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Trolleybus-Wiki
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Artikel: Fahrleitung

Anforderungen an die Fahrleitung

Technische Aspekte

  • Die technische Auslegung wird bestimmt durch Sicherheitsstandards, Strombedarf, Streckenverlauf, die maximal fahrbare Geschwindigkeit, klimatische Umstände und die Nutzbarmachung der zurückgeführten Energie.
  • Ermöglichen einer kontinuierlichen elektrischen Leistungsübertragung mittels eines adäquaten Leitungsquerschnittes ? auch bei einem hohen Strombedarf für Anfahrten, Beschleunigungen, minimalen Kursfolgen und dem Befahren von Steigungsstrecken.
  • Resistenz gegenüber den zu erwartenden mechanischen Belastungen in Abhängigkeit der Anzahl von Stromabnehmerdurchfahrten sowie der Aufhängung infolge starker Winde oder von Schneefällen.
  • Gewährleisten einer konstanten gleichmässigen Auflage der Stromabnehmer ohne Springen ? unabhängig von der gefahrenen Geschwindigkeit ? unter konstantem Anpressdruck am Fahrdraht zur kontinuierlichen Stromversorgung der Triebfahrzeuge und zur Vermeidung von Brandschäden am Fahrdraht.
  • Angemessene Isolation zur Wahrung der Sicherheit sowie gegen die korrodierende Wirkung von Kriechströmen auf benachbarte Gebäude.

Betriebliche Aspekte

  • Ausnutzen der zulässigen Höchstgeschwindigkeiten, auch bei thermischer Dehnung des Fahrdrahtes, d.h. der Zugspannungsdifferenz.
  • Minimieren von betrieblichen Einschränkungen beim Passieren von Weichen, Streckentrenner und Kreuzungen.
  • Minimieren von Betriebsunterbrüchen infolge Defekten an Stromabnehmer-Schleifkontakten und Fahrleitung.

Fahrleitungs-Systeme und Lösungen

Für die mechanische Qualität und die lange Lebensdauer einer Fahrleitung ist deren gleichförmige Elastizität zur gleichmässigen Bestreichung durch den Trolleybus-Schuh entscheidend. Je grösser der Durchhang zwischen zwei Stützpunkten, das heisst je grösser der Mastabstand, desto grösser der Verschleiss. Je kleiner der Mastabstand, desto geringer ist bei gleicher Zugspannung der Durchhang des Fahrdrahtes und desto kleiner und damit unauffälliger die erforderlichen Masten. Je einfacher die mechanische Grundkonstruktion einer Fahrleitungsbauweise, je leichter eine Fahrleitung und geschickter deren Geometrie, desto geringer die Beeinträchtigung der Stadtbildverträglichkeit.

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Vollelastische Fahrleitung mit Schrägpendel

In Geraden

Die vollelastische Eigenschaft eines Fahrleitungssystems wird dadurch erreicht, dass der Fahrdraht entlang einer geraden Achse mit einem geringen Winkel im Zick Zack verlegt wird. Die Aufhängung des Fahrdrahtes am Stützpunkt erfolgt mittels eines Pendels. Das Pendel nimmt ? entsprechend dem Gewicht des Fahrdrahtes in Abhängigkeit der Spannweite, der Zugspannung und dem Fahrdrahtwinkel des Zick Zacks ? eine gewisse Schräglage ein. Die Überlegenheit der elastischen Fahrleitung liegt im Auf- und Abschwingen der pendelnden Stützpunkte und dem Ermöglichen der horizontalen Querbewegungen in Abhängigkeit des An-pressdruckes der Stromabnehmer. Wird der Fahrdraht durch den Stromabnehmer-Schuh beschliffen, so drückt dieser infolge Anpressdrucks den Fahrdraht aus der Ruhelage in die sogenannte Arbeitslage. Die Höhendifferenz zwischen beiden Lagen ist in der Mitte der Spannweite am grössten, am Stützpunkt am kleinsten. Sie ist abhängig vom Anpressdruck des Kontaktes sowie von der Spannweite, der spezifischen Zugspannung des Fahrdrahtes, des Fahrdrahtquerschnittes respektive -gewichtes und von der Fahrgeschwindigkeit. Damit lässt sich die thermische Dehnung des Fahrdrahtes ? d.h. dessen Zugspannungsdifferenz ? bei Temperaturschwankungen teilweise kompensieren und dessen Durchhang verringern. Daraus resultieren eine hohe Betriebssicherheit und ? infolge minimaler Abnutzung ? eine hohe technische Lebensdauer der Schleifstücke und der Fahrleitung.

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Fahrleitungen in Kurven

Um eine Trolleybus-Fahrleitung auch in Kurven möglichst wirtschaftlich und betriebssicher zu bauen, sind möglichst wenige Stützpunkte zu verwenden. Daraus ergeben sich jedoch grosse Fahrdrahtwinkel an den Aufhängepunkten. Mittels Verwendung von Kurvenschienen oder Einsatzbogen mit Cu-Rohr werden schädliche Seitenschläge des Stromabnehmer-Schuhs auf die Fahrleitung verhindert und Entdrahtungen mini-miert. Ihre Länge richtet sich nach dem Fahrdrahtwinkel. Sie werden ebenfalls mittels eines Parallelogrammpendels am Querspannerseil aufgehängt. Die pendelnden Abzüge der Kurvenschiene haben die gleichen elastischen Eigenschaften wie die Schrägpendel in den Geraden. Damit werden schlagartige Beanspruchungen und demzufolge Entdrahtungen verhindert.

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Beschreibung der Vollelastischen Einfach - Fahrleitung für Trolleybus

Einleitung

Die technische Entwicklung und Modernisierung der Städtischen Transportmittel wie Strassenbahn und Trolleybus hat es mit sich gebracht, dass die Reise- und Spitzengeschwindigkeiten dieser Fahrzeuge bedeutend zugenommen haben. Diese Geschwindigkeits-Erhöhung ist für eine gesteigerte Transportleistung, Fahrzeitverkürzung und eine grössere Wirtschaftlichkeit im Interesse jedes Unternehmens. Es wird deshalb verlangt, die Geschwindigkeit bis zur technisch möglichen Grenze zu steigern. Eine höhere maximale Geschwindigkeit ergibt auch ohne Ausnutzung eine grössere Reserve gegen Entdrahtungen der Stromabnehmer.

Dieser Entwicklung ist die elektrische Fahrleitung vielerorts nicht gefolgt. Der Fahrdraht wurde und wird vielfach heute noch an einfachen Querspanndrähten starr aufgehängt, obwohl diese Aufhängungsart den heutigen Anforderungen längst nicht mehr genügt. Diese starre Aufhängung des Fahrdrahtes ergibt nicht nur einen starken Verschleiss desselben, sondern bei grösseren Geschwindigkeiten auch starkes Feuern an den Stützpunkten (Funkstörungen) und beim Trolleybus auch häufige Entdrahtungen der Stromabnehmer.

Deshalb wurde ein vollelastisches Fahrleitungssystem entwickelt, welches den erhöhten Ansprüchen des schnelleren Reiseverkehrs der elektrischen Fahrzeuge entspricht und die erwähnten Nachteile der starren Fahrdrahtaufhängung beseitigt.

Im Nachfolgenden sollen nun die wichtigsten Vorgänge der Stromabnahme sowie der Unterschied zwischen starrer und elastischer Fahrdrahtaufhängung technisch erläutert werden.

Trolleybus-Fahrleitung in Geraden

Starre Fahrleitung

Bild 1

Wird ein Fahrdraht an 2 Punkten aufgehängt, so bildet er eine parabel-ähnliche Linie. In der Mitte der beiden Stützpunkte verläuft diese Linie horizontal und steigt gegen den Aufhängepunkt immer steiler an. Diese Steigung des Fahrdrahtes ist abhängig von der Entfernung der 2 Aufhängepunkte und der spezifischen Zugspannung des Fahrdrahtes, in N/mm2.

Wird der Fahrdraht durch einen Trolleybus-Schuh (oder Pantographen) beschliffen, so drückt der Anpressdruck dieses Schleifkontaktes den Fahrdraht aus der Ruhelage in die sogenannte Arbeitslage. Die Höhendifferenz zwischen Ruhelage und Arbeitslage ist in der Mitte der Spannweite am grössten, am Stützpunkt am kleinsten. Diese Höhendifferenz ist abhängig:

  • Vom Anpressdruck des Schleifkontaktes
  • Von der Spannweite
  • Von der spezifischen Zugspannung des Fahrdrahtes
  • Vom Querschnitt des Fahrdrahtes
  • Von der Geschwindigkeit des Fahrzeugs bzw. Schleifkontakts

Die Kurve der Arbeitslage hat eine ähnliche Form wie die der Ruhelage, d.h. sie ist Mitte Spann-weite horizontal und am Stützpunkt am steilsten.


Gleitet nun gemäss Bild 1 der Schleifschuh entlang der Arbeitslinie, so hat er von der Lage 1 bis zur Lage 2 noch einen beinahe horizontalen Verlauf. Kommt der Schleifkontakt in die Nähe von Lage 3, so muss er entsprechend der steiler werdenden Fahrdrahtkurve immer mehr nach oben beschleunigt werden. Diese Beschleunigungsfähigkeit des Stromabnehmers oder Trolleybus-Schuh hat aber auf Grund der Massenträgheit und des Anpressdruckes eine Grenze. Der Schleifkontakt kann bei höheren Geschwindigkeiten der immer steiler werdenden Fahrdrahtkurve nicht mehr folgen, springt im Punkt A von der Fahrleitung ab, überspringt den Stützpunkt und prallt in B auf den Fahrdraht der nächsten Spannweite. Diese Sprungbrettwirkung bei starr aufgehängten Fahrdrähten ist am Feuern kurz vor und nach dem Aufhängepunkt leicht festzustellen.

Begünstigt wird dieses Abspringen noch durch die Fahrdrahtwelle, welche der Stromabnehmer vor sich herschiebt. Diese wird am festen Aufhängepunkt reflektiert und begünstigt das Abschleudern des Stromabnehmers nach unten.

Dieses Abspringen erzeugt neben Radiostörungen Schweissperlen und Abbrand in A und an der Aufprallstelle in B, ausserdem noch eine erhöhte mechanische Abnützung des Fahrdrahtes. Die Schweissperlen haben wiederum eine zerstörende Wirkung auf den Schleifkontakt. Die Lage der Punkte A und B wechselt in Abhängigkeit der oben erwähnten Punkte 1 ? 5.

Die Sprungbrettwirkung des Fahrdrahtes kann bei starren Fahrleitungen durch Erhöhungen des Kontakt-Anpressdruckes verkleinert werden, was jedoch wieder eine wesentliche erhöhte Abnüt-zung des Fahrdrahtes und der Schleifkohle zur Folge hat.

Vollelastische Fahrleitung

Eingehende Untersuchungen bestätigten uns die Notwendigkeit, die eben beschriebenen Nachteile der starren Fahrleitung zu beseitigen um auch an den Aufhängepunkten eine einwandfreie Stromabnahme ohne den hier üblichen Verschleiss von Fahrdraht und Schleifkontakt zu erhalten.

Zur Erreichung dieses Ziels muss der Aufhängepunkt des Fahrdrahtes nachgiebig d.h. elastisch ausgebildet werden, um so einen konstanten Kontaktdruck zu erhalten.

Unter mehreren Möglichkeiten, den Fahrdraht elastisch aufzuhängen (z.B. Federelemente), wählten wir das Schrägpendel, welches als einzige elastische Aufhängungsart die folgenden Vorteile in sich vereinigt:

  • Gleichmässiger Anpressdruck des Stromabnehmers infolge Nachgiebigkeit des Fahrdrahtes in den Aufhängepunkten
  • Hohe Betriebssicherheit, kleine Entgleisungsgefahr
  • Höchste Lebensdauer der Schleifstücke des Stromabnehmers
  • Praktisch keine Abnützung des Fahrdrahtes ergibt lange Lebensdauer
  • Teilweise Kompensation der thermischen Dehnung des Fahrdrahtes d.h. der Zugspannungsdifferenz und damit Verringerung des Durchhangs
  • Ermöglichung von maximalen Spannweiten bis zu 35 m in den Geraden und damit geringer Bedarf an Leitungsmasten
  • Geringere Unterhaltskosten, deshalb wirtschaftlicher Betrieb
  • Keine Funkstörungen
  • Ermöglichung höchster Fahrgeschwindigkeiten, besonders auch in Kurven, ohne dass das Fahrpersonal Rücksicht auf die Fahrleitung nehmen muss. Dies ergibt höhere Reisegeschwindigkeit und Steigerung der Wirtschaftlichkeit des Betriebes

Systembeschreibung:

Bild 2

Die vollelastische Eigenschaft wird dadurch erreicht, dass der Fahrdraht entlang einer geraden Achse im Zickzack verlegt wird. (max. Fahrdrahtwinkel α in der Geraden 2,5°) Man erhält so im Aufhängepunkt 2 Kraftmomente. Das eine ist das Gewicht G des Fahrdrahtes, abhängig von der Spannweite C, die andere der Kurvenzug K, abhängig vom Winkel α. Hängt man nun an den Stützpunkt den Fahrdraht mittels eines Pendels auf, so wird es entsprechend diesen beiden Komponenten eine gewisse Schieflage einnehmen (Bild 2).


Die Funktion der Pendelaufhängung:

Wird die senkrechte Komponente durch den Anpressdruck des Schleifkontaktes auch nur um einen geringen Betrag geändert, so ändert sich sofort die Pendelneigung und damit auch die Höhe des Fahrdrahtes im Aufhängepunkt.

Bild 3

Bewegt sich der Schleifkontakt auf den Stützpunkt zu, so übernimmt der Anpressdruck des Strom-abnehmers bzw. des Trolleybus-Schuh einen Teil des Fahrdrahtgewichtes und zwar je mehr, je näher er am Stützpunkt ist. Das heisst, dass sich die senkrechte Gewichtskomponente am Pendel verkleinert, das Pendel (Bild 3) sich flacher einstellt und der Fahrdraht am Stützpunkt von der Lage a in die Lage b gehoben wird. Der Schleifkontakt kommt nun ganz in die Nähe des Stützpunktes, wo der Fahrdraht am steilsten ansteigt. Um am Fahrdraht zu bleiben, müsste der Trolleybus-Schuh jetzt sehr stark nach oben beschleunigen, was bei grösseren Geschwindigkeiten auf Grund seiner Massenträgheit nicht möglich ist. Bei einer starren Fahrleitung würde nun die schon beschriebene Sprungbrettwirkung eintreten. Würde nun aber hier der Schleifkontakt vom Fahrdraht abspringen, so müsste natürlich der Anpressdruck vorher bis auf Null sinken. Sinkt aber der Anpressdruck, so wird am Pendel gemäss Bild 3 sofort die senkrechte Komponente wieder grösser, d.h. das Pendel wird steiler und der Aufhängepunkt sinkt. Kann also der Schleifkontakt die Fahrdrahtsteigung vor dem Stützpunkt nicht mehr bewältigen, so kommt der Aufhängepunkt mit dem Fahrdraht, der zuerst nach oben gedrückt wurde, dem Schleifkontakt nach unten entgegen und der Kontakt bleibt gewährleistet.

Bild 4


Hat der Schleifkontakt den Stützpunkt passiert, so prallt er entsprechend seiner Masse und Geschwindigkeit mit einem Impuls W (Bild 4), auf den Fahrdraht der nächsten Spannweite. Dieser horizontal gerichtete Impuls-Vektor teilt sich in 2 Komponenten. Die eine Wt ist tangential zum Fahrdraht gerichtet und ist daher unschädlich, die andere Wn ist nach oben senkrecht zum Fahrdraht gerichtet und bewirkt bei starr aufgehängtem Fahrdraht hinter dem Aufhängepunkt einen starken Verschleiss desselben.

Bei der elastisch aufgehängten Fahrleitung bewirkt jedoch diese nach oben gerichtete Wuchtkomponente Wn eine Verminderung der senkrechten Komponente des Pendels, infolgedessen stellt sich das Pendel flacher, der Aufhängepunkt hebt sich und der Fahrdraht fängt somit den Aufprall des Schleifkontaktes elastisch ab.

Dies aber ist, wie bereits erwähnt, nur bei einer Fahrdrahtaufhängung mittels Schrägpendel möglich. Würden nämlich die Pendel senkrecht stehen, so müsste der Anpressdruck des Stromabnehmers erst das gesamte Fahrdrahtgewicht einer Spannweite überwinden, bevor sich der Aufhängepunkt hebt bzw. elastisch wird.

Durch den Anpressdruck des Schleifkontaktes und durch das seitliche Ausschwenken des Trolley-bus wird die Fahrleitung in Schwingungen versetzt.

Bild 5


Betrachtet man die Fahrleitung in Richtung der Fahrleitungsachse, so sieht man die entgegengesetzte Pendelschieflage (Bild 5). Die Pfeile bedeuten die Bewegungs- bzw. Schwingungsrichtung zweier aufeinanderfolgender Pendel.

Diese Schwingungen werden nicht wie bei der starren Aufhängung am Stützpunkt reflektiert (Ermüdungsbrüche des Fahrdrahtes), sondern können denselben durchlaufen.

Da die Bewegungsrichtung zweier aufeinanderfolgender Pendel um bis zu ca. 90° gegeneinander gerichtet sind, werden diese Schwingungen innerhalb kurzer Zeit bis zum Stillstand gedämpft.

Wie aus der vorangehenden Beschreibung hervorgeht, besteht die Überlegenheit der elastischen Fahrdrahtaufhängung gegenüber der starren im Auf- und Abschwingen der pendelnden Stützpunkte in Abhängigkeit des Anpressdruckes. Es muss deshalb dafür gesorgt werden, dass der Fahrdraht in jeder Pendellage senkrecht steht. Dies wird mit einem einfachen Drahtparallelogramm gemäss Bild 2 erreicht. Diese Pendelaufhängung hat den weiteren Vorteil, dass das Gewicht bzw. die Masse des beweglichen Teils sehr klein ist während der Isolator fest am Querspanner befestigt ist. Die senkrechte Klemmenlage kann sehr einfach mit dem Klemmkonus am Isolierkörper eingestellt werden.

Die Zickzackführung des Fahrdrahtes hat auf die Stromabnahme keinen nachteiligen Einfluss, da die auftretenden geringen Kräfte durch die Seitenbeschleunigung des Trolleybus-Schuh am Stützpunkt ohne weiteres vom Pendel ausgeglichen werden.

Durch die Zickzackführung des Fahrdrahtes in Verbindung mit den Schrägpendeln wird eine teilweise Kompensation der thermisch bedingten Zugspannungsänderungen des Fahrdrahtes erreicht. Dadurch wird auch die Durchhangvergrösserung bei hohen Temperaturen reduziert. Dieser Effekt stellt sich dadurch ein, dass bei verschiedenen Temperaturen sich sowohl die Schieflage der Pendel als auch der Fahrdrahtwinkel am Stützpunkt und damit die Entfernung von Aufhängepunkt zu Aufhängepunkt c? gemäss Bild 2 ändert.

Trolleybus-Fahrleitung in Kurven

Bild 6

Um eine Trolleybus Fahrleitung wirtschaftlich zu bauen, sollen in Kurven möglichst wenige Stützpunkte verwendet werden; daraus ergeben sich jedoch grosse Fahrdrahtwinkel an den Stützpunkten.

Um schädliche Seitenschläge des Trolleybus Schuhs auf die Fahrleitung zu verhindern, wird dieser Winkel ausgerundet. Der Kopf des Fahrdrahtes wird in 2 elastische Schienen geklemmt (Bild 6), deren Länge sich nach dem Fahrdrahtwinkel richtet. Diese Kurvenschienen werden ebenfalls mittels eines Parallelogrammpendels am Querspannerseil aufgehängt. Je nach Grösse des Fahrdrahtwinkels erhalten die Kurvenschienen einen, zwei oder drei pendelnde Abzüge. Diese haben die gleichen elastischen Eigenschaften wie die Schrägpendel in den Geraden.

Die Kurvenschienen werden so montiert, dass sich eine parabelförmige Kurve des Fahrdrahtes am Stützpunkt ergibt. Diese Kurvenform gewährleistet ein richtiges An- und Abschwellen der auftretenden Zentrifugalkräfte des Stromabnehmer-Schuhs und verhindert schlagartige seitliche Beanspruchungen, welche zu Entdrahtungen führen.

 

 

Article: Overhead Contact Wire

What the overhead contact wire has to provide

Technical aspects

  • The technical design is determined by safety standards, power requirements, the course of the route, the maximum travel speed, climatic conditions and the utilisation of the energy that is fed back into the system.
  • Permitting continuous electrical power transmission by means of an adequate cross section in the wiring ? even when large amounts of power are needed to start, accelerate, maintaining minimum clearance distances between vehicles and when travelling on inclines.
  • Resistance to the expected mechanical pressures depending on the number of passes by current collectors and the suspension as a result of strong winds or snowfall.
  • Guaranteeing constant, even support for the current collectors without any jumps ? regardless of the speed at which the vehicle is travelling ? under constant contact pressure on the overhead contact wire to provide the vehicles with continuous power and prevent any fire damage to the overhead contact wire.
  • Appropriate insulation to maintain safety and prevent the corrosive effect of current leakage on neighbouring buildings.

 

Operating aspects

  • Making use of the maximum permissible speeds, even if the overhead contact wire expands because of heat, i.e. the difference in tensile stress.
  • Minimising operating restrictions when passing through switches, section insulators and crossings.
  • Minimising operating interruptions as a result of faults on current collector sliding contacts and the overhead contact wire.

Overhead Contact Wire Systems and Solutions

It is crucial that the overhead contact wire has even elasticity for an even connection with the trolleybus shoe in order to guarantee the mechanical quality and long serviceable life of any overhead contact wire. The greater the wire sag between two supports, the greater the distance between the masts and therefore the greater the wear will be. The smaller the distance between the masts, the lower the wire sag on the contact wire will be under the same tensile stress and the masts will therefore be smaller and therefore less conspicuous. The simpler the basic mechanical design of the contact wire is, the easier it is to use the overhead contact wire and its geometry will be neater and do less damage to the cityscape.

Fully Elastic Overhead Contact Wire with a Slanted Pendulum

On straight sections

The fully elastic features of an overhead contact wire system are provided if the overhead contact wire is laid in a zigzag pattern with a low angle along a straight axis. A pendulum is used to suspend the overhead contact wire at the supporting point. The pendulum adopts a slight slanting position ? in line with the weight of the overhead contact wire depending on the span length, the tensile stress and the zigzag angle in the overhead contact wire. The superiority of the elastic trolley wire lies in the upward and downward movements of the oscillating supporting points and in allowing lateral oscillation to take place subject to the pressure exerted by the current collectors. When the overhead contact wire is touched by the current collector shoe, this presses the contact wire out of its resting position into what is known as its working position through the pressure that is exerted. The difference in height between the two positions is greatest in the middle of the span length and smallest at the supporting points. The difference in height depends on the contact pressure exerted and the span length, the specific tensile stress in the overhead contact wire, the overhead contact wire?s profile and weight and the vehicle?s speed of travel. This enables the thermal expansion of the overhead contact wire ? i.e. its difference in tensile strength ? to be partly offset during fluctuations in temperature and its sag is reduced. This results in high levels of operating safety and a high technical serviceable life of the collector shoes and the overhead contact wire ? as a result of minimum wear and tear.

Overhead contact wire in bends

In order to create trolleybus contact wires that are as cost-effective and operationally safe as possible in bends, as few supporting points should be used as possible. But this leads to large angles in the overhead contact wire at the suspension points. Damaging lateral run-out by the current collector shoe on the contact wire can be prevented by using bend rails or insertion curves with Cu tube and this also minimises the risk of de-wiring. The length of these parts is determined by the angle of the overhead contact wire. They can also be suspended using a parallelogram suspension system on the transverse wire. The oscillating pull-offs on the bend rail have the same elastic properties as the slanted pendulum in the straight sections. This prevents abrupt pressure and therefore the risk of de-wiring.

Description of the Fully Elastic - Simple Overhead Contact Wires for Trolleybuses

Introduction

The technical development and modernisation of urban means of transport like trams and trolleybuses have triggered a situation where the journey and top speeds of these vehicles have increased to a significant degree. This increase in speed is of importance for each company to ensure increases in transport performance, reductions in journey times and greater efficiency. The common demand is therefore that speeds should be increased up to the maximum technical limit. A higher maximum speed is also possible without exploiting greater reserves to prevent the current collectors from de-wiring.

The overhead electric contact wire has not matched this development in many places. The overhead contact wire was and still is rigidly suspended on simple transverse wires in many places, although this type of suspension no longer meets current requirements. This rigid type of suspension of the overhead contact wire not only triggers high levels of wear, but also strong sparking at the supporting points (radio interference) at higher speeds and the trolleybus current collectors often come off the wires.

This led to the development of a fully elastic overhead contact wire system, which meets the increased requirements for faster traffic by electric vehicles and eliminates the disadvantages of the rigid wire suspension system mentioned above.

The most important processes for collecting current and the difference between inelastic and elastic overhead contact wire suspension will be explained below from a technical point of view.

Trolleybus Overhead Contact Wire on Straight Sections

Rigid Overhead Contact Wire

Figure 1

If the overhead contact wire is suspended at 2 points, it forms a line resembling a parabola. This line runs horizontally in the middle of the two supporting points and rises more and more steeply towards the suspension point. This incline in the contact wire depends on the distance between the 2 suspension points and the specific tensile stress in the contact wire measured in N/mm2.

If the overhead contact wire is touched by the trolleybus shoe (or pantographs), the contact pressure of this sliding contact presses the overhead contact wire out of its resting position into what is known as the working position. The difference in height between the resting and working position is the greatest in the middle of the span and smallest at the supporting point. This difference in height depends on:

  • the contact pressure of the sliding contact
  • the length of the span
  • the specific tensile stress in the overhead contact wire
  • the cross section of the overhead contact wire
  • the speed of the vehicle or the sliding contact


The curve in the working position is similar to the resting position ? i.e. it is horizontal in the middle of the span and steepest at the supporting point.

If the current collecting shoe glides along the working line according to Figure 1, it runs almost horizontally from position 1 to position 2. But when the contact shoe approaches position 3, it has to move higher and higher because of the curve in the overhead contact wire, which becomes steeper. But there is a limit to this acceleration capability on the current collector or the trolleybus shoe on account of the inertia of mass and the contact pressure. The sliding contact can no longer keep up with the bend in the overhead contact wire, which becomes steeper and steeper, at higher speeds and bounces off the overhead contact wire at point A, leapfrogs the supporting point and hits the overhead contact wire in the next span at point B. This springboard effect on rigidly suspended overhead contact wires is easily seen by the sparking shortly before and after the suspension point.

This bouncing is also promoted by the wave in the contact wire, which the current collector sends ahead of it. It is reflected at the fixed suspension point and helps spin the current collector downwards.

This bounce not only produces radio disturbance, but also welding beads and burn-off at A and at the impact point in B ? and also causes increased mechanical wear on the overhead contact wire. The welding beads also have a destructive effect on the sliding contact. The location of points A and B changes, depending on points 1 ? 5 mentioned above.

The springboard effect on the overhead contact wire can be reduced in rigid contact wire by increasing the contact pressure, but this causes much greater wear on the overhead contact wire and leads to the formation of carbon strip.

 

Fully Elastic Overhead Contact Wire

Detailed investigation work confirmed to us the need to eliminate the disadvantages of rigid overhead contact wire mentioned above in order to provide ideal current collection without the normal wear on the overhead contact wire and sliding contact at the suspension points.

In order to achieve this goal, the suspension point of the overhead contact wire has to give ? i.e. it must be elastic in order to obtain constant contact pressure.

Among several options for suspending the overhead contact wire with elasticity (e.g. with spring elements), we selected the slanting pendulum, which is the only elastic type of suspension that provides the following advantages:

  • even contact pressure from the current collector as a result of the flexibility of the overhead contact wire at the suspension points
  • high degree of operating safety, no risk of derailing
  • highest serviceable life for the contact points on the current collectors
  • practically no wear on the overhead contact wire provides a long serviceable life
  • partial compensation for the thermal expansion of the overhead contact wire i.e. difference in tensile stress and therefore reduction in the slack
  • enables maximum span lengths of up to 35 m on straight sections and therefore less need for wire masts
  • lower maintenance costs, therefore cost-efficient operations
  • no radio interference
  • enables highest travel speeds, particularly in bends, without the driver having to pay attention to the overhead contact wire. This leads to higher journey speeds and more efficient operations.


Description of the System:

The fully elastic property is achieved by laying the overhead contact wire in a zigzag pattern along a straight section (max. angle α along the overhead contact wire on straight sections 2.5°). This therefore provides moments of force at suspension point 2. The first is the weight G of the overhead contact wire, depending on the span length C, the other is the curve force K, which depends on angle α. If we suspend the overhead contact wire by means of a pendulum at the supporting point, it will adopt a certain tilt in line with these two components (Fig. 2).

Figure 2


The Function of the Pendulum Suspension:

If the vertical component is changed by the contact pressure on the sliding contact by just a minimum amount, the pendulum inclination immediately changes and therefore the height of the overhead contact wire at the suspension point.

Figure 3

If the sliding contact moves towards the supporting point, the contact pressure of the collector shoe or the trolleybus shoe takes over part of the weight of the overhead contact wire and all the more, the closer it is to the suspension point. This is to say, the vertical weight component on the pendulum falls, the pendulum adopts a flatter position (Fig. 3) and the overhead contact wire at the supporting point is raised from position a to position b. The sliding contact now comes very close to the supporting point where the overhead contact wire rises at its steepest. In order to remain in contact with the overhead wire, the trolleybus shoe would now have to accelerate upwards significantly, which is not possible at fairly high speeds on account of its inertia of mass. If the overhead contact wire was not elastic, this would create the springboard effect already mentioned. If the sliding contact now bounced off the overhead contact wire, the contact pressure would naturally fall to a figure as low as zero. But if the contact pressure falls, the vertical component immediately becomes greater again on the pendulum according to Figure 3, i.e. the pendulum becomes steeper and the suspension point falls. So if the sliding contact can no longer handle the overhead contact wire incline in front of the suspension point, the suspension point with the overhead contact wire, which was first pressed upwards, now moves down towards the sliding contact and contact is retained.

Figure 4

Once the sliding contact has passed the supporting point, it impacts with the overhead contact wire in the next span with an impulse W in line with its mass and speed. This horizontally directed impulse vector is divided into 2 components. One, Wt, is directed towards the overhead contact wire in the form of a tangent and therefore does no damage; the other, Wn, is directed upwards in a vertical direction to the overhead contact wire and therefore creates a huge degree of wear behind the suspension point if the overhead contact wire is suspended in a rigid manner.

If the overhead contact wire is suspended in an elastic manner, this impact component Wn directed upwards provides a reduction in the vertical component of the pendulum; as a result, the pendulum becomes flatter, the suspension point rises and the overhead contact wire absorbs the impact of the sliding contact in an elastic manner.

However, as already mentioned, this is only possible if the overhead contact wire is suspended with a slanted pendulum. If the pendulums were vertical, the contact pressure of the collector shoe would first have to overcome the complete weight of the overhead contact wire within a span, before the suspension point rose or became elastic.

As a result of the contact pressure of the sliding contact and the side swivel of the trolleybus, the overhead contact wire starts to oscillate.

Figure 5

If we view the overhead contact wire in the direction of the contact wire axis, we can see the opposing slant on the pendulum (Fig. 5). The arrows indicate the direction of movement or oscillation of two successive pendulums.

This oscillation is not reflected at the suspension point, as is the case with a rigid suspension system (fatigue breaks on the overhead contact wire), but can run through it.

As the direction of movement of two successive pendulums is directed against each other by up to approx. 90°, this oscillation is cushioned and brought to a standstill within a short time.

The preceding description makes it clear that the superiority of the elastic overhead wire suspension system over the rigid option is evident in the up and down movement of the suspended supporting points subject to the contact pressure. It is necessary to ensure that the overhead contact wire is vertical in every pendulum position. This is achieved by using a simple wire parallelogram according to Figure 2. This pendulum suspension system has another advantage too: the weight or mass of the movable part is very small, while the insulator is firmly attached to the transverse wire. The vertical clamping position can be adjusted very simply on the insulation body using the clamping cone.

The zigzag line of the overhead contact wire does not have any damaging effect on the conduction of electricity, as the small forces that occur through the lateral acceleration of the trolleybus shoe at the supporting point can be offset by the pendulum without any further ado.

The zigzag line of the overhead contact wire in conjunction with the slanted pendulums causes partial compensation for the changes in tensile stress caused by heat on the overhead contact wire. This then reduces the increase in the sag at high temperatures.


This effect is achieved by the fact that both the slanted position of the pendulums and the angle of the overhead contact wire at the supporting point and therefore the distance from one suspension point to another c? changes at various temperatures according to Figure 2.

 

Trolleybus Overhead Contact Wire in Bends

Figure 5

In order to construct a cost-effective trolleybus overhead contact wire system, there should be as few supporting points in bends as possible; but this creates large angles for the overhead contact wire at the supporting points.

This angle is rounded in order to prevent any damaging lateral run-out by the trolleybus shoe on the overhead contact wire. The head of the overhead contact wire is clamped in 2 elastic rails (Figure 6), the length of which is governed by the angle of the overhead wire. These curve rails are also suspended on the transverse wire using a parallelogram pendulum. Depending on the angle of the overhead contact wire, the curve rails are given one, two or three oscillating drops. They have the same elastic properties as the slanted pendulums on straight sections.

 

The bend rails are mounted in such a way that a parabola-shaped bend is achieved on the overhead contact wire at the supporting point. This bend shape guarantees the correct rise and fall in the centrifugal forces on the current collector shoe and prevents any sudden lateral forces, which lead to de-wiring.

 

 

 

 

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