Das Unterwerk

wird in Fachkreisen auch Gleichrichterwerk genannt. Die Bezeichnung Unterwerk resultierte aus dem Umstand, daß ein Gleichrichterwerk einem Schaltwerk untergeordnet ist.  In Berlin gibt es derzeit weit über 80 dieser Werke.  Unterwerke befinden sich möglichst dicht an Bahnhöfen, um hohe Anfahr-Energien der Züge bereit zu stellen.   Begründet durch unterschiedliche Anforderungen des Bahnstrombetriebes kam es im Laufe der Jahre zu unterschiedlichen Bauformen. Auf Grund der umfangreichen Dimensionen der Schaltanlagen benötigte man dementsprechend auch große Gebäude Auf Grund der umfangreichen Dimensionen der Schaltanlagen benötigte man dementsprechend auch große Gebäude. Für die schweren Einanker-Umformer war eine hohe Deckenbelastung wichtig. So baute man in den Anfangsjahren viele zweigeschossige Unterwerke. Mit Beginn der „großen Elektrisierung“ der Stadt- und Ringbahn wurden kleinere, eingeschossige und unterkellerte Werke im Stadtgebiet errichtet.
Je weiter die Entwicklung der Elektrotechnik voran schritt, desto kleiner wurde im Laufe der Jahrzehnte der Platzbedarf für eine Schaltanlage. Heutzutage benötigen moderne Unterwerke mit ihrer integrierten Hochleistungs-Elektronik nur  ¼ der Fläche und bieten dafür ein Vielfaches an Funktionen zur Sicherung der Bahnstromversorgung.Die verschiedenen Bauformen stellen wir demnächst an dieser Stelle mit einer detaillierten Fotogalerie vor.


Im Regelfall besitzt ein Unterwerk der Berliner S-Bahn

2 ankommende 30kV Erd-Kabel und
2 zum nächsten Unterwerk abgehende 30kV Erd-Kabel.
und  ist mit mindestens 2 Gleichrichtergruppen, bestehend aus Gleichrichter und Transformator, ausgestattet.


Die 30kV Ebene

Jeweils ein ankommendes und ein abgehendes Kabel gehen über einen Leistungsschalter und einen Sammelschienentrenner auf eine von zwei 30kV Sammelschienen. Diese  Sammelschienen können je nach Bauform der Schaltanlage bei Bedarf über einen Kuppel-Leistungsschalter miteinander verbunden werden. Von diesen Sammelschienen gehen auch die Betriebsmittel zur Stromversorgung des jeweiligen Streckenabschnittes und die Eigenbedarfstransformatoren ab. Um 750V Fahrspannung bereit zu stellen, müssen die ankommenden 30kV Drehstrom transformiert werden. Zur Transformation wurden offene Öl-Transformatoren eingesetzt. Auf Grund von Weiterentwicklungen werden derzeit nur noch Gießharz-Trafos verwendet.
1924 wurden zur „Energieumformung“ Einanker-Umformer  mit einer Leistung von 2000kW verwendet.Dies hatte aber erhebliche Nachteile:
Sie waren nicht überlastbar, reagierten sehr empfindlich auf Kurzschlüsse und hatten wegen ihrer rotierenden Teile ein nur kurze Lebensdauer von ca. 10 Jahren. Aus diesen Gründen installierte man ab 1927 wassergekühlte Quecksilberdampf-Gleichrichter mit 12 Anoden.  Diese waren im Betrieb so erfolgreich, dass man 1932 damit begann, alle Einanker-Umformer gegen Quecksilberdampf-Gleichrichter auszutauschen. Die Wasserkühlung benötigte man zur Abfuhr der Verlustwärme. Dafür wurde eine aufwendige, kostspielige Rückkühlanlage benötigt. 1940 dann konnte man luftgekühlte Quecksilberdampf-Gleichrichter einsetzen. Diese bestanden aus 2 Gefäßen mit jeweils 6 Anoden und bildeten somit eine Gleichrichtergruppe. Als die Halbleiterelektronik sich im industriellen Bereich etablierte, wurden ab 1968 Silizium-Gleichrichter eingesetzt. Die letzten Quecksilberdampf-Gleichrichter wurden im Jahr 2001 im Unterwerk Mühlenbeck ausgemustert.


Gleichspannungsschaltanlage 750 V DC  

Die Hauptaufgabe der Gleichspannungsschaltanlage besteht in der Verteilung der Gleichspannung auf die einzelnen Speiseabschnitte.
Die Streckenabzweige sind mit Streckenprüfeinrichtungen unterschiedlichster Funktionsprinzipien ausgerüstet. Die Prüfung der Strecke, nach Auslösung des Streckenschalters infolge Kurzschluß, erfolgt automatisch.    Die Streckenschalter stellen das wichtigste Schaltglied der Gleichspannungsschaltanlage dar. Nach dem Eintreten eines Kurzschlusses schaltet der Streckenschalter in wenigen Millisekunden den Kurzschluß ab. Viele Typen befanden bzw. befinden sich im Einsatz
Bestandteil der Gleichspannungsschaltanlage ist auch die Plusanlage (Rückleitungspol). Sie wurde in der Vergangenheit häufig als separate Anlage errichtet. Der heutige Gleichrichterschrank integriert die Plus-sammelschiene (s. Bild 35). Der Anschluß der Kabel von den Fahrschienen, des Parallelen Rückleiters und weiterer notwendiger Verbindungen erfolgt teilweise über Shunts oder direkt an die Sammelschiene. Die Plus-sammelschiene ist gleichzeitig der Anschlußpunkt für die Schutzmaßnahme „Verbindung der Rückleitung“.


Schaltstellen
Bei Gleichspannungsschaltanlagen ohne Umgehungssammelschiene und Ersatzschalter wird der Gleichspannungsschaltanlage eine Schaltstelle nachgeordnet.   Die Lasttrennschalter mit einem Nennstrom von 4 kA werden, je nach Vorgabe, in einem Baukörper in Fertigteilbauweise oder als Freiluftausführung aufgestellt.  Die Schaltung der Lasttrennschalter ermöglicht, neben der Direktspeisung der Strecke, eine Vielzahl von Schaltungen, mittels Längs- und Querkupplungen, u. a. für den Störungsfall.   Für alle Speisemöglichkeiten ist die Kurzschlußsicherheit meßtechnisch nachzuweisen.


Eigenbedarfsanlagen
Die noch im großen Umfang in Betrieb befindlichen Anlagen, bestehend aus 2 Eigen-bedarfstransformatoren und der Niederspannungsschaltanlage mit den Sammelschienen für wichtige und unwichtige Verbraucher, wird bei den zukünftig zu bauenden Unterwerken nicht mehr angewendet. Durch die Anordnung einer Zusatzwicklung im Gleichrichtertransformator wird die Spannung für das Eigenbedarfsnetz von 400 V AC erzeugt. Die Leistung von 100 kVA / Gleichrichtertransformator ist ausreichend für alle Leistungsanforderungen. Die nachgeschaltete Niederspannungsschaltanlage aus 3 – 5 Schaltzellen verschaltet die Einspeisungen von den Eigenbedarfswicklungen, die Verbraucherabgänge und die Ortsnetzeinspeisung. Abhängigkeiten und Verriegelungen gewährleisten einen sicheren Betrieb


Lüftung / Heizung
Zur Abführung der Verlustwärme und aus bauphysikalischen Gründen sind Lüftungsanlagen notwendig. Bei älteren Unterwerken waren umfangreiche Lüftungsanlagen infolge der großen Wärmemengen, die bei den wasser – bzw. luftgekühlten Gleichrichtern entstanden, unabdingbar. Eigene Räume für die Unterbringung dieser Anlagen und umfangreiche Rohrleitungsanlagen waren Bestandteil der Raumkonzeption. Moderne Unterwerke zeichnen sich durch eine kombinierte Lüftungs- und Heizungsanlage aus. Für die Transformatorzellen wird grundsätzlich eine natürliche Lüftung vorgeschrieben.


Kabelanlagen
Die Verknüpfung der elektrischen Anlagen eines Unterwerkes erfolgt durch eine Vielzahl von Steuer – und Leistungskabel mit verschiedenen Querschnitten und Merkmalen. Mit der Einführung der Unterwerksleittechnik und der Lichtwellenleiter wird hoffentlich der Umfang der Steuerkabelpakete stark abnehmen. Die Glasfaserkabel dienen der Verknüpfung der Anlagen, der Übertragung von Informationen und der Steuerung von Prozessen zur Betriebsführung.     Die Leistungskabel aller Spannungsebenen stellen einen erheblichen Anteil der elektrischen Ausrüstung dar. Aufgrund der hohen Brandlast wird ein sinnvoller Einsatz von brandlastreduzierten bzw. halogenfreien Kabeln angestrebt.


Fernsteuerung / Leittechnik
Die Überwachung und Steuerung der Anlagen eines Unterwerkes wird mittels Fernwirkanlagen vorgenommen. Nach dem Einsatz von Wählersteuerungen ab 1930, der anschließenden Umstellung auf Relaissteuerungen erfolgt nun die komplette Umrüstung auf eine rechnerkompatible Fernwirktechnik. Die derzeitige Umrüstung steht in engem Zusammenhang mit dem Aufbau einer rechnergestützten Netzleitstelle in Markgrafendamm.   Die Steuerung der Unterwerksprozesse erfolgt zukünftig über eine zentrale Stationsleittechnik auf der Basis von Industriestandards. Alle Anlagen des Unterwerks werden mit entsprechenden Feldbausteinen an die Leittechnik angeschlossen.


Ausblick
Neben den aufgeführten Anlagen werden noch weitere Geräte und Ausrüstungen für die sichere Funktion eines Unterwerkes benötigt. Auch diese Komponenten unterliegen einer ständigen Anpassung.Zur Durchsetzung eines einheitlichen Standards, sowohl für den Baukörper als auch für die Ausrüstung, ist ein einheitliches Konzept entwickelt worden. Dieses Konzept beinhaltet eine wesentliche Verminderung des Aufwandes bei Gewährleistung der betrieblich notwendigen Funktionalität. Grundlage für die Bemessung eines Unterwerkes ist das zukünftige Betriebsprogramm der S-Bahn, unter Beachtung des Einsatz moderner Fahrzeuge mit einer Stromaufnahme von 4000 A und der Einhaltung der elektrotechnischen Sicherheitskriterien.