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Induktionsfreies Kabel. Bekanntlich beeinflussen sich benachbarte
elektrische Leitungen elektromagnetisch (induktiv) und elektrostatisch (kapazitiv),
wenn eine Änderung der Spannung oder des Stromes, allgemein gesagt, ihres elektrischen
Zustandes eintritt. Diese Erscheinungen können zu Störungen des Betriebes der einzelnen
Leitungen führen und die Bildung neuer Stromkreise durch Zusammenschalten mehrerer
Einzelkreise unmöglich-machen.
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Um diese unliebsamen Nebenerscheinungen zu beseitigen, wendet man
bekanntlich im störenden oder gestörten oder in beiden Stromkreisen parallel geführte
Doppelleitungen (Hin- und Rückleitung) an, deren einzelne Leiter entweder konzentrisch,
verdrillt, oder so angeordnet sind, daß die durch sie gedachten Ebenen in der zwischen
Hin- und Rückleitung gedachten Mittellinie einer oder beider Doppelleitungen senkrecht
zueinander stehen.
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Von diesen beiden Arten von Schutzmitteln (konzentrisch oder verdrillte
Anordnung der einzelnen Doppelleitungen bzw. einfache oder vollständig symmetrische
Anordnung von zwei Doppelleitungen) bietet nur die vollständige Symmetrie einen
Schutz gegen beide Induktionsarten (elektromagnetische und elektrostatische), die
immer gleichzeitig vorhanden sind und gleich stark, aber. auch sehr verschieden
stark sein können. Die konzentrische oder verdrillte Doppelleitung bildet keinen
oder nur einen unvollständigen Schutz gegen die elektrostatische Induktion; denn
verdrillte Doppelleitungen legen sich beim nochmaligen Verseden zu Viererkreisen
unregelmäßig zusammen und erfahren auch Veränderungen in den Drallängen. Die teilweise,
d. h. einfache gegenseitige symmetrische Anordnung von zwei Doppelleitungen beseitigt
nur in dem Falle, daß die Leitungsebenen der beiden Doppelleitungen in der Mittellinie
einer der beiden Leitungen senkrecht zueinander stehen, die gegenseitige elektromagnetische
Induktion, nicht die elektrostatische.
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Je nach der Änderung des elektrischen Zustandes, dem Wellenwiderstand,
der Länge und Belastung der Leitungen kann die magnetische und die statische Induktion
einander gleich oder sehr verschieden stark sein. Es reicht daher nicht in allen
Fällen aus, wenn genügend Schutz gegen eine der Induktionsarten vorhanden ist. Beim
Zusammenschalten mehrerer Doppelleitungen zu neuen Stromkreisen dürfen sich die
einzelnen Doppelleitungen weder induktiv noch kapazitiv gegenseitig beeinflussen.
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Solange es sich darum handelte, zwei Doppelleitungen gegeneinander
praktisch induktionsfrei zu machen, um sie auch als neuen dritten Stromkreis verwenden
zu können, erfüllte die vollkommene Symmetrie diese Aufgabe vollständig. Wenn aber
mehr als zwei Doppelleitungen in einem Kabel, also im
Induktionsbereich
untergebracht und wenige oder alle zu neuen Stromkreisen einfach oder mehrfach zusammengeschaltet
werden sollen, dann versagten bisher alle bekannten Schutzmittel, weil entweder
die magnetische oder die statische oder beide Induktionen nicht genügend oder überhaupt
nicht aufgehoben bzw. vermindert waren. Die konzentrischen oder verdrillten Doppelleitungen
sind elektrostatisch unsymmetrisch. Man hat daher vereinzelt auch versucht, in Fernsprechkabeln
verdrillte Doppelleitungen mit Schutzhüllen zu umgeben, die außen blank und daher
fortlaufend untereinander und mit Erde leitend verbunden waren. Das Ergebnis war
unbefriedigend, weil bei unrichtiger Verdrillung die Energieverluste (Dämpfung)
unzulässig groß waren, wenn bei starken Hüllen aus elektrisch gut leitendem Material
(Kupfer) infolge der Schirmwirkung die magnetische Induktion ebenfalls genügend
vermindert wurde. Auch bei dünnen, nur für die Beseitigung der elektrostatischen
Induktion bestimmten Schutzhüllen war namentlich bei höheren Schwingungszahlen,
wie sie zum Fernsprechen übertragen werden müssen, die Dämpfung der Leitung unzulässig
groß, weil die an unzähligen Punkten untereinander und mit Erde in gut leitender
Verbindung stehenden blanken Hüllen wie auf der Niederspannungsseite kurzgeschlossene
Transformatoren die Leitungen längs derselben belasteten.
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Durch richtige Vereinigung von an sich bekannten Erscheinungen läßt
sich nun ein praktisch vollkommener Schutz beliebig vieler benachbarter Doppelleitungen
einesKabels selbst für Mehrfachbetrieb in häufiger Zusammenschaltung sowohl gegen
magnetische wie statische Induktion erreichen. Dieses kann auf zweierlei Weise geschehen.
Unter der Bezeichnung Kabel- sind auch in Rinnen, Kanälen usw. eingezogene isolierte
Leitungsstränge oder mehrdrähtige Leiteranordnungen in Form von Litzen, Schnüren
usw. zu verstehen.
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Nach den angestellten Untersuchungen läßt sich bekanntlich mit Hilfe
der Verdrillung der Hin- und Rückleitung einer Doppelleitung nur dann eine genügende
Verminderung der magnetischen Induktion erzielen, wenn der Drall der sich gegenseitig
beeinflussenden einzelnen oder zu neuen zusammengeschalteten Doppelleitungen zueinander
in einem ganz bestimmten Verhältnis steht. Nach dem gefundenen Gesetz müssen die
Drallängen entweder einander gleich sein oder in einem geraden Verhältnis zueinander
stehen. Bei gleichen Drallängen müssen diese so gegeneinander verschoben sein, daß
nebeneinanderliegende Querschnitte der beiden Doppelleitungen um 9o° gegeneinander
verdreht erscheinen. Von einer parallelen Lage des Dralles der beiden Leitungen
ausgehend, müssen sie also um die halbe Länge des Dralles gegeneinander in der Längsrichtung
der Leitungen verschoben sein. Der Drehsinn der Verdrillung kann gleichgerichtet
oder entgegengesetzt sein. Die größte zulässige Dralllänge richtet sich nach der
störenden oder zu übertragenden kürzesten Wellenlänge. Sie soll höchstens ein Viertel
dieser Wellenlänge betragen, da dieses der Grenzwert ist, innerhalb dessen der Strom
seine Richtung nicht wechselt. Diese Regel wird in den meisten Fällen von selbst
erfüllt sein. Bei der Fortleitung sehr kurzer Wellen auf verdrillten Freileitungen
oder Viererkabeln, wie sie neuerdings z. B. zum Telegraphieren oder Fernsprechen
zur Anwendung kommen, kann ihre Beachtung aber nötig sein. Bei der Wahl der Drallängen
unterhalb dieses Höchstwertes für die einzelnen Stammdoppelleitungen und die aus
ihnen gebildeten Kombinationsdoppelleitungen empfiehlt es sich, aus praktischen
Gründen den Drall mit der Zunahme der Zusammensetzung der Doppelleitungen abnehinen
zu lassen, so daß die einfachen Doppelleitungen die kürzesten Drallängen aufweisen.
Natürlich ist die angegebene Gesetzmäßib keit nur zwischen den Leitungen anzuwenden,
die sich infolge ihrer Nähe unverdrillt elektromagnetisch beeinflussen würden.
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Da verdrillte Doppelleitungen ein elektrostatisch unsymmetrisches
System sind, so wird durch die Verdrillung eine Verminderung oder Beseitigung der
statischen Induktion nicht erzielt, unter Umständen tritt sogar das Gegenteil ein.
Daher muß jede verdrillte Doppelleitung (wenigstens die Stammleitungen) einen besonderen
elektrostatischen Schutz erhalten, und zwar in Form einer hinreichend geschlossenen
metallischen Zwischenschicht oder Schutzhülle. Da die Leitungen sich infolge der
besonderen Verdrillung nicht mehr elektromagetisch beeinflussen, sind die Metallhüllen
nicht mehraufelektromagnetische Schirmwirkung zu bemessen, also verhältnismäßig
dünn zu machen und gemäß der Erfindung bis auf einen Punkt vollständig zu isolieren,
um auch ihre Wirkung wie ein kurzgeschlossener Transformator praktisch zu beseitigen.
An dem einen nicht isolierten Punkt werden die Schutzhüllen untereinander und zweckmäßig
vorzugsweise auch mit Erde gut leitend verbunden, um über sie den infolge der elektrostatischen
Unsymmetrie bedingten statischen Ausgleich der Elektrizität bei Änderungen der Spannung
und des Stromes in einem der sich reduzierenden Stromkreise außerhalb dieser Stromkreise
selbst herbeizuführen. Die Anordnung der Hüllen um die Leiter selbst (Hin- und Rückleitung
einzeln)
empfiehlt sich nicht, weil die Verluste in ihnen infolge der starken elektromagnetischen
Kopplung mangels jeglicher Kompensation der induzierten elektromotorischen Kräfte
unzulässig groß werden, namentlich wenn Wechselströme mittlerer oder höherer Freqenz
übertragen werden sollen. Die Länge der elektrostatischen Schutzhüllen, welche zur
Verstärkung der Selbstinduktion der Kombinationsleitungen auch aus magnetischem
Material sein können, wenn über diese Ströme von sehr geringer Schwingungszahl geleitet
werden sollen, soll ohne Unterbrechung in der Längsrichtung der Leitung ebenfalls
höchstens gleich dem vierten Teil der in den Stammleitungen fortzuleitenden kürzesten
Wellenlänge sein. Hierfür ist Voraussetzung, daß die Wellen in der Kombinationsleitung
länger sind, andernfalls ist die überhaupt zu übertragende kürzeste Wellenlänge
maßgebend. Auch für die elektrostatische oder kapazitiv e Induktion ist die Viertel-Wellenlänge
der Grenzwert, innerhalb dessen der Ladestrom bzw. die ihn erzeugende Spannung die
Richtung nicht wechselt, also die Phase beibehält, «renn der Wirkwiderstand der
Leitung gegenüber ihrem induktiven für die in Frage kommende Schwingungszahl verhältnismäßig
klein ist. Bei anderem Verhältnis darf die Länge der Schutzanordnung (Metallhülle
oder die noch zu behandelnde Kreuzung) ebenfalls nicht größer als höchsten ein Viertel
der zu übertragenden kürzesten Wellenlänge sein, sondern muß, j e nach der Stärke
der Induktion, kleiner gewählt werden.
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Die elektrostatischen Schutzmittel brauchen nun nicht in allen Fällen
längs der ganzen Leitungsstrecke angewandt zu werden, sondern es genügt in vielen
Fällen, sie als künstliche Ausgleichkondensatoren zwischen die Apparate und übrigen
Leitungsstrecken ein- oder zwischen Hin- bzw. Rückleitung unu Erde anzuschalten,
wobei die Bemessung und Schaltung der Kabel mit Schutzhüllen als Ausgleichkondensatoren
so erfolgen soll, daß die Ungleichheiten der Kapazitäten der zusammenzuschaltenden
Stromkreise nach Möglichkeit ausgeglichen sind. Auch hier soll die Länge der Schutzhüllen
oder der Abstand der Ausgleichkondensatoren von den Apparaten oder voneinander längs
der Leitung in der Regel ein Viertel der kürzesten induzierenden Wellenlänge nicht
überschreiten.
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Die angegebenen Schutzeinrichtungen haben nun trotz ihrer Verbesserungen
den Nachteil, daß sie verhältnismäßig kostspielig sind und auch namentlich bei kürzeren
Wellen Energieverluste mit sich bringen, sei es durch Erhöhung der Dämpfung der
Leitung infolge der Vergrößerung der Leitungskapazität durch die Hüllen oder durch
Stromwärmeverluste in den Hüllen. Bei verdrillten Leitungen lassen sie sich aber
nicht vermeiden, weil die Kapazitäten längs derselben durch die Verdrillung verändert
und unsymmetrisch werden. Wird daher von der Verdrillung abgesehen, so läßt sich
lediglich durch geeignete gegenseitige Anordnung der Einzelleiter oder der ihnen
entsprechenden Kombinationsleiter (Hin- oder Rückleitung) einer jeden Doppelleitung
erreichen, daß sowohl die magnetische wie statische Induktion praktisch hinreichend
vermindert bzw. völlig beseitigt werden, ohne daß eine Vergrößerung der Kapazität
eintritt oder durch zusätzliche Verluste eine Erhöhung der Dämpfung stattfindet.
Derartige Anordnungen erhält man gemäß der Erfindung, wenn man die Hin- und Rückleitung
der Doppelleitungen parallel führt, also unverdrillt läßt, gegenseitig in einfach
(Abb. q. und 5) oder vollständig symmetrischer (Ab. 6) Ouerschnittsform anordnet
und dann nach bestimmter Gesetzmäßigkeit die Hin-und Rückleitung der Doppelleitungen
gegeneinander kreuzt und die aus zwei Doppelleitungen gebildeten Vierer im Stern,
und zwar im geraden Schritt verseilt. Bei der vollständigen Symmetrie (Abb. 6) befinden
sich die Ebenen der beiden zu einem dritten Stromkreis zusammenzuschaltenden Doppelleitungen
je in der magnetischen und elektrostatischen neutralen Zone (d. h. Nullinie oder
Nullebene) der zugehörigen zweiten Doppelleitung. Einfache Symmetrie ist vorhanden,
wenn sich die Nullinien der beiden zusammengehörigen Doppelleitungen decken (Abb.
q.) oder eine Nullinie mit der anderen Doppelleitungsebene zusammenfällt (Abb. 5).
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Bei vollständiger Symmetrie ist ein diagonales Kreuzen der einzelnen
Doppelleitungen eigentlich nicht notwendig, wenn sie wirklich räumlich vollkommen
symmetrisch ausgeführt werden und es sich nur um zwei symmetrisch bzw. induktionsfrei
anzuordnende Doppelleitungen handelt. Die erste Bedingung ist aber praktisch nicht
zu erfüllen, und außerdem sind es meistens viel mehr Doppelleitungen, die in einem
Kabel induktionsfrei eng zusammen untergebracht werden sollen. Daher ist es auch
bei der an sich vollkommenen Symmetrie notwendig, die einzelnen Doppelleitungen
durch diagonales Kreuzen nach einem bestimmten Gesetz mit Rücksicht auf die praktisch
unvermeidlichen Unregelmäßigkeiten und die gegenseitige Einwirkung bei mehr als
zwei Doppelleitungen induktionsfrei zu machen.
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Die einfache Symmetrie erfordert selbst bei zwei Doppelleitungen die
Anwendung des seitlichen Kreuzens, um mittels dieses durch Vertauschen benachbarter
Leiterstrecken in
dem einen Fall die noch hinsichtlich der induktiven
und kapazitiven gegenseitigen Wirkung fehlende Symmetrie herzustellen, im zweiten
Falle hinsichtlich der elektrostatischen.
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Das Kreuzen muß in allen drei angegebenen Fällen (Abb. q., 5, 6) so
vorgenommen werden, daß eine Anzahl regelmäßiger Felder entsteht, die bei gleicher
Zahl um die halbe Feldlänge gegeneinander verschoben sein oder um ein gerades Vielfaches
voneinander verschieden sein müssen.
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Zwei Aderpaare oder Doppelleitungen, welche kurz Vierer genannt werden,
bilden, wenn sie nach der ersteren Anordnung mit Schutzhüllen versehen sind und
wiederum mit zwei anderen verdrillt werden, einen neuen Stromkreis, den man Achter
nennen kann. Ein Achter ergibt 7 Stromkreise. Man kann in dieser Weise nun noch
Vierer bilden, aus diesen wiederum Achter und dann je zwei Achter zu einem Sechzehner
durch Verdrillen vereinigen, wobei darauf zu achten ist, daß die angegebene Gesetzmäßigkeit
zwischen sich induzierenden Leitungen erfüllt ist. Ein Sechzehner ergibt 15 Stromkreise.
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Elektrisch besser und in der Herstellung einfacher ist der Aufbau
der Leitungen nach der zweiten, der Symmetrieanordnung. Die Vierer werden gleich
zu j e vieren. nach der vollständigen symmetrischen Anordnung zu einem Sechzehner
vereinigt, welcher also acht Stammdoppelleitungen enthält, die mit der Zusammenschaltung
in sich 15 Stromkreise ergeben. Vereinigt man durch vollständige Symmetrie nochmals
q. Sechzehner, so erhält man einen Vierundsechziger, der 63 Stromkreise bei 32 Stammdoppelleitungen
besitzt.
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Die gegenseitige Induktion benachbarter Stammleitungen verschiedener
Vierer wird durch Kreuzungen nach dem angegebenen Gesetz verhindert. Die aus den
beiden Stammleitungen eines Vierers gebildete dritte Doppelleitung wirkt bei vollständig
symmetrischer Anordnung der Stammleitungen nicht induzierend. Bei einfacher Symmetrie
läßt sich die induktive Wirkung auf benachbarte Vierer durch entsprechende Verschiebung
gleich langer oder eine gerade vielfache Zahl von Kreuzungen genügend vermindern,
die kapazitive Induktion hingegen durch einfache Symmetrie mit entsprechenden Kreuzungen
der Vierer oder durch ihre vollständig symmetrische Anordnung praktisch beseitigen.
Bei jeder neuen Viererbildung zu Sechzehnern und aus diesen zu Vierundsechzigern
wiederholen sich also einfache oder vollständige Symmetrie mit den erforderlichen
Kreuzungen. Bei der vollständigen Symmetrie muß auch außer den Kreuzungen der einzelnen
Stammleitungen, vorausgesetzt, daß ihre Anordnung praktisch genügend symmetrisch
ausgeführt ist, eine regelmäßige Verdrillung einer ganzen Viererleitung, also ihrer
beiden Stammdoppelleitungen gleichzeitig und gleichmäßig um den gemeinsamen Mittelpunkt
in einer Richtung, stattfinden, wobei bezüglich des Unterschiedes des Dralles mehrerer
einen neuen Vierer oder Sechzehner bildenden Viererleitungen die für magnetisch
induktionsfreie Verdrillung angegebenen Gesetze zu berücksichtigen sind.
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Der Aufbau der Vierer, Sechzehner, Vierundsechziger usw. braucht nicht
in allen Stufen oder Teilen nach den gleichen Anordnungen geschehen, sondern es
können die angegebenen verschiedenen Anordnungen entsprechend gemeinsam in einem
Kabel angewandt werden. Z. B. können auch gekreuzte Leitungen elektrostatische Schutzhüllen
erhalten; desgleichen z. B. auch vollständig oder einfach symmetrische Sechzehner,
um sie bei mehrfacher- Anordnung in einem gemeinsamen Bleimantel von dessen elektrostatisch
unsymmetrischer Wirkung frei zu machen, wenn man die Sechzehner nicht in sich kreuzen
oder verdrillen kann oder will.
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Das elektrisch und in der praktischen Herstellung beste System mehrfach
verbundener und induktionsfrei angeordneter Doppelleitungen ist nach der Erfindung
das vollständig symmetrische mit diagonalen Kreuzungen der Stammleitungen und Verdrillen
der Vierer in geradem Schritt, um die unsymmetrische Kapazität gegen den Bleimantel
und ciie übrigen Vierer auszugleichen. Aus dem gleichen Gründe sind die gesetzmäßig
gekreuzten Sechzehner ebenfalls zu verdrillen, und zwar aus praktischen Gründen
zweckmäßig entgegengesetzt wie die Vierer, wobei natürlich stets die angegebenen
beiden Gesetze über nie Wahl bzw. Anordnung des Dralles zwischen benachbarten Leitungen,
d. h. solchen, welche sich induzieren, zu befolgen sind. Die Raumausnutzung ist
bei dieser Ausführung auch in elektrischer Hinsicht am günstigsten.
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In den Abb. i bis io sind einige Ausführungsbeispiele schematisch
dargestellt.
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In Abb. i bilden die Hüllen h einen elektrostatischen Schirm um die
Aderpaare ai, b1 und a2, b2, die gegeneinander magnetisch induktionsfrei verdrillt
gedacht sind. h, 12 sind Bezeichnungen für die beiden Aderpaare als Doppelleitungen
i und 2. Mit i ist die Isolation zwischen beiden Schutzhüllen und gegen Erde und
mit p die nur an einer Stelle jeder Schutzhülle vorzunehmende Verbindung mit den
zugehörigen übrigen bzw. Erde bezeichnet.
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Abb. 2 und 3 stellen Kabelquerschnitte dar,
bei denen
aus verdrallten und mit Schutzhüllen versehenen Doppelleitungen r, 2 usw. in Abb.2
Vierer und in Abb. 3 Achter gebildet sind. Mit h sind wiederum die Schutzhüllen,
die wie in Abb. z ausgeführt sind, und mit h, 122 1, usw. bzw. a., a2, bi, b2 die
Doppelleitungen oder Aderpaare bezeichnet. Der nicht durch die Vierer oder Achter
ausgenutzte Raum ist durch Doppelleitungen oder Vierer ausgefüllt.
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Die Abb. q:, 5 und 6 stellen die verschie-" denen Grundzüge der symmetrischen
Anordnung von Doppelleitungen dar, um sie unter gleichzeitiger Verwendung von Kreuzungen
und Verdrillungen im Stern induktionsfrei zu machen. Abb. q, und 5 zeigen einfach
symmetrische Anordnungen von den beiden Aderpaaren ai, b, und a2, b2. Mit N ist
die neutrale Zone oder Nullinie oder Nullebene gekennzeichnet. In Abb.6 sind dieselben
Aderpaare vollständig symmetrisch zueinander angeordnet: Die beiden an sich bekannten
Gesetze, nach denen die einfach oder vollständig symmetrisch aufgebauten Doppelleitungen
gemäß der Erfindung gekreuzt werden, um die Induktion zwischen zwei Aderpaaren a,
bi und a2, - b2 und nach außen aufzuheben, sind in den Abb. 7 und 8 schematisch
erläutert. In Abb.7 sind die Felder gleich lang und demzufolge gegeneinander um
die halbe Feldlänge verschoben, in Abb. 8 ist die Zahl der durch die Kreuzungen
entstandenen Feldei- von Leitung 2 ein gerades Vielfaches von derjenigen der Leitung
z, nämlich das Zweifache. Die gegenseitige Lage der Kreuzungspunkte ist symmetrisch
gezeichnet, kann aber bei einem geraden Vielfachen beliebig sein.
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Die Abb.9 und ro sind schematische Kabelquerschnitte von einfach oder
vollständig symmetrisch angeordneten Leitungen. Mit vi bis v8 sind die Vierer und
mit S, bis SIV die daraus gebildeten Sechzehner bezeichnet. In Abb. 9 sind die Vierer
v, bis J4 entsprechend dem Prinzip der Abb. q. und diejenigen von SI (Vierer v,
bis v$) gei äß dem Prinzip von Abb. 5 angeordnet. In ni Leiden Fällen ist
angenommen, daß erstens die Stammleitungen jedes Vierers in sich und zweitens bei
der Querschnittsform von Abb. 4 gegenseitig induktionsfrei, also nach den Gesetzen
in Abb.7 oder 8 gekreuzt und als Vierer selbst gegeneinander wieder gekreuzt Schritt
verseilt sind. Außerdem müssen die Vierer selbst gegeneinander wieder gekreuzt und
im Stern verseilt sein und die Sechzehner ebenfalls, wenn sie als Vierundsechziger
betrieben werden sollen.
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Bei der vollständig symmetrischen Anordnung der Leitungen in Abb.
to ist angenommen, daß die Vierer in sich und gegenseitig diagonal gekreuzt und
im Stern verdrillt sind und in gleicher Weise auch die Sechzehner, damit sie bis
zum Vierundsechzigersystem gemeinsam betrieben werden können.
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An den von den Sechzehnern nicht ausgefüllten Querschnitten der Abb.9
und zo sind besondere Vierer vorgesehen, die ebenfalls bezüglich benachbarter Leitungen
entsprechend gekreuzt und im Stern verdrillt oder paarweise verdrillt und mit Schutzhüllen
versehen sein müssen.
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Werden die angegebenen induktionsfreien Doppelleistungssysteme lediglich
als unterteilte Einfachleitung für beliebige Zwecke benutzt, so besitzen sie gegenüber
gewöhnlichen Verseilungen oder solchen mit beliebigen oder ungeraden Verhältnissen
der Drallängen den Vorteil tatsächlicher Verminderung oder Beseitigung der Hauptwirkung,
so daß der Querschnitt sämtlicher einzelnen Leitungen voll ausgenutzt wird, was
einen bedeutenden Vorteil bietet.