DE3611077A1 - Anordnung zur drahtlosen informationsuebertragung mittels elektromagnetischer wellen extrem niedriger frequenz - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur drahtlosen Informationsübertragung mittels elektromagnetischer Wellen extrem niedriger Frequenz (ELF, Infralängstwellen) zur Informationsübertragung an unter Wasser befindliche Empfänger.

Die Informationsübertragung an unter Wasser befindliche Empfänger, z. B. Empfänger in getauchten U-Booten, über gebräuchliche HF-Funkverbindungen scheitert an der sehr geringen Eindringtiefe dieser Wellen in Seewasser. Die Dämpfung in Seewasser ist für größere Wellenlängen geringer, woraus sich die an sich bekannte Erkenntnis ergibt, daß Wellen besonders großer Wellenlänge bzw. besonders niedriger Frequenz (extremely low frequency = ELF) am ehesten zur Informationsübertragung an unter Wasser befindliche Empfänger eignen.

Versuche mit Systemen, bei denen die stromleitende Eigenschaft des Seewassers dazu ausgenutzt wird, daß zwischen zwei weiträumig auseinanderliegend im Wasser angeordneten Elektroden ein Strom im Seewasser erzeugt wird, dessen Magnetfeld von geeigneten Sensoren des Unterwasser-Empfängers detektiert wird (z. B. DE-PS 25 11 179), haben sich wegen des damit verbundenen Aufwandes für die Elektroden und den erheblichen Energiebedarf als nicht befriedigend erwiesen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur drahtlosen Informationsübertragung mittels elektromagnetischer Wellen extrem niedriger Frequenz anzugeben, die mit möglichst geringem Aufwand an Einrichtungen und Energie realisierbar und betreibbar ist.

Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen können den Unteransprüchen entnommen werden.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung kann durch die horizontale Ausrichtung der Schleifenebene eine nahezu beliebig große und annähernd ideal kreisförmige Schleife gebildet werden. Der Schleifenumfang liegt beispielsweise in der Größenanordnung von einigen hundert Kilometern. Da der Ringstrom ausschließlich in der niederohmigen Leiterschleife geführt werden kann und die Leiter über dem Erdboden angeordnet sind, bleiben die ohmschen Verluste im Leiter und Feldverluste im Erdboden gering, während durch die Möglichkeit der annähernd kreisförmigen Gestaltung der Schleife die erzielbare Magnetfeldstärke bei gegebener Ringstromstärke maximal wird. Dadurch ergibt sich ein hoher Wirkungsgrad und damit ein geringer Energieeinsatz. Die zur Erzeugung des Ringstroms erforderlichen Spannung kann reduziert werden, indem mehrere Generatoren annähernd gleichmäßig auf der Leiterschleife verteilt angeordnet werden.

Besonders vorteilhaft und daher bevorzugt ist eine Ausführung der Erfindung, gemäß der die Leiterschleife durch Hochspannungs- Versorgungsleitungen eines allgemeinen Eisenbahnnetzes im Gebiet der Bundesrepublik, also der Deutschen Bundesbahn, gebildet ist.

Die Bundesbahn besitzt ein weitmaschiges, sich über die gesamte Bundesrepublik erstreckendes Netz von Hochspannungs-Versorgungsleitungen, welche sogenannte "Unterwerke" als Verteiler- und/oder Umformerstationen in Abständen von ca. 30 bis 50 km speisen. In den Unterwerken wird beispielsweise die Versorgungs-Hochspannung auf die 15 kV-Fahrdrahtspannung umgesetzt. Die Hochspannungs- Versorgungsleitungen umfassen vier Seile mit 110 kV Hochspannung und ein Erdseil an der Spitze der die Leitungen tragenden Masten als Schutz gegen Blitzschlag. Die Hochspannungsseile sind paarweise zur erdsymmetrischen Führung der Hochspannung zusammengefaßt.

Die Ausnutzung des Hochspannungsversorgungsnetzes der Bundesbahn hat eine Reihe sehr wesentlicher Vorteile. Der offensichtlichste Vorteil ist der, daß dieses Netz unabhängig von der vorliegenden Erfindung bereits existiert und instand gehalten wird. Das Versorgungsnetz bietet die Möglichkeit, mehrere verschiedene Maschen zu bilden. Der Betrieb der Hochspannungs-Versorgungsleitungen in der erfindungsgemäßen Art ist sehr sicher gegen Ausfall von Teilen des Versorgungsnetzes auch durch absichtliche Zerstörung, da jede Hochspannungsleitung aus vier Hochspannungsseilen besteht, von denen zur Führung des Ringstromes im Notfall auch eine einzige ausreicht. Des weiteren können Teile der Leiterschleife auch durch andere Leiter, bevorzugterweise Schienenstränge der Eisenbahn, gebildet sein. Der erdsymmetrische Versorgungsstrom und der erdunsymmetrische Ringstrom können problemlos einander überlagert werden. Die zur Erzeugung der Ringstroms erforderliche Spannung ist, vor allem bei der Ausführungsform mit mehreren, verteilt angeordneten Generatoren, gering im Vergleich zur Versorgungs- Hochspannung und beeinflußt diese daher nicht. Bei Ausfall eines Generators kann dessen Leistungsanteil von den benachbarten Generatoren aufgebracht werden. Dabei steigt zwar der Spannungsabfall auf der dazwischenliegenden Leiterstrecke, bleibt aber immer noch sehr klein im Vergleich zur Versorgungs- oder Fahrdraht-Hochspannung. Durch die geringen gegenseitigen Entfernungen der Unterwerke können die Ringstrom-Generatoren in diesen Unterwerken angeordnet werden.

Die Fig. 1 zeigt ein Beispiel einer erdfreien Anschlußmöglichkeit mehrerer Generatoren GL zur Erzeugung eines Ringstroms i von beispielsweise 300 Hz auf einer Leitung L. In einem gegenseitigen Abstand D von beispielsweise 30 bis 50 km sind in die Leitung L Resonanzkreise R eingefügt, die auf die Frequenz des Ringstroms abgestimmt sind. Für den Versorgungsstrom mit einer Frequenz von 16 2/3 Hz stellt ein solcher Resonanzkreis eine Serienwiderstand von nur rund 0,1 Ω dar und kann damit vernachlässigt werden. Die Induktivität des Resonanzkreises bildet gleichzeitig die Sekundärseite eines Transformators T, dessen Primärseite durch den Ringstrom-Generator GL erregt wird. Durch die geringe Entfernung benachbarter Generatoren von z. B. maximal 50 km bleibt die zur Erzeugung des Ringstroms erforderliche Spannung U gering. Für die Generatoren können vorteilhafterweise mit Halbleiterschaltern bestückte Schaltwandler eingesetzt werden.

In Fig. 2 ist eine Anordnung zur Überbrückung einer Teilstrecke der Leiterschleife mittels Eisenbahnschienen als Leiter skizziert. Die Hochspannungs-Versorgungsleitungen bestehen, wie bereits beschrieben, aus fünf Seilen, von denen L 0 das Erdseil bildet und L 1, L 2 und L 3, L 4 jeweils zu einem von den Versorgungs-Generatoren GF erdsymmetrisch gespeistem Leitungspaar zusammengefaßt sind. Der Ringstrom 4 × i ist erdunsymmetrisch auf allen vier Leitungen L 1, L 2, L 3, L 4 geführt. In einem gleisnahen Unterwerk U I wird der Ringstrom von den Hochspannungsleitungen auf die Eisenbahnschienen geleitet. Die Verbindungsleitungen zwischen den Hochspannungsleitungen und den Schienen sind durch die Art des Abgriffs des Ringstroms nicht durch die Versorgungs-Hochspannung belastet. Die Anordnung der Ringstrom-Generatoren GL auf den Verbindungsleitungen zwischen Hochspannungsleitungen und Schienen ist in der Skizze willkürlich gewählt und für die Wirkungsweise der Anordnung nicht zwingend. Die Ringstrom-Generatoren können an sich an weitgehend beliebiger Stelle der durch Hochspannungsleitungen und Schienen gebildeten Leiterschleife angeordnet sein. Zwischem dem Unterwerk U I und dem Unterwerk U II wird der Ringstrom auf den Schienen geführt. Dabei ist natürlich Voraussetzung, daß die Schienen durchgehend verschweißt oder Unterbrechungen der Schienen leitend überbrückt sind. Im Unterwerk U II wird der Ringstrom wieder auf die Hochspannungs-Versorgungsleitungen geführt.

Die zusätzliche Trennung der 16 2/3 Hz-Hochspannung von den z. B. 300 Hz ELF-Strömen wird durch Sperrkreise   in Fig. 2 angedeutet. Dies ist z. B. dann wichtig, wenn durch z. B. Überschlag eines Hochspannungs-Isolators die Symmetrie der Hochspannungsleitung zerstört ist.

Claims (9)

1. Anordnung zur drahtlosen Informationsübertragung mittels elektromagnetischer Wellen extrem niedriger Frequenz, insbesondere zur Informationsübertragung an unter Wasser befindliche Empfänger, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendeantenne als eine im wesentlichen horizontale, über dem Erdboden angeordnete geschlossene Leiterschleife ausgeführt ist und Mittel zur Erzeugung eines periodisch wechselnden Ringstromes in der Leiterschleife vorgesehen sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Ringstroms mehrere synchron betriebene Generatoren auf der Leiterschleife annähernd gleichmäßig verteilt angeordnet sind.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Generatoren über in der Leiterschleife angeordnete Parallel- Resonanzkreise transformatorisch angeschlossen sind.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringstrom erdfrei in der Leiterschleife erzeugt wird.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterschleife im wesentlichen durch Hochspannungsleitungen eines Hochspannungs-Versorgungsnetzes eines allgemeinen Eisenbahnnetzes gebildet ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringstrom erdungssymmetrisch auf hinsichtlich der Versorungs- Hochspannung erdsymmetrisch betriebene Leitungen eingespeist wird.

7. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Teilstücke der Leiterschleife durch andere Leiterverbindungen als die Hochspannungs-Versorgungsleitungen eines Eisenbahnnetzes ersetzbar sind.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als die anderen Leiterverbindungen die Eisenbahnschienen vorgesehen sind.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Generatoren in Verteiler- und/oder Umformerstationen des Versorgungsnetzes angeordnet sind.