DE936101C - Kettengliederweiser Ausgleich der Unsymmetrien von in Ketten geschalteten Vierpolen,insbesondere von spulenbelasteten Fernmeldeleitungen - Google Patents

Description

Die Leitungen von Fernmeldekabeln besitzen bekanntlich trotz aller Sorgfalt bei der Kabelfertigung kleine Unsymmetrien, die zur Vermeidung des Nebensprechens und von Geräuschen ausgeglichen werden müssen. Je nach der Art des zu übertragenden Frequenzbandes wählt man die Länge der Ausgleichsabschnitte.

Bei mit Pupinspulen belasteten Kabeln sind diese Ausgleichsabschnitte besonders kurz; es sind die als Spulenfelder bezeichneten Kabelabschnitte zwischen zwei Pupinspulen, weil es sich hierbei vorwiegend um kapazitive, also spannungsabhängige Kopplungen der Leitungen handelt. Zwischen zwei Pupinspulen bleibt die Spannung des Betriebsstromes annähernd unverändert, dreht sich jedoch an den Spulenpunkten um recht beträchtliche Phasenwinkel. Dies ist der Grund dafür, daß ein kapazitiver punktförmiger Ausgleich der durch die Unsymmetrien entstandenen Kopplung für ein Spulenfeld, also den Kabelabschnitt zwischen zwei Pupinspulen, gelingt. Der spulenfeldweise Ausgleich ist deshalb zur Regel geworden, wobei die Kopplungen in den Kabelabschnitten allein, d. h. vor Anschaltung bzw. nach Abschaltung der Pupinspulen, gemessen und ausgeglichen werden.

Es ist dagegen aus dem gleichen Grunde in der Regel nicht möglich, die Unsymmetrien von Kabelabschnitten mit eingeschalteten Spulen über die Spulen hinweg für ein so breites niederfrequentes

Frequenzband wie beispielsweise das Sprachfrequenz·^ band gegeneinander auszugleichen. Jeder Frequenz ist nämlich eine andere Drehung des Spannungsvektors zugeordnet. Ein Ausgleich bei Sprachfrequenzen verbietet sich also, sobald die Spulen eingeschaltet sind, und bei dem mitunter erforderlichen Nachausgleich müßten deshalb die einem Kabelabschnitt benachbarten Spulenpunkte sogar wieder aufgetrennt werden. Im Ausgleich bei einer MeB-frequenz oberhalb der Grenzfrequenz der Spulenleitungen ist zwar ein Mittel gefunden worden, auch bei eingeschalteten Pupinspulen das Nebensprechen zu beseitigen. Diese Methode kann jedoch nicht auch zur Beseitigung von Geräuschstörungen infolge von Erdkapazitätsunsymmetrien Anwendung finden, so daß deren spulenfeldweiser Ausgleich bisher nur bei abgeschalteten Pupinspulen möglich war.

Die Erfindung hat nun ein Ausgleichsverfahren geschaffen, das von diesen Nachteilen frei ist und es auch ermöglicht, den Ausgleich beliebig weit zu treiben. Die der Erfindung zugrunde liegende Erkenntnis beruht sogar darauf, daß die Pupinspulen in die Fernmeldeleitungen eingeschaltet sind, und bezieht sich somit auf Vierpole, die aus einer Zusammenschaltung von Pupinspulen oder anderen den Phasenwinkel drehenden Schaltelementen, z.B. Filtern, Drosseln od. dgl., einerseits, mit beiderseitigen Leitungsabschnitten andererseits bestehen. Während die bisher bekannten Verfahren also genau genommen einen spulenf eidweisen Ausgleich ohne Spulen betrafen, hat die Erfindung einen zum Unterschied davon spulengliedweisen — oder allgemeiner gesagt kettengliedweisen — Ausgleich geschaffen, bei dem die Pupinspulen oder sonstigen spannungsvektordrehenden Schaltelemente in die die Ausgleichsabschnitte bildenden Vierpole eingeschaltet sind. Die Erfindung ermöglicht weiterhin nicht nur den Ausgleich von Nebensprechkopplungen, sondern auch von Erdkapazitätsunsymmetrien. Sie läßt sich sowohl beim Erstausgleich neu zu erstellender Anlagen als auch beim Nachausgleich bereits bestehender Anlagen verwenden, insbesondere bei Pupinspulenkabeln.

Die Erfindung soll in ihrem Prinzip und in Ausführungsbeispielen an Hand der-Zeichnung erläutert werden. Die Fig. 1, 3 und 5 stellen Vektorbilder dar, dagegen die Fig. 2 und 4 Ausführungsbeispiele in schematischer Darstellung.

Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, daß der Summenkopplungsvektor zweier punktförmig wirkender Kopplungen gleicher Gattung dann eindeutig in seine Komponenten zerlegt werden kann, wenn die Phasenwinkel zwischen diesen Kopplungen und dem Summenvektor bekannt sind oder zum Zwecke des Ausgleiches bestimmt werden. Zur Erläuterung dieses Gedankens dient das in Fig. 1 dargestellte prinzipielle Vektorbild, bei dem mehrere Vektoren als Beispiel in den Quadranten zwischen der positiven reellen und positiven imaginären Achse eingezeichnet sind. Es sei angenommen, daß der komplexe Summenvektor f durch Messung bestimmt ist. Dieser Vektor läßt sich dann aus bekannten Gründen ohne weiteres in seine Komponenten f' und I" zerlegen, wenn deren Winkel φ' und φ" oder einer von - diesen Winkern und der Summenwinkel φ = φ' -f- φ" -bekannt sind oder bestimmt werden können.

Zum näheren Verständnis diene als praktisches Beispiel der Fall eines Kettengliedes aus zwei sich ■ durch Nahnebensprechen beeinflussenden Leitungen, das. in Fig. 2 gezeigt ist. Das Kettenglied besteht aus den vier Leitungen a, b, c und d von der Länge s, in deren Mitte je eine Pupinspule eingeschaltet ist, die zusammen wie üblich in einem Pupinspulenkasten P oder einer Pupinspulenmuffe untergebracht sind. An beiden Enden des Kettengliedes liegen Ausgleichsmuffen, die z. B. Kondensatorenmuffen K sein können. Die verwendeten Fußindizes ν und ν — ι sollen andeuten, daß es sich um ein beliebiges Ketten- oder Spulenglied in einer längeren Kabelstrecke handelt.

Die Leitung a-b sei gemäß weiterer Annahme die störende Leitung mit dem auf das ganze Glied bezogenen Übertragungsmaß γ_χ —a_x -)- JjS₁ und die Leitung c-d die gestörte Leitung mit dem ebenfalls auf das ganze Glied bezogenen Übertragungsmaß γ₂ = a₂ -j- jß_z. Am nahen Ende der störenden Leitung a-b liegt die Störspannungsquelle U, während ihr fernes Ende mit dem Wellenwiderstand Z₁ abgeschlossen ist. Die gestörte Leitung c-d ist an ihren beiden Enden reflexionsfrei mit dem Wellenwiderstand Z₂ abgeschlossen. Außerdem ist am nahen Ende der Leitung c-d ein übliches Anzeigeinstrument für Nullspannung, z. B. ein Telephon T, angeschlossen. Ferner liegt am nahen Kabelende-'zwischen den Leitungen δ und c ein Kopplungsmesser für komplexe Kopplungen, mit dem sich bei Tonminimum im Telephon die komplexe Kopplung t_v messen läßt. Kopplungsmesser dieser Art sind bekannt und brauchen deshalb nicht besonders erläutert zu werden.

In der Fig. 2 ist das Beispiel gezeichnet, daß der Pupinspulenkasten in der Mitte zwischen zwei Kondensatorenmuffen K liegt. Diese Anordnung ist jedoch keineswegs eine Voraussetzung für die Erfindung. Die Leitungsabschnitte auf beiden Seiten des Pupinspulenkastens müssen nämlich nicht gleich lang sein

(im Beispiel je — J, sondern können ungleich lang sein

und sich in ihrer Länge sogar erheblich voneinander unterscheiden. Die eine Seite kann sogar beispielsweise doppelt so groß wie die andere Seite sein, so daß sich/die Erfindung auch in den Fällen anwenden läßt, in denen eine Pupinspulenstrecke nicht wie üblich mit einem halben Spulenfeld endet. Dies hat seinen Grund darin, daß die Drehung des Spannungsvektors überwiegend in der Spule vor sich geht und das Verfahren gemäß der Erfindung imstande ist, auch etwaige' Fehler des Abschlusses der Kabelstrecke oder des einzelnen Kettengliedes zu kompensieren. Die Aufteilung eines Kettengliedes in zwei Halbfelder von

je — Länge ist somit nur ein Beispiel. In der Fig. 2

ist im ersten Halbfeld zwischen den Adern b und c 120-eine KapazitätSunsymmetrie k'_v und im zweiten Halbfeld eine Kapazitätsunsymmetrie k" eingezeichnet. Diese beiden Unsymmetrien können natürlich auch zwischen anderen Adern liegen und werden dann dadurch ermittelt, daß der Kopplungsmesser zwischen diese anderen Adern geschaltet wird. Am fernen

Ende ist noch die Zusatzkapazität k_z eingezeichnet, deren Bedeutung später erläutert werden wird.

Die somit nur beispielsweise zwischen den Adern δ und c bei Tonminimum gemessene komplexe Kopplung f„ wird' als Vektor in die in Fig. 3 dargestellte komplexe Zahlenebene eingetragen. Dieser Vektor liege beispielsweise im positiven Quadranten zwischen der reellen Abszisse μ S und der imaginären Ordinate j μ S. Es gilt dann die Beziehung

=jco[k'_v

(ι)

Dieser Vektor setzt sich aus den zum Zwecke des Ausgleichs zu bestimmenden Teilvektoren Ό_ν und U^₁ zusammen. Von diesen Teilvektoren ist zunächst nur die Richtung des Vektors b^__x bekannt, da die zugehörige Teilkopplung k'_v rein kapazitiver Natur ist und der Vektor infolgedessen in der positiven Ordinate liegt.

Der erfinderische Schritt bei dem neuen Ausgleichsverfahren besteht nun darin, daß unter Ausnutzung der in Fig. 1 dargestellten Zerlegung von Vektoren die Richtung des zweiten Vektors mit einem vorübergehend am fernen Ende (bei K_v) zugeschalteten Hilfskondensator k_z gefunden wird. Diese Hilfskapazität kann beliebig groß sein, da es nur darauf ankommt, mit ihr die Lage des zugehörigen Zusatzvektors Δ f» zu bestimmen. Man erhält bei der Messung

(2)

Aus den Gleichungen (1) und (2) erhält man den Differenzvektor

Al₁₁ = t_vr

ινγ

und kann dann aus den Gleichungen (1) und (3) die gesuchten Teilkopplungen k[, und k" ermitteln. Die Meßfrequenz ist wie üblich bekannt und erscheint in den Gleichungen als Kreisfrequenz ω = 2π/". Da die Kopplungen k'_v und k" kapazitiver Natur sind, muß der Vektor b„ die gleiche oder entgegengesetzte Richtung haben wie der kapazitiv bedingte Differenzvektor A f_v .

Die Bestimmung der Ausgleichskapazitäten läßt sich besonders vorteilhaft durch Kombination des graphischen mit dem rechnerischen Verfahren wie folgt ermitteln: In Fig. 3 wird zunächst der nach seiner Lage und Größe ermittelte Differenzvektor At, eingetragen. Durch Verlängerung des Vektors in Richtung zur imaginären Achse erhält man den Endpunkt des Vektors ö„ __t, und mit Hilfe der beiden Gleichungen (4) lassen sich dann die Kapazitätsunsymmetrien k'_v und k" leicht ausrechnen. Der resultierende Vektor l_Vres [vgl. Gleichung (2) und (3)] braucht bei dieser Methode selbst nicht bestimmt zu werden. Es ist ein besonderer Vorteil, daß die beiden Gleichungen (4) eine denkbar einfache Form haben.

In gleicher Weise kann man die Unsymmetrien aller weiteren Spulenglieder des Kabels bestimmen, wobei die Leitungen nur an den Kondensatorenmuffen zugänglich sein müssen. Außer in der im Beispiel gezeigten Nahnebensprechschaltung lassen sich die Kopplungen auch in Form der Fernnebensprechschaltung bestimmen, wobei die Spannungsquelle in Fig. 2 an die Stelle K_v und der den Leitungsabschluß bildende Wellenwiderstand Z₁ an die Stelle i£_r kommt, also miteinander vertauscht werden.

Es ist charakteristisch für das Angleichsverfahren gemäß der Erfindung und sehr vorteilhaft, daß dadurch, daß die Unsymmetrien an den Stellen ausgeglichen werden, wo sie tatsächlich wirksam sind, sowohl das Nah- als auch das Fernnebensprechen gleichzeitig beseitigt werden.

Ein weiterer großer Vorteil des Ausgleichsverfahrens gemäß der Erfindung besteht darin, daß etwa vorhandene Unterschiede in den elektrischen Werten der Pupinspulen oder anderen Schaltelemente nicht stören, denn der Ausgleich läuft gewissermaßen über die Pupinspulen und ihre etwaigen Differenzen hinweg. Wenn dagegen bei den bekannten Ausgleichsverfahren die Pupinspulen abgeschaltet sein müssen und erst nach Durchführung des Ausgleichs wieder zugeschaltet werden dürfen, muß man im Gegensatz zur Erfindung dafür sorgen, daß die Pupinspulen durch eine besonders genaue Fabrikation keine Differenzen aufweisen und neue störende Kopplungen hervorrufen, die sich nicht ausgleichen lassen.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in Fig. 4 der spulengliedweise Ausgleich der Erdunsymmetrien bei einem Pupinkabel gezeigt, das zum Zwecke der Messung in bekannter Weise künstlich beeinflußt wird. Das bei dieser künstlichen Beeinflussung benutzte Verfahren ist in der deutschen Patentschrift 837 127 beschrieben. Bei ihm wird dem metallischen Kabelmantel eine Längs-EMK eingeprägt, deren Ort und Frequenz dem schon vorliegenden oder später zu erwartenden Beeinflussungsfall der Stark- too stromstörung möglichst entsprechen.

Fig. 4 zeigt dementsprechend den Fall einer Pupindoppelleitung a-b in einem Kabel, dessen metallischem Mantel M durch den Sender S eine Längs-EMK künstlich eingeprägt wird, um die Potentialverteilung im Kabel möglichst gut dem praktischen Beeinflussungsfall anzupassen.

In Fig. 4 sind die ersten Spulenglieder, von dem am linken Ende angenommenen Kabelanfang A aus beginnend, mit 1, 2 ... ν—ι, ν, ν +1... bezeichnet, schematisch aufgezeichnet, doch muß man sich die Leitung nach rechts weitergehend denken. Unterhalb des schraffiert dargestellten Kabelmantels M sind die Bezeichnungen für die in die Leitung eingeschalteten Pupinspulen P₁, P₂ usw. und ferner die zwischen den Spulengliedern 1, 2 ... usw. angeordneten Kondensatorenmuffen K₀, K₁... usw. eingetragen. Es liegen dann zwischen dem Aderpaar a-b einerseits und dem Kabelmantel M andererseits Spannungen U, die in den einzelnen Spulengliedern über die dort befindliehen Erdunsymmetrien k' und k" Störströme erzeugen, die am Kabelanfang A eine Summenstörung ergeben.

Es sei angenommen, daß der Ausgleichsvorgang in inem Zeitpunkt dargestellt wird, in dem die ersten ν—ι-Spulenglieder bereits ausgeglichen sind und nun

das v-te Spulenglied ausgeglichen werden soll. Der komplexe Kopplungsmesser (hier durch den damit unter anderem zu messenden Vektor E_11-1 bezeichnet) bleibt dabei ständig am Kabelanfang A angeschaltet, und zwar zwischen dem Kabelmantel M und einer der beiden Leitungen, z.B. der Leitung δ; diese Leitung ist mit der anderen Leitung, d.h. im Beispiel mit a, durch einen reflexionsfreien Wellenwiderstand Z und das Tonminimumgerät T verbunden. In der Kondensatorenmuffe Ky _ _x wird die Leitung aufgetrennt und in Richtung zum Meßplatz (Kopplungsmesser) reflexionsfrei durch eine Leitungsnachbildung (Wellenwiderstand) Z abgeschlossen. Parallel zu dieser Leitungsnachbildung liegt eine hochohmige Drosselspule Dr, deren symmetrische Mitte mit der kurz-

r ir U

fv-i = j ca \ki + -^- [k'l + ki) e~r + -^

Eine Zusatzkopplung k_g bei K_v __x ergibt den gemessenen Vektor

Es sei nunmehr der nächste Fall betrachtet, daß die Leitung bei K_v__x durchgeschaltet und statt dessen bei K_v (also Kondensatorenmuffe nach dem i>-ten Spulenglied) abgeriegelt sei. Man erhält dann

^*--"+iff

(7)

und bei vorübergehender Zuschaltung einer Kopplung k_z bei K_v

-~j

(8)

Aus den Gleichungen (5) bis (8) erhält man durch Differenzbildungen die gesuchten Teilunsymmetrien des v-ten Spulengliedes

(9)

Dabei ist

ZIf,

Zl ty == ty res ' *-V

Iy fr_i = Ö_r_₁ + Oy .

(10)

Der Vektor ö_r__x bzw. b» hat die Richtung des dazugehörenden Vektors A % _—1 bzw. Δ t_v .

Fig. 5 zeigt die Verknüpfung der interessierenden Vektoren und die graphische Auswertung in übersichtgeschlossenen Leitung des benachbarten Leitungsabschnittes verbunden wird, um auf diese bereits bekannte Weise die Potentialverteilung der Leitung nicht zu stören. Jedes Spulenglied hat wieder ein bezogenes Übertragungsmaß γ = a -f- j β- Die Unsymmetrien der Spulenglieder sind im ersten Halbfeld wieder mit »'« und im zweiten Halbfeld mit »"« gekennzeichnet. Die bei A gemessenen komplexen Kopplungsvektoren sind wieder mit I bezeichnet und tragen als Fußindex einen Hinweis auf das Spulenglied, bis zu dem die Messung erstreckt wird. Der mit der Frequenz f bei Abriegelung der Leitung bei K_v_₁, also für die Gesamtheit der ersten ν—-ι Spulenglieder gemessene Kopplungsvektor Ji_11-1 ist gleich

(tf + k'₃)e->r +

(5)

licher Weise. Von den Enden des Differenzvektors ty-ty-i werden Geraden in Richtung der Vektoren A ϊ_τ__χ bzw. Δ iy gezeichnet und zum Schnitt gebracht. Man erhält damit die Vektoren D₁^₁ und Ό_ν, die die Größe der eingeschalteten Ausgleichskondensatoren festlegen. In entsprechender Weise wurden schon vorher die ersten ν—ι-Spulenglieder und werden anschließend auch die restlichen Spulenglieder des Kabelabschnittes ausgeglichen.

Wie die Fig. 4 erkennen läßt, befinden sich bei diesem Ausführungsbeispiel im Gegensatz zu Fig. 2 der Meßgenerator (bisher Sender oder Spannungsquelle genannt) und der Kopplungsmesser an verschiedenen Enden der Kabelanlage, und der Ausgleich erfolgt durch Zuschalten von weiteren Ausgleichsabschnitten (Kettengliedern) zu den jeweils schon ausgeglichenen Abschnitten. Das Verfahren des schrittweisen Ausgleichs bei räumlicher Trennung von Meßgenerator und Kopplungsmesser ist bekannt und z. B. in der deutschen Patentschrift 619 764 beschrieben. Es gehört nicht zu der, wie erläutert, durch andere Merkmale gekennzeichneten Erfindung, sondern wird nur wegen seiner Vorzüge bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4, jedoch auch bei ihm ohne innere Notwendigkeit verwertet.

Bei den beiden erörterten Beispielen wurden die Phasenwinkel der Kopplungen I' und I" mit Hilfe von Hilfskopplungen ZlI bestimmt, die durch Einschaltung zusätzlicher Kapazitäten erzeugt werden. Die Vektordiagramme der Fig. 3 und 5 lassen erkennen, daß die vektorielle Zerlegung des jeweiligen Meßwertes dadurch sehr erleichtert wird. Die Einschaltung zusätzlicher Kapazitäten ist aber nur eine Möglichkeit. Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß Hilfskopplungen durch Einschaltung zusätzlicher Induktivitäten erzeugt werden, wenn deren Phasenwinkel genau bekannt ist, insbesondere ein rechter Winkel zu dem kapazitiven Vektor ist.

Es ist jedoch im Prinzip zweckmäßiger, eine Hilfskopplung von der gleichen Gattung zu erzeugen, die die auszugleichende Kopplung hat, d. h. bei kapazitiven Kopplungen Kapazitäten und bei induktiven Kopplungen Induktivitäten zuzuschalten.

Eine weitere Möglichkeit zur Bestimmung der Phasenwinkel, jedoch ohne Erzeugung von Hilfskopplungen, besteht wenigstens in manchen Anwendungsfällen in der Berechnung der Winkel und Vektoren an Hand des Grundgedankens der Erfindung.

Claims (6)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Verfahren für den Ausgleich der Nah- und

   ίο Fernnebensprech- und/oder Geräuschunsymmetrien von in Ketten geschalteten Vierpolen, insbesondere von Pupinleitungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Kettenglieder ausgeglichen werden, die je aus den Phasenwinkel des Betriebsstromes drehenden Schaltelementen, wie Pupinspulen, Filtern, Drosseln od. dgl., und beiderseits angeschalteten Leitungsabschnitten mit punktförmig anzunehmenden Kopplungen beliebiger, jedoch definierter Phasenlage bestehen.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf beiden Seiten des Schaltelementes vorhandenen Kopplungen jedes Kettengliedes zunächst gemeinsam in an sich bekannter Weise, insbesondere nach Art der Nah- oder Fernnebensprechmessung, gemessen und dann nach graphischer und/oder rechnerischer vektorieller Zerlegung des Meßwertes getrennt ausgeglichen werden.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenwinkel der Kopplungen durch Hüfskopplungen bestimmt werden, die bei Kopplungen kapazitiver Natur vorzugsweise durch Einschaltung zusätzlicher Kapazitäten erzeugt werden.
4. 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem metallischen Kabelmantel in bekannter Weise künstlich eine Längs-EMK eingeprägt wird, deren Ort und'Frequenz dem schon vorliegenden oder später zu erwartenden Beeinflussungsfall der Starkstromstörung möglichst entsprechen.
5. 5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Spulenglieder der gestörten Leitung in bekannter Weise durch ihre Leitungsnachbildungen abgeschlossen werden, denen hochohmige Drosseln parallel liegen, deren symmetrische Mitten mit den kurzgeschlossenen Leitungen der benachbarten Leitungsabschnitte verbunden werden.
6. 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Messungen von dem einen Leitungsende aus an dem sich jeweils durch aufeinanderfolgendes Zuschalten der Spulenglieder ergebenden Meßabschnitt durchgeführt werden, wobei die auszugleichende Leitung am nahen und fernen Ende reflexionsfrei abgeschlossen wird, das jeweils ferne Ende außerdem über die Mitte einer hochohmigen Drossel an den Nachbarabschnitt durchgeschaltet wird und die Hüfskopplungen nur beiderseits des jeweils zugeschalteten Spulengliedes nacheinander angebracht werden.

   Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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