NL8502163A - Inrichting voor het beveiligen van asymmetrische electrische transmissiecircuits tegen overspanning o.a. tengevolge van electromagnetische pulsen met zeer hoge flanksteilheid. - Google Patents

Description

VÓ 7345

Inrichting voor het beveiligen van asymmetrische electrische trans-missiecircuits tegen overspanning o.a. tengevolge van electromagne-tische pulsen met zeer hoge flanksteilheid.

A. Achtergrond van de uitvinding.

1. Gebied van de uitvinding.

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het tegen overspanning, zoals o.a. veroorzaakt door één of meer electromagne-tische pulsen met zeer hoge flanksteilheid, beveiligen van electrische systemen, in het bijzonder telecommunicatiesystemen.

5 2. Stand van de techniek.

Een inrichting van bovenomschreven soort is bekend uit het Nederlandse octrooi 173226, dat op 19 november 1983 werd verleend. Door deze bekende techniek die uitsluitend bruikbaar is voor symmetrische tweedraadscircuits, wordt een inrichting beschikbaar gesteld waar-10 door enerzijds de transmissiedraden van éên of meer van dergelijke tweedraadscircuits kunnen worden doorgevoerd door de wand van een afgeschermde ruimte (Kooi van Faraday) zonder dat afbreuk wordt gedaan aan de electromagnetische afschermwerking daarvan, anderzijds in de transmissiedraden geïnduceerde spanningspieken (common mode) 15 in hoofdzaak zijn onderdrukt aan de apparatuurzijde. Daartoe is elke transmissiedraad verbonden met een overspanningsbeveiligingsketen, - v >

W

* *ΐ - 2 - die is uitgevoerd in de vorm van een pi-netwerk, waarvan de serietak een spoel bevat en in elk van de beide dwarstakken een spanningsaf-hankelijke afleidingscomponent met een volgens een sprongfunctie variabel geleidingsvermogen is opgenomen; daarbij zijn de twee van 5 dergelijke overspanningsbeveiligingsketens die aan een transmissie-circuit zijn toegevoerd, telkens ondergebracht in het inwendige van een als golfgeleider fungerende pijp- of kokervormig gedeelte, waardoor electromagnetische velden, althans voor zover de frequenties daarvan kleiner zijn dan de afsnijfrequentie van de desbetreffende 10 golfgeleider, worden verzwakt. Dergelijke golfgeleiders kunnen naast elkaar en aaneensluitend worden verenigd tot modulaire, stapelbare eenheden. Aldus kan een gewenst aantal tweedraadscircuits, i.c. tweedraadsleidingen, van een telecommunicatiekabel, bijv. een telefoonkabel, op een eenvoudige en doeltreffende wijze worden binnenge-15 voerd in de afgeschermde ruimte waarin de desbetreffende communicatieapparatuur is opgesteld. Hierbij kan tevens tegemoet worden gekomen aan de aan overspraakdemping ten aanzien van naburige circuits te stellen eisen.

Het Amerikaanse octrooischrift 3.777.219 beschrijft een tussen 20 twee uiteinden van coaxiale transmissieleidingen aansluitbare bevei-ligingsinrichting waardoor destructieve spanningsstoten die bijv. als gevolg van electromagnetische pulsen met hoge flanksteilheid in de binnengeleider van de transmissieleiding worden geïnduceerd, naar aarde worden afgeleid. Aldus kan apparatuur die op de desbetreffende 25 coaxiale transmissieleiding is aangesloten, min of meer tegen ongewenste overspanningen worden beveiligd. Deze bekende techniek heeft in het bijzonder betrekking op een constructie waardoor de invloed van parasitaire dwarszelfinducties op de transmissieeigenschappen van de coaxiale leiding tot een minimum wordt teruggebracht. De 30 voorgestelde constructie is echter bedoeld om overspanningen tussen binnen- en buitengeleider te beperken. Sterke stromen die in de buitengeleider worden geïntroduceerd, worden hierbij buiten beschouwing gelaten.

' * ' o 1 - ?J

.«A> - 3 - Β· Samenvatting van de uitvinding.

Volgens de huidige praktijk kan het bijzonder aanbeveling verdienen om, bijv. voor digitale transmissie, van asymmetrische transmissieleidingen, in het bijzonder coaxiale transmissieleidingen, 5 gebruik te maken, Daarbij komt het veelvuldig voor dat dergelijke coaxiale transmissieleidingen, al dan niet verenigd tot een verscheidene coaxiale circuits bevattende kabel, door de wand van een zich als kooi van Faraday gedragende ruimte moeten worden heengeleid. Mede doordat de lengte waarover een desbetreffende coaxiale 10 leiding zich binnen de genoemde ruimte uitstrekt naar daarin opge-stelde apparatuur, veelal relatief groot is, zal elk van deze leidingen zich kunnen gedragen als een bron van destructieve straling, wanneer vanaf buiten deze ruimte, als gevolg van een of andere calamiteit, een spanningspuls met hoge flanksteilheid wordt geïnduceerd.

15 Met de uitvinding is beoogd een inrichting beschikbaar te stellen die doorvoer van êên of meer coaxiale leidingen door een wand van een ruimte van een als kooi van Faraday aan te duiden soort, mogelijk maakt en daarbij een afdoende beveiliging biedt tegen bovenbedoelde destructieve straling. Hierbij bestaat het probleem dat de 20 structuur van de uit bovenvermeld Nederlands octrooischrift 173226 bekende inrichting onverenigbaar is met die van coaxiale leidingen en/of kabels die verscheidene van dergelijke leidingen omvatten.

Daarbij dient de beveiligingsinrichting zodanig te zijn gestructureerd dat: 25 aan de kwaliteit van de transmissieeigenschappen van een desbetreffende coaxiale leiding geen afbreuk wordt gedaan; tegemoet wordt gekomen aan de vereisten ten aanzien van overspraak-demping; en een hoge graad van vrijheid is gegeven ten aanzien van de keuze van 30 de plaats waar de buitengeleider van een desbetreffend coaxiaal circuit met referentiepotentiaal, zoals bijv. aarde, kan worden verbonden.

.* Λ, Λ v - 4

Uitgaande van bovengeschetste doel/probleemstelling en technische vereisten is een beveiligingsinrichting volgens de uitvinding daardoor gekenmerkt dat genoemde spoel is gevormd door de buitengeleider van een coaxiale transmissieleidlng die met een aantal windingen 5 opgerold in de metalen behuizing is aangebracht; welke buitengeleider galvanisch electrisch geïsoleerd ten opzichte van deze behuizing is gemonteerd. Nader uitgewerkt is een beveiligingsinrichting volgens de uitvinding daardoor gekenmerkt dat de metalen behuizing alzijdig is gesloten; en de genoemde coaxiale transmissieleidlng 10 zich voortzet via daaraan aansluitende coaxiale leidingen die elk door een wand van deze behuizing heen reiken.

Ter verdere verbetering van de spanningspulsonderdrukkende werking is een beveiligingsinrichting, waarbij de behuizing inwendig is verdeeld in een eerste en tweede kamer, volgens de uitvinding 15 daardoor gekenmerkt dat een voor hoog-energetische afleiding geconstrueerde afleidingscomponent is aangebracht in de eerste kamer, en de bijbehorende opgerolde coaxiale leiding en een voor laag-energe-tische afleiding geconstrueerde afleidingscomponent in de tweede kamer zijn aangebracht.

20 C. Korte beschrijving, van de tekening.

De uitvinding zal in het onderstaande nader worden toegelicht door een beschrijving van een uitvoeringsvoorbeeld en met verwijzing naar de tekening waarin:

Fig. 1 een schematisch en gedeeltelijk in doorsnede getekend bovenaanzicht weergeeft van een uitvoeringsvorm (waarvan het bo-25 vendeksel gedeeltelijk is afgenomen) van een beveiligingsin richting volgens de uitvinding; en Fig. 2 een schematisch beeld weergeeft van een doorsnede volgens II-II in figuur 1.

D. Referenties 30 Nederlands octrooi 173226

Amerikaans octrooi 3.777.219 Amerikaans octrooi 3.824.431.

- 5 - E. Beschrijving van een uitvoeringsvoorbeeld.

Het in de figuren weergegeven uitvoeringsvoorbeeld, waartoe de uitvinding niet is beperkt, is ontworpen voor een telecoramunicatie-kabel,waarvan zes coaxiale leidingen deel uitmaken. Vanzelfsprekend 5 kan de uitvinding ook worden toegepast voor meer of minder dan zes coaxiale transmissieleidlngen. De beveiligingsinrichting omvat een uit een electrisch geleidend materiaal, bijv. plaatstaal, gevormde alzijdig gesloten kast 1, die via niet weergegeven bevestigingsmiddelen kan worden-bevestigd aan een niet weergegeven wand van een 10 omsloten ruimte van de als kooi van Faraday aan te duiden soort.

Figuur 1 geeft een bovenaanzicht voor het geval waarin het bovendeksel van de kast 1 gedeeltelijk is weggenomen. Een tussenschot 2, dat eveneens uit electrisch geleidend materiaal is gevormd, verdeelt het inwendige van de kast 1 in een voorkamer 3 en een achterkamer 4. De 15 voorzijde 5 van de voorkamer 3 is ingericht voor doorvoer en bevestiging van een telecommunicatiekabel 6, terwijl de achterzijde 7 is ingericht voor doorvoer van zes afzonderlijke coaxiale leidingen 8.1 t/m 8.6 waarop niet weergegeven apparatuur, die is opgesteld binnen de omsloten ruimte (Faradaykooi), kan worden aangesloten.

20 Deze coaxiale leidingen zijn afgesplitst van de kabel 6. Deze kabel 6 is bijv. door middel van (niet weergegeven) wartels aan de buitenwaarts en binnenwaarts gekeerde kanten van de voorzijde 5 mechanisch bevestigd aan de kast 1. In het inwendige van de voorkamer 3 is de kabel 6 zodanig afgewerkt dat over een betrekkelijk kort lengtege-25 deelte de electrisch geleidende mantel (loodmantel), die al de van de kabel deel uitmakende transmissiegeleiders en leidingen omsluit, is blootgelegd. Dit mantelgedeelte 9 kan galvanisch verbonden zijn met de binnenkant van de voorzijde 5. Tevens is zoals schematisch in figuur 1 is weergegeven, de kabel 6 gesplitst zodat de daarvan deel 30 uitmakende coaxiale leidingen 10.1-10.6 afzonderlijk en over de door de voorkamer 3 begrensde ruimte verdeeld kunnen worden aangebracht.

; Λ -> : • C v S- 5 v - - 6 -

Bij voorkeur is elk van de vrije uiteinden van deze coaxiale leidingen 10.1-10.6 afgewerkt met een coaxiale insteekconnector 11.1- 11.6. In het tussenschot 2 zijn zes complementaire coaxiale connectors 12.1-12.6 gemonteerd en wel zodanig dat de buitengeleider 5 van elk van deze connectors 12.1-12.6 galvanisch electrisch is geïsoleerd ten opzichte van het tussenschot 2 en de kast 1. Elk van deze connectors 12.1-12.6 is aan de naar het inwendige van de achterkamer 4 toegekeerde zijde op zijn beurt verbonden met een coaxiale leiding 13.1-13.6, zodat zes afzonderlijke geïsoleerd door 10 het tussenschot 2 heen verlopende coaxiale transmissiepaden zijn gevormd. Elk van de vrije uiteinden (aan de apparatuurzijde) van deze coaxiale leidingen 13.1-13.6 is verbonden met een coaxiale connector 14.1-14.6, waarvan de constructie respectievelijk de montage in de achterzijde 7 gelijk is aan die van de connectors 15 12.1-12.6. Volgens een aspect van de uitvinding is elk van de coaxi ale leidingen 13.1-13.6 in opgerolde vorm in de achterkamer 4 aangebracht, zoals schematisch in figuur 2 voor één van de leidingen 13.1- 13.6 is weergegeven. De aldus gevormde ’‘spoel" is bijv. uitgevoerd met 8-10 windingen. Daar de constructie tot doel heeft een 20 barrière te vormen voor piekoverspanningen op de buitengeleider dient de waarde van de spoel te zijn aangepast aan de toegepaste componenten en wordt deze waarde mede bepaald door de capacitieve eigenschappen van deze componenten. Aldus wordt een laag-doorlatend filter gevormd waardoor hoogfrequente spanningen worden gereflec-25 teerd en vertraagd, zodat overspanningsbeveiligingscoraponenten de tijd krijgen om doorlatend te worden en aldus zowel laagfrequente als wel hoogfrequente spanningen af te leiden. Bijv. heeft deze zelfinductie een grootte-orde van 30 μΗ. Ter verbetering van de overspraakdemping tussen naburige transmissiecircuits verdient het 30 verder aanbeveling de aldus opgerolde coaxiale leidingen 13.1-13.6 door middel van langsschotten 15.1-15.5, die galvanisch/mechanisch zijn .-t ··» v* O'5 * ; ' ^ t * y^1 W*‘ btm i * ~. _ ii· --¾ - 7 - verbonden met het tussenschot 2 en de achterzijde 7, van elkaar te scheiden.

Zoals schematisch is weergegeven in figuur 2, is de buitengeleider van elk van de door de kast 1 verlopende coaxiale transmissie-5 paden, zowel bij het tussenschot 2 als wel bij de achterzijde 7, via een spanningsafhankelijke component, waarvan het geleidingsvermogen bij overschrijding van een zekere grensspanningswaarde volgens een sprongfunctie toeneemt, galvanisch verbonden met de kast 1, die via de wand van de behuizing aan referentiepotentiaal, bijv. aardpo-10 tentiaal is gelegd.

Heer in het bijzonder is de buitengeleider van elk van de complementaire coaxiale Connectors 12.1-12.6 verbonden met een gasontlar-dingsbuisje 16, dat met de tussenwand 2 verbonden, in de voorkamer 3 is aangebracht, terwijl de buitengeleider van elk van de coaxiale 15 connectors 14.1-14.6 is verbonden met een component 17 van de als VDR of Transzorb aangeduide soort, die in het desbetreffende compartiment van de achterkamer 4 is aangebracht. De componenten zoals 16 en 17 vormen onder normale bedrijfsomstandigheden een dusdanige impedantie dat de transmissieeigenschappen van het desbetreffende 20 coaxiale pad voor een daarlangs over te dragen informatiesignaal, niet noemenswaardig worden beïnvloed. Hetzelfde geldt voor elk van de opgerolde coaxiale leidingen 13.1-13.6.

Met een in het voorafgaande beschreven inrichting wordt bereikt dat straling afkomstig van de coaxiale leidingen 8.1-8.6, als gevolg 25 van een buiten de kast 1 en de omsloten ruimte (kooi van Faraday) veroorzaakte destructieve EM-puls (bijv. als gevolg van bliksem, nucleaire explosie), binnen genoemde omsloten ruimte wordt afgezwakt tot een voor de aldaar aanwezige apparatuur toelaatbare intensiteit en vorm; storende spanningspieken over de buitengeleider van een 30 coaxiale leiding zoals 8.1-8.6, en veroorzaakt door een bovenbedoelde destructieve EM-puls worden gereduceerd tot een voor de aangeslo- C “ 0 i

m V

- 8 - ten apparatuur beheersbaar niveau; de transmissieeigenschappen van een desbetreffend coaxiaal circuit voor normale informatie bevattende signalen, in hoofdzaak ongewijzigd blijven; en een desbetreffend coaxiaal circuit aan aarde kan worden aangelegd op een plaats die 5 transmissietechnisch beschouwd, het meest gunstig is*.De aanvullende beveiliging tussen binnen- en buitengeleider kan zonodig worden toegepast in de z.g. kooi van Faraday, in dichte nabijheid van de apparatuur.

Andere uitvoeringvormen met een zelfde overspanningsbeveiligings-10 potentieel ten aanzien van asymmetrische transmissieleidingen, kunnen worden gerealiseerd zonder het kader van de uitvinding te verlaten. Bijv. kunnen voor elk van de coaxiale transmissiepaden, twee in serie met elkaar verbonden van genoemde "spoelen” in de achterkamer van de kast zijn aangebracht. Het coaxiale buitengeleidergedeelte 15 dat zich tussen deze twee spoelen bevindt, is hierbij via een afzonderlijke spanningsafhankelijke component, waarvan het geleidingsvermogen bij overschrijding van een gegeven grensspanningswaarde volgens een sprongfunctie toeneemt, galvanisch verbonden met.de kast. Tevens kan onder bepaalde omstandigheden de 20 zich aan de apparatuurzijde 7 bevindende spanningsafhankelijke component, zoals 17, achterwege worden gelaten. Het kan aanbeveling verdienen om in plaats van een dergelijke component, de buitengeleider van de coaxiale geleider aldaar rechtstreeks te verbinden met de wand van de metalen behuizing (kast).

!·“ -Λ ;* ;· “v :J J, - ~

Claims (6)

1. Inrichting dienende om electrische systemen, in het bijzonder telecommunicatiesystemen, te beveiligen tegen overspanning, zoals onder andere veroorzaakt door één of meer electromagnetische pulsen met hoge flanksteilheid, omvattende een metalen behuizing waarin zijn aangebracht ten minste een spanningsafhankelijke afleidingscom- 5 ponent waarvan het geleidingsvermogen bij overschrijding van een grensspanningswaarde volgens een sprongfunctie toeneemt, welke component enerzijds galvanisch is verbonden met de behuizing, anderzijds is verbonden met een desbetreffend uiteinde van een spoel, die in de transmissieweg is opgenomen, met het kenmerk, dat genoemde 10 spoel is gevormd door de buitengeleider van een coaxiale transmis-sieleiding die met een aantal windingen opgerold in de behuizing is aangebracht; welke buitengeleider galvanisch electrisch geïsoleerd ten opzichte van de metalen behuizing is gemonteerd.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de metalen 15 behuizing alzijdig is gesloten; en de genoemde coaxiale transmissie- leiding zich voortzet via daaraan aansluitende coaxiale leidingen die elk door een wand van deze behuizing heen reiken.

3. Inrichting volgens de conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de metalen behuizing ten minste twee opgerolde coaxiale transmissielei- 20 dingen bevat, die door een geleidend tussenschot dat galvanisch/me-chanisch is verbonden met de behuizing,van elkaar zijn gescheiden.

4. Inrichting volgens één van de conclusies 1-3, waarbij het inwendige van de behuizing door een tussenschot Is verdeeld in een eerste en tweede kamer, met het kenmerk, dat een voor hoog-energetische 25 afleiding geconstrueerde afleidingscomponent is aangebracht ln de eerste kamer, en de bijbehorende opgerolde coaxiale leiding en een voor laag-energetische afleiding geconstrueerde afleidingscomponent, in de tweede kamer zijn aangebracht.

5. Inrichting volgens één van de conclusies 1-4, met het kenmerk, 30 dat de zelfinductie van genoemde spoel is aangepast aan de eigenschappen van de toegepaste componenten, in het bijzonder de capaci- £ 0 ir L * 0 0 - 10 - tieve eigenschappen daarvan»

6. Inrichting volgens één van de conclusies 1-5, met het kenmerk, dat de metalen behuizing ten minste twee opgerolde coaxiale transmis sieleidingen bevat, die in serie met elkaar zijn verbonden, waar-5 bij het buitengeleidergedeelte dat zich tussen deze twee opgerolde trarismissieleidingen bevindt, via een afzonderlijke afleidingscompo-nent met de metalen behuizing is verbonden. 6502153 *