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Meßanordnung für entstörte Fehlermessungen bei alladrigen Kabelnebenschlüss
en unter Benutzung von Hilfs adern
Die im folgenden beschriebene Erfindung bezieht
sich auf eine Schaltung zur Fehlermessung an mehradrigen elektrischen Kabeln, vorzugsweise
Fernmeldekabeln, in dem Fall, daß alle Adern mit Nebenschluß behaftet und zwei fehlerfreie
Hilfsleitungen verfügbar sind. Bekanntlich sind Fehlermessungen bei alladrigem Nebenschluß
ohne Hilfsleitung schwierig, weil bei den dafür vorgesehenen Verfahren der im allgemeinen
schwankende Nebenschlußwiderstand in irgendeiner Weise in den Meßwert eingeht und
ihn mehr oder weniger fålscht. Um die klassischen Schaltungen nach -Varley oder
Murray anwenden zu können, ist man daher bestrebt, eine Hilfsverbindung zu schaffen,
sei es durch Anlegung einer isolierten Leitung oder über ein Parallelkabel oder
ein Umwegkabel. Eine aus einer fehlerhaften Ader und einer Hilfsverbindung bestehende
Meßschleife (Erdfehlerschleife) wird aber gewöhnlich, wenn sie nicht sehr kurz ist,
durch Induktion aus Starkstromanlagen oder elektrischen Bahnen erheblich beeinflußt,
so daß das zum Brückenabgleich dienende, an den Enden der Meßschleife liegende Galvanometer
unregelmäßige Ablenkungen zeigt und das Brückengleichgewicht daher nicht einwandfrei
zu erkennen ist.
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Zur Unterdrückung dieser induktiven Störströme ist eine Kompensationsschaltung
vorgeschlagen worden, bei der zwei Meßschleifen gleicher Art auf eine Doppelbrücke
mit Differentialgalvanometer arbeiten. Diese Meßanordnung erfordert aber einen erheblichen
technischen Aufwand und ist in der Handhabung etwas
schwierig. Außerdem
unterdrückt sie nur die induktiven Störungen, nicht aber eine andere Gruppe, die
galvanischen Ursprungs ist. Sind nämlich in dem mit Nebenschluß behafteten Kabel
einige Adern noch in Betrieb, was die Regel bildet, so werden der Fehlerstelle über
diese Adern Spannungsstöße aufgedrückt, die von denAmtswählern und -relais herrühren.
Diese unregelmäßigen Stöße verursachen natürlich entsprechende Stromstöße im Brückengalvanometer
und erschweren oder verhindern den Brückenabgleich.
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Gegenstand der Erfindung sind Schaltungsanordnungen für entstörte
Fehlermessungen bei alladrigen Kabelnebenschlüssen unter Benutzung von zwei Hilfsadern
außerhalb des fehlerhaften Kabels mit einem gewöhnlichen (nicht differentialen)
Galvanometer, bei denen induktive und galvanische Störströme somit nicht in Erscheinung
treten. Erfindungsgemäß werden zwei Fehleradern (Meßadern) am Kabelende mit zwei
Hilfsadern unmittelbar, am Anfang kreuzweise über zwei gleiche Widerstände miteinander
verbunden, mit denen die an der Fehlerstelle in die Meßadern eintretenden, sich
nach beiden Seiten verzweigenden Ströme so eingeregelt werden, daß die Verbindungspunkte
der Hilfsadern mit den Widerständen gleiche Spannung haben und ein zwischen diesen
Punkten eingeschaltetes Galvanometer keine Ablenkung zeigt.
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Nach Bild pa werden zwei fehlerhafte Adern Ia und 2b (Meßadern) in
der dargestellten Weise mit zwei Hilfsadern 3a, 3b, zwei veränderbaren Meßwiderständen
R1 und R2 und dem Galvanometer G verbunden. über die Adern 1b und 2z (Batterieadern)
wird der Fehlerstelle in bekannter Weise eine Spannung aufgedrückt, so daß in die
Punkte I und II der Meßadern ein Strom eintritt, der sich nach beiden Seiten verzweigt.
Mit den Widerständen R1 und R2 wird das Galvanometer auf Null einreguliert. Bild
Ib zeigt, daß es sich um eine Brückenschaltung handelt, die nach den Brückenregeln
im Gleichgewicht ist für (R1 + x) (R2 + x) =(r-x +h)2, worin x, r undh die Einzeladerwiderstände
bedeuten. Hieraus folgt (r + h)2 - R1 R2 x = . (1) 2 (r + h) + R1 + R2 Mit Bezug
auf die von einem äußeren Feld erzeugten Induktionsströme i, die beispielsweise
in 3a, 3o entstehen und den Pfeilen entsprechend fließen mögen, sind beide Schleifen
in Reihe geschaltet (Bild 1c).
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Damit das Galvanometer unbeeinflußt bleibt, müssen die Eckpunkte III
und IV gleiche Spannung haben, was nach den Kirchhoffschen Gesetzen erfüllt ist
für i(R1 + r + h) = i(R2 + r + h) oder R1 = R2. Es ist daher zweckmäßig, für R1
und R2 gleichartige Widerstände (Stufenwiderstände oder Schleifdraht) zu verwenden,
deren Einstellglieder miteinander gekoppelt sind. Mit R1 = R2 = R folgt aus (I)
r+k ~ R. (2) 2-Da die der Fehlerstelle von anderen Adern aufgedrückten unregelmäßigen
Fremdspannuhgen der Meßspannung überlagert sind, ist die Brücke auch für die Fremdspannungen
im Gleichgewicht, so daß diese das Galvanometer ebenfalls nicht beeinflussen.
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Um die Meßempfindlichkeit zu erhöhen, was bei langen Kabeln in Frage
kommt, kann man ferner an den durch Buchsen gekennzeichneten Stellen die beiden
Meßspannungen U (einige Volt) einschalten. Sie wirken im gleichen Sinn wie eine
aus der Fehlerstelle kommende Spannung und ändern ebenfalls nichts an der Unterdrückung
der Fremdströme, sofern ihr innerer Widerstand vernachlässigt werden kann, was bei
Verwendung von Sammlern zutrifft. In diesem Fall bleiben auch die Gleichgewichtsbedingungen
der Brücke unverändert, und es gelten daher die Meßformeln (I) und (2). Kleine Unterschiede
der beiden Meßspannungen U gleicht man aus, indem man die Spannungen tauscht, den
Brückenabgleich berichtigt und aus beiden Meßwerten das Mittel bildet.
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An Stelle einer über die beiden Batterieadern aufgedrückten Meßspannung
kann man auch die elektrolytische Eigenspannung der Fehlerstelle benutzen, unter
Umständen nach vorheriger Formierung der Meßadern durch eine einige Minuten angelegte
Spannung. Dies ist namentlich bei sehr starkem Nebenschluß zweckmäßig, weil dann
die über die Batterieadern (in Bild Ia die Adern Ib und 2a) aufgedrückte Spannung
unter Umständen unwirksam sein würde.
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In bezug auf die Unterdrückung derFremdspannungen ändert sich hierdurch
nichts.
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Eine Weiterbildung der Erfindung zeigt Bild 2a.
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Als Meßspannung ist hier die elektrolytische Eigenspannung « der Fehlerstelle
angenommen worden. Sie kann natürlich auch, wie in Bild Ia, durch Aufdrücken einer
äußeren Spannung über zwei Batterieadern erzeugt werden.
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Setzt man-zunächst die beiden Widerstände R' = O, so unterscheidet
sich die Schaltung von Bild Ia im wesentlichen dadurch, daß die Stärke des über
die beiden x-Abschnitte der Meßadern fließenden Zweigstromes i1 nicht durch die
festen Reihenwiderstände R, sondern durch den Querwiderstand a (Abgleichwiderstand)
so geregelt wird, daß das Galvanometer G stromlos ist.
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Die Kirchhoffschen Regeln führen dann zu folgenden Beziehungen: X
= + 2i1 X + i3 a = q + 2i2 (r - x + k + R) - i3a (/ = Fehlerwiderstand), 2i2 R -
i3a = O (da die Punkte III und IV gleiche Spannung haben), i8 =i1-i2. Hieraus ergibt
sich a fr+h-R) (3) 2 (R +a) Nach dieser Gleichung besteht eine Funktion zwischen
x und a, da r, h und R unter gegebenen Verhältnissen konstant sind. Für a = # ergibt
sich ein r + h - R Grenzwert xmax = , was bedeutet, daß ein 2 Fehler, der nahe dem
Kabelende liegt (x = r), nur eingemessen werden könnte, wenn h - R = r ist. Da dies
gewöhnlich nicht zutrifft und da der-Abgleichwiderstand a aus technischen Gründen
auch nicht beliebig groß bemessen werden kann, muß man in solchen Fällen den Fehler
durch Zuschaltung zweier
gleicher Widerstände R' (zweckmäßig in
Stufen von 100 Ohm) elektrisch zum Kabelanfang verschieben.
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Dann erhält man x = a' (r + h + R' - R). (4) 2 (R + a') Die beiden
Gleichungen (3) und (4) enthalten den Widerstand r der Fehleradern, der aber wegen
des Nebenschlusses nicht genau meßbar ist. Um von diesem Wert freizukommen, macht
man eine zweite Messung unter Erhöhung der Zusatzwiderstände R' auf R", wobei sich
ergeben würde a" (r + h + R"-R) @ = . (5) 2 (R + a") Löst man (4) nach r + h auf
und setzt diesen Wert in (5) ein, so folgt a'a" (RI - R') (6) 5= 2 (a' - a") Ferner
ergibt sich aus (4) und (5) a'a"(R"-R')+a"R(R"-R)-a'R(R'-R) r+h= R(a'-a") (7) Aus
(6) und (7) erhält man r+h a'a"(R"-R') 2 a'a"(R"-R') + a"R(R"-R) -a'R(R'-R) (8)
Unter Voraussetzung gleichmäßiger Drahtstärke kann man statt der Widerstände x,
r und h die ihnen entsprechenden Kabellängen lx, 1 und b einsetzen, so daß man zur
Berechnung des Fehlerortes nur der am Meßgerät abgelesenen Meßwerte bedarf, nicht
aber der Aderwiderstände.
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Eine Vereinfachung ergibt sich, wenn man R" = 2 R' = 4 R wählt, dann
folgt lx = l + lh #2 a'a" . (9) 2 2 a'a" + R (3 a"-a') Kommt man beim ersten Abgleich
ohne einen Zusatzwiderstand R' aus (Fehlerstelle nicht nahe dem Ende, R' = 0) und
wählt beim zweiten Abgleich R' = 2 R, so gilt die Gleichung lx = (l + lh) # aa'
. (10) a (R + a') + a' (R + a) Wegen dieser möglichen Vereinfachungen ist es zweckmäßig,
die Stufen von R' als Vielfache von R zu bemessen und auch so zu bezeichnen.
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Die beiden festen Widerstände R und den Abgleichwiderstand a kann
man nach Bild 2b durch einen gemeinsamen Schleifdraht s ersetzen, was den Vorteil
hat, daß man bei beliebiger Fehlerlage ohne einen Zusatzwiderstand R' auskommt.
Die beiden Schleifkontakte müssen mechanisch so miteinander gekoppelt sein, daß
sie sich von der Schleifdrahtmitte nach den Enden synchron bewegen. Für R' = O ist
x = a (2 r + 2 h + a - s). (11) 2 (a + s) Will man die Widerstandswerte r und h
ausscheiden, so macht man eine zweite Messung mit den Zusatzwiderständen R', wobei
der Meßwert a' sein möge.
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Dann ergibt sich aa' (2 R' + a'-a) x = (12) 2 s (a - a') und aa'(2
R' + a'-a) aa'(2R'+a'-a)+s2(a-a')-s(a2-a'2)+2sa'R' (I3) Hinsichtlich der Unterdrückung
von Fremdströmen und der Verwendung von zwei äußeren Meßspannungen gilt das zu Bild
Ia Gesagte.