Spoorstroomloop

Het principe van een spoorstroomloop en een voorbeeld met een sein.
Figuur 1. Een relais wordt bekrachtigd ("op") door stroom vanaf de rails. Daardoor toont het sein aan het begin van de spoorstroomloop groen.
Figuur 2. De as van de trein sluit de beide spoorstaven kort, waardoor het relais afvalt ("af") en het sein rood toont.

Een spoorstroomloop is een stroomkring in een spoorweg. De spoorstroomloop wordt gebruikt voor de detectie van treinen. Dit is van belang voor rijwegbeveiliging en blokbeveiliging. Met deze beveiligingen wordt voorkomen dat treinen naar eenzelfde spoor geleid kunnen worden en onderling botsen. Ook overwegen kunnen worden aangestuurd door spoorstroomlopen. De spoorstroomloop wordt soms ook gebruikt om signalen naar een trein te verzenden, door de spoorstroomloop in pulsen te laten lopen, of door de frequentie van de spoorstroomloop te moduleren. Het gaat hierbij vaak om informatie voor treinbeïnvloedingssystemen.

Spoorstroomloop voor blokbeveiliging

Als er geen trein in het blok aanwezig is (figuur 1), is er een spoorstroomloop van (en naar) de stroombron via de spoorstaven naar een relais dat beide spoorstaven met elkaar verbindt. Dit spoorrelais is een onderdeel van de spoorstroomloop. De spoel in het relais trekt de relaiscontacten aan, waardoor het sein aan het begin van het blok groen licht zal tonen. Het blok is immers vrij. Als er wel een trein in het blok aanwezig is (figuur 2), dan zal de kortgesloten worden door de wielen en assen van de trein. Er loopt geen stroom meer door de spoel van het relais en het relais valt dan ook af. Daardoor komen de relaiscontacten in hun rustpositie waardoor het sein aan het begin van het blok rood licht zal tonen.

Laagfrequente spoorstroomloop

De oudste en nog steeds meest gebruikte vorm van treindetectie in Nederland is de laagfrequente spoorstroomloop. De spoorstroomloop is uitgevonden door William Robinson en is al in 1872 gepatenteerd en werd op de markt gebracht door het bedrijf GRS dat nu in handen is Alstom. De spoorstroomloop is opgebouwd rondom een elektromagnetisch B2 Vane-relais, of rond een modernere elektronische apparatuur, de ETR (electronic track relay). Laagfrequent spoorstroomlopen kennen een wisselspanning van 50 tot 100 Hz. In Nederland wordt 75 Hz gebruikt. Op de plaats van overgangen van secties moeten de spoorstaven elektrisch van elkaar worden geïsoleerd. Daartoe zijn elektrische scheidingslassen ontwikkeld.

Specifieke storingen

De spoorstroomloop, ook de elektronische schakelingen daarvan, zijn zo ontworpen dat bij voorzienbare storingen de gevolgen altijd de veilige kant opwerken. Hierdoor worden blokken onterecht bezet gemeld, gaan spoorbomen omlaag en gaan seinen op rood. Daarmee is het systeem faalveilig.

• Bij een stroomstoring zal het relais afvallen.
• Ook bij een of een spoorstaafbreuk zal het relais afvallen.
• Het relais af als hoge buitentemperaturen gevolgen heeft voor de eigenschappen van bijvoorbeeld condensatoren en spoelen in de elektronische componenten van de spoorstroomloop.

Toepassing bij spoorwerkzaamheden

Bij spoorwerkzaamheden plaatsen de spoorwerkers soms een zelfsignalerende kortsluitlans. Deze sluit de spoorstaven kort, waardoor het blok bezet wordt gemeld en de toeleidende seinen de toegang verbieden. Een led meldt het lopen van de kortsluitstroom.

Spoorstroomlopen bij elektrische tractie

Bij spoorlijnen met elektrische tractie worden de spoorstaven ook gebruikt voor het geleiden van de retourstroom. Bij een elektrificatiesysteem op basis van gelijkstroom bestaan hiervoor twee systemen:

• Enkelbenige spoorstroomloop: een van de spoorstaven van een spoor is voorzien van geïsoleerde lassen. Deze spoorstaaf wordt (elektrisch) uitsluitend door de spoorstroomloop gebruikt. De andere spoorstaaf heeft geen geïsoleerde lassen, zodat de retourstroom hier ongehinderd door kan vloeien (en vormt tevens het andere 'been' van de spoorstroomloop). Deze oplossing is eenvoudig (vooral handig bij wissels) en relatief goedkoop. Nadeel is dat de retourstroom (enkele duizenden ampères) slechts door een van de twee spoorstaven kan lopen. Enkelbenige spoorstroomlopen komen voornamelijk voor op emplacementen.
• Dubbelbenige spoorstroomloop: beide spoorstaven van een spoor zijn voorzien van geïsoleerde lassen. De retourstroom, die gelijkstroom is, kan deze lassen passeren dankzij railspoelen. De 75 Hz wisselstroom van de spoorstroomloop wordt door deze spoel tegengehouden. Voordeel is dat nu beide spoorstaven gebruikt worden voor de geleiding van de retourstroom. Dubbelbenige spoorstroomlopen komen voornamelijk voor op de vrije baan.

Laagfrequente spoorstroomlopen met ATB-EG-pulsen kunnen alleen gebruikt worden in combinatie met gelijkstroomvoeding van de bovenleiding.

Prikspanningspoorstroomloop (PSSSL)

PSSSL-kastje

Bij een spoorstroomloop helpt de retourstroom van elektrisch materieel mee bij een goede treindetectie. Niet-elektrisch materieel met een lage asdruk en goede loopeigenschappen kan echter detectieproblemen veroorzaken op sporen met een roestlaagje. Op de spoorstroomloop wordt dan een pulserende hogere spanning gezet (ongeveer zoals bij schrikdraad), die door het roestlaagje "heenprikt". Een prikspanningspoorstroomloop (PSSSL) wordt voornamelijk gebruikt bij stations. Het systeem is te herkennen aan witte, rechthoekige kastjes bij het spoor. PSSSL wordt ook vaak gebruikt om de spoorstroomloop op weinig bereden sporen te verbeteren (bijvoorbeeld emplacementen). Bij Nederlandse overwegen in PSSSL-gebieden stonden gele waarschuwingsbordjes met de tekst "Dierbegeleiders opgelet: spoor kan onder spanning staan". Inmiddels is PSSSL bij overwegen verwijderd om schrikreacties bij dieren te voorkomen.

Hoogfrequente- of toonfrequente spoorstroomloop

Hoogfrequente spoorstroomlopen worden ook wel 'toonfrequente spoorstroomlopen' of 'toonspoorstroomlopen' genoemd. Bij toonfrequentie spoorstroomlopen worden frequenties gebruikt vanaf ongeveer vijftienhonderd Hertz. Toonfrequente spoorstroomlopen zijn bekend onder hun commerciële namen, JADE (jointless audio-frequency detection) van Alstom, FTGS (Ferngespeiste Tonfrequenz-Gleisstromkreise von Siemens) en zijn opvolger opvolger TCM 100 (track circuit module 100).

Secties met toonfrequente spoorstroomlopen worden niet gescheiden met geïsoleerde lassen. Op één spoor worden steeds twee frequenties afwisselend gebruikt. De secties met verschillende frequenties sluiten niet helemaal aan, er zit een afstand van een meter of twintig tussen. Iedere spoorsectie heeft zijn eigen 'zender' (voedingspunt) en 'ontvanger', die registreert of de spoorstroomloop kortgesloten is, en dus of de sectie bezet is. Zowel de zender als de ontvanger corrigeren voor de invloed van de naastgelegen sectie, waar een spoorstroomloop met een andere frequentie aanwezig is.

Voordelen van de toonfrequente spoorstroomloop zijn:

• Er zijn vrijwel geen geïsoleerde lassen nodig
• Bij geëlektrificeerd spoor zijn geen spoelen nodig om de retourstroom van de bovenleiding over geïsoleerde lassen te geleiden

Nadelen zijn:

• Een grotere gevoeligheid voor blikseminslag
• Bij de overgangen tussen de secties kunnen geen spoelen of andere voorzieningen voor de geleiding van de retourstroom geplaatst worden omdat dit de werking van de spoorstroomloop kan storen

De toonfrequente spoorstroomloop wordt toegepast op het emplacement van Venlo en de spoorlijn naar Kaldenkirchen, bij de Rotterdamse metro, de Franse TGV-lijnen. Ook wordt dit systeem toegepast op de Havenspoorlijn Rotterdam en de rest van de Betuweroute. Tussen Maasvlakte en Kijfhoek is JADE in gebruik.

Roestrijden

Een dun laagje roest kan de spoorstroomloop onderbreken en zo de bezetmelding onbetrouwbaar maken. Daarom moeten alle geïsoleerde wissels en sporen eenmaal per 24 uur bereden worden door minimaal 10 assen. Bij de meeste baanvakken wordt daar wel aan voldaan. Soms wordt een trein over een weinig bereden spoor geleid om roest te verwijderen, men spreekt dan over roestrijden.

Treinbeïnvloeding en cabinesignalering

Het treinbeïnvloedingssysteem ATB-EG gebruikt de spoorstroomloop om informatie van baan naar trein over te dragen door de spoorstroomloop in een bepaald ritme in pulsen te voeden. Opneemspoelen aan de trein pikken het ritme van de stroompulsen op. Apparatuur in de trein kan op basis van deze informatie een maximumsnelheid voor de trein aflezen, en afdwingen dat geremd wordt als dit maximum wordt overschreden. Dit systeem is begin jaren dertig van de vorige eeuw ontwikkeld door het Amerikaanse bedrijf GRS.

Bij de moderne toonfrequente spoorstroomloop wordt niet de stroom zelf kort onderbroken, maar worden voor de spoorstroomloop wisselstromen met verschillende frequenties toegepast. Dit noemt men frequentiemodulatie. Dit principe, waarmee veel meer informatie overgedragen kan worden, wordt onder meer toegepast bij het cabinesignaleringssysteem van de Rotterdamse metro en de Franse hogesnelheidslijnen.