Hilfsstromversorgung in Schienenfahrzeugen: Kleintransformatoren mit verstärkter Isolierung nach EN 50155

Dieser Beitrag richtet sich an Entwickler von Stromversorgungen und Magnetbauteilen sowie an Einkaufsingenieure für elektronische Betriebsmittel auf Schienenfahrzeugen (Rolling Stock). In Ihrem Fahrzeuggerät sitzt in der Regel ein kleiner Transformator der Hilfsstromversorgung (Auxiliary Power), der aus der Batteriesammelschiene gespeist wird und Niederspannungslasten für Steuerung und Kommunikation versorgt – und der unter den rauen Bedingungen der EN 50155 die Isolation über die Hochspannungsbarriere hinweg leisten muss. Ausgehend von der Endanwendung zeigt der Beitrag, dass die verstärkte Isolierung (Reinforced Insulation) dieses Kleintransformators den Weg über IEC 62368-1 Annex J nimmt, dass dieser Zertifizierungsweg tatsächlich existiert, und grenzt die Rollen von „Freigabedokument des Drahts“ und „Gerätequalifikation“ voneinander ab. Alle Produktwerte von DAH JIN TECHNOLOGY gelten „gemäß Freigabedokument“.

1. EN 50155: die Umweltschwelle für elektronische Betriebsmittel auf Schienenfahrzeugen

EN 50155 ist die zentrale Norm für elektronische Betriebsmittel auf Schienenfahrzeugen (identisch mit IEC 60571) und legt die Bedingungen auf Geräteebene fest: Temperatur, Feuchte, Schock, Schwingung, Versorgungsspannung und elektromagnetische Verträglichkeit (EMV). Sie ist keine Bauteilnorm, sondern die Qualifikation auf Geräteebene – „ob das Gerät im Fahrzeug überlebt und ordnungsgemäß arbeitet“. Die wichtigsten Punkte:

• Temperatur: EN 50155 definiert mehrere Betriebstemperaturklassen; je nach Klasse und Ausgabe decken sie grob den Bereich von −40°C bis +70/+85°C ab, während die tatsächliche Temperatur im Gehäuse nahe der Leistungsstufe oft höher liegt.
• Schock und Schwingung: Die mechanischen Prüfungen erfolgen nach EN 61373.
• EMV: Störaussendung und Störfestigkeit der Fahrzeuggeräte richten sich nach EN 50121 (-3-2).
• Versorgungsunterbrechungen: Klasse S2 verlangt beispielsweise, Unterbrechungen von mindestens 10 ms zu überbrücken.

Zur Abgrenzung: Vollständige Stromrichter (Traktions-/Leistungsstromrichter) fallen gesondert unter EN 61287-1, Software unter EN 50657 und funktionale Sicherheit unter EN 50129. Der hier behandelte „Kleintransformator der Hilfsstromversorgung“ ist die Niederspannungs-Isolationsstufe im Inneren des Fahrzeuggeräts, nicht der Haupt-Traktionsstromrichter. Normabschnitte werden nur angerissen und nicht Punkt für Punkt ausgeführt.

2. Die Position der Hilfsstromversorgung im Fahrzeug: von der Batteriesammelschiene zur Niederspannungslast

Aufgabe der Hilfsstromversorgung im Fahrzeug ist es, die Batterie-/Sammelschienenspannung zu isolieren, auf den Bereich der Niederspannungslasten (Steuerung, Kommunikation, Sensorik) herabzusetzen und zwischen Hochspannungs- und Niederspannungsseite eine galvanische Trennung herzustellen. Drei Realitäten der Auslegung:

• Batteriespannung: Im Bahnbereich sind fünf Nennspannungen der Fahrzeugbatterie üblich – 24 V, 48 V, 72 V, 96 V und 110 V –, am häufigsten 72 V und 110 V (je höher die Spannung, desto geringer der Strom bei gleicher Leistung, was Leitungsgewicht und Bauraum spart). Manche Systeme sind erdfrei (IT-System) ausgeführt, keine der beiden Stromschienen ist direkt geerdet; daher ist auch die Polaritätsschreibweise −72 V/−110 V gebräuchlich.
• Die Isolationsspannung steigt mit der Spannung (Branchenpraxis auf Basis von EN 50155, siehe Tabelle unten).
• Weiter Eingangsbereich, Stoßfestigkeit: Die Geräte müssen Spannungseinbrüche (z. B. 0.6×VN für 100 ms) und Überspannungsstöße (z. B. 1.4×VN für 1 s) vertragen; strengere Fälle müssen zusätzlich die Stoßbedingungen nach RIA 12 mit 1.5× (1 s) und 3.5× (20 ms) erfüllen.

• < 72 VDC — Empfohlene Isolation (Branchenpraxis)：500 VAC
• 72–125 VDC — Empfohlene Isolation (Branchenpraxis)：1000 VAC/1500 VDC
• 110 V (Erhaltungsladung bis über 125 V) — Empfohlene Isolation (Branchenpraxis)：üblicherweise 1500 VAC empfohlen
• Spannungsfestigkeit/Prüfwerte der DAH JIN-Drähte — Empfohlene Isolation (Branchenpraxis)：gemäß Freigabedokument

Das ist die Realität des Kleintransformators der Hilfsstromversorgung: ein Transformator geringer Baugröße, der bei weitem Eingangsbereich, harten Stoßbedingungen und über die Hochspannungsbarriere hinweg eine vollwertige Isolation leisten muss.

3. Wie die Isolationsbarriere überbrückt wird: der Reinforced-Weg nach IEC 62368-1 Annex J

Um in einem Kleintransformator eine verstärkte (reinforced) Isolation zu erreichen, stützt sich die klassische Bauweise auf Randisolierung (Margin Tape) und Lagenisolation: An beiden Enden des Wickelkörpers werden Kriechstrecke (Creepage) und Luftstrecke (Clearance) aufgebaut, um Primär- und Sekundärwicklung zu trennen. Der Transformator der Hilfsstromversorgung hat jedoch wenig Bauraum und ein knappes Wickelfenster – je breiter die Randisolierung, desto schwieriger ist der Draht unterzubringen.

Die gängige Lösung ist der Wechsel auf einen zugelassenen dreifach isolierten Draht (TIW). Nach IEC 62368-1 Annex J kann ein isolierter Wickeldraht, der für sich allein nach diesem Anhang bewertet wurde, mit seinem dreischichtigen Aufbau als verstärkte Isolierung der Wicklung dienen (reinforced = Basisisolierung + zusätzliche Isolierung, näherungsweise drei Schichten). Da die Isolation vom Draht selbst erbracht wird, können Primär- und Sekundärwicklung verschachtelt gewickelt werden; die mit Klebeband aufzubauenden Kriech-/Luftstrecken und Isolationsbarrieren entfallen. Genau hier liegt die Stärke des Kleintransformators der Hilfsstromversorgung – „mit einem einzigen Draht die verstärkte Isolation herstellen und das Volumen klein halten“ –, und der Zertifizierungsweg ist eindeutig vorhanden.

• Quelle der verstärkten Isolation — Klassische Bauweise mit Randisolierung：Randisolierung an beiden Enden des Wickelkörpers + Lagenisolation bauen Kriech-/Luftstrecke auf；Zugelassener dreifach isolierter Draht (Annex J Reinforced)：Die dreischichtige Isolierung des Wickeldrahts selbst liefert Reinforced
• Wickelfenster — Klassische Bauweise mit Randisolierung：Ränder beanspruchen viel Platz, kleine Wickelkörper werden eng；Zugelassener dreifach isolierter Draht (Annex J Reinforced)：Keine Randisolierung, Wickelfenster wird frei
• Anordnung Primär/Sekundär — Klassische Bauweise mit Randisolierung：Müssen in getrennte Bereiche gelegt werden；Zugelassener dreifach isolierter Draht (Annex J Reinforced)：Verschachtelt wickelbar, keine Isolationsbarriere nötig
• Bewertungsnorm — Klassische Bauweise mit Randisolierung：Bewertung nach der Kombination aus Klebeband und Aufbau；Zugelassener dreifach isolierter Draht (Annex J Reinforced)：IEC 62368-1 Annex J (TLW-F zusätzlich UL 2353)
• Drahtdurchmesser/Spannungsfestigkeit DAH JIN — Klassische Bauweise mit Randisolierung：—；Zugelassener dreifach isolierter Draht (Annex J Reinforced)：gemäß Freigabedokument

Der dreifach isolierte Draht der DAH JIN TLW-Serie ist nach VDE 40008834 (Annex J/IEC 62368-1) als Reinforced bewertet (TLW-F zusätzlich UL 2353 Reinforced). Die Zuordnung von Annex J zu 61558 Annex K finden Sie unter IEC 62368-1 Annex J und 61558 Annex K; die Gegenüberstellung der Typprüfungen nach Annex J/K/L unter Typprüfungen: Gegenüberstellung Annex J/K/L.

4. Thermische Umgebung und Aufteilung der Zertifizierung: das Freigabedokument des Drahts ist keine Gerätequalifikation

Der Kleintransformator der Hilfsstromversorgung sitzt oft dicht an der Leistungsstufe und ist schlecht entwärmt; die Innentemperatur kann deutlich über der Umgebungstemperatur außerhalb des Fahrzeugs liegen. Hier wird die Wärmeklasse (Thermal Class) des Drahts relevant:

• Die Temperaturbeständigkeit der DAH JIN TLW-Drähte hängt vom Typ ab – TLW-F ist Klasse F (Class F), 155°C; TLW-B/TLW-BB/TLW-B7S sind 130(B). Bei der Auswahl wird die Wärmeklasse des Typs der thermischen Umgebung zugeordnet; die konkreten Werte gelten gemäß Freigabedokument.
• Zu unterscheiden sind jedoch zwei Arten von „Qualifikation“: Das Freigabedokument des Drahts definiert das Material (Typ und Drahtdurchmesserbereich, Bewertung der verstärkten Isolierung, Wärmeklasse); EN 50155/EN 61373 (Schwingung)/EN 50121 (EMV) sind die Qualifikation des fertigen Magnetbauteils und des Gesamtgeräts unter Bahnbedingungen. Die Wärmeklasse des Drahts ist nicht gleichbedeutend mit der Gerätezertifizierung des Fertigprodukts unter kombinierten Schwingungs-, EMV- und Temperaturbedingungen und ersetzt sie auch nicht. Wärmeklasse des Drahts und Wärmeklasse des Systems/Fertigprodukts gehören zu getrennten Eintragungen, siehe Wärmeklasse des Drahts und Wärmeklasse des Isoliersystems.

Kurz gesagt: Der dreifach isolierte Draht hilft Ihnen, im kleinen Wickelfenster die verstärkte Isolation über die Hochspannungsbarriere hinweg zu erreichen und über die Wärmeklasse des Typs die thermische Umgebung im Fahrzeug abzudecken; die Verantwortung dafür, „ob dieser Transformator, dieses Gerät die EN 50155 besteht“, liegt jedoch weiterhin bei Entwicklung und Verifikation des fertigen Magnetbauteils und des Gesamtgeräts. Als ersten Schritt der Auswahl empfehlen sich der TIW-Auswahlleitfaden und die TIW-Zertifizierungskette.

DAH JIN TECHNOLOGY ist Drahthersteller (kein Handelsunternehmen) und fertigt im eigenen Werk in Guiren, Tainan, Taiwan; der in der UL-Registrierung angegebene Fertigungsstandort ist dieses Werk – hergestellt in Taiwan.