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Stoßfreie Hochfrequenz-Freileitung Die Erfindung bezieht sich auf
erdsymmetrisch und erdunsymmetrisch betriebene Freileitungen für die Energieübertragung
mit Wechselstrom verhältnismäßig hoher Frequenz, insbesondere auf Freileitungen,
wie sie zwischen Kurzwellensendern und Rhombusantennen verwendet werden. Es ist
oft von großer Bedeutung, besonders bei Übertragung größerer Leistungen, daß solche
Leitungen in hohem Grade elektrisch stoßfrei sind, d. h., daß ihr Wellenwiderstand
von Anfang bis Ende gleichförmig ist. Die bisher bekannten praktischen Ausführungen
lassen in dieser Beziehung sehr zu wünschen übrig. Vor allem sind es die konzentrierten
zusätzlichen Querkapazitäten, die unvermeidlicherweise an den Stützpunkten der Leitung,
an Durchführungen durch Gebäudewände, an Schaltern, an Schutzfunkenstrecken usw.
auftreten, die sich störend bemerkbar machen. Obwohl die Störung, die durch eine
einzelne solche Stoßstelle verursacht wird, gewöhnlich klein ist, werden bei Leitungen
mit vielen Stoßstellen oft starke Störungen am Anfang der Leitung beobachtet, da
sich bei gewissen Frequenzen die Wirkungen der Einzelstörungen gleichsinnig addieren,
während sich bei anderen Frequenzen die Wirkungen nahezu ausgleichen.
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Die Erfindung zeigt Mittel und Wege, wie solche Störungen auf einfache
Weise weitgehend beseitigt werden können. Der Grundgedanke ist, das Gleichgewicht
zwischen elektrischer und magnetischer Energie pro Längeneinheit wiederherzustellen,
das durch die zusätzliche elektrische Energie in derkonzentrierten Querkapazität
an der Stoßstelle gestört ist, und zwar durch einen entsprechenden Zusatz an magnetischer
Energie. Eine von der Frequenz unabhängige Wiederherstellung
des
Gleichgewichts kann erreicht werden entweder durch konzentrierte Längsinduktivitäten
oder durch elektrisch kurze Leitungsabschnitte mit höherem Wellenwiderstand als
die Leitung, die in die Leitung eingeschaltet sind. Ein höherer Wellenwiderstand
kann erzielt werden durch Verwendung dünneren Leitungsdrahtes, durch größeren Abstand
zwischen Hin- und Rückleiter oder durch beides. Welches Mittel am zweckmäßigsten
ist, richtet sich danach, welcher Art die Stoßstelle ist.
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Bevor hierauf im einzelnen eingegangen wird, sei auf andere Vorteile
hingewiesen, die sich aus der vorliegenden Erfindung ergeben. Bisher war es das
Bestreben, bei der Konstruktion von Hochfrequenz-Freileitungen die an den Leitungsstützpunkten,
Durchführungen, Schaltern usw. auftretenden konzentrierten Querkapazitäten möglichst
klein zu halten. Unvermeidlicherweise litt dadurch die mechanische Festigkeit oder
die elektrische Spannungssicherheit oder beides. Da die Anwendbarkeit der vorliegenden
Erfindung praktisch nicht durch die Größe der abzugleichenden Kapazität beschränkt
ist, wenigstens nicht bei Frequenzen unter 30 MHz, brauchen bei Leitungsstützpunkten
und anderen Arten von Stoßstellen gemäß der vorliegenden Erfindung keine Kompromisse
bezüglich Festigkeit und Spannungssicherheit mehr gemacht zu werden. Unter Umständen
wird die Übertragung größerer Leistungen überhaupt erst ermöglicht, oder es kann
wegen der größeren Festigkeit der Stützpunkte eine gewisse Anzahl derselben eingespart
werden.
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Als einfaches Beispiel für die Anwendung der Erfindung sei zuerst
ein Stützpunkt behandelt, an dem eine waagerechte Leitung in eine senkrechte Leitung
übergeht, wie er z. B. bei einer Rhombusantenne unterhalb ihres vorderen oder hinteren
Endes vorkommt. -Die bisher übliche Ausführung zeigt Fig. i a, eine Ausführungsform
gemäß der vorliegenden Erfindung' Fig. i b. In beiden Figuren ist unten eine Seitenansicht
und oben eine Aufsicht dargestellt. An der Stützstange i, die in geeigneter Weise
mit einer Abspannung 2 versehen ist, sind die waagerechte Leitung 3 und die senkrechte
Leitung q. über den bzw. die Zugisolatoren 5 unter Verwendung eines Querarmes 6
befestigt. Während bei der bekannten Ausführungsform die waagerechte Leitung unmittelbar
in die senkrechte Leitung übergeht; ist bei der Ausbildung gemäß der Erfindung jede
Leitung für sich durch einen Zugisolator 5 abgefangen. Zwischen der waagerechten
und der senkrechten Leitung ist über Spleiße $ od. dgl. eine Verbindungsleitung
7 angeschlossen, deren Drahtstärke geringer ist als die der waagerechten und senkrechten
Leitungen. Die Länge l' der Verbindungsleitung, die erforderlich ist, um die Stoßstelle
elektrisch stoßfrei zu machen, und zwar unabhängig von der Frequenz, kann zu
bestimmt werden. Hierin ist C2 die konzentrierte Ersatzkapazität eines Isolatorpaares
einschließlich der Drahtspleiße, Z der Wellenwiderstand der Leitung, Z, der Wellenwiderstand
des freien Raumes (377 Ohm), d' der Durchmesser der Verbindungsdrähte,
a' ihr Abstand, der gewöhnlich gleich dem der Leitungsdrähte ist, und c die
Lichtgeschwindigkeit. Voraussetzung ist, daß l' sehr klein gegen die Wellenlänge
ist, was durch Wahl eines genügend kleinen Durchmessers d' immer erreicht werden
kann, wenigstens für Frequenzen unterhalb von 30 MHz. Vom Festigkeitsstandpunkt
aus spielt der Drahtdurchmesser keine Rolle, da praktisch kein Zug auf _ den Verbindungsdrähten
liegt.
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Zur weiteren Erläuterung wird auf die in den Fig. 2a und 2b gegebenen
Ersatzschaltbilder verwiesen. Eine elektrisch kurze gleichförmige Leitung der Länge
l' mit einem Abstand a' der einzelnen Leiter vom Durchmesser d' besitzt
den Wellenwiderstand
und ist äquivalent einem elektrischen Netzwerk, das aus den Längsinduktivitäten
und den zu beiden Seiten der Längsinduktivitäten angeordneten Querkondensatoren
besteht, bzw. einem elektrischen Netzwerk, bei dem in den Längszweigen je in Reihe
zwei Induktivitäten
und zwischen den Verbindungspunkten der beiden Längsinduktivitäten eine Querkapazität
C liegt. Es sind dabei
und
wobei mit c die Lichtgeschwindigkeit bezeichnet ist. Für eine gleichförmige Leitung
mit einer konzentrierten zusätzlichen Querkapazität C, und dem Wellenwiderstand
Z' erhält man die gleichen Ersatzbilder, doch sind hierbei die Querkapazitäten
bzw. C + CI. Diese elektrischen Netzwerke sind wiederum äquivalent einer gleichförmigen
Leitung mit dem Wellenwiderstand
Hieraus kann der vorstehend angegebene Wert l' sofort ermittelt werden.
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Eine ähnliche Anwendung findet der Erfindungsgedanke bei einer Stütze
an einer Knickstelle in der Richtung der Leitung. In Fig. 3 ist eine bisher in England
übliche Ausführung dargestellt, in Fig. q. eine Ausführung gemäß der vorliegenden
Erfindung, und zwar nur für die Knickstelle, wobei unten eine Seitenansicht und
oben eine Aufsicht gezeigt ist. Die Stützstangen sind wiederum mit =, die Abspannungen
mit 2 bezeichnet. Die waagerechten Leitungen 3' und 3" sind über Zugisolatoren 5
und Standisolatoren 5' befestigt. Die Länge l' der Verbindungsdrähte 7 errechnet
sich aus der bei Behandlung des Beispiels nach Fig. i b angegebenen Beziehung. Die
abgehende
Leitung 3" und die ankommende Leitung 3' sind im Beispiel der Fig. q. mit dem Höhenunterschied
e an der Stützstange verankert, der sich ergibt aus
Hierin ist 99 die Richtungsänderung der Leitung. Um zu erreichen, daß die Verbindungsdrähte
den gleichen Abstand wie die Leitungsdrähte haben, was aus elektrischen Gründen
nicht unbedingt erforderlich wäre, wohl aber die Konstruktion vereinfacht, sind
die Spleißstellen der Leitungsdrähte mit den Verbindungsdrähten in bestimmten Abständen
von der Achse der Stützstange angeordnet, und zwar an der Innenseite des Knickes
im Abstand (P - A) und an der Außenseite im Abstand (P -f- A), wobei
Man beachte, daß der an der Außenseite des Knickes gelegene Leiter der ankommenden
Leitung mit dem an der Innenseite des Knickes gelegenen Leiter der abgehenden Leitung
verbunden ist.
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Abgesehen von der Stoßfreiheit hat diese Ausführung des Stützpunktes
an einem Knick den Vorteil, daß der Leiterabstand überall genau gleich ist und daß
die beiden Seiten der Leitung genau gleich lang sind. Bei keiner der bekannten Ausführungen
trifft dies gleichzeitig zu.
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Der gleiche Effekt wie durch die Verwendung dünneren Drahtes kann
auch durch Verwendung größeren Abstandes der Verbindungsdrähte oder durch beides
erzielt werden. Hiervon kann mit Vorteil Gebrauch gemacht werden z. B. an der Stelle,
wo eine senkrechte Speiseleitung mit den Leitern einer waagerechten Rhombusantenne
verbunden ist, wie dies in den Fig. 5 a und 5 b veranschaulicht ist. In Fig. 5 a
ist wiederum die übliche Ausführung, in Fig. 5 b eine Ausführung gemäß der Erfindung
dargestellt. Bei beiden Ausführungen ist unten eine Seitenansicht, oben eine Aufsicht
gezeigt. Anstatt die Zugisolatoren 5 am Ende der Antennenleiter 9 nahe der langen
Rhombusdiagonale anzuordnen, wie das bisher üblich ist, sind diese in einem Abstand
vom Endpunkt der Rhombusdiagonale angeordnet, der die Einfügung eines gespreizten
Leitungsstückes 7 zwischen Ende der Speiseleitung io und Ende der Antennenleiter
9 unter einem Winkel von etwa q.5° gegen die Horizontale zuläßt. Spreizisolatoren
12 sichern zweckmäßig einen gleichbleibenden Abstand. Die Länge des gespreizten
Leitungsstückes wird so gewählt, daß die konzentrierte Querkapazität der Isolatoren
5 und ii einschließlich der Spleiße 8 gerade ausgeglichen wird. In genügend guter
Annäherung kann dieses Leitungsstück als eine Paralleldrahtleitung mit einem Abstand
gleich dem Abstand am in der Mitte des gespreizten Leitungsstückes aufgefaßt
werden. Zur Berechnung findet die gleiche Formel wie in den vorhergegangenen Beispielen
Anwendung, nur daß diesmal für a' der Wert am eingesetzt wird. Da die Ersatzkapazität
der Isolatoren 5 auch etwas von ihrem Abstand abhängt, ist das Verfahren der Iteration
(Annäherung an die Lösung in Schritten) notwendig. An der Durchführungsstelle einer
Leitung durch die Wand eines Gebäudes erweist sich oft die Verwendung von Spulen
zum Ausgleich der konzentrierten Querkapazitäten als vorteilhaft. Eine stoßfreie
Durchführung, die mit Messerschaltern zum Erden der Leitung kombiniert ist, zeigt
Fig. 6. Eine ankommende Leitung 21 ist mit dem Stehisolator 22 an der Wand 23 abgefangen:
Die Durchführung erfolgt über einen Durchführungsisolator 2q. mit der Sprühschutzkappe
25. Die abgehende Leitung ist mit 26 bezeichnet. Zwischen die ankommende Leitung
und die Durchführung ist eine Spule S eingeschaltet. Es ist noch ein Schaltmesser
27 und ein Messerkontakt 28 zum Erden vorgesehen. Die Induktivität L a jeder der
beiden Spulen S (bei Zweidrahtleitungen), die für Stoßfreiheit erforderlich ist,
folgt mit genügender Genauigkeit aus
Hierin ist CL die Ersatzkapazität der beiden Spulen gegeneinander und Ci die Ersatzkapazität
der Durchführungsisolatoren 2q., der Funkenstrecke (in Fig. 6 nicht gezeigt) und
der Schalter 27 im geöffneten Zustand. Da CL von der Länge und dem Durchmesser der
Spulen S abhängt, ist auch hier ein Iterationsverfahren notwendig, was aber praktisch
keine nennenswerten Schwierigkeiten bereitet.
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Eine ähnliche Anwendung des Erfindungsgedankens wie im vorhergehenden
Beispiel ist in Fig. 7 gezeigt. Hier handelt es sich um eine Stütze i in einer ganz
oder nahezu geraden Leitung. In diesem Fall ist eine Verankerung der Enden der ankommenden
und abgehenden Leitung wie in dem Beispiel der Fig. q. aus Konstruktionsgründen
unerwünscht und deshalb umgangen. Die Leitungsdrähte können vielmehr frei durch
die Kerben K hindurchschlüpfen, die in dem Arm A aus Isolierstoff angebracht sind.
Zum Abgleich der konzentrierten Querkapazität dieses Armes sind Spulen S frei tragend
in den Leitungsdrähten angeordnet, in einem Abstand von der Stütze, der sehr klein
gegen die Wellenlänge ist. Diese Spulen sind einlagig auf einen Isolierkörper gewickelt,
der so geformt ist, daß der Leitungsdraht selbst für die Spule verwendet werden
kann, ohne ihn schneiden oder durch ein Loch durchführen zu müssen. Fig. 8 zeigt
die Konstruktion dieses Spulenkörpers im einzelnen. Das Wesentliche an ihm sind
hakenförmige Ansätze E an beiden Enden, in die der Leitungsdraht beim Wickeln der
Spule gelegt wird. Sie verhindern, daß der Leitungsdraht herausspringt, wenn er
unter Zug gesetzt wird. Diese Konstruktion erlaubt, die Ersatzkapazität eines Spulenpaares
auf einem Mindestwert zu halten, was im Hinblick auf die Genauigkeit des Abgleichs
wünschenswert ist.
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Anstatt der erwähnten Spulen können grundsätzlich auch Ringe aus magnetischem
Material verwendet werden, die koaxial zum Leitungsdraht angeordnet sind. Man hat
es dann mit einer Spule mit einer Windung und geschlossenem Kern von höherer Permeabilität
zu tun. Ein Schlitzen des Ringes oder eine Aufteilung in zwei Hälften kann aus konstruktiven
Gründen vorteilhaft sein.
Die erwähnten Anwendungsbeispiele des
Erfindungsgedankens befassen sich mit erdsymmetrisch gebauten und betriebenen Freileitungen.
Es ist offensichtlich, daß sich der Erfindungsgedanke auch auf erdunsymmetrisch
gebaute und/oder betriebene Freileitungen anwenden läßt.
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Ebenso ist es offensichtlich, daß der Erfindungsgedanke auch auf Antennen
angewendet werden kann, deren Stromspannungsverteilung einer fortschreitenden Welle
wie bei einer Leitung entspricht, z. B. auf Beverageantennen; Rhombusantennen usw.,
um Stoßstellen durch Aufhängeisolatoren für die Antennenleiter zu beseitigen.