DE964073C - Die Verwendung von Litzenleitern fuer Fernmeldekabel, insbesondere fuer ortsbewegliche Fernmeldeanlagen, mit einer oder mehreren verdrillten Doppel- oder Sternviererleitungen - Google Patents

Description

Es ist bekannt, Wechselstromleiter zur Vermeidung ihrer Widerstandszunahme durch den Skineffekt aus miteinander in bestimmter Weise verseilten isolierten Einzelleitern oder Litzen herzustellen oder starke Leiter zu verwenden, die eine große Oberfläche besitzen und mit einem gutleitenden metallischen Überzug versehen sind.

Es ist fernerhin bekannt, daß sich bei hohen Frequenzen in sternvierer- oder paarigverseilten mit einem metallischen Mantel versehenen Leitungen der Leitungsstrom in den Drähten und in der Hülle an solchen Stellen zusammenzieht, welche anderen Leitern mit

entgegengesetzter Stromrichtung zugekehrt sind. Diese Erscheinung erhöht die Verluste und die Kapazität und wird als Nähewirkung bezeichnet. Als Maßnahme zu ihrer Vermeidung werden in bekannter Weise bestimmte Abstandsverhältnisse der Drähte zur Hülle gewählt.

Weiterhin werden bei ortsbeweglichen Fernmeldekabeln, auf die sich die Erfindung in erster Linie bezieht, die Leiter zur Erzielung einer hohen Biegsamkeit als normale Litzenleiter mit lagenweise angeordneten Einzeldrähten aus möglichst zugfestem Kupfer ausgebildet. Im allgemeinen erhalten die Einzeldrähte

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eine Verzinnung, um die Lötung des Leiters zu erleichtern und bei Isolierung der Leiter mit schwefelhaltigen Isolierstoffen einen Angriff des Schwefels auf die Kupferleiter zu vermeiden. Für den Fall der Isolierung der Litzenleiter mit solchen Isolierstoffen, z. B. mit Folien aus Polystyrol, Polyvinylchlorid, Zellulosederivaten, die das Kupfer nicht angreifen, kann jedoch auf die Verzinnung der Einzeldrähte verzichtet werden. Die Litzenleiter bestehen dann aus blanken Einzeldrähten.

Diese bekannten normalen Litzenleiter mit lagenweise aufgebauten Einzeldrähten haben bei Ausnutzung der Leitungen für die Übertragung sehr hoher Frequenzen, z. B. von mehreren hundert kHz, den Nachteil, daß sie den bei hohen Frequenzen auftretenden Skineffekt nicht berücksichtigen. Es sind daher schon Untersuchungen angestellt worden, bei verdrillten bzw. symmetrischen Hochfrequenzleitungen die Leiter als Hochfrequenzlitzenleiter auszubilden, bei denen alle isolierten Einzeldrähte, in Längsrichtung gesehen, den gesamten Leiterquerschnitt zyklisch durchlaufen, um die durch die isolierten Einzeldrähte fließenden Ströme auf den gesamten Leiterquerschnitt gleichmäßig zu verteilen. Derartige echten Hochfrequenzlitzenleiter haben aber den Nachteil eines vergrößerten Leiterquerschnitts und damit bei verdrillten Hochfrequenzleitungen eine nicht unerhebliche Kapazitäts- und Dämpfungserhöhung zur Folge. Hinzu kommt die verhältnismäßig teure Herstellung solcher Litzenleiter, insbesondere infolge der bei hohen Frequenzen erforderlichen sehr dünnen Einzeldrähte, so daß die echten Hochfrequenzlitzenleiter für verdrillte Hochfrequenzleitungen bisher nicht angewendet worden sind.

Die Erfindung geht demgegenüber davon aus, daß bei der Ausnutzung von verdrillten Adergruppen für die Hochfrequenzübertragung zum Unterschied von den koaxialen Hochfrequenzleitungen und Wechselstromleitern nicht nur der Skineffekt, sondern auch die Nähewirkung (Proximity-Effekt) zu berücksichtigen ist. Nach bisher bekanntgewordenen Vorschlägen soll die Nähewirkung bei verdrillten bzw. symmetrischen Hochfrequenzleitungen z. B. dadurch vermindert werden, daß man den Leitern einen Querschnitt gibt, der sich der durch die Nähewirkung bedingten Stromverteilung im Leiter anpaßt, d. h. einen konvexen bandförmigen oder elliptischen Querschnitt oder bei mit einem Mantel versehenen Leitungen den Abstand der Drähte zum Mantel in bestimmter Weise wählt. Alle derartigen Konstruktionen haben sich aber wegen der schwierigen Herstellung nicht in die Praxis einführen können, so daß man die Nähewirkung und die damit verbundene Widerstands- bzw. Dämpfungserhöhung in Kauf nehmen mußte.

Ausführliche im Rahmen der Erfindung durchgeführte Untersuchungen und Messungen zeigen, daß die für ortsbewegliche Fernmeldekabel bevorzugt benutzten normalen Litzenleiter mit lagenweise angeordneten Einzeldrähten sich hinsichtlich der Nähewirkung ganz anders verhalten als hinsichtlich des Skineffektes. Insbesondere wurde festgestellt, daß eine Isolierung der Einzeldrähte normaler Litzenleiter lediglich die Nähewirkung günstig beeinflußt, auf den Skineffekt dagegen überhaupt keinen Einfluß ausübt. Die aus den Untersuchungen erfindungsgemäß gezogene Lehre besteht daher darin, aus lagenweise angeordneten, vorzugsweise mit einer dünnen Lackschicht isolierten Einzeldrähten runden Querschnitts aufgebaute Litzenleiter für Fernmeldekabel, insbesondere für ortsbewegliche Fernmeldeanlagen, mit einer oder mehreren verdrillten Doppel- oder Sternviererleitungen in Mehrfach-Trägerfrequenz-Übertragungsanlagen zu verwenden.

Die erfindungsgemäß gewonnenen Ergebnisse sind durchweg als überraschend zu bezeichnen und, wie die folgende nähere Erläuterung zeigt, in keiner Weise naheliegend, da erstens ausführliche Überlegungen notwendig waren, um zu diesem Ergebnis zu gelangen, und die bisherigen Untersuchungen über die Nähewirkung nicht vermuten ließen, daß die Isolierung der EinzeldrähtespeziellbeinormalenLitzenleitern von verdrillten Adergruppen eine nicht unerhebliche Herabsetzung des durch die Nähewirkung bedingten Verlustwiderstandes zur Folge hat.

Zunächst wird der Einfluß des Skineffektes auf den Verlustwiderstand bei Verwendung von massiven Leitern und bei Verwendung von normalen Litzenleitern behandelt. Die Fig. 1 der Zeichnung zeigt beispielsweise einen Querschnitt eines normalen Litzenleiters aus einem mittleren Kerndraht, einer ersten Lage von go sechs Einzeldrähten, einer zweiten Lage von zwölf Einzeldrähten und einer dritten.Lage von achtzehn Einzeldrähten. Es sei zn der Durchmesser der gesamten Litze und 2r_e der Durchmesser eines Einzeldrahtes. Wird durch eine solche Litze ein Wechselstrom geschickt, so verdrängt das magnetische Wechselfeld den Strom aus" dem Innern der Litze in die äußeren Schichten; es tritt der bekannte Skineffekt auf. Da die Einzeldrähte stets im gleichen Abstand von der Achse der Litze verlaufen, so wird durch die Litzenauf teilung des Leiters an diesem Effekt nichts geändert, im Gegensatz zur echten Hochfrequenzlitze, bei der durch die Verflechtung der isolierten Einzeldrähte der Strom gezwungen wird, den ganzen Querschnitt gleichmäßig zu durchfließen. Daher steigt bei der echten Hochfrequenzlitze der Widerstand nur wenig an, solange die Frequenz so niedrig ist, daß die Leitschichtdicke & im Leitermaterial größer als der Durchmesser 2 r_e der Einzeldrähte ist. Bei der lagenweise verseilten Litze tritt dagegen die Widerstandserhöhung bereits ein, sobald die Leitschichtdicke kleiner als der Litzenradius r% wird. Solange nun die Leitschichtdicke größer als der Durchmesser 2 r_e der Einzeldrähte ist, macht sich die Unterteilung der Litze nur dadurch bemerkbar, daß der resultierende spezifische Widertand Qr entsprechend dem Füllfaktor

P =

nr\

(ι)

(η = Anzahl der Einzeldrähte) größer als derjenige des Leitermaterials ist, und zwar ist

(2)

125

Daher ergibt sich für die Widerstandserhöhung im Litzenleiter die Beziehung

wobei

Λ-rnm =

i2mm²

(3)

(4)

kHz

die Leitschichtdicke bei entsprechend Gleichung (2) herabgesetztem spezifischem Widerstand ist. ff·* ist die bekannte Stromverdrängungsfunktion (s.-H. Kaden: »Die Leitungskonstanten symmetrischer Fernmeldekabel« in »Veröffentlichungen aus dem Gebiete der Nachrichtentechnik«, 1939, S. 99). Ein Massivdraht gleicher Materialmenge würde den Radius .

^rM~ ]f^tire

haben. Daher ist nach Gleichung (^:)

η = —r_M,

außerdem nach Gleichungen (2) und (3)

(5)

(6)

(7)

wobei & die Leitschichtdicke im Leitermaterial ist. Folglich gilt:

'M

(8)

In Verbindung mit Gleichung (3) folgt hieraus, daß der Wechselstromwiderstand einer lagenweise verseilten Litze derselbe ist, wie der Widerstand eines Massivdrahtes gleicher Menge des Leitmaterials.

Analog den hier angestellten Überlegungen läßt sich auch der Stromveränderungseffekt bei der Induktivität berechnen. Für einen Einzeldraht gilt:

2π

ll ₁

(9)

worin f'P¹ die Stromverdrängungsfunktion für die Induktivität ist (s. den bereits genannten Aufsatz von H. Kaden).

Wird die Leitschichtdicke ΰ· kleiner als der Drahtdurchmesser 2 r_e, so fließt der Gesamtstrom praktisch in den Einzeldrähten der äußeren Schicht und schließlich bei sehr kleinem?? ausschließlich an der Außenseite der Litze. Für diesen extremen Fall läßt sich der Verlustwiderstand annähernd berechnen. Dabei stellt sich heraus, das der Widerstandsverlauf bei hohen Frequenzen genau derselbe ist, wie er sich aus der Gleichung (3) für hohe Frequenzen ergibt. Man kann daher Gleichung (3) als für alle Frequenzen gültig ansehen. Messungen haben die Richtigkeit dieser Annahme bestätigt. Aus den Vergleichsmessungen ergibt sich nämlich, daß die Litze und der Massivleiter bei gleichem Querschnitt denselben Widerstand haben, wenn beide als Paarleitung mit größerem Leiterabstand (z. B. 200 mm) benutzt werden, wobei die Nähewirkung fortfällt (s. Kurve α in der Fig. 3).

Von besonderem Interesse für die Erfindung ist nun der 'Einfluß der Nähewirkung auf den Verlustwiderstand bei normalen Litzenleitern, d. h. mit lagenweiser Verseilung der Einzeldrähte. Werden die Litzen zu einem Paar oder gemäß der Fig. 2 zu einem Sternvierer verseilt, so befinden sich die Einzeldrähte im Feld der stromführenden Leiter, wodurch noch Zusatzverluste auftreten, die umso größer sind, je näher die Einzeldrähte aneinanderrücken. Diese Nähewirkungsverluste setzen sich aus zwei Anteilen zusammen, erstens den Verlusten R_ni im stromführenden Stamm und zweitens beim Sternvierer aus den Verlusten R_{n 2} im Nachbarstamm. Bezeichnet man entsprechend Fig. 2 den halben Drahtabstand im Paar oder Sternvierer mit a, und entsprechend Fig. 1 den Durchmesser eines Einzeldrahtes der Litze mit 2f<>, die mittleren Radien der einzelnen Lagen der Litze mit r_a, r_v r₂, ... rm, und schließlich in entsprechender Weise die Anzahl der Einzeldrähte in den einzelnen Lagen mit n₀, n_v

]f bedeutet hierin die bekannte Nähewirkungsfunktionen für die Verluste (s. Aufsatz von H. Kaden). Die unter dem zweiten Summenzeichen stehenden quadratischen Glieder berücksichtigen die Mittlung des Quadrates der Feldstärke über den Umfang der einzelnen Lagen entsprechend dem Umstand, daß die Einzeldrähte verseilt und die Verluste proportional dem Quadrat der Feldstärke sind. Bei der Ableitung der Gleichungen (10) und (11) ist vorausgesetzt, daß die Einzeldrähte voneinander isoliert sind, z. B. durch Lackieren der Einzeldrähte. Trifft dies nicht zu, so können die durch die Nähewirkung induzierten Wirbelströme quer über die Einzeldrähte fließen. Solche Litzen verhalten sich dann wie Massivleiter; infolgedessen sind die Verluste im unteren Frequenzbereich größer als bei isolierten Einzeldrähten. Dies ist durch Vergleichsmessungen ebenfalls bestätigt worden.

Für den Nähewirkungseffekt der Induktivität wurde unter Heranziehung des Zusammenhanges mit den Nähewirkungsverlusten die folgende Gleichung abgeleitet :

Rn

2ρ

(12)

wobei r der Drahtradius ist und f£° und f^' die bekannten Nähewirkungsfunktionen von -5 sind. Die Anwendung dieser Beziehung auf die Einzeldrähte der

Litze liefert in Verbindung mit den Gleichungen (io) und (ii)

τ _ J*o_(^rA* 1 ^p_n fw

2 E

(14)

Hierbei fallen die in den Gleichungen (10) und (11) auftretenden quadratischen Korrekturglieder fort, da bei der Berechnung der Induktivität die Feldstärke über den Umfang der Litzen linear gemittelt wird.

Aus den so gewonnenen Anteilen für den Verlustwiderstand und die Induktivität ergeben sich. die Gesamtwerte für die Stammleitung des Sternvierers nach den Beziehungen

7"> 7~) Γ T> I 7~>

■ti — Ki + K_ni -J- K_n%

darin ist L_a der Luftanteil der Induktivität.

(15)

und Ri, R_ni, Rn₂, Li, L_ni, L₁₁₂ sind die in den Gleichungen (3), (9), (10), (11), (13) und (14) berechneten Anteile.

Für den Verlustwiderstand und die Induktivität einer Paarleitung gelten ebenfalls die Gleichungen (15) und (16), wobei jedoch die vom zweiten Stamme herrührenden Anteile R_n2 und L_{n 2} fortfallen. Der Vollständigkeit halber seien noch der Verlustwiderstand und die Induktivität der Phantomleitungen eines Sternvierers mitgeteilt:

R = Ri + R_n, (18)

L = L_a + L{ — L_n,

darin ist

(19)

(20)

Ao f[L) I ^ri \ ITr ' ⁱ I —ο— I *

PtS)Zj

(22)

(23) (24)

Wie bereits erwähnt, sind die ermittelten Gleichungen für den Einfluß des Skineffektes bzw. der Stromverdrängung und der Nähewirkung auf den Verlustwiderstand von bei verdrillten Leitungen verwendeten massiven Leitern und normalen Litzenleitern mit isolierten Einzeldrähten durch Messungen bestätigt worden. Die Meßresultate gehen aus der Fig. 3 hervor. Den Vergleichsmessungen wurden drei verschiedene Kupferleiterausführungen mitgleichem leitendem Querschnitt zu Grunde gelegt, und zwar erstens ein massiver Kupferleiter mit 1,4 mm Durchmesser, zweitens eine Kupferlitze mit 1 -)- 6 -f· 12 verzinnten Einzeldrähten je 0,32 mm Stärke, drittens eine gleich aufgebaute Kupferlitze, bei der jedoch die dünne Zinnschicht der Einzeldrähte durch eine dünne Lackschicht ersetzt ist. Der äußere Durchmesser der beiden Kupferlitzen betrug 1,6 mm. Die untersuchten Leiter und Litzen wurden jeweils in einer Länge von 16 m als Modellfreileitung ausgespannt. Die Kurve a der Fig. 3 zeigt zunächst die Abhängigkeit des Verlustwiderstandes Äin Ω/km von der Frequenz in kHz, wenn die Leiter als Paarleitung mit einem gegenseitigen Abstand von 200 mm ausgespannt werden, d. h. mit einem solchen Abstand, bei dem die Nähewirkung nicht in Erscheinung tritt. Dabei wurde festgestellt, daß der massive Kupferdraht und der Litzenleiter mit lackierten Einzeldrähten entsprechend der Kurve a den gleichen Frequenzverlauf des Verlustwiderstandes aufweisen. Dieses Verhalten entspricht genau dem durch Gleichung (3) gegebenen Verlauf des Widerstandes Ri. Werden nun die Leiter bis auf eine Entfernung von 2a = 5,3 mm genähert, wobei die Anordnung gleichzeitig durch eine zweite Stammleitung zu einem Sternvierer gemäß der Fig. 2 ergänzt wird, so ändert sich das Verhalten der Litzen im Vergleich zu den Massivleitern. Während beim massiven Leiter die Nähewirkung bereits entsteht, wenn die Leitschichtdicke ■& gleich dem Drahtradius wird (s. Kurve b oberhalb 9 kHz), ist beim Litzenleiter mit isolierten Einzeldrähten erst eine merkliche Nähewirkung festzustellen, wenn die Leitschichtdicke gleich dem Radius der Einzeldrähte wird. Die Frequenz, bei der dies eintritt, soll als Grenzfrequenz f₀ bezeichnet werden. Für die vorliegende Litze mit Einzeldrähten von 0,32 mm ist f₀ — 172 kHz. Dieses Verhalten geht sehr deutlich aus der Kurve c hervor, die erst oberhalb f₀ merklich ansteigt, um dann weit größere Werte als beim massiven Leiter anzunehmen. Sind die Einzeldrähte nicht voneinander isoliert, so können Wirbelströme von Draht zu Draht senkrecht zur Oberfläche übertreten. Infolgedessen setzt die Nähewirkung bei diesen Leitern bei beträchtlichen tieferen Frequenzen als bei Leitern mit isolierten Einzeldrähten ein. Man ersieht dies deutlich aus der Kurve d, die für den Litzenleiter mit verzinnten Einzeldrähten gilt. Diese Werte liegen im mittleren Frequenzbereich (10 bis 300 kHz) bis zu 15 °/_Q höher als die an der Litze mit lackierten Einzeldrähten gemessenen Widerstände gemäß der Kurve c. Infolgedessen ist es erfindungsgemäß mit Rücksicht auf die Nähewirkung wichtig, Litzen aus lagenweise angeordneten Einzeldrähten runden Querschnitts in Trägerfrequenz-Anlagen zu verwenden, deren Einzeldrähte mit Lackmischungen isoliert sind, die gleichzeitig als Flußmittel zum Löten dienen.

In der Fig. 4 ist als Ausführungsbeispiel der Erfindung ein ortsbewegliches Fernmeldekabel mit

einem einzigen Sternvierer dargestellt. Die einzelnen Litzenleiter bestehen aus einem mittleren Einzeldraht io, einer hierüber liegenden Verseillage von Einzeldrähten ii und einer äußeren Verseillage von Einzeldrähten 12. Jeder Einzeldraht ist, wie beim mittleren Draht io angedeutet, mit einer dünnen Lackschicht 13 versehen. Jeder Leiter ist mit dem fortlaufenden Abstandhalter 14 in offenen Windungen umwickelt und mit der geschlossenen Isolierbandwicklung 15 umgeben. Vier in dieser Weise aufgebaute Adern sind um die zentrale Einlage 16 zum Sternvierer verseilt und unter Ausfüllung der äußeren Zwickelräume mit einer wasserbeständigen Isolierschicht 17 umhüllt. Hierüber folgen die leitende Schirmschicht 18 und der äußere Schutzmantel 19. Die Abstandhalter 14 und die Isolierstoffbandwicklung 15 bestehen vorteilhaft aus verlustarmen Isolierstoffen, wie Polystyrol od. dgl. Für die Isolierschicht 17 ist die Verwendung einer Polystyrol-Polyisobutylenmischung zweckmäßig. Ebenso können für den äußeren Schutzmantel 19 wasserbeständige thermoplastische Kunststoffe verwendet werden, bei denen es aber wegen des Vorhandenseins des Schirmes 18 auf hochwertige elektrische Eigenschaften weniger anas kommt.

Gegenüber den bisher bei ortsbeweglichen Fernmeldekabeln gebräuchlichen Litzenleitern aus verzinnten Einzeldrähten besteht die Erfindung praktisch darin, die Zinnschicht auf den Einzeldrähten durch eine Isolierschicht zu ersetzen. Hierdurch wird eine nicht unerhebliche Verminderung des Verlustwiderstandes in dem wichtigsten Frequenzbereich erreicht, ohne eine Verteuerung der Herstellung des Litzenleiters in Kauf nehmen zu müssen. Um die Verlötung der Litzenleiter mit isolierten Einzeldrähten nicht zu erschweren, kann es zweckmäßig sein, zur Isolierung der Einzeldrähte in bekannter Weise solche Lackmischungen zu verwenden, die gleichzeitig als Flußmittel dienen, indem beispielsweise einem Zelluloselack Kolophonium beigemischt wird.

Es ist aber auch möglich, aus lagenweise angeordneten, vorzugsweise mit einer dünnen Lackschicht isolierten Einzeldrähten runden Querschnitts aufgebaute Litzenleiter zu verwenden, bei denen nur die Einzeldrähte der äußeren Lage bzw. der äußersten Lage isoliert sind. Die innenliegenden Einzeldrähte sind dabei als blanke oder verzinnte Einzeldrähte auszuführen. Dann brauchen gegebenenfalls nur die Lackschichten auf der äußeren Oberfläche des Litzenleiters entfernt zu werden, um eine einwandfreie Lötung sicherzustellen. Es zeigt sich, daß auch bei einer derartigen Ausführung eine Verminderung der Nähewirkung erreicht wird.

Die Erfindung kommt in erster Linie für ortsbewegliche Fernmeldekabel in Betracht, die gleichzeitig eine große Biegsamkeit und große Zugfestigkeit aufweisen sollen. Die Erfindung kann in gewissen Fällen aber auch bei ortsfesten Fernmeldeleitungen bzw. -kabeln Anwendung finden.

Claims (4)

Patentansprüche: In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 181 461, 317406; Vilbig »Lehrbuch der Hochfrequenztechnik«, 1942, S. 149/150; »Europäischer Fernsprechdienst«, 1935, Heft 52, S. 180/181.

1. Die Verwendung von aus vorzugsweise mit einer dünnen Lackschicht isolierten, lagenweise angeordneten Einzeldrähten runden Querschnitts aufgebauten Litzenleitern für Fernmeldekabel mit einer oder mehreren verdrillten Doppel- oder Sternviererleitungen in Mehrfach-Trägerfrequenz-Übertragungsanlagen.

2. Die Verwendung von aus vorzugsweise mit einer dünnen Lackschicht isolierten, lagenweise angeordneten Einzeldrähten runden Querschnitts aufgebauten Litzenleitern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, "daß der Radius der Einzeldrähte kleiner als die Leitschichtdicke von Kupfer ist.

3. Die Verwendung von aus vorzugsweise mit einer dünnen Lackschicht isolierten, lagenweise angeordneten Einzeldrähten runden Querschnitts aufgebauten Litzenleitern nach einem der Ansprüche ι bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzeldrähte mit Lackmischungen isoliert sind, die gleichzeitig als Flußmittel zum Löten dienen.

4. Die Verwendung von aus vorzugsweise mit einer dünnen Lackschicht isolierten, lagenweise angeordneten Einzeldrähten runden Querschnitts aufgebauten Litzenleitern nach einem der Ansprüche ι bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß nur die Einzeldrähte der äußeren Lage bzw. der äußersten Lage isoliert sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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