DE3615281A1

DE3615281A1 - Flexible signalleitung mit grosser stoersicherheit gegenueber schnell veraenderlichen stoerstroemen und schnell veraenderlichen elektromagnetischen stoerfeldern

Info

Publication number: DE3615281A1
Application number: DE19863615281
Authority: DE
Inventors: Heinz Dieter Dr Ing Gellissen
Original assignee: Gellissen heinz Dieter dr-Ing
Current assignee: GELLISSEN, HEINZ DIETER, DR.-ING., 5501 GUSTERATH,
Priority date: 1986-05-06
Filing date: 1986-05-06
Publication date: 1987-11-12

Description

Gegenstand der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf eine flexible Signalleitung zur Übertragung kleiner elektrischer Spannungen und Ströme sowie kleiner elektrischer Spannungsimpulse oder Stromimpulse mit großer Störsicherheit gegenüber schnell veränderlichen Störströmen und/oder schnell veränderlichen elektromagnetischen Störfeldern.

Stand der Technik

Die Erfassung und Weiterleitung kleiner elektrischer Signale (wie Spannungen von weniger als 100 mV und Ströme von weniger als 100 mA) in Hochspannungsanlagen und zwar sowohl in kleinen Hochspannungsversuchslaboratorien als auch in großen Hochspannungshallen, in Freiluftschaltanlagen oder metallgekapselten Schaltanlagen, wird bei unzureichendem Schutz vor Störströmen oder vor anderen, unerwünschten elektromagnetischen Störfeldern so stark gestört, daß eine Rekonstruktion des wahren Signalverlaufs nicht mehr möglich ist. Im Schrifttum gibt es zwar den Hinweis (Schwab, Hochspannungsmeßtechnik, Springer-Verlag, Berlin; Frohne, Ueckert, Grundlagen der elektrischen Meßtechnik; B. G. Teubner, Stuttgart) zur Vermeidung derartiger Störungen Signalleitungen einzusetzen, die mittels eines Metallgeflechtes doppelt geschirmt sind. Diese sind jedoch für die vorliegende Aufgabenstellung wenig geeignet, so daß Meßfehler unvermeidlich sind. Anhand einer im folgenden beschriebenen Versuchsschaltung wird dies verdeutlicht.

Die der Untersuchung zugrunde liegende Versuchsschaltung ist in Fig. 1 wiedergegeben. Der Hochspannungskondensator CS wird über einen Gleichrichter GL von einem Hochspannungstransformator HT aufgeladen. Mittels der Zündfunkenstrecke ZF wird der Hochspannungskondensator auf einen Entladekreis geschaltet, der aus dem Entladewiderstand RE und dem Strommeßwiderstand RM besteht. Zur Überwachung der Anlage und Registrierung der Meßgrößen wurden folgende Geräte verwendet:

- Effektivwertmeßgerät zur Messung der Wechselspannung des Hochspannungstransformators. Das Meßgerät war mit einem kapazitiven Spannungsteiler ausgerüstet, dessen Oberkondensator CO sich am Hochspannungstransformator befand. Der Unterkondensator und das Meßgerät waren außerhalb des Versuchsstandes im Bedienpult angeordnet. Ober- und Unterkondensator wurden durch eine Koaxialleitung miteinander verbunden.
- Gleichspannungsmeßgerät zur Messung der Gleichspannung am Hochspannungskondensator. Das Meßgerät besaß einen Vorwiderstand RV, der am Hochspannungskondensator angeschlossen war. Das im Bedienpult angeordnete Meßgerät war über eine Koaxialleitung mit dem Vorwiderstand verbunden.
- Speicheroszillograph OS zur Messung des durch den Entladestrom hervorgerufenen Spannungsimpulses am Meßwiderstand RM. Der Meßwiderstand von 0,25 mΩ hatte eine Grenzfrequenz von 50 MHz. Er wurde mittels verschiedener Signalleitungen mit dem Speicheroszillographen verbunden. Über die Eigenschaften dieser Signalleitungen wird im folgenden berichtet.
- Triggereinrichtung zur gezielten Entladung des Hochspannungskondensators CS über die Zündfunkenstrecke ZF. Der dazu notwendige Zündverstärker ZV befand sich im Versuchsstand, während das Triggergerät im Bedienpult angeordnet war. Zündverstärker und Triggergerät waren über eine Koaxialleitung miteinander verbunden.

Mittels dieser Versuchsschaltung wurde am Meßwiderstand RM ein Spannungsimpuls uM(t) hervorgerufen, der über eine Signalleitung dem Oszillographen zugeleitet wurde. Ein Vergleich des durch den Oszillographen erfaßten Spannungsverlaufs mit dem rechnerisch ermittelten zeigt, ob die Übertragung störungsfrei war oder nicht.

Der rechnerisch ermittelte Spannungsverlauf ergibt sich unter Berücksichtigung folgender, an der Entladung beteiligten Elemente:

Induktivität
des Entladekreises:L=13,5 µH, Widerstand
des Entladewiderstandes:RE=71,0 Ω, Widerstand
des Meßwiderstandes:RM=0,25 mΩ, Kapzität
des HochspannungskondensatorsCS=10,0 nF

zu uM(t) = i(t) · RM = Uo · (0,25 mΩ/13,5 µH) · t · exp(--t/T), (1)

wobei Uo der Spannung des Hochspannungskondensators vor dem Schalten und t der Zeit entspricht. Die Größe T = 2L/(RE + RE) = 0,38 µs stellt die Zeitkonstante im Bereich des fallenden Spannungsverlaufs dar. In Fig. 2 ist die Ersatzschaltung des Entladekreises und in Fig. 3 der Spannungsverlauf nach Gl. (1) dargestellt. Der Scheitelwert wird nach einer Zeit von 0,38 µs erreicht und beträgt bei einer Spannung Uo von 25 kV nur 63 mV. Anhand dieser beiden Werte läßt sich vermuten, daß Störungen das Meßergebnis beeinflussen werden.

Die folgenden Überlegungen zeigen, daß als Ursache für Störungen unerwünschte, ebenfalls über die Signalleitung fließende Ströme infrage kommen. Nach dem Zünden entlädt sich der Hochspannungskondensator mit einer durch den Entladekreis vorgegebenen Zeitkonstanten. Damit ist ein sich zeitlich änderndes elektrisches Feld verbunden, das einen Verschiebungsstrom zwischen dem Hochspannungskondensator und der Umgebung hervorruft, insbesondere auch in Richtung der den Versuchsstand umgebenden Abschirmgitter. Der Verschiebungsstrom setzt sich in dem metallenen Abschirmgitter als Leitungsstrom fort und wird über die Erdleitung zurück zum Hochspannungskondensator geführt. Die Erdleitung besteht jedoch aus mehreren Leitungen und zwar aus der eigentlichen und gewollten Erdverbindung und aus weiteren, oftmals nicht zu umgehenden Leitungen, wie in diesem Fall aus den Koaxialleitungen zu den verschiedenen Meßgeräten. Eine zusätzliche Leitung entsteht dann, wenn das Oszillographengehäuse mit dem Abschirmgitter verbunden wird. Dadurch kann ein Teil des Stromes, der im folgenden als Störstrom bezeichnet wird, über die Signalleitung zum Erdanschluß des Meßwiderstandes fließen und von dort zum Hochspannungskondensator. Da der Störstrom aufgrund immer vorhandener Streukapazitäten zwischen Oszillograph und Umgebung nicht vollständig unterbunden werden kann, sind geeignete Gegenmaßnahmen zu treffen, z. B. das Verfahren der Schutzschirmtechnik.

Bei dieser Technik wird der zu schützende Bereich durch eine metallene Hülle umgeben, also die Signalleitung mit einer zusätzlichen Abschirmung versehen. Da es sich um einen sehr schnell ändernden Störvorgang handelt, wird aufgrund des Skineffektes der Störstrom auf den äußersten Leiter abgedrängt. Dies hat zur Folge, daß auf dem mittleren Leiter, der die Signalmasse darstellt, keine Spannung durch den Störstrom hervorgerufen wird und so die am Oszillographen auftretende Spannung uo(t) der Meßspannung uM(t) entspricht. In Fig. 4 ist zur Veranschaulichung dieses Sachverhaltes die Verbindung vom Meßwiderstand zum Oszillographen schematisch dargestellt und in Fig. 5 die dazu entsprechende Ersatzschaltung für den Signal- und Störstrompfad wiedergegeben.

Als Signalleitung wurde die im Schrifttum empfohlene, doppelt geschirmte Leitung verwendet, die auch Gegenstand mehrerer Patente oder Patentanmeldungen ist, siehe z. B. Offenlegungsschriften DE 34 28 087, 24 58 661, 25 37 873. Die Versuche haben nun ergeben, daß derartige Leitungen den Anforderungen nicht genügen, da der äußere Leiter die darunter liegenden Teile nicht vollständig koaxial umschließt, entweder weil er aus einem Geflecht besteht oder weil er durch die Konstruktion bedingt Fugen aufweist.

Die folgenden Meßergebnisse, bei denen als Signalleitung eine in der Impulstechnik häufig eingesetzte koaxiale Dreifachleitung mit geflochtetem Mittel- und Außenleiter eingesetzt wurde, bestätigen dies. Fig. 6 zeigt den mit einer derartigen Signalleitung von einem Oszillographen aufgenommenen Spannungsverlauf. Sowohl der Scheitelwert als auch der gesamte Verlauf des Impulses zeigen gegenüber dem berechneten Verlauf erhebliche Abweichungen, die teilweise mehr als 100% betragen, wie Fig. 3 zu entnehmen ist. Die anschließend durchgeführte Nullmessung, bei der die Verbindung zwischen dem Ausgang des Meßwiderstandes und dem Innenleiter gelöst und der Innenleiter mit dem mittleren Leiter direkt verbunden wurde, so daß keine Meßspannung auftrat, der Störstrom aber ungehindert fließen konnte, liefert die Erklärung. In dem Geflecht der äußeren Abschirmung fließt der Störstrom wendelförmig in den einzelnen Leitern und nicht wie bei einem geschlossenen Rohr axial in einer dünnen Schicht am Außenrand. Das hat zur Folge, daß sich im Innern der Signalleitung ein Magnetfeld ausbildet, das nun seinerseits in der Leiterschleife, die aus der mittleren Abschirmung und aus dem Innenleiter gebildet wird, eine Spannung induziert, die sich der Meßspannung überlagert und so die Verfälschung hervorruft. Aus Fig. 7 ist dies deutlich zu entnehmen. Der ungehindert fließende Störstrom induziert in der Schleife des Signalweges eine Spannung, deren Verlauf weitestgehend mit der zuvor gemessenen übereinstimmt.

Bei dieser Messung war der Oszillograph mit dem Abschirmgitter verbunden, so daß der Störstrom ungehindert fließen konnte. Wird die Verbindung Oszillograph - Abschirmgitter gelöst, fließt der über die Signalleitung zum Oszillographen auftretende Störstrom sowohl über die Netzleitung und die unvermeidlichen Streukapazitäten des Netztransformators in das Bedienpult als auch über die Streukapazität des Oszillographen zum Abschirmgitter und von dort zurück zum Hochspannungskondensator. Da die Gesamtimpedanz dieser Stromwege bedeutend größer ist als im vorhergehenden Fall, wird der Störstrom merklich kleiner sein. Aus Fig. 8 ist zu entnehmen, daß dies zutrifft, jedoch wird der Spannungsverlauf durch hochfrequente Schwingungen stark verzerrt. Diese Schwingungen entstehen durch Wanderwellenschwingungen und durch Ausgleichsvorgänge auf der Netzleitung und den sich daran anschließenden Elementen. Die verwendete Signalleitung ist offenbar nicht in der Lage, diese unerwünschte Erscheinung zu unterdrücken.

Wird der Störstrom dadurch verringert, daß der äußere Leiter entweder am Meßort oder am Oszillographen unterbrochen wird, entstehen Wanderwellenschwingungen, die auf dem Innenleiter an der unterbrochenen Stelle Spannungen hervorrufen, die sich dem Meßsignal überlagern. In Fig. 9 ist dies für den Fall dargestellt, daß der äußere Leiter am Oszillographen nicht angeschlossen ist. Ein gleichartiges Ergebnis tritt auf, wenn der Schirm am Meßort offen ist. Dieses Meßergebnis muß ebenfalls verworfen werden.

Da mit den bisher bekannten, oben aufgeführten Signalleitungen keine zufriedenstellenden Messungen kleiner Spannungen und Ströme in hochspannungstechnischen Anlagen durchführbar sind, ist es daher Aufgabe der Erfindung, sowohl für Versuchsaufbauten oder andere mobile Aufbauten als auch für fest eingebaute Meßeinrichtungen eine flexible Signalleitung bereit zu stellen, die eine große Störsicherheit gegenüber schnell veränderlichen Störströmen und schnell veränderlichen elektromagnetischen Störfeldern aufweist.

Lösung der Aufgabenstellung und deren Wirkungsweise

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die zur Übertragung kleiner elektrischer Spannungen und Ströme sowie kleiner elektrischer Spannungsimpulse oder Stromimpulse mit großer Störsicherheit gegenüber schnell veränderlichen Störströmen und schnell veränderlichen elektromagnetischen Störfeldern geeignete flexible Signalleitung aus einem flexiblen Innenleiter, der seinerseits aus mehreren dünnen, gut leitenden Drähten besteht, aus einer darauf aufbauenden, elektrisch hochwertigen Isolierung, einem darüber liegenden, gut leitenden Metallgeflecht, einer sich daran anschließenden, elektrisch hochwertigen Isolierung und einem darüber liegenden, die darunter befindlichen Teile koaxial vollständig umschließenden, gut leitenden und quer zur Längsachse gewellten Metallmantel aufgebaut ist.

Um den gewellten Metallmantel gegenüber der Umgebung elektrisch zu isolieren und um ihn gegen Fremdeinflüsse zu schützen, kann er mit einem Kunststoffmantel umgeben sein.

Damit bei der Übertragung schnell veränderlicher Impulse keine Verfälschungen durch Wanderwellenreflexionen an der Übergangsstelle zu anderen Geräten, wie beispielsweise zum Oszillographen oder zu elektronischen Verstärkern, auftreten, soll die flexible Signalleitung die in der Impulstechnik üblicherweise verwendeten Wellenwiderstände aufweisen. Es werden folgende Kombinationen vorgesehen:

- flexible Signalleitung mit 50 Ohm oder 75 Ohm Wellenwiderstand zwischen Innenleiter und Metallgeflecht,
- flexible Signalleitung mit 50 Ohm oder 75 Ohm Wellenwiderstand sowohl zwischen Innenleiter und Metallgeflecht als auch zwischen Metallgeflecht und Metallmantel,
- flexible Signalleitung mit 50 Ohm Wellenwiderstand zwischen Innenleiter und Metallgeflecht und 75 Ohm Wellenwiderstand zwischen Metallgeflecht und Metallmantel und
- flexible Signalleitung mit 75 Ohm Wellenwiderstand zwischen Innenleiter und Metallgeflecht und 50 Ohm Wellenwiderstand zwischen Metallgeflecht und Metallmantel.

Die Erfindung wird anhand von Fig. 10 erläutert. Über den aus mehreren dünnen, gut leitenden Drähten, z. B. aus Kupfer oder Silber oder versilbertem Kupfer aufgebauten Innenleiter (1) ist eine hochwertige elektrische Isolierung (2) beispielsweise aus Polyäthylen oder Teflon angeordnet, die von einem gut leitenden Metallgeflecht (3) umgeben ist. Dieses Metallgeflecht besteht aus mehreren, dünnen, gut leitenden Drähten, die sich schraubenförmig um den Leitungsaufbau winden. Das Geflecht kann aus mehreren Lagen bestehen, wobei in der Regel der Richtungssinn der Drähte von Lage zu Lage abwechselt, sich also auf einen Linksschlag ein Rechtsschlag anschließt, dann wieder ein Linksschlag folgt und so fort. Über dieses Metallgeflecht ist wieder eine elektrisch hochwertige Isolierung (4) angeordnet, die von einem gut leitenden, gewellten Metallmantel (5) umgeben ist. Dieser Metallmantel muß die darunter liegenden Teile koaxial vollständig umschließen, er darf also keinerlei Fugen, Löcher oder sonstige Öffnungen aufweisen, durch die elektromagnetische Felder in das Innere eindringen können. Zum Schutz gegen äußere Einflüsse wie Feuchtigkeit und zur elektrischen Isolierung kann ein Kunststoffmantel (6) über den gewellten Metallmantel aufgebracht sein.

Durch diesen Aufbau wird einerseits sichergestellt, daß die Signalleitung flexibel und daher ebenso gut für mobile Versuchsaufbauten wie für ortsfeste Meßaufbauten geeignet ist und andererseits, wie mittels Fig. 4 erklärt wurde, daß der Störstrom gezwungen wird, nur in einer äußeren, dünnen Schicht des gewellten Metallmantels zu fließen und er dadurch das Innere nur sehr geringfügig oder vernachlässigbar beeinflußt, (Schellkunoff, A. The Elektromagnetic Theory of Coaxial Transmission Lines and Cylindrical Shields, Bell Syst. Journ., Vol. 13, Oct. 1934, S. 532-579). Gleichzeitig bildet diese flexible Signalleitung auch einen guten Schutz gegen statische und veränderliche elektrische und magnetische Störfelder, die sich nicht leitungsgebunden ausbreiten. Fig. 11 belegt dies deutlich. Dort ist der Verlauf der in der Versuchsschaltung am Meßwiderstand aufgetretenen und mit der flexiblen Signalleitung zum Oszillographen übertragenen Spannung dargestellt. Sowohl der Scheitelwert als auch der Verlauf stimmen mit dem berechneten und in Fig. 3 dargestellten gut überein.

Einsatz der flexiblen Signalleitung

Die flexible Signalleitung sollte immer dann verwendet werden, wenn schnell veränderliche Störströme und schnell veränderliche elktromagnetische Felder einen Einfluß auf den Übertragungsweg elektrischer Signale ausüben. Insbesondere sollte diese Leitung bei Messungen in hochspannungstechnischen Anlagen jeder Art und bei der Signalübertragung über große Entfernung Verwendung finden.

Bildunterschriften

Fig. 1: Schematische Darstellung des Versuchsstandes

Fig. 2: Ersatzschaltung des Entladekreises

Fig. 3: Berechneter Verlauf der Meßspannung uM(t) am Meßwiderstand RM

Fig. 4: Schematische Darstellung der Verbindung Oszillograph - Meßwiderstand bei Verwendung einer Signalleitung in Schutzschirmtechnik

Fig. 5: Ersatzschaltung für den Signal- und Störstrompfad der Meßanordnung nach Fig. 4

Fig. 6: Vom Oszillographen registrierter Spannungsverlauf mit angeschlossenem Meßwiderstand bei Verwendung einer Signalleitung mit geflochtenem Mittel- und Außenleiter, Oszillograph mit Abschirmgitter verbunden. Maßstab vertikal: 20 mV/Teil, horizontal: 1 µs/Teil

Fig. 7: Vom Oszillographen registrierter Spannungsverlauf bei kurzgeschlossener Meßspannung (Nullmessung) und einer Signalleitung mit geflochtenem Mittel- und Außenleiter, Oszillograph mit Abschirmgitter verbunden. Maßstab vertikal: 20 mV/Teil, horizontal: 1 µs/Teil

Fig. 8: Vom Oszillographen registrierter Spannungsverlauf mit angeschlossenem Meßwiderstand bei Verwendung einer Signalleitung mit geflochtenem Mittel- und Außenleiter, Oszillograph nicht mit Abschirmgitter verbunden. Maßstab vertikal: 20 mV/Teil, horizontal: 1 µs/Teil

Fig. 9: Vom Oszillographen registrierter Spannungsverlauf mit angeschlossenem Meßwiderstand bei Verwendung einer Signalleitung mit geflochtetem Mittel- und Außenleiter, Außenleiter nicht am Oszillographen angeschlossen. Maßstab vertikal: 100 mV/Teil, horizontal: 1 µs/Teil

Fig. 10: Aufbau der flexiblen Signalleitung mit großer Störsicherheit gegenüber schnell veränderlichen Störströmen und schnell veränderlichen elektromagnetischen Störfeldern

Fig. 11: Vom Oszillographen registrierter Spannungsverlauf mit angeschlossenem Meßwiderstand bei Verwendung der flexiblen Signalleitung mit großer Störsicherheit gegenüber schnell veränderlichen Störströmen und schnell veränderlichen elektromagnetischen Störfeldern, Oszillograph mit Abschirmgitter verbunden. Maßstab vertikal: 20 mV/Teil, horizontal: 1 µs/Teil

Claims

1. Flexible Signalleitung geeignet zur Übertragung kleiner elektrischer Spannungen und Ströme sowie kleiner elektrischer Spannungsimpulse oder Stromimpulse mit großer Störsicherheit gegenüber schnell veränderlichen Störströmen und schnell veränderlichen elektromagnetischen Störfeldern, dadurch gekennzeichnet, daß die flexible Signalleitung aus einem flexiblen Innenleiter, der seinerseits aus mehreren, dünnen, gut leitenden Drähten besteht, einer darauf aufbauenden, elektrisch hochwertigen Isolierung, einem darüber liegenden, gut leitenden Metallgeflecht, einer sich daran anschließenden elektrisch hochwertigen Isolierung und einem darüber liegenden, die darunter befindlichen Teile koaxial vollständig umschließenden, gut leitenden und quer zur Längsachse gewellten Metallmantel aufgebaut ist.

2. Flexible Signalleitung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß über dem gewellten Metallmantel ein weiterer Kunststoffmantel aufgebracht ist.

3. Flexible Signalleitung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenwiderstand zwischen Innenleiter und Metallgeflecht entweder 50 Ohm oder 75 Ohm beträgt.

4. Flexible Signalleitung nach Anspruch 1 und/oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenwiderstand zwischen Innenleiter und Metallgeflecht sowie zwischen Metallgeflecht und gewelltem Metallmantel entweder 50 Ohm oder 75 Ohm beträgt.

5. Flexible Signalleitung nach Anspruch 1 und/oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenwiderstand zwischen Innenleiter und Metallgeflecht 50 Ohm und der Wellenwiderstand zwischen Metallgeflecht und gewelltem Metallmantel 75 Ohm beträgt.

6. Flexible Signalleitung nach Anspruch 1 und/oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenwiderstand zwischen Innenleiter und Metallgeflecht 75 Ohm und der Wellenwiderstand zwischen Metallgeflecht und gewelltem Metallmantel 50 Ohm beträgt.