau.
Die maximaal haalbare sectielengte zal ook worden beïnvloed door interferentie van elektrische tractie, die hieronder wordt besproken. In het Nederland ligt de maximale sectielengte van een 75 Hz dubbelbenige spoorstroomloop zo rond de 1200 meter.
Tractie-Retourverbindingen
Door middel van retourverbindingen worden de afzonderlijke delen van het spoor in een sectie elektrisch met elkaar verbonden voor de spoorstroomloop.
langsverbinding t.b.v. treindetectie en retour foto nicospilt
Daarnaast zijn er elektrische verbindingen die nodig zijn voor de juiste werking van elektrische tractie. De tractiestroom die via de bovenleiding aan de trein wordt toegevoerd moet namelijk via de spoorstaven weer terug naar het onderstation. Daarbij zijn er aanzienlijke verschillen tussen de voorzieningen t.b.v. van gelijk- en wisselstroomtractie. Om een spoorstroomloop fail-safe te laten zijn (bezet te laten tonen) in het geval van een onderbreking van de verbinding, is het noodzakelijk om alle elementen van de spoorstroomloop in serie te verbinden. In de praktijk is het bij wissels en kruisingen fysiek echter niet mogelijk om elk onderdeel van elke spoorstaaf in serie te verbinden.
Er bestaat ook een verschil tussen de zgn. enkelbenige- en dubbelbenige spoorstroomlopen. In een enkelbenige spoorstroomloop is alleen de geïsoleerde spoorstaaf in serie geschakeld in de spoorstroomloop, omdat de tractieretour meestal parallel met andere tractieretourpaden wordt gerealiseerd in tegenstelling tot een "dubbelbenige” spoorstroomloop, waarin beide spoorstaven van de sectie voor het retour pad beschikbaar zijn. In de meeste gevallen is tractieretour in wissels en kruisingen gerealiseerd d.m.v. enkelbenige spoorstroomlopen.
Geïsoleerde lassen
Geïsoleerde lassen, meestal aangeduid als Elektrische Scheidingslassen (ES lassen), zijn duur, zowel om te installeren als om te onderhouden, vooral op sporen die worden gebruikt voor hoge snelheid, hoge aslasten of waar er een intensieve dienstregeling wordt gereden. Een ES las geeft ook een verhoogd risico op spoorstaafbreuk, hoewel dit nu met in de fabriek gemaakte lijnlassen een veel kleiner risico oplevert dan bij oudere mechanische ES lassen. Zoals hierboven vermeld, zijn ze ook vereist in wissels en kruisingen, en is het “jammer” om lang gelast spoor weer in stukken te zagen om ES lassen aan te brengen waardoor het spoor fysiek minder robuust is dan de bovenbouw ingenieur zou willen.
Constructie van een mechanische isolerende las
Een mechanische isolerende las wordt aangebracht door de spoorstaaf op de gewenste plaats dwars door te zagen en deze delen bevestigt men deze dan geïsoleerd weer aan elkaar. Dit gebeurt d.m.v. nylon plaatjes tussen de koppen van de spoorstaven en nylon voeringen en bussen tussen de klemplaten. Zo ontstaat mechanisch één geheel, een doorlopende spoorstaaf, terwijl een elektrische isolatie is aangebracht.
Modernere vormen van ES lassen kunnen ook als lijmlas in de fabriek worden gemaakt. Ze komen dan met een stuk spoorstaaf aan weerszijden in het spoor en worden daar met twee thermietlassen ingebouwd. Lijmlassen zijn sterker en minder storingsgevoelig dan de hierboven beschreven mechanische of geconstrueerde ES las.
mechanische ES las foto wikipedia
Het is ook mogelijk dat de isolatie in de ES las zelf wordt aangetast, hetzij door falen van de isolerende tussenlegstukken of door het “begraven” van de spoorstaaf in de ballast, zodat het isolerende element wordt overbrugd. Dit kan een onveilige faalwijze veroorzaken omdat bij een overbrugde of kortgesloten ES las ene spoorstroomloop energie levert aan de ontvanger van de volgende spoorstroomloop, via de defecte ES las. Om deze reden sluit men meestal eenvoudige DC- en laagfrequente AC-spoorstroomlopen aan op de spoorstaven met tegengestelde polariteiten aan weerszijden van de ES las om ervoor te zorgen dat, als de isolatie faalt, beide spoorstroomlopen bezet zullen melden.
Een oplossing voor het vermijden van ES lassen is het gebruik van toonfrequente spoorstroomlopen, waarmee de fysieke grenzen van een individuele sectie kunnen worden gevormd door een 'afgestemde' zone, in plaats van door ES lassen in de spoorstaven. Aangrenzende en parallelle spoorstroomlopen werken dan op verschillende audiofrequenties. Elke sectie reageert op zijn eigen frequentie maar niet op een andere. Het is mogelijk om, met een zorgvuldig ontwerp, een korte overlap in het midden van de afgestemde zone te regelen, waar beide spoorstroomlopen effectief worden kortgesloten door een trein en korte voertuigen dus niet “kwijt” kunnen raken.
Defecte ES lassen en dwarsverbingen tussen sporen t.b.v. de retourstroom kunnen ook leiden tot omloopstromen die zowel de werking van de spoorstroomloop als die van de ATB nadelig kunnen beïnvloeden.
Het gebruik van toonfrequente spoorstroomlopen is niet altijd een haalbare oplossing in complexe wissel- en kruisingslay-outs, zowel in verband met de benodigde lengte voor de elektrisch sectiescheidingen en door de complicatie van de aanzienlijke spoorstaaf impedantie in verband met serieschakelingen van de wisseldelen. In dergelijke gevallen kunnen bijvoorbeeld beide takken van het wissen apart worden geïsoleerd, met in beide takken een ontvanger, waarvan de spoorvrijmeldingen dan worden gecombineerd.
Spoorstaafbreuk
Door het principe van hun werking worden spoorstroomlopen soms beschouwd als een middel om gebroken spoorstaven op te sporen (broken rail detection [en]). Spoorstroomlopen detecteren echter alleen een compleet gebroken spoorstaaf en niet één die nog wordt overbrugd door enige vorm van elektrische verbinding. Een beschadigde of uitgebroken spoorstaafkop of -voet wordt dus niet gedetecteerd, maar kan even gevaarlijk zijn in termen van ontsporingsrisico. Op een geëlektrificeerde spoorweg betekent de noodzaak iv.v.m de elektrische veiligheid om altijd tenminste een tweede een retourpad te behouden, dat in veel gevallen breuken alleen in de geïsoleerde spoorstaaf kunnen worden gedetecteerd. Ook veroorzaakt het toenemende gebruik van assentellers, die een gebroken spoorstaaf sowieso niet kunnen detecteren, de noodzaak het risico van kapotte spoorstaven primair door routinematige inspectie van de toestand van het spoor, inclusief ultrasoon onderzoek, te beheersen, en niet door middel van spoorstroomlopen.
De verwarring m.b.t. de “eis” dat een spoorstroomloop gebroken spoorstaven moet kunnen detecteren ontstaat wellicht omdat niet moet worden vergeten dat een spoorstaafbreuk een eerste onafhankelijke faalwijze in de spoorstroomloop oplevert. Zou daar een tweede spoorstaafbreuk bijkomen, dan ontstaat het risico dat over de lengte tussen die twee spoorstaafbreuken een gat in de detectie kan ontstaan waardoor een (kort) voertuig geïsoleerd kan komen te staan, d.w.z. de sectie ten onrechte vrijgemeld kan worden. Daarom is detectie van een (complete) spoorstaafbreuk wel een gewenste eigenschap van een spoorstroomloop in het kader van het fail-safe ontwerp van de spoorstroomloop zelf en “mooi meegenomen” in het kader van het ontsporingsrisico.
Elektrische tractie
Op geëlektrificeerde spoorwegen moeten spoorstroomlopen werken ondanks hoge tractie-retourstromen die door dezelfde spoorstaven gaan. Het verschil is aanzienlijk, met AC-tractiestromen van 300A of meer en DC-tractie die werkt tot ca. 7000A. Deze waarden zijn exclusief tractiefoutcondities en zijn veel groter dan de spoorstroomloop stromen die hooguit enkele ampère bedragen. Dit geeft aanleiding tot het concept van AC- en DC-immune spoorstroomlopen. Er zijn ook sporen waarop meerdere tractiesystemen voorkomen, denk aan grensstations met omschakelbare bovenleiding zoals in Venlo en daarom immuniteit voor beide tractiesystemen vereisen.
De eerste manier om immuniteit te bieden was het gebruik van DC-trackcircuits in wisselspanning tractiegebied en frequentie selectieve en/of fasegevoelige AC spoorrelais in gelijkstroomtractiegebied. Wanneer beide soorten tractie in gebruik waren, was het niet ongebruikelijk om een lokaal gegenereerde speciale frequentie te gebruiken om AC-spoorstroomlopen van stroom te voorzien, zoals het gebruik van wisselspanning spoorstroomlopen die werken op frequenties die geen harmonische van de netfrequentie zijn, zoals 66 2/3 (Duitsland), 83,33 Hz (Engeland) en in Nederland de 75Hz, gevoed door roterende converters. Hierdoor konden de spoorstroomlopen selectief gemaakt worden voor beïnvloeding door tractie-harmonischen of door de EM-velden van parallel aan het spoor lopende hoogspanningslijnen.
Hoewel deze oplossingen nog steeds gebruikt worden, is er een gestage toename van het gebruik van gemoduleerde c.q gecodeerde toonfrequent spoorstroomlopen die zijn geoptimaliseerd voor immuniteit. Deze trend is deels het gevolg van de toepassing van driefase tractie, die veel harmonischen produceren waarvan sommige sterke aandelen kunnen hebben zijn in de tractieretourstromen. In de praktijk maakt het frequentiebereik van moderne driefasige tractie-eenheden het een uitdaging om frequenties te vinden die geschikt zijn voor spoorstroomlopen. Dit is ook een van de redenen waarom er een trend is om assentellers te gebruiken als de moderne vorm van treindetectie. In Nederland wordt deze problematiek op het hoofdspoornet nog verergerd door de noodzaak en moeilijkheid om op dit soort spoorstroomlopen een ATB-codestroom te superponeren, Daarom is het gebruik van TF-spoorstroomlopen hier dan ook nooit van de grond gekomen.
Spoorstroomlopen in geëlektrificeerde gebieden worden beperkt door de noodzaak om een veilige en betrouwbare werking van zowel seingevings- als tractiesystemen te garanderen. Dit betekent dat de spoorstroomloop immuun moet zijn voor zowel interferentie als voor schade door de stroom van tractiestromen door de rails. Denk hierbij ook aan het hulpverbruik, verwarming, verlichting etc. in rijtuigen die gevoed worden van uit de lok en deels via de spoorstaven terug kunnen lopen, EM velden veroorzaakt door loktrafo’s etc. Dit veroorzaakt complicaties omdat, terwijl de spoorstroomlopen van elkaar worden gescheiden door ES lassen, de tractiestroom een continue elektrische verbinding terug naar het onderstation nodig heeft.
Dit probleem heeft geleid tot het gebruik van railspoelen in dubbelbenige spoorstroomlopen. Dit zijn apparaten die een lage impedantie voor tractiestroom en een hogere impedantie voor spoorstroomloop bieden. In eenvoudige bewoordingen laten ze tractiestroom langs de rails en rond de ES lassen gaan, maar stoppen ze de spoorstroomloop stroom om de ene sectie van de volgende te scheiden.
Figuur 9 Railspoelpricipe
In eenvoudige bewoordingen laten ze tractiestroom langs de rails en rond de ES lassen gaan, maar stoppen ze de spoorstroomloop stroom om de ene sectie van de volgende te scheiden.
Figuur 10 Railspoel principe retourstroom
In Figuur 10 zien we dat principe geïllustreerd voor de sectiescheiding tussen secties 322T en 323T. De middenaftakkingen van de railspoelen op de grens tussen beide secties zijn met elkaar verbonden zodat de retourstroom van de ene naar de andere sectie kan lopen. Tussen sectie 321T en 322T zien we de overgang van een enkelbenige op een dubbelbenige sectie. De middenaftakking van de railspoel in 322T is verbonden met het retourbeen van 321T.
Figuur 11 Principeschakeling dubbelbenige GRS spoorstroomloop
De railspoel is uitgevoerd als een autotransformator. In de gesimplificeerde principe schakeling voor een dubbelbenige AC spoorstroomloop (GRS spoorstroomloop) in Figuur 11 zien we dat de railspoel met een condensator wordt afgestemd tot een resonantiekring waardoor voor de frequentie waarmee de spoorstroomloop werkt, nu in Nederland altijd 75 Hz, een hoge impedantie ontstaat zodat de voedingsspanning van de spoorstroomloop kan worden ingekoppeld, en aan de relaiszijde uitgekoppeld, zonder dat de railspoel het spoor “kortsluit” voor 75 Hz. Niet zichtbaar in figuur 11 is dat de condensator en de in en uitkoppeling van de spoorstroomloop in de sectie aangesloten is via de hoogspanningszijde van de railspoel.
De waarden van de weerstanden en condensatoren in het circuit moeten zorgvuldig worden gekozen, afhankelijk van de ballastconditie, de lengte van de sectie etc. etc. Daarvoor zijn meet en instelvoorschriften ontwikkeld. De theorie daarvan wordt verder behandeld in het oranje cursusboek spoorstroomlopen.
Figuur 8 Railspoel foto objectencatlogus
Hoewel spoorstroomlopen zijn ontworpen om immuun te zijn voor interferentie door de aanwezigheid van tractiestromen in de spoorstaven, kan elke significante onbalans in de hoeveelheid stroom die in de twee spoorstaven stroomt, door de ontvanger van het spoorstroomloop verkeerd worden geïnterpreteerd als een indicatie dat het spoor onbezet is terwijl dat niet het geval is, terwijl aan de andere kant, bijv. door verzadigingseffecten secties voor de trein ten onrechte bezet gemeld kunnen worden, wat weer kan leiden tot seinen die “voor de neus van de trein” afvallen (rood tonen) en dus tot ingrijpen van ATB systemen d.m.v. snelremmingen of de wisselstraatvrijmaking voortijdig kan “aanstoten”.
In gelijkstroom geëlektrificeerde gebieden resulteert de relatief lage tractie voedingsspanning in hoge stromen die via de spoorstaven terugkeren naar de onderstations. Om spanningsval en daaruit voortvloeiende vermogensverliezen in de DC-tractievoeding tot een minimum te beperken, worden alle spoorstaven zoveel mogelijk benut als retour pad en daarom worden bij voorkeur dubbelbenige spoorstroomlopen gebruikt.
Er zijn meestal ook dwarsverbindingen tussen verschillende sporen, zodat de stroom zoveel mogelijk retourpaden heeft, opnieuw om tractie-energieverliezen te minimaliseren en het gevaar van hoge aanraakspanningen van het spoor, dat immers zoveel mogelijk geïsoleerd is van aarde om retourstroomcorrosie etc. te beperken, te voorkomen. Net als in AC-tractie gebieden worden railspoelen gebruikt om ervoor te zorgen dat de tractiestroom een retour pad naar het onderstation heeft, terwijl de aangrenzende treindetectiesecties van elkaar gescheiden worden gehouden. Bij wissels en kruisingen is het echter meestal niet mogelijk om het spoor in dubbelbenig te isoleren en daarom moeten enkelbenige spoorstroomlopen worden geïnstalleerd. Opgemerkt moet worden dat enkelbenig slaat op het retour pad, omdat beide spoorstaven uiteraard nog steeds door de spoorstroomloop worden gebruikt.
In AC-geëlektrificeerde gebieden zijn de tractiestromen over het algemeen lager dan in gelijkstroomsystemen en in veel gevallen is één rail voldoende voor de retourstroom. Hoge treinfrequenties en alternatieve voedingssystemen kunnen echter soms vereisen dat beide spoorstaven worden gebruikt voor tractieretour.
Gecodeerde spoorstroomlopen
Gecodeerde spoorstroomlopen kunnen worden gebruikt ter verhoging van de stoorstroom immuniteit en om informatie naar een rijdende trein te verzenden. De hoeveelheid informatie die kan worden overgebracht is beperkt tot eenvoudige berichten, bijvoorbeeld het verzenden van een van een klein aantal codes (14-20) bijv. om een combinatie van maximale veilige snelheid en doelsnelheid te verzenden. Dergelijke systemen kunnen uitgebreide apparatuur langs de lijn vereisen voor elke spoorstroomloop, vooral op bidirectionele sporen.
Code overdracht
Wil de trein de verzonden informatie met succes detecteren voordat deze door de treinwielen wordt kortgesloten, dan moet hij altijd naar de zender van het spoorstroomloop toerijden.
Figuur 9 informatie overdracht dmv gecodeerde spoorstroomloop
Op bidirectionele sporen is het dus noodzakelijk om de voeding- en ontvangers(relais) van de spoorstroomloop om te schakelen, afhankelijk van de rijrichting van de trein, net las in Nederland bij de gecodeerde GRS spoorstroomloop voor de ATB het geval is. Deze extra complexiteit en het daaruit voortvloeiende grotere faalrisico is een van de redenen dat moderne treinbeheersingssystemen zoals ERTMS/ETCS en CBTC over het algemeen overstappen van gecodeerde spoorstroomlopen naar op radio gebaseerde communicatiesystemen zoals GSM-R en FRCMS.
Bronnen en links:
Cursusboek spoorstroomlopen
- Train detection – the basics, IRSE News 261, Paul Darlington, David Fenner
- European Railway Signalling, IRSE, chapter 2 train detection
- Themaonderzoek gladheid en detectieproblemen (2011)
- Op de Rails 48 jaargang 1980 hoofdstuk 8.3
Laatste aanpassing: 9 november 2023