Gleisfreimeldeanlage

Die Gleisfreimeldeanlage gehört als Teil der Außenanlagen eines Stellwerks zu den Signalanlagen einer Eisenbahn. Sie dient dem Zweck, das Freisein der einzelnen Abschnitte des Fahrweges eines Zuges vor der Fahrtstellung des Hauptsignals festzustellen. Außerdem steuert der Wechsel der Frei- und der Besetztanzeige in Relaisstellwerken und elektronischen Stellwerken alle wesentlichen Funktionen des Stellwerks beim Einstellen, Sichern und Auflösen der Fahrstraßen und beim Stellen der Signale. Das Freisein der einzelnen Fahrwegelemente wird ebenso wie das Besetztsein im schematisch dargestellten Gleisbild auf einem Stelltisch oder Monitor durch Melder angezeigt.

Eine Gleisfreimeldeanlage, die in ein Gleis der freien Strecke eingebaut ist, heißt Streckengleisfreimeldeanlage. Selbsttätiger Streckenblock ist ohne sie nicht realisierbar.

Fahrwegabschnitte, die mit einer Gleisfreimeldeanlage ausgerüstet sind, heißen Freimeldeabschnitte. Die Gleisabschnitte des Bahnhofs und der freien Strecke sowie die Weichen und Kreuzungen im Fahrweg, die eine gemeinsame Gleisfreimeldung besitzen, bilden jeweils einen Freimeldeabschnitt. Beispielsweise bilden oft benachbarte Weichen oder eine Weiche zusammen mit dem an sie angrenzenden Gleisabschnitt einen Freimeldeabschnitt.

Funktionsschema von Gleisfreimeldeanlagen

In Deutschland werden folgende drei Systeme eingesetzt:

• Gleisstromkreise,
• Tonfrequenzgleisstromkreise und
• Achszählkreise.

Gleisstromkreis

Funktion

Ein Gleisstromkreis arbeitet mit einem Gleisabschnitt zusammen, in dem die beiden Schienen gegeneinander (folglich mindestens eine der beiden gegen Erde) isoliert sind. Zwischen den Schienen wird je nach Hersteller eine elektrische Spannung von 1 V bis 4 V angelegt (Ruhestromprinzip). Die Frequenz beträgt wegen der Interferenz mit dem elektrischen Triebrückstrom auf elektrifizierten, aber auch auf nicht elektrifizierten Strecken 100 Hz oder 42 Hz. Bis zur Einführung der generellen elektrischen Beheizung der Reisezüge würde auf nichtelektrifizierten Strecken auch die einfach bereitzustellende Frequenz von 50 Hz genutzt. Solange der Stromkreis aus Vorwiderstand, isolierter Schiene, getrennter Rückleitung und Wicklung des Gleisrelais nicht unterbrochen wird, zieht dieses Relais an und die Gleisfreimeldeanlage zeigt den unbesetzten Zustand. Wird der Stromkreis – z. B. auf Grund einer technischen Störung – unterbrochen oder über die Achsen eines Schienenfahrzeuges zur anderen Schiene kurzgeschlossen oder besteht wegen mangelnem Bettungswiderstand eine Ableitung, so bricht die Versorgungsspannung zusammen, das Gleisrelais fällt ab und die Gleisfreimeldeanlage meldet den Besetztzustand.

Bei Gleisstromkreisen muss die isolierte Schiene an beiden Enden unterbrochen sein. An den Trennstellen ist sie mit je einem sogenannten Isolierstoß mit dem Nachbargleisabschnitt verbunden.

Um höchstmögliche Sicherheit zu gewährleisten, wird bei den Gleisstromkreisen ein Drehstromsystem verwendet. An die Schiene wird dabei eine der Phasen angelegt. Auf der Empfängerseite wird ein Drehstromasynchronmotor zur Auswertung verwendet, der gegen eine Feder arbeitet. Damit das sogenannte Motorrelais die Grundstellung verlässt, sind neben der aus der Schiene entnommenen Phase noch abhängig von der Bauform eine oder beide anderen dem Drehstromnetz direkt entnommenen Phasen notwendig. Bei Zweiphasenspeisung soll die Phasenverschiebung zwischen Steuer- und Hilfsphase 90° betragen. Dabei dürfen zwei benachbarte Gleisabschnitte nicht dieselbe Phase nutzen. Auf diese Art wird verhindert, dass über einen aufgrund eines Fehlers überbrückten Isolierstoß ein aus dem Nachbargleisabschnitt eingespeister Strom ausgewertet wird – der Strom würde zwar durch die Wicklung des Motorrelais fließen, aufgrund der falschen Phasenlage kann der Motor aber kein ausreichendes Drehmoment liefern, um gegen die Feder arbeiten zu können.

Als Nebeneffekt ist es durch Umpolung auf der Speiseseite des Gleisstromkreises möglich, die Drehrichtung des Motorrelais zu ändern. Auf diese Art wird bei älteren Selbstblocksystemen die Information über die Stellung des Hauptsignals an das zurückgelegene Block- oder Einfahrsignal übertragen.

Vorteile

Gleisstromkreise bieten eine unmittelbare Überwachung auf Freisein. Eingesetzte Zweiwegefahrzeuge werden ebenso direkt erkannt, sowie im Gleis stehende Fahrzeuge nach Bauarbeiten. Zählfehler durch eine gestörte Achserkennung bei der Überfahrt können bei Gleisstromkreisen systembedingt nicht auftreten.

Nachteile

Falsche Besetztmeldung

Gleisstromkreise reagieren empfindlich auf verschmutzte Bettungen und wechselnde Witterungsbedingungen. So kann z. B. Regenwasser in Verbindung mit Ladungsresten (insbesondere Salzen) den Bettungswiderstand soweit senken, dass das Gleisrelais abfällt und eine Besetztanzeige auslöst.

Darüber hinaus sind die Isolierstöße mechanisch verhältnismäßig empfindlich und ein Fremdkörper im lückenlosen Gleis. Zwar verhält sich ein geklebter Isolierstoß im Neuzustand wie gewöhnliches Schienenprofil, doch kann sich die Verklebung durch die Lastwechsel beim Befahren lösen. Bricht die Isolierzwischenlage zwischen beiden Schienenprofilen aus, können die Schienenköpfe durch Überwalzen die Isolierlücke schließen und ebenfalls zu fehlerhaften Rotausleuchtungen führen.

Falsche Freimeldung

Gefährlich sind falsche Freimeldungen. Eine mögliche Ursache dafür ist die Störung des elektrischen Kontakts zwischen den Radsätzen und der Schiene durch Streusand oder Rost. Deshalb ist eine Mindestzahl an darüberlaufenden Achsen innerhalb von 24 Stunden gefordert. Wird diese nicht erreicht, ist der betroffene Abschnitt vor dem Zulassen der nächsten Fahrt auf andere Weise auf Freisein zu prüfen. Durch Sand auf den Schienen wurden mehrmals kritische Situationen hervorgerufen, zuletzt bei einem Beinahe-Unfall in Mainz am 1. August 2013. Das Eisenbahn-Bundesamt hat deshalb in mehreren Allgemeinverfügungen Regeln für die Benutzung der Sandstreueinrichtung aufgestellt, nach denen bei Geschwindigkeiten unter 25 km/h das Sanden verboten ist, außer bei Betriebsgefahr. Wenn es dennoch erfolgte, hat der Triebfahrzeugführer sofort den Fahrdienstleiter zu verständigen.

Prinzipbedingt erkennen Gleisstromkreise entgleiste Wagen nicht.

Tonfrequenzgleisstromkreis

Ein Tonfrequenzgleisstromkreis arbeitet nach dem gleichen Prinzip wie ein Gleisstromkreis. Hier wird der Schiene jedoch an Stelle des Ruhestromkreises über einen Sender von einer Seite her unter Spannung gesetzt, die mit einem Tonsignal mit einer Frequenz von 9.500 Hz oder alternativ 14.500 Hz moduliert ist, das an der anderen Seite von einem Empfänger abgenommen wird. Eine Besetzung des Freimeldeabschnittes mit einem Schienenfahrzeug führt zu einer Störung des Tonsignals und erzeugt so die Besetztanzeige der Gleisfreimeldeanlage.

Im Gegensatz zu den Gleisstromkreisen müssen die Enden der Tonfrequenzgleisstromkreise nicht voneinander galvanisch isoliert werden. Das Trennen der benachbarten Gleisabschnitte wird durch Anwenden unterschiedlicher Frequenzen in diesen Gleisabschnitten und spezielle Resonanzschaltungen an den Enden der Abschnitte realisiert. Diese Anordnung, auch S-Verbinder genannt, ermöglichen die Trennung allerdings nur relativ ungenau – in Weichenbereichen, bei denen eine exakte Trennung der benachbarten Gleisabschnitte nötig ist, werden daher auch bei Tonfrequenzgleisstromkreisen meist Isolierstöße benötigt.

Bei modernen Tonfrequenzgleisstromkreisen können außerdem über verschiedene Modulationsarten Informationen von der Strecke zum Triebfahrzeug übertragen werden. Dies wird in verschiedenen Zugbeeinflussungssystemen, zum Beispiel dem auf französischen Schnellfahrstrecken genutzten TVM, verwendet.

Durch einen fehlerhaften Tonfrequenzgleisstromkreis kam es 2009 bei der Metro Washington zu einem schweren Unfall mit neun Todesopfern und vielen Verletzten. Hier koppelte das Tonfrequenzsignal des Senders über den Kühlkörper, die Metallstruktur der Racks und die gemeinsame Stromversorgung direkt in den Empfänger ein, so dass dieser das Tonsignal detektierte, was zur Fahrtstellung des deckenden Signals führte, obwohl das Gleis noch belegt war.

Achszählkreis

Ein Achszählkreis arbeitet nach einem völlig anderen Prinzip. Er verwendet berührungsfreie elektromagnetische Impulsgeber, auch Achszähler genannt, die an der Innenseite der Schienen jeweils am Anfang und Ende eines Freimeldeabschnittes befestigt sind. Jede Achse der Schienenfahrzeuge erzeugt beim Passieren der Impulsgeber einen richtungsbezogenen elektrischen Impuls, der von einem motorgetriebenen oder elektronisch arbeitenden Zählwerk aufgenommen und verarbeitet wird. Durch die Anordnung von zwei Impulsgebern in kurzem Abstand, häufig in einem gemeinsamen Gehäuse, kann auch die Fahrtrichtung festgestellt werden. Nur wenn der Stand beider Zählwerke am Anfang und am Ende des Freimeldeabschnittes übereinstimmt, meldet die Gleisfreimeldeanlage frei, jede Differenz der beiden Zählwerke erzeugt eine Besetztanzeige.

Wegen der Empfindlichkeit von Gleisstromkreisen werden bei Neubauten in Deutschland heute hauptsächlich Achszählkreise verwendet. Achszähler mit ihren Komponenten sind praktisch verschleißfrei und funktionieren insgesamt zuverlässiger als Gleisstromkreise. Allerdings arbeiten sie mit aktiver Elektronik, die gewartet werden muss, und verursachen in der Anschaffung höhere Kosten. Ein Nachteil von Achszählern ist, dass sie das Freisein des Gleises nur mittelbar prüfen, sich der Zustand der Anlage im Störungsfall unbemerkt verändern kann und deshalb nach Störungen eine manuelle Prüfung auf Freisein nötig ist.

Da Achszähler auch an mit Gleisstromkreisen ausgerüsteten Gleisen eingebaut werden können, ohne dass sich die beiden Freimeldesysteme gegenseitig beeinflussen, werden bei Umbauten gern Systeme der jeweils noch nicht vorhandenen Bauart eingebaut.

Moderne Achszählsysteme, sogenannte Mehrbereichsachszähler, können einzelne Zählfehler ausgleichen, indem sie zur Freimeldung eines Abschnittes nicht nur die beiden begrenzenden Zählpunkte verwenden. Wenn am ersten Zählpunkt 24 Achsen einfahren, am nächsten Zählpunkt aufgrund eines Fehlers nur 23 Achsen erkannt, vom übernächsten und dem darauffolgenden Zählpunkt aber wieder 24 Achsen gemeldet werden, können beide Abschnitte wieder in den Grundzustand versetzt werden. Dieses Verfahren ist im Bereich der Deutschen Bahn jedoch nicht zugelassen. In der Praxis bleibt daher der erste Abschnitt besetzt, weil sich noch eine Achse im Abschnitt befindet, und der zweite Abschnitt geht in Störung, weil mehr Achsen ausgefahren als eingefahren sind.

Literatur

• Wolfgang Fenner, Peter Naumann, Jochen Trinckauf: Bahnsicherungstechnik: Steuern, Sichern und Überwachen von Fahrwegen und Fahrgeschwindigkeiten im Schienenverkehr. Wiley, 2011, ISBN 978-3-89578-683-9, eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche.
• Grundwissen Bahn, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten, 6. Aufl. 2012, ISBN 978-3-8085-7423-2