DE4138889C2

DE4138889C2 -

Info

Publication number: DE4138889C2
Application number: DE4138889A
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl.-Ing. 5000 Koeln De Dinzen; Peter Dipl.-Ing. 5020 Frechen De Funken
Original assignee: Felten & Guilleaume Energietechnik Ag 5000 Koeln De
Current assignee: Felten & Guilleaume Energietechnik Ag 5000 Koeln De
Priority date: 1991-01-30
Filing date: 1991-11-27
Publication date: 1992-11-26
Also published as: US5250755A; EP0497169A2; EP0497169A3; DE4138889A1; JPH04324204A

Description

Die Erfindung betrifft eine Röntgenleitung, die gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufgebaut ist. Sie bezweckt, beim Röntgenbetrieb eventuell auftretende transiente Überspannungen unschädlich zu machen.

Der Aufbau einer Röntgenleitung sieht seit langem, wie es bei spielsweise in der DE-PS 9 72 701 beschrieben ist, wie folgt aus:
innen der Hochspannungsleiter, darüber innere Leitschicht (leit fähige Hülle), Hochspannungsisolierung und äußere Leitschicht, darüber der Schirm (konzentrischer äußerer Leiter) und schließlich der Mantel.

Im Lauf der Zeit erhielt der Leitungskern (die innere Leiter anordnung) verschiedene Ausbildungen, wogegen der übrige Leitungs aufbau gleich blieb. Von den heute üblichen Leiteranordnungen seien aufgeführt:

a) Im Kern der Röntgenleitung sind neben dem blanken Hochspan nungsleiter zwei isolierte Heizleiter angeordnet, wobei der runde, feindrähtige Hochspannungsleiter aus Symmetriegründen in zwei halbe, ebenfalls runde Leiter geteilt ist, so daß im Leitungskern vier Elemente miteinander verseift sind (F "Elektro technik" 12.72, S. 23).
b) Im Kern der Röntgenleitung sind die beiden isolierten Heizleiter mit einem isolierten Gittersteuerleiter verseilt, darum liegt eine leitfähige Umhüllung, und darum ist der konzentrische Hochspannungsleiter geseilt (DE 85 26 448 U1).
c) Konzentrischer Aufbau: Heizleiter 1, Isolierung, Heizleiter 2, Isolierung, Hochspannungsleiter als Geflecht (F "Röntgen leitungen" 4, 1989).

In allen Fällen ist der weitere Aufbau gleich: innere Leitschicht, Hochspannungsisolierung, äußere Leitschicht, Schirm und Mantel.

Als Materialien sind gebräuchlich:

a) für die Innenleiter Litzen aus dünnen, verzinnten Kupferdrähten, die zur Zugfestigkeit im Kern durch verzinkte Stahldrähte verstärkt sein können,
b) für die Leithüllen halbleitende Gummi- oder Kunststoffmischungen (Compounde), Bänder oder Folien,
c) für die Hochspannungsisolierung vernetzte Gummi- oder Kunststoffmischungen (Elastomere wie EPR),
d) für den Außenleiter Umseilung oder Geflecht aus Cu-Drähten und
e) für den Mantel Gummi- oder Kunststoffmischungen (wie PVC) oder Glasgarngeflecht.

Während des Röntgenbetriebes kann es in den Röntgenröhren zu elek trischen Entladungen (Kurzschlüssen) kommen, in deren Verlauf transiente Überspannungen (Wanderwellen) auftreten, die über die Röntgenleitung abgeführt werden. Diese hochfrequenten Überspannungen können zu Störungen und Ausfällen elektronischer Geräte und Bauelemente führen, die sich in der Nähe der Störquelle (Röntgenröhre und -leitung) befinden.

Um solche Störungen zu vermeiden, sind Maßnahmen bekannt, die Störquelle elektrisch abzuschirmen und die Ausbreitung der tran sienten Überspannungen über die Röntgenleitung durch Dämpfungsglieder, die in den Leitungskreis geschaltet werden, zu verringern oder zu unterbinden.

Hinsichtlich einer Abschirmung wird in der DE-15 40 232 A1 eine Kabelumhüllung zur Abschirmung elektromagnetischer Störsignale beschrieben, bei welcher zwischen der Kabelseele und dem Mantel zwei Geflechte angeordnet sind, deren Drähte beim einen Geflecht aus reinem Eisen und beim andern Geflecht aus einer Eisen-Nickel- Legierung mit verhältnismäßig hoher Permeabilität bestehen, wobei das ersterwähnte Geflecht der jeweiligen (ein- oder ausstrahlenden) Störquelle zugekehrt ist. Der Zweck einer solchen Abschirmung ist, Störsignale über das ganze elektromagnetische Spektrum von Gleichstrom bis zu den Mikrowellenfrequenzen zu unterdrücken. Zum Kabel ist nur angegeben, daß es aus einer Gruppe von Drähten oder Leitungen besteht, die Abschirmung bewirkt eine Dämpfung von Stör signalen in Quer-, jedoch nicht in Längsrichtung des Kabels, und das bei Röntgenleitungen auftretende Problem der transienten Über spannungen besteht weiterhin.

Zur Lösung dieses Problems bei Röntgenleitungen sind Dämpfungs glieder, die in den Leitungskreis eingeschaltet werden, in ver schiedener Ausbildung und Anordnung bekannt. So wird in der DE- 20 10 143 A1 ein Hochspannungskabel für eine Röntgenröhre beschrieben, bei dem ein Dämpfungswiderstand in den Hochspannungsstecker, der das Kabel mit der Röhre verbindet, einvulkanisiert ist. Der Widerstand kann als Ohmscher Widerstand (Widerstandsdraht), als induktiver Widerstand (Leiterspule auf einem Kern großer magnetischer Permeabilität) oder aus beiden kombiniert ausgebildet sein.

Und in der DE-39 29 402 A1 ist eine Röntgeneinrichtung beschrieben, bei der in dem Hochspannungskabel oder am Ausgang des Hoch spannungserzeugers eine nur hochfrequenzmäßig wirksame Dämpfungs impedanz angeordnet ist. Bei der ersten Anordnung besteht sie in einem Ferritkern, der das Kabel hohlzylinderförmig umschließt, bei der zweiten in einem Widerstand (samt Diode oder Kondensator), der zum Generatorausgang parallelgeschaltet ist.

Zum einen erfordern diese zusätzlichen Dämpfungsglieder einen bedeutenden Aufwand, und zum andern wäre ihre Wirksamkeit noch zu verbessern.

Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine weitere Maßnahme anzugeben, um die Ausbreitung der transienten Überspannungen über die Röntgenleitung weitgehend zu verringern.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß die Röntgenleitung ohne den Einsatz von Dämpfungsgliedern eine mit der Frequenz oberhalb 1 MHz stark steigende Dämpfung der auftretenden transienten Überspannungen aufweist. Zu diesem Zweck besteht jeder Innenleiter aus mehreren zwischen 0,1 und 0,4 mm starken Drähten oder aus einem zwischen 0,2 und 0,6 mm starken Draht, wobei jeder oder mindestens ein Draht aus einem ferromagnetischen Werkstoff, z. B. aus Eisen oder einer Nickel-Eisen-Legierung mit hoher Perme abilität bei Frequenzen über 1 MHz, besteht, und gegebenenfalls die restlichen Drähte aus einem Werkstoff mit hoher elektrischer Leitfähigkeit bestehen. Der Vervielfachungsfaktor der auf 1 kHz bezogenen Dämpfungswerte liegt beim Einsatz von Drähten einer Nickel-Eisen-Legierung bei 3 MHz über 190 und bei 6 MHz über 360, und der Gleichstromwiderstand eines jeden Innenleiters liegt unter 20 Ω/m.

Dabei ist es vorteilhaft, eine Nickel-Eisen-Legierung der Zusam mensetzung 75% Ni, 5% Cu, 2% Cr, 0,5% Mn, 0,2% Si, 0,02% C, Rest Fe zu verwenden, wie sie unter der Bezeichnung Magnifer®75 im Handel ist. - Um bei dem Innenleiter den Grenzwert des Gleich stromwiderstandes nicht zu überschreiten, können der Kerndraht oder der kleinere Teil der Drähte aus Kupfer, seltener aus Silber, und die restlichen Drähte aus Eisen oder der Ni-Fe-Legierung bestehen.

Der mit der erfindungsgemäßen Röntgenleitung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß die bisher in der Röntgenanlage zum Überspannungsschutz erforderlichen Dämpfungsglieder entfallen, womit zum einen in der Anlage Platz und zum andern Anlagekosten eingespart werden.

Die Erfindung macht sich die Theorie der elektrischen Leitungen wie folgt zunutze: Man kann einer von Wechselstrom durchflossenen Leitung die vier Größen: Widerstand, Induktivität, Kapazität und Ableitung (dielektrische Verluste) zuschreiben. Bezogen auf einen Leitungsabschnitt spricht man von dem entsprechenden Belag. Induk tivitätsbelag L′ und Kapazitätsbelag C′ sind weniger, Widerstands belag R′ (Skineffekt) und Ableitungsbelag G′ sind stärker fre quenzabhängig.

Der Dämpfungsbelag α gibt an, wie groß die relative Abnahme der Effektivwerte (von Spannung und Strom in einer fortschreitenden Welle) bezogen auf die Leitungslänge ist. Die Dämpfung wird verursacht durch die Energieverluste in der Leitung, die zum Teil in den Leitungsdrähten, zum Teil in der Isolation entstehen. Für α erhält man (mit der Kreisfrequenz ω=2 π f) folgende Näherungs gleichungen:

(1) für hinreichend niedrige Frequenzen α = (½ ω C′ R′)^1/2 und
(2) für höhere Frequenzen α = R′/2 (C′/L′)^1/2 + G′/2 (L′/C′)^1/2.

Demgemäß wächst der Dämpfungsbelag bei hinreichend niedrigen Fre quenzen stärker an (Gl. 1) als bei höheren (Gl. 2). Bei höheren Frequenzen wächst er infolge Skineffekt und Ableitungsdämpfung an. Bei den normalen Leitungen ist die Ableitungsdämpfung meist klein gegen die Widerstandsdämpfung. Eine Vergrößerung der Induktivität setzt (nach Gl. 2) die Widerstandsdämpfung herab und vergrößert die Ableitungsdämpfung, vermindert also die Gesamtdämpfung, solange die Widerstandsdämpfung größer als die Ableitungsdämpfung ist. (Näheres siehe Küpfmüller "Einführung in die theoretische Elektrotechnik", Springer-Verlag 1984, S. 404/10/15).

Die Induktivität der Röntgenleitung wird durch die Permeabilität der verwendeten Leiterwerkstoffe bestimmt. - Der Skineffekt, der auf der Stromverdrängung in einem zylindrischen Leiter beruht, bewirkt ein Anwachsen des Widerstandes mit der Frequenz und der Permeabilität. Für sehr hohe Frequenzen erhält man R=ω L_i.

Während bei Leitungen zum Übertragen von hochfrequenten Daten und Signalen eine möglichst geringe Dämpfung erforderlich ist, wird dagegen bei Röntgenleitungen im Frequenzbereich über 1 MHz eine erhebliche Dämpfung benötigt, um störende transiente Überspannungen unschädlich zu machen.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dar gestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt in Seitenansicht und Draufsicht

Fig. 1 eine 110-kV-Röntgenleitung mit einem Innenleiter und einem dazu konzentrischen Außenleiter (hier wird die Heizleitung getrennt von der Hochspannungsleitung geführt) und

Fig. 2 eine 75-kV-Röntgenleitung mit 4 Innenleitern (2 Hochspan nungs- und 2 Heizleiter) im Leitungskern, beide Leitungen ausgebildet zur Dämpfung von transienten Über spannungen.

Dazu sind in der Zeichnung die Meßergebnisse an drei Prüflingen des in Fig. 1 gezeigten Leitungstyps mit unterschiedlichen Innen leitern dargestellt. Es zeigt

Fig. 3 das zeitliche Abklingen der transienten Überspannung U (im Verhältnis zur anliegenden Spannung U₀) im Kurzschlußfall und

Fig. 4 den relativen Anstieg der Leitungsdämpfung mit der Frequenz.

In Fig. 1 hat die 110-kV-Röntgenleitung folgenden Aufbau:
erfindungsgemäß der Innenleiter 1

- Beispiel A: Kern ein Kunststoffstrang und darum eine Lage von 6 Verseilelementen aus einem Kerndraht und einer Lage von 6 Drähten, alle 42 Drähte 0,15 mm starke Stahldrähte, zu einer Litze verseilt, und
- Beispiel B: Kern ein 0,2 mm starker Cu-Draht und darum eine Lage von sechs 0,2 mm starken Ni-Fe-Legierungs-Drähten,
und wie üblich um den Innenleiter konzentrisch angeordnet:
- innere Leithülle 2 aus halbleitendem Gummi mit 5 mm ⌀,
- Hochspannungsisolierung 3 aus EPR (Ethylen-Propylen-Rubber) mit 15 mm ⌀,
- äußere Leithülle 4 aus halbleitendem Gummi,
- Außenleiter 5 Geflecht aus Cu-Drähten mit 95% Bedeckung und
- Außenmantel 6 aus PVC mit 19 mm ⌀.

In Fig. 2 hat die 75-kV-Röntgenleitung folgenden Aufbau:

- erfindungsgemäß: im Leitungskern 1′ zwei blanke Hochspannungs leiter 7 aus Ni-Fe-Legierungs-Drähten und zwei isolierte Heizleiter 8 auch aus Ni-Fe-Legierungs-Drähten mit einer Leiterisolierung 9 aus Tefzel (Handelsname). Die Hochspannungsleiter 7 und die Heiz leitungen 8-9 sind miteinander zum Leitungskern verseilt;
- und darum wie üblich: innere Leithülle 2 aus halbleitendem Gummi, Hochspannungsisolierung 3 aus EPR, äußere Leithülle 4′ aus einem halbleitend beschichteten Band, Schirmgeflecht 5 aus Cu- Drähten, und Außenmantel 6 aus PVC.

Wie oben beim Stand der Technik unter b) und c) angegeben, gibt es noch verschiedene andere Ausbildungen des Leitungskerns. Der weitere Aufbau der Röntgenleitungen (Hochspannungsisolierung, Schirm und Mantel) ist jedoch gleich. In allen Fällen sind gemäß der Erfindung alle Leiter des Leitungskerns (Innenleiter) als Litzen bzw. als Umseilung allein aus ferromagnetischen Drähten oder in Kombination mit Kupferdrähten, seltener mit Silberdrähten, ausgebildet.

Das Verhalten von Wanderwellen in Röntgenleitungen ist durch Kurz schlußstudien an Leitungsprüflingen untersucht worden. In den Fig. 3 und 4 sind die Meßergebnisse an drei Prüflingen des in Fig. 1 gezeigten Leitungstyps mit folgendem unterschiedlichen Aufbau des Innenleiters dargestellt:

N) (1+6) × 0,11 mm Cu,
A) Kunststoffkern + 6 × (1+6) × 0,15 mm Fe und
B) 1×0,2 mm Cu + 6×0,2 mm NiFeLeg.

Wie aus dem Schaltbild von Fig. 3 ersichtlich, ist der Prüfling an einem Leitungsende über einen Vorwiderstand mit der Gleichstromquelle U₀ verbunden, wogegen das andere Ende kurzgeschlossen wird. Der Spannungsverlauf in diesem Schaltkreis wird zwischen Vorwiderstand und Prüfling abgegriffen und über ein digitales Speicheroszilloskop aufgezeichnet. In Fig. 3 ist das zeitliche Abklingen der transienten Überspannung U im Verhältnis zur anliegenden Spannung U₀ beim Kurzschluß graphisch dargestellt. Es fällt ins Auge, daß die erfindungsgemäßen Leitungsprüflinge A und B eine stärkere bzw. viel stärkere Dämpfung der transienten Überspannung aufweisen als der übliche Prüfling N.

Des weiteren sind an diesen Prüflingen die Leitungskonstanten in Abhängigkeit der Frequenz gemessen worden, woraus mit Hilfe eines Impedance-Analysers die jeweilige Leitungsdämpfung bestimmt wurde. In Fig. 4 ist für die drei Prüflinge der relative Anstieg der Leitungsdämpfung, bezogen auf die Dämpfungswerte bei 1 Khz, mit der Frequenz dargestellt. Hieraus ist ersichtlich, daß die Ver vielfachung der relativen Dämpfungswerte beim üblichen Einsatz von Kupferdrähten (Prüfling N) bei 3 MHz) nur den Faktor 30 und bei 6 MHz den Faktor 65 erreicht, wogegen sie beim erfindungsgemäßen Einsatz von Eisendrähten (Prüfling A) den Faktor 70 bzw. 120 und beim Einsatz von Ni-Fe-Legierungs-Drähten (Prüfling B) sogar den Faktor 190 bzw. 360 überschreitet.

Claims

1. Röntgenleitung mit folgendem Aufbau, konzentrisch von innen nach außen: Innenleiter (1) oder Leitungskern (1′) mit mehreren Innenleitern, innere Leithülle (2), Hochspannungsisolierung (3), äußere Leithülle (4), Schirm (Außenleiter 5) und Mantel (6), dadurch gekennzeichnet,

- daß die Röntgenleitung ohne den Einsatz von Dämpfungsgliedern eine mit der Frequenz oberhalb 1 MHz stark steigende Dämpfung der auftretenden transienten Überspannungen aufweist,
- daß zu diesem Zweck jeder Innenleiter (1) aus mehreren zwischen 0,1 und 0,4 mm starken Drähten oder aus einem zwischen 0,2 und 0,6 mm starken Draht besteht, wobei jeder oder mindestens ein Draht aus einem ferromagnetischen Werkstoff, z. B. aus Eisen oder einer Nickel-Eisen-Legierung mit hoher Permeabilität bei Frequenzen über 1 MHz, besteht, und gegebenenfalls die restlichen Drähte aus einem Werkstoff mit hoher elektrischer Leitfähigkeit bestehen, und
- und daß der Vervielfachungsfaktor der auf 1 kHz bezogenen Dämp fungswerte beim Einsatz von Drähten einer Nickel-Eisen-Legierung bei 3 MHz über 190 und bei 6 MHz über 360 liegt, und der Gleich stromwiderstand eines jeden Innenleiters unter 20 Ω/m liegt.

2. Röntgenleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß alle Drähte des Innenleiters (1) aus Eisen oder aus einer Nickel-Eisen-Legierung der Zusammensetzung 75% Ni, 5% Cu, 2% Cr, 0,5% Mn, 0,2% Si, 0,02% C, Rest Fe bestehen,
- oder daß mindestens der Kerndraht aus Kupfer oder Silber und die restlichen Drähte aus Eisen oder der Ni-Fe-Legierung bestehen.

3. Röntgenleitung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch folgenden Aufbau des Innenleiters: Kern ein Kunststoffstrang und darum eine Lage von 6 Verseilelementen aus einem Kerndraht und einer Lage von 6 Drähten, alle 42 Drähte 0,15 mm starke Stahldrähte, zu einer Litze verseilt.

4. Röntgenleitung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch folgenden Aufbau des Innenleiters:

- Kern ein Kupfer- oder Silberdraht und darum mindestens eine Lage von Eisen- oder Ni-Fe-Legierungs-Drähten zu einer Litze verseilt,
- vorzugsweise Kern ein 0,2 mm starker Cu-Draht und darum eine Lage von sechs 0,2 mm starken Ni-Fe-Legierungs-Drähten.

5. Röntgenleitung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit folgendem Aufbau des Leitungskerns:

a) konzentrisch ohne Heizleiter: Hochspannungsleiter (Fig. 1) oder
b) konzentrisch mit Heizleiter: Heizleiter, Isolierung, Heizleiter, Isolierung, Hochspannungsleiter oder
c) 2 Hochspannungsleiter (7) und 2 Heizleitungen (8-9) miteinander verseilt (Fig. 2) oder
d) 2 Heizleitungen und 1 Gittersteuerleitung miteinander verseilt, darum Leithülle und konzentrischer Hochspannungsleiter,

dadurch gekennzeichnet, daß alle Leiter (Innenleiter) als Litzen (1, 7, 8) bzw. als Umseilung allein aus ferromagnetischen Drähten oder in Kombination mit Kupfer- oder Silberdrähten ausgebildet sind.