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Anordnung zum Schutz der Fernmeldekabel gegen induktive Beeinflussungen
von Starkstromanlagen Man hat bereits bei Starkstromkabeln den induktiven Spannungsabfall
durch Einbau von Drosseln erhöht und auch schon durch Einbau von Transformatoren
in Einleiterkabel den Strom in deren Bleimantel kompensiert. Demgegenüber verfolgt
die Erfindung das Ziel, durch Maßnahmen an den Fernmeldekabeln die induktive Beeinflussung
durch Starkstromanlagen weitgehend herabzusetzen.
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Es ist bereits bekannt, zu diesem Zweck eine besondere Umhüllung des
zu schützenden Fernmeldekabels mit magnetisch geeigneten Werkstoffen im gesamten
induktiven Einflußbereich der Starkstromanlage vorzunehmen. Dabei hat man, um den
sogenannten Reduktionsfaktor möglichst gering zu halten, eine derartige Bandeisenumhüllung
bezüglich der magnetischen Eigenschaften des Bandmaterials, bezüglich des Bandquerschnitts
und bezüglich des Steigungswinkels der Bandwicklung aufeinander abgestimmt. Der
hiermit erzielbaren Herabsetzung des Reduktionsfaktors sind aber Grenzen gesetzt.
Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, durch einfache Maßnahmen am Fernmeldekabel,
auch wenn dieses bereits verlegt ist, die Schutzwirkung gegen induktive Beeinflussung
durch benachbarte Starkstromanlagen, wie Wechselstrombahnen, Gleichstrombahnen mit
starken Oberwellen, Hochspannungsleitungen mit starrer Sternpunktserdung, herbeizuführen.
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Die Zeichnungen dienen einerseits zur Erläuterung der physikalisch-mathematischen
Zusammenhänge, die für die reduzierende Wirkung der Kabelhülle maßgebend sind; andererseits
stellen sie schematisch die nach der Erfindung zu treffenden Maßrahmen dar.
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Der in Fig. 1 dargestellte und von der Starkstrom-Leitung
1 erzeugte magnetische Fluß O8t, der mit dem ausgelegten Fernmeldekabel 2
verkettet ist, induziert in allen vorhandenen Leitern des Fernmeldekabels, also
im Kabelmantel 3, in der Bewehrung 4 und in den Fernmeldeadern 5, eine Spannung
Ui. Diese Spannung Ui bewirkt die Ausbildung eines vornehmlich im Kabelmantel 3
fließenden Stromes I", der sich seinerseits wieder mit einem konzentrischen Magnetfeld
0m umgibt, das durch die besonderen magnetischen Eigenschaften der Hülle
4 des Kabelmantels 3 möglichst groß sein soll. Durch diese besonderen
magnetischen Eigenschaften wird die Selbstinduktion L des Stromkreises für
Im vergrößert.
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Wie aus Fig. 2 ersichtlich, übt die als Hohlzylinder dargestellte
Stahlbewehrung 4 des Kabelmantels 3 mit ihren magnetischen Eigenschaften
die Funktion eines Transformatarenkernes aus. Der so vorstellbare ; Transformator
hat als Primärwicklung den aus Kabelmantel 3 und Erde gebildeten Stromkreis 6 und
als Sekundärwicklung den aus Fermeldeader 5 und Erde gebildeten Stromkreis 7. Das
zweckmäßige Ersatzschaltbild für die Beschreibung der reduzierenden Wirkung der
Kabelhülle 4 ist daher ein Transformator mit den Windungszahlen w1 = 1 und w2 =
1. Zur Ermittlung des Ausmaßes der Reduktionswirkung der Kabelhülle 4 kann
daher das aus Fig. 3 ersichtliche Ersatzschaltschema benutzt werden, wobei sieh
die darunter befindliche vektordarstellung für die einzelnen Spannungen ergibt.
Hierbei ist R = Gleichstromwiderstand der Kabelmantels, L = Selbstinduktivität des
Kabelmantels, Ui = induzierte Spannungen, als Generator dargestellt =
Im - ;
dabei ist = R. + jcoL, (o = 27tf, UL = induktiver
Spannungsabfall an der Selbstinduktivität des Kabelmantels = Im - wL, U.
- Im - R.
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Der Strom Ist der Starkstromleitung 1 induziert 90° nacheilend
im Kabelmantel 3 -und in der Fernmeldeader 5 die induzierten Spannungen Ui, die
in
Fig. 3 als punktförmige Wechselstromgeneratoren G dargestellt
sind. Gleichzeitig bildet sich der Mantelstrom Im aus, der einen ohmschen
Spannungsanfall UA = Im - R, wobei R den Wirkwiderstand des Stromweges für
Im, d. h. Gleichstromwiderstand des Kabelmantels einschließlich Erd- und
Erdübergangswiderstände bedeutet, und -einen induktiven Spannungsabfall UL
= Im - o,) - L verursacht, wobei L die Selbstinduktivität des Stromkreises
für Im ist; da aber auch der Magnetfluß der im Stromweg für Im wirksamen
Induktivität L bei gleicher Windungszahl iv,. = w2 =1 mit den Fernmeldeadern 5 verkettet
ist, tritt die induktive Gegenspannung - UL = Im - «) - L in
gleicher Phase und Größe wie im Primärkreis 6 auch in den Fernmeldeadern
5 auf und reduziert so die ursprünglich induzierte Spannung Ui auf den Betrag
UA= Im - R
um den Faktor, den man Kabelreduktionsfaktor rK nennt. Für rK ergeben
sich folgende Werte:
Die nicht kompensierte Spannung U4 ist gemäß Vektordiagramm immer gleich dem ohmschen
Spannungsanfall Im - R. Der Gleichstromwiderstand R ist hierbei der Wirkwiderstand
des gesamten Stromkreises für Im. Der Pfeil 11 bezeichnet die Umlaufrichtung
der Vektoren, der gestrichelte Halbkreis 12
ist die Ortskurve (Thaleskreis
über Ui) für verschiedene R, L und (o bei Ui = constant.
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Aus diesen Zusammenhängen ist ersichtlich, daß es für die Reduzierung
der von der Starkstromanlage in der Fernmeldeanlage induzierten Spannung Ui erforderlich
ist, die magnetische Kopplung zwischen dem Kabelmantel 3 und den Fernmeldeadern
5 möglichst groß zu gestalten. Dieses wurde in der Kabeltechnik bisher, wie oben
erwähnt, in der in Fig. 2 und 3 beschriebenen Form durch eine gleichmäßig verteilte
Umhüllung 4 des Kabelmantels 3 im induktiven Einflußbereich der Starkstromanlage
1 mit magnetisch geeigneten Werkstoffen erreicht.
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Bei der neuen Anordnung wird eine Erhöhung der magnetischen Kopplung
zwischen dem Kabelmantel und den Fernmeldeadern dadurch erreicht, daß erfindungsgemäß
an mindestens einer Stelle innerhalb oder außerhalb des induktiven Einflußbereiches
der Starkstromanlage die Fernmeldeadern mit deren metallischem Kabelmantel oder
dessen geeignetem Ersatz in mehreren Windungen um einen Magnetkern gelegt und damit
die Induktivitätsvergrößerungen punktweise eingeschaltet sind, wodurch der durch
den Mantelstrom erzeugte magnetische Fluß mit dem Kabelmantel oder dessen geeignetem
Ersatz und den Fernmeldeadern verkettet ist.
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Wie die Fig. 4 und 5 zeigen, ist das Kabel 2 mit seinem metallischen
Mantel 3 und den Fernmeldeadern 5 um geeignete Magnetkerne 8 gewickelt.
Die mit dieser Bewicklung versehenen Magnetkerne 8
können an jeder beliebigen
Stelle in der erforderlichen Zahl in ein zu schützendes Fernmeldekabel an leicht
zugänglichen Stellen bei Bedarf auch nachträglich .eingefügt werden. Die bisher
übliche gleichmäßige Bewehrung wirkt gemäß Fig. 1 wie eine Induktivität mit der
Windungszahl w = 1. Mit dem neuen Verfahren können Induktivitäten mit mehreren Windungen
geschaffen werden; dieses hat den sehr erheblichen Vorteil, daß die wirksame Induktivität
L und damit die Kopplung zwischen Kabelmantel und Fernmeldeader mit dem Quadrat
der Windungzahl wächst (L-w2) und somit zur Erzielung einer bestimmten Reduktionswirkung,
z. B. bei einer Windungszahl w = 10 im Vergleich zum bisher üblichen Verfahren mit
w = 1 etwa 102: 12 = 100mal weniger magnetisch hochwertiges Eisen benötigt wird.
Außerdem brauchen die Wirkwiderstände der Kabelmäntel nicht mehr so klein gehalten
zu werden, d. h., daß auch hierbei der Aufwand an Metallen wesentlich verringert
werden kann.
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Ferner ergibt sich bei der neuen Art der Erhöhung der magnetischen
Kopplung zwischen Kabelmantel und Fernmeldeadern die Möglichkeit, bereits verlegte
ungeschützte Fernkabel nachträglich gegen induktive Beeinflussungen zu schützen,
was beim bisherigen Verfahren nur durch die sehr aufwendige Auswechslung der beeinflußten
Fernmeldekabel oder z. B. durch die sehr aufwendige Umstellung auf erdfreie Zeichengabe
der auf den Fernmeldekabeln betriebenen Stromkreise möglich ist. Wie aus den mathematischen
Zusammenhängen ersichtlich, ist die geforderte Reduktionswirkung des Fernmeldekabels
um so leichter zu erreichen, je geringer der Wirkwiderstand R des Kabelmantels und
je größer der induktive Widerstand co - L des mit den Fernmeldeadern magnetisch
gekoppelten Stromweges für Im ist.
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Wenn es sich mit . Rücksicht auf den Wirkwiderstand R des Kabelmantels
3 als unwirtschaftlich erweist, den Kabelmantel selbst um den Magnetkern zu legen,
oder wenn die einzusetzenden Magnetkerne 8
durch etwa vorhandene dritte Leiter
kurzgeschlossen sind, so kann gemäß einer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens
ein besonderer und von Erde isolierter Leiter 9; wie in Fig. 5 dargestellt,
zum schützenden Kabel parallel verlegt werden; der Leiter 9 dient dann an
Stelle des Kabelmantels 3 als dessen Ersatz oder mit ihm gemeinsam zur Erregung
des Magnetkernes B. Dabei ist an den mit 10 bezeichneten Stellen der
Kabelmantel 3 elektrisch unterbrochen, wenn die Magnetkerne 8 durch dritte
Leiter kurzgeschlossen sind.