Antriebstransformatoren für die Bahnelektrifizierung

Fast jedes Schienenprojekt erreicht dieselbe Gabelung. A traktionstransformator wird für eine Unterstation spezifiziert, und dann trifft ein Satz ein, der das gesamte Layout neu definiert: Die Einheit fährt im Fahrzeug mit. Diese Aussage verlagert die Maschine von einer Betonplatte hinter einem Maschendrahtzaun zu einem Stahlrahmen, der unter dem Fahrzeugkörper verschraubt ist, und verändert damit die ursprüngliche thermische, mechanische und zertifizierungsbezogene Logik.

 

On-Board- und Trackside-Systeme sind zwei unterschiedliche technische Herausforderungen

Diese Maschinen teilen sich in zwei Familien auf, die denselben Namen tragen – und fast nichts anderes gemeinsam haben. On-Board-Einheiten reisen mit dem Zug und werden über eine Oberleitung oder eine Stromschiene versorgt. Trackside-Einheiten stehen in einer Zugumformerstation und speisen selbst die Oberleitung. Wenn ein Kunde einen Lieferanten bittet, beide Varianten zu kalkulieren, ohne die Einsatzgebiete klar voneinander zu trennen, führt dies meist zu zwei inkompatiblen Konstruktionen, die nebeneinander in derselben Vergleichstabelle stehen.

Spannungen erzählen die Geschichte. Europäische Hauptstreckennetze arbeiten mit 15 kV bei 16,7 Hz, während die meisten anderen elektrifizierten Systeme 25 kV bei 50 Hz nutzen. An Bord wird diese Oberleitungs-Spannung auf etwa 1,5 kV für den Zugumrichter herabgesetzt; separate Sekundärwicklungen liefern mit rund 400 V Klimaanlagen, Beleuchtung und Kompressoren. Bei Gleichstrombahnen mit 750 V, 1,5 kV und 3 kV erfolgt die Umwandlung der Energie stattdessen im Gleisbereich, sodass der Hauptzweck des bordeigenen Transformators dort die Versorgung von Hilfsanlagen – nicht aber der Antrieb – ist.

Die konstruktiven Anforderungen weisen in entgegengesetzte Richtungen. Eine gleisnahe Einheit wird nach Kurzschlussfestigkeit und thermischem Spielraum dimensioniert; zudem steht auf dem Fundament meist genügend Platz zur Verfügung, um sie größer auszuführen. Eine bordeigene Einheit hingegen wird nach Masse und Volumen bemessen, denn jedes Kilogramm Kern- und Wicklungsmaterial stellt zusätzliche Masse dar, die der Drehgestell trägt, und Energie, die der Zug zum Beschleunigen dieser Masse aufwenden muss.

 

Was IEC 60310:2026 geändert hat – und warum Ihre Spezifikation für den Zugtransformator einer zweiten Prüfung bedarf

Integriert traktionstransformator die Konstruktion richtet sich nach IEC 60310. Die fünfte Ausgabe wurde am 13. April 2026 veröffentlicht und ersetzt die vierte Ausgabe aus dem Jahr 2016. Dabei handelt es sich um eine technische Überarbeitung statt einer bloßen redaktionellen Aktualisierung; der veröffentlichte Anwendungsbereich ist auf der IEC 60310:2026-Webstore-Seite .

Sechs Änderungen sind für alle Personen von Bedeutung, die eine technische Spezifikation verfassen oder prüfen. Typische Schaltungen für Transformatoren und Drosseln wurden ergänzt, wodurch Konstrukteuren eine gemeinsame Referenz für gängige Wicklungsanordnungen zur Verfügung steht. Buchstabensymbole für Kühlverfahren sind nun definiert. Die Tabelle für die Isolationsprüfspannung wurde angepasst. Die Prüfungsunterabschnitte wurden neu strukturiert. Die Temperaturprüfung für Trockentransformatoren und Trockendrosseln wurde in zwei separate Unterabschnitte aufgeteilt. Die Anforderungen an Stoß- und Vibrationsbelastung wurden gemäß IEC 61373 aktualisiert.

Dieser letzte Punkt ist es, der Projekte in Schwierigkeiten bringt. Falls Ihr Plan für den Abnahmetest in der Fabrik auf der Ausgabe 2016 basiert und die Temperaturprüfung für Trockentransformatoren als einzelner Abschnitt behandelt, entspricht der Plan nicht mehr dem Standard, den Ihr Kunde zitiert. Lesen Sie auch die Geltungsbereichszeile: IEC 60310 gilt nicht für Messwandler, für Transformatoren mit einer Nennleistung unter 1 kVA einphasig oder unter 5 kVA mehrphasig oder für kleine Drosseln.

 

Flüssigkeitsgekühlt oder trocken: Entscheiden Sie zuerst über die Kühlart

Fahrzeugintegrierte Einheiten sind üblicherweise flüssigkeitsgekühlt, entweder in Mineralöl oder einer Ester-Flüssigkeit, weil die Flüssigkeitszirkulation Wärme weitaus effektiver vom Wicklungsbereich abführt als Luft und die höchste Leistung pro Kilogramm erzielt. Bei einem Fahrzeug rechtfertigt diese Effizienz den Aufwand eines dichten Tanks und der damit verbundenen Wartung.

Es gibt einen festen Platz für die trockentransformator im Schienenverkehr jedoch und ist keine Notlösung. Tunnel, unterirdische Bahnhöfe sowie jegliche Standorte, an denen ein Flüssigkeitsaustritt oder eine große Brandlast unzulässig sind, führen zur Spezifikation von VPI- oder Gießharz-Ausführungen. Dasselbe gilt für Hilfs- und Bahnhofstransformatoren, die innerhalb eines öffentlichen Gebäudes montiert werden.

Gleisnah ist die ölgetränkte Transformatoren nach wie vor dominierend bei Hauptstrecken-Umrichterstationen mit 25 kV sowie bei Gleichstrom-Netzen im Gleichrichterbetrieb, da die Einheit innerhalb eines umzäunten Geländes installiert wird, wo thermische Reserve weit wichtiger ist als Masse. Für diese Anwendungen bestimmt die Wahl der Kühlklasse – allein ONAN oder ONAN mit Zwangsbelüftungsstufen – die Dauerleistung.

In unseren eigenen Konstruktionsprüfungen ist die Kühlentscheidung oft das letzte festgelegte und zugleich das erste, was hätte festgelegt werden müssen. Klären Sie sie vor der Wicklungsanordnung: Egal ob die Lösung ein flüssigkeisoliertes Gehäuse oder ein trockentransformator in einem IP-geschützten Gehäuse ist – die Kühlwahl legt das Isolationssystem, die Geometrie und die Abstände fest, an die sich sämtliche anderen Komponenten anpassen müssen.

 

Die Spezifikationsblatt-Positionen, die entscheiden, ob das Gerät passt

Zwei Geräte können dieselbe kVA-Leistung aufweisen und dennoch für die jeweilige Aufgabe ungeeignet sein. Die nachfolgende Tabelle ist die Kurzfassung dessen, was sich ändert, wenn ein traktionstransformator von einem Umspannwerksockel in ein Fahrzeug verlegt wird.

Spezifikationspunkt	Fahrzeugseitiges Gerät	Gleisseitiges Gerät
Eingabe	25 kV 50 Hz oder 15 kV 16,7 Hz Oberleitung	25 kV, 15 kV, 33 kV oder 11 kV
Typischer Sekundärwert	Ca. 1,5 kV für den Zugumrichter; ca. 400 V Hilfsstromversorgung	1,5 kV Gleichstrom- oder 750 V Gleichstrom-Gleichrichterspeisung; 11 kV Verteilung
Maßgeblicher Konstruktionsfaktor	Masse und Volumen	Kurzschlussfestigkeit und thermische Reserve
Kühlung	Flüssigkeitsgekühlt oder VPI-/Gießharz-Trockentransformator	Ölgekühlt ONAN oder ONAF; Trockentransformatoren für den Inneneinsatz
Geltender Standard	IEC 60310:2026	EN 50329 mit IEC 60076
Mechanische Qualifizierung	IEC 61373 Stoß- und Schwingungsbelastung	Erdbebenqualifizierung, falls am Standort erforderlich
Isolationskoordination	Geringe Abstände, hohe dv/dt-Werte vom Umrichter	BIL-gesteuerte Freiräume
Anforderungen an Feuer- und Auslaufschutz	Regeln für Tunnel und Fahrgastbereiche	Trennungsregeln für Umspannwerke

Die Impedanz in Prozent bestimmt mehr Parameter als jede andere Angabe auf dem Datenblatt. An Bord begrenzt eine höhere Impedanz den Kurzschlussstrom und schützt den Wandler; gleichzeitig erhöht sie jedoch die Spannungsregelung und die Lastverluste. Streckenseitig muss die Impedanz an die Schutzeinstellungen sowie an eventuelle parallel geschaltete Einheiten angepasst sein, da eine Ungleichheit bei der ersten gemeinsamen Inbetriebnahme beider Transformatoren zu einer ungleichen Lastverteilung führt – und die schwächere Einheit von Anfang an überhitzen wird.

Geben Sie die Impedanztoleranz ausdrücklich in die Bestellung ein, nicht nur den Nennwert, und legen Sie den Abgriffbereich explizit fest. Ein Transformator, der für eine bestimmte Versorgungsspannung ausgelegt wurde, erfüllt selten die Leistungsanforderungen, wenn das Netz später über einen anderen Zuführer gespeist wird.

 

Zertifizierung und Werksprüfungen für Schienenprojekte

Nordamerikanische Verkehrs- und Industrieprojekte legen eigene Zulassungen zusätzlich zum IEC-Rahmenwerk vor. ANSI/UL 1561 gilt für trockene Allgemein- und Leistungstransformatoren; der veröffentlichte Anwendungsbereich endet bei einer Nennspannung der Primär- oder Sekundärseite von 600 V, sodass Geräte mit höheren Spannungen einem anderen Zertifizierungsweg folgen. Die vierte Ausgabe ist aktuell, zuletzt am 31. August 2023 überarbeitet; der Anwendungsbereichstext ist auf der UL-1561-Normenseite .

 

 

Darüber hinaus unterscheidet sich ein reibungsloses Projekt von einem problematischen Projekt vor allem durch das Prüfpaket. Für einen trockentransformator erwarten wir Verhältnis- und Polaritätsprüfung, Wicklungswiderstandsmessung an jeder Wicklung, Isolationswiderstandsprüfung, Wechselspannungs-Durchschlagprüfung mit separater Quelle, induzierte Überspannungsprüfung, Teilentladungsmessung mit dem in der Bestellung genannten Grenzwert in pC sowie eine Temperaturanstiegprüfung. Ein ölgetränkte Transformatoren umfasst die Ölprüfung sowie einen Druck- oder Dichtheitstest am Tank. Typprüfungen wie Blitzstoßspannungsprüfung und Kurzschlussfestigkeit müssen durch einen Bericht eines anerkannten Labors nachgewiesen werden, nicht lediglich in einem Angebot versprochen werden.

Die Reihenfolge ist genauso wichtig wie die Aufzählung. Käufer, die sie nicht spezifizieren, erhalten manchmal einen Partialentladungswert, der an einer kalten Einheit gemessen wurde, obwohl sie den Wert nach Temperaturanstieg benötigten; beide Werte sind in einer Konstruktionsüberprüfung nicht austauschbar.

 

Warum diese Geräte auf Bestellung gefertigt werden

Katalogausführungen passen selten für Schienenfahrzeuge. Spurweitenbeschränkungen, mehrere Sekundärwicklungen, ein bestimmtes Impedanzfenster, Hilfswicklungen mit unüblicher Spannung sowie eine durch den Fahrzeughersteller vorgegebene Montageanordnung führen ein Projekt stets in Richtung maßgeschneiderte Dreiphasentransformatoren die nach Projektdrawings statt aus einem Datenblatt ausgewählt werden.

Ryan Electric stellt Transformatoren seit 2007 her und ist seit 2023 offizieller Joint-Venture-Partner von Eaton – eine Vereinbarung, die denselben Produktionslinien einen etablierten nordamerikanischen Ingenieur- und Qualitätsrahmen zugrunde legt. Die Produktionsstätte umfasst 120.000 m² und verfügt über mehr als 180 Einheiten an Produktions- und Prüfgeräten; das Unternehmen besitzt Zertifizierungen nach UL, CSA, IEEE, DEKRA, CNAS und CE.

Für Anfragen im Schienenverkehrsbereich gestalten wir die Konstruktionsprüfung vorrangig anhand dreier Fragen: Welche Masse kann der Befestigungspunkt tragen? Welchen Kurzschlussstrom müssen die Wicklungen aushalten? Welche Umgebungs- und Lüftungsbedingungen bietet die Installation tatsächlich? Diese drei Antworten zuerst zu erhalten, vermeidet den Großteil der späteren Neukonstruktionsarbeit.

 

Beschaffungszeitpunkt für Schienenverkehrstransformatoren

Schienenverkehrsprogramme folgen festgelegten Genehmigungsschranken, und die traktionstransformator befindet sich selten auf dem kritischen Pfad, bis es plötzlich doch der Fall ist. Der Fahrzeughersteller fixiert das Unterwagen-Layout, die Umspannwerksplanung fixiert den Fundamentsockel und die Kabelwege – und beide Termine liegen typischerweise deutlich nach Unterzeichnung des kommerziellen Vertrags. Eine Bestellung zu diesem Zeitpunkt komprimiert die Fertigung in das verbleibende Zeitfenster.

Käufer, die dieses Problem vermeiden, erteilen den Auftrag zum Zeitpunkt des Design-Freeze statt zum Zeitpunkt der Freigabe für die Bauausführung und akzeptieren, dass ein kleiner Teil des Designs noch angepasst werden könnte. Zudem trennen sie das langfristig beschaffbare Bauteil vom Hauptpaket ab, sodass eine späte Änderung im Bereich Signaltechnik oder Bauausführung den Transformator nicht verzögern kann.

Falls Sie eine Anfrage für eine Schienen- oder Verkehrsanlage vorbereiten, senden Sie uns bitte die Betriebsdaten, die Montage- oder Fundamentbedingungen, die Kurzschlussleistung und die Umgebungsbedingungen. Wir senden Ihnen daraufhin ein maßgeschneiderte Dreiphasentransformatoren angebot, das bereits beim ersten Mal passt – Sie erreichen unser Ingenieurteam über das Kontaktformular auf unserer Startseite.

 

Über den Autor

Dieser Artikel wurde vom Engineering-Content-Team von Ryan Electric erstellt, einem Transformatorhersteller, der 2007 gegründet wurde und seit 2023 offizieller Joint-Venture-Partner von Eaton ist. Das Team unterstützt Versorgungsunternehmen, EPC-Unternehmen und Verkehrsprojekte in Nordamerika, dem Nahen Osten, Südostasien und Afrika mit maßgeschneiderten Trocken- und ölgekühlten Transformator-Designs. Für technische Anfragen wenden Sie sich bitte über die Website von Ryan Electric an das Engineering-Team.