Benutzer:Rainerhaufe/Drehstrom-Versuchbetrieb von Siemens & Halske

Drehstromstrecke Brig–Iselle
Streckenlänge:	22,7 km
Spurweite:	1435 mm (Normalspur)
Stromsystem:	3000 V 16 Hz ∆
SBB aus Sion, BLS aus Spiez FO aus Andermatt 145,55 Brig Depot 677.7 m ü. M. Nordportal Simplontunnel (Tunnel I 19803 m; II 19823 m) 156.24 Staatsgrenze Schweiz–Italien 156.34 Stazione della Galleria 700.2 m ü. M. Südportal Tunnel Iselle (169 m) 167.22 Iselle di Trasquera 629.5 m ü. M. FS nach Domodossola

Der Drehstrom-Versuchbetrieb von Siemens & Halske wurden ab 1899 auf der Militärbahn Marienfelde-Zossen mit Drehstromantrieb durchgeführt war ab der Betriebseröffnung des Simplontunnels im Jahr 1906 ein Versuchsbetrieb der Firma Brown, Boveri & Cie. (BBC) mit 3000 Volt 16 Hertz, mit dem die Tauglichkeit von Drehstrom auf einer Hauptbahnstrecke unter den erschwerten Verhältnissen eines langen Tunnels nachgewiesen wurde. 1908 übernahmen die Schweizerischen Bundesbahnen (SBB) den elektrischen Betrieb Brig–Iselle von der BBC und verlängerten ihn 1919 bis Sion. 1927–1930 wurde der Drehstrombetrieb Sion–Iselle durch Einphasenwechselstrom 15 000 Volt 16 ⅔ Hertz abgelöst.

Versuchsbetrieb der BBC

Geschichte

Einer der zwei Versuchstriebwagen der Strecke von Siemens

der Versuchstriebwagen der AEG, der 1903 210 km/h erreichte

Kreuzungsstation mit zweipoliger Fahrleitung im Innern des Simplon­tunnels. Dampfbetrieb hätte die Gesundheit des Personals gefährdet.

Während der achtjährigen Bauzeit des Simplontunnels hatte die Elektrotechnik grosse Fortschritte gemacht. Seit 1899 fuhr die normalspurige Burgdorf-Thun-Bahn mit von Brown, Boveri & Cie. (BBC) gelieferten Fahrzeugen mit Drehstrom von 750 Volt und 40 Hertz. In Norditalien wurde ab 1902 die Veltlinbahn erfolgreich mit 3000 Volt 15 Hertz Drehstrom betrieben. In Deutschland stellte 1903 auf der Militäreisenbahn bei Berlin ein mit Drehstrom betriebener Triebwagen mit 210,3 km/h einen Weltrekord auf.

Als im Jahr 1898 mit dem Bau des 19,8 km langen einspurigen Simplontunnels I begonnen wurde, konnte man sich kaum eine andere Zugförderung als mit Dampflokomotiven vorstellen. Umfangreiche Entlüftungsanlagen sollten eine ausreichende Belüftung des damals längsten Tunnels der Welt sicherstellen. Trotzdem befürchtete man, dass der Rauch der Dampflokomotiven in Verbindung mit den hohen Temperaturen im Tunnel von gegen 30° C und der grossen Luftfeuchtigkeit zu Schwierigkeiten führen würde. Es bestand die Gefahr, dass von Dampflokomotiven produziertes Kohlenmonoxid im langen Tunnel zu einer Gefahr für die Reisenden und für das Personal der in der Tunnelmitte liegenden Kreuzungsstation werden konnte.

Der Bau des Tunnels war bereits weit fortgeschritten, als im Jahre 1905 die Firma BBC den Schweizerischen Bundesbahnen (SBB) vorschlug, die Strecke auf eigene Kosten zu elektrifizieren, mindestens fünf Elektrolokomotiven zu beschaffen und den Betrieb gegen eine kilometerabhängige Entschädigung für eine begrenzte Zeit selbst zu übernehmen. Trotz Bedenken angesichts der internationalen Bedeutung der neuen Strecke und noch ungenügender Erfahrungen mit dem elektrischen Betrieb nahmen die SBB das Angebot der BBC an und unterzeichneten am 19. Dezember 1905 den Vertrag. Allerdings verzichteten die SBB auf eine Zusage, die Anlagen und Fahrzeuge nach dem Ende des Versuchsbetriebs zu übernehmen.

BBC nahm ein recht riskantes Vorhaben in Angriff. Die Firma hatte bis dahin keine Erfahrung mit Drehstrom hoher Spannung und der Bau eines Unterwerks im Tunnel war ausgeschlossen. Im Sommer 1905 unternahm eine Gruppe von Experten der SBB und BBC eine Studienreise nach Norditalien, wo man sich von Ganz die Kraftwerksanlagen, die elektrische Installationen und das Rollmaterial vorführen liess.

Betriebseröffnung

Drehstrom-Lokomotiven im Bahnhof Brig; v.l.n.r. BBC-Maschinen Nr. 365 und 364, Ganz-Mietlokomotive Nr. 361.

Am 1. Juni 1906 wurde die Strecke mit dem einspurigen Tunnel I in Betrieb genommen, ausgerüstet mit zweipoliger Fahrleitung mit 3000 Volt Spannung und einer Frequenz von 16 Hertz. Der Drehstrom wurde von je einem Wasserkraftwerk auf jeder Seite des Tunnels geliefert. Die elektrisch betriebene Strecke zwischen Brig und Iselle hat eine Länge von 22,0 km. Die kurze Zeit zwischen Vertragsabschluss und Betriebsaufnahme reichte nicht, Lokomotiven zu entwerfen und zu bauen. Für den Betrieb des Simplontunnels konnte BBC drei Lokomotiven RA 361–363 ungarischer Herkunft von der norditalienischen Rete Adriatica mieten. Möglich wurde die Betriebsaufnahme durch den Verzicht der Rete Adriatica auf zwei Lokomotiven Fb 3/5 Nr. 364–365, die von BBC und SLM für die norditalienische Bahn bereits im Bau waren. Sie entsprachen weitgehend den bereits erprobten RA 361–363.

Übernahme des Betriebs durch die SBB

Der Betrieb mit Drehstrom hat sich nach Behebung einiger Kinderkrankheiten bewährt. Am 1. Juni 1908 wurden die festen Anlagen und die Lokomotiven von den SBB übernommen. Es handelte sich damals um den bedeutendsten elektrischen Vollbahnbetrieb der Schweiz.

Für die Elektrifizierung der 1913 fertiggestellten Lötschbergstrecke, die in Brig auf die Simplonlinie trifft, wählte die Berner Alpenbahngesellschaft Bern–Lötschberg–Simplon (BLS) von Anbeginn das Einphasensystem mit 15 000 Volt und 16 ⅔ Hertz, so dass Brig zum Systemwechselbahnhof wurde. Ein weiterer Lokomotivenwechsel war in Iselle notwendig, weil die Ferrovie dello Stato Italiane (FS) auf die Elektrifizierung der Steilstrecke Domodossola–Iselle verzichteten. Während des Ersten Weltkriegs brach der Verkehr ein und wurde praktisch von den beiden Fb 4/4 allein bewältigt.

Ausdehnung und Ende des Drehstrombetriebs

Als Folge des akuten Kohlenmangels durch den Ersten Weltkrieg wurde am 31. Juli 1919 durch eine sogenannte Notelektrifikation der elektrische Betrieb mit Drehstrom von Brig bis nach Sion ausgedehnt, obwohl sich die SBB grundsätzlich für das Einphasenwechselstrom mit 15 000 Volt 16 ⅔ Hertz entschieden hatten. Ebenso wurde die im Jahr 1922 eröffnete zweite Tunnelröhre mit Drehstrom betrieben. Die vorhandenen Lokomotiven reichten nicht mehr aus und man liess zwei Fb 4/4 nachbauen, die 1921 als Ae 4/4 368–369 in Betrieb kamen.

Östlich von Sion wurde 1923 der Betrieb mit Einphasenwechselstrom aufgenommen und schliesslich am 17. Januar 1927 auch der Streckenabschnitt von Sion nach Brig auf dieses System umgestellt. Am 2. März 1930 endete der inzwischen veraltete Drehstrombetrieb im Simplontunnel mit der Umstellung auf das zum Standard gewordene Einphasenwechselstromsystem. Gleichzeitig wurde der elektrische Betrieb mit Einphasenwechselstrom auf dem Abschnitt Iselle–Domodossola aufgenommen.

Lokomotiven

Elektrotechnik

Fb 3/5 von 1906 und um ein Jahr jüngere Dampflokomotive C 4/5. Ein besonders heikler Punkt des Dreh­strom­betriebs mit zweipoliger Fahr­leitung waren die Weichen­ver­zwei­gungen. Das im Bahnhof Brig auf­genommene Bild lässt auf ent­spre­chende Probleme schliessen.

Bei mit Dreiphasenwechselstrom betriebenen Bahnen wird der Drehstrom mit einer zweipoligen Fahrleitung den Triebfahrzeugen zugeführt. Als dritter Leiter wird die Schiene verwendet. Wegen den isolierten Abschnitten der zweipoligen Fahrleitung im Bereich von Weichen sind zur Gewährleistung einer unterbruchfreien Stromversorgung zwei Stromabnehmer angelegt. Damit der Abstand beider Bügel genügend gross war, wiesen kürzere Lokomotiven eigentümlich nach vorne gestreckte Stromabnehmer auf.

Die Drehzahl eines Drehstromfahrmotors hängt von der Netzfrequenz des speisenden Stroms ab. Eine einzige wirtschaftliche Geschwindigkeit ist jedoch für den Bahnbetrieb unpraktisch. Mit besonderen Massnahmen werden mehrere wirtschaftliche Drehzahlen ermöglicht:

• Stator­wicklungen mit verschiedener, umschaltbarer Polpaarzahl
• Kaskadenschaltung zweier Motoren und Betrieb als Single oder in Kaskade mit verdoppelter Polpaarzahl.

Das Anfahren der Drehstrommotoren erfolgt:

• über Vorwiderstände im Rotor­stromkreis, oder
• durch Veränderung der Statorspannung mittels Transformator und Stufenschalter.

Die Führerstände waren da­mals spartanisch eingerichtet. Mietlokomotive Nr. 361–363.

Wenn die eingestellte Geschwindigkeit beispielsweise beim Übergang in ein Gefälle überschritten wird, gehen die Motoren selbständig in den Rekuperationsbremsbetrieb über. Weil man damals für die geforderten Drehmomente noch keine Zahnradgetriebe bauen konnte, reduzierte man die Drehzahl der Motoren durch eine Verringerung der Netzfrequenz auf 16 Hertz. Die Drehstrommotoren waren sehr einfach, aber die Schaltapparatur in den Lokomotiven unterhaltsaufwendig und die Fahrleitung im Bereich der Weichen kompliziert. Die Lokomotiven hatten keine Heizung und auch eine Vorrichtung zur Heizung der Reisezugwagen fehlte, denn im Innern des Simplontunnels herrscht dauernd eine Temperatur von 28° C. Als der Betrieb nach Sion ausgedehnt wurde, mussten vermutlich Heizwagen eingesetzt werden. Bei den Lokomotiven 361–365 waren auch keine Batterien vorhanden, die Stirnbeleuchtung der Maschinen erfolgte mit Petrollampen.

Eine Mietlokomotive Fb 3/5 mit dem „Simplon-Express“ Paris–Triest. Die Lokomotive trägt die verbesserten BBC-Stromabnehmer.

Das Anfahren wich stark vom späteren Vorgehen ab, wo der Zug möglichst rasch in Gang zu bringen war, um Brandstellen an der Kollektoren der Einphasen-Reihenschlussmotoren zu vermeiden. Weil die Drehstrommotoren im Stillstand wie ein Transformator wirken, ging das Anfahren gemächlich vor sich. Die vorgegebenen Geschwindigkeiten der Drehstrommotoren hatte Folgen für den Betrieb. Doppeltraktion war nur möglich, wenn beide Lokomotiven dieselbe Synchrongeschwindigkeit und den gleichen Radsatzdurchmesser hatten. Führten eine Lokomotive mit neuen Radsätzen und eine mit abgenutzten Radsätzen gemeinsam einen Zug, so zog die erste Maschine während die zweite bremste.

Mietlokomotiven 361–363

→ Hauptartikel: RA 361–363

1906 konnte BBC von der Rete Adriatica die Lokomotiven RA 361–363 für den Betrieb im Simplontunnel mieten. Die drei Fahrzeuge wiesen drei grosse gekuppelte Triebräder auf sowie davor und dahinter je eine Laufradachse. Die Einstellung der festen Geschwindigkeitsstufen von 34 und 68 km/h erfolgte durch Kaskadenschaltung der beiden Doppelmotoren mit gemeinsamer Rotorwelle. Zum Anfahren dienten bei den Lokomotiven 361 und 362 Wasserwiderstände, bei der Maschine Nr. 363 Metallwiderstände. Die Wasserwiderstände selber waren wassergekühlt, was bei grosser Hitze dafür sorgte, dass diese Lokomotiven Dampf ausstiessen. Zudem musste regelmässig Wasser nachgefüllt werden.

Für den Betrieb auf der Simplonstrecke wurden die ursprünglichen Bügel durch verbesserte BBC-Stromabnehmer ersetzt. Die Buchstaben „RA“ vor der Lokomotivnummer waren entfernt, die Nummern aber beibehalten, weil sie nicht mit den Betriebsnummern der SBB kollidierten. Als genügend eigene Maschinen zur Verfügung standen, kehrten die 361 und 362 im Mai 1907 und die 363 im Oktober 1907 zur Veltlinbahn zurück.

Fb 3/5 (später Ae 3/5) 364–365

Fb 3/5 Ae 3/5
Nummerierung:	364–365
Hersteller:	BBC, SLM
Baujahr(e):	1906
Ausmusterung:	1930
Achsformel:	1'C1'
Länge über Puffer:	12 524 mm
Dienstmasse:	62 t
Reibungsmasse:	44 t
Höchstgeschwindigkeit:	75 km/h (ab 1921: 80 km/h)
Stundenleistung:	1060 PS (780 kW)
Anfahrzugkraft:	8000 daN
Treibraddurchmesser:	1640 mm
Laufraddurchmesser:	850 mm
Stromsystem:	3000 V 16 Hz ∆
Anzahl der Fahrmotoren:	2
Übersetzungsstufen:	2 (37 / 74 km/h)

Fb 3/5 Nr. 365 in Brig.

Typenskizze der Fb 3/5

Probefahrt der Lokomotive Fb 3/5 Nr. 364 am Nordportal des Simplon­tunnels in Brig.

Der mechanische Teil dieser bis 1920 als Fb 3/5 und von 1920 bis 1921 als Be 3/5 bezeichneten Maschinen stammte von der Schweizerischen Lokomotiv- und Maschinenfabrik Winterthur (SLM). Er entsprach weitgehend demjenigen der drei Mietlokomotiven. Die beiden Fahrmotoren waren im Hauptrahmen gelagert. Die beiden Motoren trieben über einen dreieckförmigen Kuppelrahmen die mittlere seitenverschiebbare Triebachse an, die mit einer Kuppelstange mit den beiden äusseren Triebachsen verbunden war. Die Triebräder hatten einen Durchmesser von 1640 mm. Die äusseren Triebachsen waren mit der benachbarten Laufachse zu einem Drehgestell zusammengefasst.

Auf dem Dach dies Führerhauses befanden sich die beiden Stromabnehmer, Blitzschutzvorrichtungen und ein handbetätigter Hauptschalter. Im Gegensatz zu den Mietlokomotiven 361–363 war keine Kaskadenschaltung mehr mit ihren schweren Motoren vorhanden, sondern leichtere Motoren mit polumschaltbaren Statorwicklungen mit den Polzahlen 8 und 16, was feste Geschwindigkeiten von 37 und 74 km/h ermöglichte. Beim Anfahren wurde der Rotorstrom durch regelbare Widerstände begrenzt, die aus auf Eisenrahmen abgespanntem Rheotangewebe bestanden. Für die konstruktive Durchbildung der Motoren waren die besonderen Betriebsverhältnisse im Simplontunnel wegleitend. Im Winter betragen die Temperaturunterschiede im und ausserhalb des Tunnels bis zu 60° C. Ein Transformator lieferte 110 Volt für den Betrieb der Kompressoren und der Innenbeleuchtung.

Die Lokomotiven scheinen sich bewährt zu haben und waren bis zur Einstellung des Drehstrombetriebs am Simplon 1930 im Einsatz.

Fb 4/4 (später Ae 4/4) 366–369

Fb 4/4 Ae 4/4
Nummerierung:	366–369
Hersteller:	BBC, SLM
Baujahr(e):	1907–1908, 1919
Ausmusterung:	1930
Achsformel:	D
Länge über Puffer:	11 640 mm
Dienstmasse:	69 t (366–367) 70 t (368–369)
Höchstgeschwindigkeit:	75 km/h (ab 1921: 80 km/h)
Stundenleistung:	1700 PS (1250 kW)
Anfahrzugkraft:	12 000 daN
Treibraddurchmesser:	1250 mm
Stromsystem:	3000 V 16 Hz ∆
Anzahl der Fahrmotoren:	2
Übersetzungsstufen:	4 (28 / 37 / 56 / 74 km/h)

Fb 4/4 Nr. 366 mit gemischtem Güter-/Personenzug in Iselle.

Fb 4/4 Typenskizze

Der mechanische Teil dieser bis 1920 als Fb 4/4 Nr. 366–369 und von 1920 bis 1921 als Be 4/4 bezeichneten Lokomotiven mit der Achsfolge D stammte ebenfalls von der SLM. Um das ganze Gewicht der vierachsigen Lokomotive für die Adhäsion auszunutzen, wurde auf Laufachsen verzichtet. Die beiden äussersten Triebachsen waren als kurvenbewegliche Klien-Lindner-Hohlachsen ausgebildet. Die zwei tief gelagerten Fahrmotoren übertrugen ihr Drehmoment über einen Kuppelrahmen und Kuppelstangen auf die vier Triebachsen.

Die noch von der BBC in Auftrag gegebenen und 1907 bis 1908 gelieferten Lokomotiven bedeuteten einen technischen Fortschritt, denn sie waren erstmals mit Kurzschlussläufern in den Drehstrommotoren ausgerüstet, so dass die Schleifringe zur Erregung des Rotors entfallen konnten. Die Fahrmotorleistung von je 850 kW war bisher bei Elektrolokomotiven noch nie erreicht worden. Dank den vier Geschwindigkeiten von 28, 37, 56 und 74 km/h war ein wesentlich elastischer Betrieb möglich als mit zwei Geschwindigkeiten. Die vier Geschwindigkeitsstufen wurden durch Polumschaltung der zwei Wicklungen der Ständer erreicht und waren wie die Wendeschalter mit Druckluft-Stellmotoren versehen.

Für die Beschränkung der Anfahrströme diente ein Transformator mit Stufenschalter. Damit und wegen der grösseren Anzahl fester Geschwindigkeiten war der Wirkungsgrad dieser Maschinen etwas besser als bei den Fb 3/5. Die elektrische Ausrüstung war doppelt vorhanden, so dass bei einer Störung mit halber Leistung weitergefahren werden konnte. Eine Gleichstrommaschine diente zum Laden einer Batterie, womit die Beleuchtung betrieben wurde. Die Lokomotiven leisteten 1700 PS (1250 kW) und waren bei ihrer Ablieferung die leistungsfähigsten elektrischen Triebfahrzeuge der Schweiz.

Als der Drehstrombetrieb nach Sion ausgedehnt wurde und der Bedarf an Lokomotiven anstieg, verzichtete man auf eine Neutentwicklung. BBC und SLM lieferten 1919 mit den Maschinen Nr. 368 und 369 zwei weitere Exemplare des bewährten Typs Ae 4/4.

Nach der Einstellung des Drehstrombetriebs wurden alle Drehstromlokomotiven bis auf die Ae 3/5 365 abgebrochen. Diese Maschine wurde von der BBC mit der Absicht zurückgekauft, mit Quecksilberdampf-Gleich- und Wechselrichter eine Umrichter­lokomotive zu bauen. Der Kupfermangel während des Zweiten Weltkriegs führte jedoch zum Abbruch der Maschine.

Fb 4/6 (später Ce 4/6) 371

Fb 4/6 Ce 4/6
Nummerierung:	371
Hersteller:	BBC, SLM
Baujahr(e):	1913
Ausmusterung:	1930
Achsformel:	1'D1'
Länge über Puffer:	12 500 mm
Dienstmasse:	88 t (ab 1920: 91 t)
Reibungsmasse:	69 t (ab 1920: 72 t)
Höchstgeschwindigkeit:	75 km/h (ab 1920: 60 km/h)
Stundenleistung:	2720 PS (2000 kW)
Anfahrzugkraft:	13 000 daN
Treibraddurchmesser:	1250 mm
Laufraddurchmesser:	850 mm
Stromsystem:	3000 V 16 Hz ∆
Anzahl der Fahrmotoren:	2
Übersetzungsstufen:	4 (28 / 37 / 56 / 74 km/h)

Fb 4/6 Nr. 371 nach der Ablieferung in Brig.

Fb 4/6 371 mit einem Güterzug in Iselle.

1914 konnte mit der 1'D1'-Lokomotive Fb 4/6 Nr. 371 ein neues, leistungsfähiges Triebfahrzeug in Betrieb genommen werden, das bei 88 Tonnen Gewicht eine Leistung von 2720 PS (2000 kW) erreichte. Die Lokomotive wurde von BBC und SLM vorerst auf eigene Rechnung gebaut und als stärkste Drehstromlokomotive an der Landesausstellung 1914 in Bern ausgestellt. Auf den 16. Januar 1915 wurde sie von den SBB übernommen. Sie kann als Probelokomotive für den damals noch vorgesehen elektrischen Betrieb auf der Steilrampe Domodossola–Iselle betrachtet werden, der dann erst einphasig realisiert wurde.

Der mechanische Teil war nach dem Vorbild der Ge 4/6 der RhB gebaut. Die äussersten Triebachsen waren mit den zugehörigen Laufachsen zu einem Drehgestell vereinigt. Die beiden grossen Fahrmotoren waren auf Gestellen hoch über dem Rahmen gelagert und reichten bis unter das Dach. Im Gegensatz zu den vorhergehenden Konstruktionen waren die Motoren unter sich nicht direkt gekuppelt. Von den Kurbeln der Motoren führten schräge Triebstangen zur Mitte der waagrechten Kuppelstange, die sämtliche Triebachsen verband. Das V-förmige Triebwerk verursachte zerstörerische Schüttelschwingungen und musste mit einer Kuppelstange zwischen den beiden Motorkurbeln zu einem Dreieck ergänzt werden. Der ursprünglichen Höchstgeschwindigkeit von 75 km/h war das schwere Triebwerk nicht gewachsen. Die Geschwindigkeit musste 1920 auf 60 km/h reduziert werden, was den Einsatz auf Güterzüge beschränkte, und die Maschine erhielt die Bezeichnung Ce 4/6.

Die vier Geschwindigkeitenstufen wurden durch Kaskaden- und Polumschaltung erzielt. Bei den kleineren Geschwindigkeiten von 28 und 37 km/h arbeiteten die beiden Motoren in Kaskade, bei den höheren von 56 und 74 km/h mit acht oder sechs Polen direkt an der Fahrleitung. Das Anfahren erfolgte über Widerstände, die aus Metallbändern bestanden und über den Fahrmotoren im Dach untergebracht waren. Das Zu- und Abschalten der Widerstände wurde über ein mit Servomotor angetriebenes Schaltwerk vorgenommen, das nötigenfalls auch von Hand bedient werden konnte.

Quellen

• W. Kummer: Die Drehstromlokomotiven für den elektrischen Betrieb am Simplon. In: Schweizerische Bauzeitung (SBZ), Band 54 (1909), Heft 17. (archiviert in E-Periodica der ETH-Bibliothek. PDF, 4.3 MB)

• Hans Schneeberger: Die elektrischen und Dieseltriebfahrzeuge der SBB, Band I: Baujahre 1904–1955; Minirex AG, Luzern; 1995; ISBN 3-907014-07-3

• Guy Depraetere: Drehstrom in Italien 1902-1976. (PDF, 13.0 MB) In: Der Lok-Vogel Nr. 64. Abgerufen am 1. Juni 2016.