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Einrichtung für die Hochfrequenztelegraphie und-Telephonie in Hochspannungs- Freileitungsnetzen.
Bei der Nachrichtenübermittlung in Hochspannungs-Freileitungsnetzen mittels hochfrequenter Trägerwelle zeigt sich die Schwierigkeit ; dass der Nachrichtenverkehr häufig gestört wird, wenn im Betriebe der Starkstromenergieübertragung durch Schaltmassnahmen od. dgl. Änderungen im Netz vorgenommen werden. Die hochfrequenten Trägerwellen unterliegen vielfachen Absorptionserscheinungen und Reflexionen, die ebenfalls sich ändern, wenn Netzänderungen vorgenommen werden. Im normalen Betriebe sind die Freileitungen an die Sammelschienen der Zentralen oder Schalthäuser angeschlossen.
Wird die Energielieferung ausgesetzt, so liegen die Freileitungen an ihren Enden frei oder an Erde. Bei Arbeiten an der Freileitung wird sie beiderseits am Ende geerdet. Schon hieraus geht hervor, dass der Zustand des Leitungsnetzes für die Trägerfrequenz in diesen drei Fällen ein ganz verschiedener ist. Erfolgt beispielsweise die Ankopplung der Hochfrequenzapparate an die Freileitung mittels Hochspannungkondensatoren, so wirkt diese Art der Ankopplung (kapazitive oder Spannungskopplung) derart, dass am Anschlusspunkt des Kondensators an die Freileitung eine gewisse Spannung der Trägerfrequenz entsteht, die sich der niederfrequenten Betriebsfrequenz überlagert und sich über die Freileitung ausbreitet.
Das Sammelschienensystem der Zentrale nebst angeschalteten Transformatoren, Spannungswandlern etc. besitzt für die Trägerfrequenz je nach deren Grösse einen mehr oder minder grossen scheinbaren Widerstand, der bei Anschaltung der Freileitung für die Trägerfrequenz in Nebenschluss gelegt ist. Ist der Scheinwiderstand der Zentrale klein, was meistens der Fall ist, so bringt der Nebenschluss für die Trägerfrequenz starke Verluste mit sich und es wird an sich schwierig, die für eine gute Verbindung notwendige Anfangsspannung auf die Freileitung zu bringen. Wird die Freileitung von den Sammelschienen getrennt, so fällt die Verzweigung des Sammelsehienensystemes, die eine starke Parallellast für die Trägerfrequenz
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phonieverbindung wird gestört.
Wird die Freileitung in der Zentrale sogar geerdet, so sinkt die Anfangsspannung infolge des Kurzschlusses auf Null und die Telephonieverbindung versagt vollständig.
Gemäss der vorliegenden Erfindung werden diese Nachteile dadurch beseitigt, dass kapazitive oder induktive Ausgleichs-oder Dämpfungsmittel in Serie oder parallel zu den Hochspannungsapparaten und der Leitung eingeschaltet werden, die je nach dem vorhandenen Zustand des Freileitungsnetzes derart wirksam werden, dass die verschiedenen Zustände der Freileitungen bezüglich der Trägerfrequenz
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Auf der Zeichnung sind einige Beispiele für die Einschaltung derartiger Mittel veranschaulicht.
Es ist schon erwähnt worden, dass die Einrichtungen der Zentrale bzw. des Schalthauses für die Trägerfrequenz einen gewissen Scheinwiderstand besitzen. Die einzelnen Sammelschienen sind kapazitiv oder induktiv gegen Erde oder untereinander geschlossen, die Transformatoren oder Spannungswandler besitzen je nach Grösse der Träger ! requenz für diese induktiven oder kapazitiven Charakter. Für das ganze Hochspannungssystem einer Zentrale kommt so irgend ein Scheinwiderstand heraus. Im Falle der Benutzung hoher Trägerfrequenzen und Erdrückleitung repräsentiert die Schaltanlage z. B. meistens einen verhältnismässig sehr kleinen kapazitiven Widerstand.
Nach der Erfindung kompensiert man durch Nebensehlussapparate entgegengesetzten Phasen- chsrakters den Charakter dieser Trägerfrequenzbel-tuna : durch de Zentrale und erreicht dadurch, dass
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diese der Belastung durch einen hohen Ohmschen Widerstand gleichkommt. Bei Abschaltung der Freileitung wird dann am Endzustand bezüglich der Trägerfrequenz praktisch nichts geändert.
Fig. 1 veranschaulicht rein schematisch diese Kompensation. 1 ist die Freileitung, 2 bedeutet den Komplex der gesamten Zentraleneinrichtung, 3 die parallel geschaltete Kompensation, die also bei kapazitivem Charakter der Belastung 2 für die benutzte Trägerfrequenz eine Induktivität, bei induktivem Charakter von 2 eine Kapazität sein muss. 4 ist die irgendwie an die Leitung 1 angekoppelte Hochfrequenz- apparatur und 5 ein Trennschalter.
Die Phasenkompensation kann auch mehrwellig vorgenommen werden, wenn für die Telephonieverbindung mehrere Trägerfrequenzen benutzt werden. Die Nebenschlussapparate 3 werden über hohe Scheinwiderstände für den niederfrequenten Betriebsstrom, etwa Hochspannungskondensatoren, an die Hochspannung angeschlossen.
Durch die Anwendung dieser Phasenkompensation an Zwisehenschaltstationen können erhebliche
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kreise für die Trägerfrequenz schaltet. Fig 2 erläutert diese Schaltung. Zwischen dem Anschlusspunkt der Hochfrequenzapparatur 4 an die Leitung 1 und dem Trennschalter 5 liegt die Sperre 6 für die Trägerfrequenz. Die Kompensation 3 ist in diesem Falle nicht nötig. 7 ist ein Erdschalter. Man sieht, dass durch die Sperre 6 die Leitung 1 hochfrequenzmässig von der Zentrale etc. getrennt ist, so dass der Zustand der Leitung bezüglich der Trägerfrequenz für alle Scha1tmöglichkeiten derselbe bleibt.
Im Falle der Benutzung mehrerer Trägelfrequenzen benutzt man mehrere hintereinander geschaltete Sperrkreise, die untereinander gekoppelt oder ungekoppelt sein können. Bei zwei Trägerfrequenzen kann man z. B. durch Benutzung zweier hintereinander geschalteter, miteinander gekoppelter Sperrkreise mit nur einer Selbstinduktionsspule auskommen, die man mittels Kondensatoren in zwei Stufen entsprechend abstimmt. Man braucht so nui eine hochspannungssicher zu montierende Spule.
Diese Drosseln oder Sperrkreise müssen nun aber entsprechende Querschnitte besitzen, um den Betriebsströmen keinen erheblichen Spannungsabfall zu bieten. Da es sich in vielen Fällen um mehrere 100 Amp. handelt, und da man anderseits mit Rücksicht auf eine gute Wirkung der Drosseln oder Sperrkreise gewisse Induktanzwerte nicht unterschreiten darf, so stellen sich der praktischen Durchführung des Gedankens verschiedene Schwierigkeiten in den Weg. Die Drosseln oder Sperrkreise würden Dimensionen annehmen, die einen bequemen Einbau unmöglich und besondere konstruktive Vorrichtungen erforderlich machen.
Man kann aber mit einer kleinen Spule auskommen, wenn man gleichzeitig die Induktanz dieser Spule durch Ankopplung eines auf die Trägerfrequenz abgestimmten Kreises vergrössert. Die Spule braucht dann nur aus wenigen Windungen zu bestehen und lässt sich deshalb bequem in vorhandene Anlagen einbauen. Diese Phasenspule übernimmt gewissermassen lediglich die Aufgabe, den Betriebsstrom ohne beträchtlichen Spannungsabfall aufzunehmen, während der angekoppelte Kreis nur der Aufgabe der Induktanzerhöhung dient, ohne beträchtlichen Drahtquersehnitt besitzen zu müssen.
In Fig. 3 ist 8 die Phasenspule, 9 der zur Erhöhung ihrer Induktanz dienende Abstimmkreis.
Um Störungen des normalen Hochspannungsschutzsystemes zu vermeiden, können die Phasendrosseln durch eine bereits bei sehr geringen Spannungen ansprechende Funkenstrecke für die Überspannungswellen unwirksam gemacht werden. Dieselbe Methode empfiehlt sich auch zum Schutz der angekoppelten Kreise gegen Beschädigungen durch Überspannungen.
Im allgemeinen werden für die Hochfrequenztelephonie längs Hochspannungsleitungen zwei Wellen für den Gegensprechverkehr gebraucht. Es ist dann also notwendig, die Abtrennung der Freileitungen von den Zentral- oder Schalthäusern gleichzeitig für beide Frequenzen zu erzielen
Das kann dadurch erreicht werden, dass man zwei in Serie geschaltete Phasendrosseln (8', 8" bzw. 9', 9"in Fig. 3a und 3b) benutzt. Man kann sich jedoch die zweite Phasendrossel ersparen, wennl11an der ersten Drossel einen doppelwelligen Charakter gibt. Dies kann in verschiedener Weise geschehen.
Es können beispielsweise zwei getrennte, entsprechend abgestimmte Kreise 9,9'an die eine Drossel 8 gekoppelt werden, wie Fig. 3c zeigt, oder man benutzt nur eine Spule, die über eine Stromverzweigung
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umgekehrt.
Schliesslich kann man au. oh den ersten angekoppelten Kreis wiederum über eine kleine Spule mit einem weiteren koppeln, der für die zweite Trägerfrequenz in den ersten Kreis gerade den Scheinwiderstand überträgt, un ihn auch für die zweite Trägerfrequenz wirksam zu machen.
Die Belastung, die durch die Zentrale für die Trägerfrequenz herbeigeführt wird, ist nicht immer unerwünscht. Es gibt z. B. Kopplungsmethoden (sogenannte Stromkopplung), bei denen am Freileitungs- anfang sogar Kurzschluss (Erdschluss) erwünscht ist. In diesem Falle erfolgt der Abgleich der verschiedenen
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Endbeiastung oder sogar den Endkurzschluss für die Trägerfrequenz künstlich erzeugen. Diese Nebenschlussapparate sind zweckmässig noch vor den Freileitungsschaltern 5 der Zentrale anzuschliessen.
Der Anschluss erfolgt wiederum über hohe Scheinwiderstände für den niederfrequenten Betriebsstrom.
Ein Apparat, der diese Bedingungen erfüllt, besteht demnach zweckmässig aus einem Hochspannungs- kondensator in Serienschaltung mit einer Spule, deren induktiver Widerstand dem Betrage nach gleich dem kapazitiven Widerstand des Kondensators ist. Wählt man diesen Endkurzsehluss (Nebenschlussapparat in Spannungsresonanzschaltung), so ist es offenbar gleichgültig, welche Eigenschaften die Zentrale besitzt, selbst Erdungen bringen praktisch keine Veränderung des Endzustandes bezüglich der Trägerfrequenz hervor.
Die angegebenen Mittel zur Erzielung der Konstanz der Schaltung können auch dazu dienen, etwaige Verzweigungen in den Hochspannungsnetzen von den Hauptsträngen hochfrequenzmässig abzu- trennen oder mit konstanten Eigenschaften zu versehen.
Die bereits erwähnten, bei Ausführung von Arbeiten auf der Leitungsstrecke vorzunehmenden Schutzerdungen verändern die Charakteristik der Leitung für die Trägerfrequenz wesentlich. Um diesen Einfluss zu beseitigen und die Leitungen auch in diesem Falle für die Trägerfrequenz konstant zu erhalten,
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vorgenommen, Fig. 5. In dieser Figur bedeutet 4 wieder das Hochfrequenztelephoniegerät mit dem die Trägerfrequenz führenden Schwingungskreis. j ! j ! stellen die üblichen Kondensatoren zur Kopplung des Gerätes mit der Hochspannungsfreileitung dar. 12 bedeutet die Erdleitung, die über die Drosselspule M zur Erde geht.
Diese Drossel 3 muss so dimensioniert werden, dass sie einen möglichst geringen Spannungsabfall für den Betriebsstrom ergibt, und dass sie anderseits eine Induktanz für die Trägerfrequenz darstellt, die hoch genug ist, dass diese Trägerfrequenz nicht ebenfalls zur Erde abgeleitet wird. Es wird dafür zweckmässig ein Mehrfaches des Wellenwiderstandes der Freileitung für die Trägerfreqeunz gewählt.
Fig. 6 stellt eine weitere Ausführungsform dieser Schutzerdung dar, gemäss welcher die Erdung statt über eine entsprechend dimensionierte Drossel über einen Sperrkreis 14 vorgenommen wird, der auf die Trägerfrequenz abgestimmt ist.
Während die Arten der Erdung gemäss Fig. 5 und 6 für den Fall vorgesehen sind, in welchem lediglich eine Trägerfrequenz verwendet wird, werden bei Benutzung zweier Trägerfrequenzen zwecks eines Gegensprechverkehres entweder gemäss Fig. 7 zwei miteinander in Serie geschaltete, gekoppelte
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In der Praxis der Trägerfrequenztelephonie längs Hoehspannungsfreileitungen liegt eine weitere Schwierigkeit in der Frage der geeigneten Kopplung der Hochfrequenzapparate an die Freileitung.
Berücksichtigt man, dass die Freileitungen bezüglich Dämpfung ideale Verhältnisse darstellen, so sieht man deutlich, dass man bei geschickter Wahl der Kopplung mit sehr geringen Energien erhebliche Reichweiten erzielen muss.
Bisher wurden bei der Kopplung zwei grundsätzlich verschiedene Methoden angewandt. Die übersichtlichste Anordnung erhielt man, wenn man die Hochfrequenzapparate über Hochspannungkondensatoren direkt an die Freileitung anschloss, wobei man sich den erheblichen Widerstandsunter- schied der Kondensatoren gegenüber Hoch-und Niederfrquenz zunutze machte. Umbesondere Kopplungs- kondensatoren zu vermeiden, kam man bei Benutzung der Erde als Rückleitung bald darauf, normale Einrichtungen von Hochspannungshäusern für diesen Zweck auszunutzen, indem man die geeigneten Apparate von der Erde isoliert aufstellt und ihre Kapazität gegen die Freileitung für Kopplungszwecke ausnutzte. Dieses Verfahren wurde z. B. bei den Durchführungsklemmen angewandt.
Da sich praktisch gegen die schädliche Kapazität gegen Erde nichts unternehmen liess, hat man im allgemeinen dieses Verfahren verlassen.
Bei Netzen niedriger und mittlerer Spannung liess sich die Kondensatorkopplung überall mit gutem Erfolge benutzen, da relativ grosse Kapazitäten in den Hochspannungskondensatoren verfügbar waren und die schädliche Kapazität der Einrichtungen in den Hochspannungshäusern deshalb keine grosse Rolle spielen könnte.
Bei Höchstspannungen änderten sich die Verhältnisse. Man suchte der Schwierigkeiten durch Benutzung von Luftdrähten Herr zu werden, die parallel der Freileitung auf demselben oder einem anderen Gestänge verlegt wurden. Auch hier kam man bald dazu, vorhandene Einrichtungen der Freileitung, wie z. B. die Blitzseile, zu diesem Zwecke auszunutzen.
Die Praxis zeigte nun, dass mit geringen Längen des Luftdrahtes nichts zu erreichen war, dass man vielmehr zu Längen von über 500 m übergehen musste, also zu Längen, die der Wellenlänge der im allgeme'nen benutzten Trägerfrequenzen entsprechen. Die Trägerfrequenzen werden bekanntlich zweckmässig
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Luftdrahtanordnung an den beiden Freileitungsenden die Abhängigkeit der Hochfrequenzübertragung von der Frequenz, so ergaben sich ausgeprägte Maxima und Minima, die in verschiedenen Eigenschaften (Eigenfrequenzen) der Freileitung nicht ihre Erklärung finden konnten, da die Freileitungscharakteristik für die verschiedenen Frequenzen unmöglich derartig grosse Abweichungen zeigen konnte. Es ergab sich z.
B., dass ein in einer Welle stehend schwingender Kopplungsdraht für die Energieübertragung ungeeignet ist. Man erkennt in der Praxis deutlich, dass sich vornehmlich infolge der Eigenschaften der Kopplungsdrähte und nicht der der Freileitung bestimmte günstige Trägerfrequenzen ergeben. Da man sich demzufolge bei der Wahl einer bestimmten Länge des Kopplungsdrahtes auf gewisse Trägerfrequenzen festlegt, anderseits gerade der Bau gleich langer Kopplungsdrâhte (z. B. bei Verwendung von Blitzseilen) für ein verzweigtes Netz mit mehreren Hochfrequenztelephonieanlagen nicht möglich ist, so erkennt man deutlich, welche Schwierigkeiten die Kopplungsfrage bisher der Praxis in Höchstspannungsanlagen bereitete.
Diese Schwierigkeiten werden nach der Erfindung dadurch beseitigt, dass man die Entstehung stehender Schwingungen in an sich bekannter Weise verhindert, indem man die Reflexion der Wellen durch Absorption in angepassten Widerständen unterdrückt. Für den Fall horizontaler, linearer Leitersysteme wird dies dadurch erreicht, dass sich die Wellen fortschreitend längs den Freileitungen frei ausbreiten und strahlen können. Die Vorteile liegen deutlich auf der Hand : Frequenzunabhängigkeit, unbeschränkt Anpassung der Länge der Kopplungsdrähte an die Energieverhältnisse u. a.
Die praktische Ausführung der Erfindung geschieht in folgender Weise. Man wird zweckmässigerweise für Senden und Empfang getrennte Kopplungsdrähte benutzen. Blitzseile, auf entsprechende Entfernung isoliert, verwendet man zweckmässig zum Empfang. Die Absorption der einfallenden Wellen erfolgt durch die Energieentziehung des Empfangssystemes oder, falls diese nicht ausreicht, ausserdem in einem besonderen oder in den Abstimmittel des Luftdrahtes enthaltenen Widerstand. Die Abstimmmittel dienen natürlich nur der Aufgabe, die zur Kopplung notwendigen Impedanzen auf Null abzugleichen.
Um die Beeinflussung des dem Empfängerluftdraht benachbarten Senderkopplungsdrahtes auf dem Empfänger zu vermeiden, kann den Luftdrahtabstimmitteln des Empfängers eine Impedanz parallel geschaltet werden, die für die Empfangsfrequenz sehr hoch, für die Senderfrequenz praktisch Null ist.
Der Senderkopplungsdraht wird in entsprechendem Abstand vom Hochspannungshaus über den Absorptionswiderstand an Erde gelegt.
Um die störende Einwirkung stehender Freileitungsschwingungen auf die Wellenfortpflanzung längs der Freileitungen zu verhindern, kann man, wie Fig. 9 zeigt, über einen Hochspannungskondensator-M einen Absorptionswiderstand 19 an die Freileitungsenden anschliessen. Die Kapazität des Hochspannungkondensators wird durch Serieninduktivität 20 für die Trägerfrequenzen ausgeglichen.
Bei der Bemessung des Absorptionswiderstandes sind die Verlustwiderstände der Hochspannungskondensatoren und Induktivitäten zu berücksichtigen. Um ihn zu ersparen, kann man die Verlustwiderstände entsprechend bemessen. Überall dort, wo starker kapazitiver Nebenschluss durch die Einrichtung des Hochspannunghauses vorhanden ist, können die Freileitungen vor den Freileitungsschaltern abgedrosselt werden, wobei dann gleichzeitig die Störung der Verhältnisse bei betriebsmässiger Erdung der Freileitung innerhalb des Hochspannungshauses vermieden wird.
Es versteht sich von selbst, dass man bei reiner Kondensatorenkopplung für die Verhinderung der Entstehung stehender Schwingungen die entsprechenden Massnahmen treffen kann.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Einrichtung für die Hochfrequenztelegraphie und-telephonie in Hochspannungs-Freileitungs- netzen, dadurch gekennzeichnet, dass kapazitive oder induktive Ausgleichs- oder Dämpfungsmittel in Serie oder parallel zu den Leitungen oder den Hochspannungsapparaten der Zentralen oder Sehalthäuser eingeschaltet werden, die je nac"2 dem Zustand des Freileitungsnetzes derart wirksam werden, dass die verschiedenen mit den Starkstromschaltmassnahmen im Netz auftretenden Endzustände des Netzes mit
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des Netzes für die Nachrichtenübermittlung entsteht.