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Bahntechnik

Wie zuverlässig sind Bahnstromversorgungen wirklich?

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Was bedeutet nun ein MTBF-Wert von z.B. 250.000 h mit TU = 40 °C, UE = UE.nenn und IA = IA,nenn als Referenzbedingungen? Bei statistischen Betrachtungen sind immer größere Mengen oder Stückzahlen zu betrachten, ansonsten kann man keine sinnvollen Vergleiche anstellen. So beträgt z.B. die Wahrscheinlichkeit, beim Würfeln eine 6 zu erhalten, 1/6. Wenn man lange genug würfelt (z.B. n = 1000) wird sich auch ein Wert zwischen 160 und 174 einstellen (1000/6 ≈ 167). Ähnlich verhält es sich mit der Betrachtung von Ausfallwahrscheinlichkeiten bei elektronischen Geräten: Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Gerät nach 25 Jahren noch funktioniert beträgt für einen spezifizierten MTBF-Wert von 250.000 h:

R = e–25·350·18/250.000 ≈ 53%

Dabei wird vorausgesetzt, dass über diesen Zeitraum die eingangs festgelegten Umgebungsbedingungen von TU = 40 °C, UE = UE,Nenn und IA = IA,Nenn herrschen.

Wie oft fällt eine Lok zwischen Berlin und Moskau aus?

Sind von einem solchen Gerät 1000 Einheiten im Feld, so dürften rein statistisch 470 Einheiten in 25 Jahren ausfallen. Ein Beispiel: Bei der Fahrt einer Lokomotive mit einem Batterieladegerät von Berlin nach Moskau und zurück legt diese eine Strecke von rund 3600 km mit einer Geschwindigkeit v = 100 km/h zurück. Damit ergibt sich aus v = s/t eine Fahrtdauer von t = s/v = 3600 km / 100 km/h= 36 h. Die Ausfallwahrscheinlichkeit des Ladegerätes errechnet sich dann folgendermaßen:

F = 1 – R

F25 Jahre= 1 – 0,53 = 0,47,

F1 Jahr = 0,47/25 = 0,0188,

F1 Tag = (0,0188/350) = 5,37 · 10–5,

F36 Stunden = 1,5 · 5,37 · 10–5 = 8 · 10–5.

Bei einer Flotte von 1000 Loks läge das Ausfallrisiko pro Ausfahrt bei 8%. Das bedeutet, für jede Ausfahrt innerhalb der Brauchbarkeitsdauer ist mit 8%iger Wahrscheinlichkeit mit einem Geräteausfall zu rechnen. Der Ausfall kann zu jedem beliebigen Zeitpunkt innerhalb der Brauchbarkeitszeit erfolgen, siehe Badewannenkurve! Eine Möglichkeit, die Verfügbarkeit zu erhöhen, bzw. die Ausfallwahrscheinlichkeit zu reduzieren, wäre z.B. ein redundanter Aufbau.

Aus dem bislang gesagten wird jetzt auch ersichtlich, dass mit solchen Werten sorgsam und vorsichtig umgegangen werden muss. Nichts geht jedoch über Felderfahrung. Eine hohe Zuverlässigkeit bei den Versorgungen lässt sich nur mit dem sorgfältigen Abgleich aus zur Verfügung stehenden Herstellerangaben und tatsächlichen Felderfahrungen ableiten, um fortlaufend Verbesserungen umzusetzen.

Faktoren, die Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit beeinflussen

Um eine zuverlässige und auch verfügbare Stromversorgungslösung zu planen, zu entwickeln und zu bauen, spielt die Erfahrung eine dominierende Rolle. Der MTBF-Wert alleine gibt keine Garantie über die ordentliche Funktion eines Gerätes. Da spielen noch einige andere Faktoren eine wichtige Rolle. So kann es auch zu Systemstörungen führen, wenn die Wandler keine definierte Strombegrenzungsfunktion besitzen, regelungstechnisch unsauber agieren (Regelschwingungen bei wechselnden Last- und Eingangsspannungen).

MTBF-Werte haben nicht immer ihre Berechtigung

Zusammenfassend kann man sagen, dass die MTBF-Werte nur unter bestimmten Voraussetzung ihre Berechtigung haben:

  • Saubere und ausreichende Dimensionierung (statisch und dynamisch),
  • ordentlicher Verarbeitungs- und Prüfprozess,
  • qualitative einwandfreie Bauelemente und Materialien,
  • realistische Bestimmung der fit-Werte unter realistischen Einsatzbedingungen,
  • Einteilung der Ausfallteile in Funktionsblöcke.

Vorsicht auch mit fit- bzw. MTBF-Angaben bei Wandlern, die in sehr großen Stückzahlen auf dem Markt gebracht werden. Oft stehen diese für längere Zeit in irgendwelchen Lagern von Distributoren und werden als Null-Ausfallrate mit in die Herstellerangaben mit eingearbeitet.

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