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Dokumentenidentifikation DE10241431A1 27.03.2003
Titel Übertragungsleitungs-Überspannungsschutzsystem
Anmelder NTT DoCoMo Kyushu, Inc., Fukuoka, JP;
Sankosha Corp., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Shikano, Takashi, Fukuoka, JP;
Ando, Kiyotaka, Fukuoka, JP;
Okabayashi, Chikashi, Tokio/Tokyo, JP
Vertreter Vogeser, Liedl, Alber, Dr. Strych, Müller und Kollegen, 81369 München
DE-Anmeldedatum 06.09.2002
DE-Aktenzeichen 10241431
Offenlegungstag 27.03.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.03.2003
IPC-Hauptklasse H02H 3/22
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Übertragungsleitungs-Überspannungsschutzsystem, bei dem ein offener Viertelwellenlängenkreis für die verwendete Wellenlänge in einem Innenleiter 1 und einem Außenleiter 2 so angeordnet ist, daß ein Signal mit einer bestimmten Übertragungswellenlänge durchlaufen kann, während Signale mit Frequenzkomponenten der Überspannung gesperrt werden, und bei dem eine Erdungsleitung im Innenleiter und ein Viertelwellenkurzschlußkreis für die verwendete Wellenlänge jeweils in der Erdungsleitung und dem Außenleiter angeordnet ist, so daß das Signal mit der bestimmten Übertragungswellenlänge gesperrt wird, während Signale mit Frequenzkomponenten der Überspannung durchlaufen können.
Das Signal der bestimmten Wellenlänge läuft durch die Übertragungsleitung und ist gegen Erde isoliert. Signale der Überspannung dagegen, die Frequenzen verschieden von der vorbestimmten haben, werden am Durchlauf durch die Übertragungsleitung gehindert und nach Erde abgeleitet, so daß die Überspannung entladen wird.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Übertragungsleitungs-Überspannungsschutzsystem, das eine Übertragungsleitung, ein Übertragungsgerät oder dergleichen gegen in der Übertragungsleitung auftretende, durch Blitzschlag oder dergleichen hervorgerufene Überspannung oder einen Spannungsstoß schützt.

Es wurde bereits versucht, eine Übertragungsleitung, ein Verbindungsgerät oder dergleichen gegen Beschädigung zu schützen, die durch in der Übertragungsleitung auftretenden Blitzüberspannung und dergleichen hervorgerufen wird. Bei diesem üblichen Blitzüberspannungs-Schutzsystem ist ein Blitzschutz wie ein Gasrohrblitzschutz zwischen dem Außenumfang eines Innenleiters eines koaxial Steckverbinders und dem Innenumfang eines Außenleiters angeordnet. Dadurch wird eine Blitzüberspannung und dergleichen, die in der Übertragungsleitung auftreten, entladen und durch den Blitzschutz geerdet, um die Übertragungsleitung, das Verbindungsgerät oder dergleichen gegen Blitzüberspannung und dergleichen zu schützen.

Bei dem oben beschriebenen üblichen Blitzüberspannungs-Schutzsystem tritt jedoch eine betriebliche Zeitverzögerung auf, nachdem die Blitzüberspannung in die Übertragungsleitung eingedrungen sind, bevor der Blitzschutz einen Entladungsvorgang durchführt. Daher kann die Blitzüberspannung in Verbindung mit der betrieblichen Zeitverzögerung des Blitzschutzes in die Übertragungsleitung oder das Verbindungsgerät eindringen und dadurch das Verbindungsgerät beschädigen.

Da außerdem der Blitzschutz zwischen den Außenumfang des Innenleiters der Koaxialleitung und den Innenumfang des Außenleiters geschaltet ist, addiert sich zu diesem Teil eine Kapazität, die die Verluste der Übertragungsleitung erhöht, so daß das Frequenzband geschmälert wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die in Verbindung mit dem oben beschriebenen Blitzüberspannungs-Schutzsystem beschriebenen Probleme zu lösen und ein Übertragungsleitungs-Überspannungsschutzsystem zu schaffen, das es einer Übertragungsleitung ermöglicht, ein Signal mit einer bestimmten Frequenz zu übertragen, während Signale mit Frequenzkomponenten der Überspannung oder des Überspannungsstoßes gesperrt werden, so daß Signale mit den Frequenzkomponenten der Überspannung nach Erde abgeleitet werden, während das Signal mit der vorbestimmten Frequenz gesperrt wird.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale.

Es wird also zunächst ein offener Viertelwellenlängenkreis für die benutzte Wellenlänge im Innenleiter 1 und im Außenleiter 2 angeordnet, damit ein Signal mit einer bestimmten Übertragungswellenlänge durchlaufen kann, während Signale mit Frequenzkomponenten der Überspannung blockiert werden, wobei außerdem eine Erdungsleitung im Innenleiter vorgesehen, und ein Viertelwellenlängenkurzschlußkreis für die verwendete Wellenlänge in der Erdungsleitung und dem Außenleiter vorgesehen wird, um das Signal mit der vorbestimmten Übertragungswellenlänge zu blockieren, während die Signale mit den Frequenzkomponenten der Überspannung zur Erdung durchlaufen können. Zweitens wird der offene Viertelwellenlängenkreis für die verwendete Wellenlänge durch Zwischenanordnen eines Isolators mit einer R-Länge der verwendeten Welle im Innenleiter und Außenleiter gebildet. Drittens wird der offene Viertelwellenlängenkreis für die verwendete Wellenlänge durch Unterteilen des Innenleiters und des Außenleiters in Abschnitte und Zwischenanordnung eines Isolators zwischen den Abschnitten des Innen- und des Außenleiters gebildet.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

Fig. 1 ist ein Vertikalschnitt eines Übertragungsleitungs- Überspannungsschutzsystems in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

1 ist ein Innenleiter einer Übertragungsleitung. Der Innenleiter 1 besteht aus einem ersten zylindrischen Innenleiterteilstück 1a, einem zweiten Innenleiterteilstück 1b, das konzentrisch zum ersten Innenleiterteilstück 1a angeordnet ist und einen zylindrischen Abschnitt 1b1 an seiner Spitze hat, und einem dritten Innenleiterteilstück 1c, das in eine Durchgangsbohrung 1b2, die im zweiten Innenleiterteilstück 1b geschraubt ist, wobei sich das dritte Innenleiterteilstück 1c senkrecht zum ersten Innenleiterteilstück 1a und zum zweiten Innenleiterteilstück 1b erstreckt.

2 ist der Außenleiter der Übertragungsleitung. Der Außenleiter 2 hat ein erstes zylindrisches Außenleiterteilstück 2a, ein zweites zylindrisches Außenleiterteilstück 2b mit einem kleineren Durchmesser als das erste, ein drittes zylindrisches Außenleiterstück 2c und ein viertes zylindrisches Außenleiterteilstück 2d. Das erste Außenleiterteilstück 2a, das zweite Außenleiterteilstück 2b, das dritte Außenleiterteilstück 2c und das vierte Außenleiterteilstück 2d sind konzentrisch angeordnet.

Außerdem hat der Außenleiter 2 ein fünftes Außenleiterteilstück 2e, das in eine Durchgangsbohrung 2c1 geschraubt ist, die in die Umfangswand des dritten Außenleiterteilstücks 2c gebohrt ist, wobei das fünfte Außenleiterteilstück 2e rechtwinklig zum ersten, zweiten, dritten, vierten verläuft.

Außerdem ist ein Ende des dritten Außenleiterteilstück 2c in ein Ende des vierten Außenleiterteilstücks 2d an einem Gewindeabschnitt s1 geschraubt. Ein Ende des zweiten Außenleiterteilstücks 2b ist in das andere Ende des dritten Außenleiterteilstücks 2c an einem Gewindeabschnitt s2 geschraubt.

3 ist ein Innenisolator, der aus einem Dielektrikum oder dergleichen besteht. Der Innenisolator 3 hat einen Zylinder 3b mit einer Seitenwand 3a an einem Ende und einem Flansch 3d, der an einer Öffnung 3c im Zylinder 3b gebildet ist.

Das erste zylindrische Innenleiterteilstück 1a des Innenleiters 1 ist in den Zylinder 3b des Innenisolators 3 eingesetzt, so daß eine Endfläche des ersten Innenleiterteilstücks 1a an der Seitenwand 3a des Innenisolators 3 anliegt. Außerdem ist der Zylinder 3b des Innenisolators 3 so geformt, daß er in den zylindrischen Abschnitt 1b1 des zweiten Innenleiterteilstücks 1b paßt.

4 ist ein Außenisolator, der aus einem Dielektrikum oder dergleichen besteht. Der Außenisolator 4 hat einen Zylinder 4b an seinem einen Ende und einen Seitenwand 4a mit einer darin gebohrten Durchgangsbohrung 4a1, sowie einen Abschnitt 4d mit größerem Durchmesser nahe einer Öffnung 4c, die am anderen Ende des Zylinders 4b ausgebildet ist, wobei der Abschnitt 4d mit dem größeren Durchmesser einen größeren Außendurchmesser als der Zylinder 4b hat.

Das erste zylindrische Außenleiterteilstück 2a und der Außenisolator 4 sind an einem Gewindeabschnitt s3 verbunden, der aus einem Gewinde an der inneren Umfangsfläche des ersten Außenleiterteilstücks 2a, und einem Gewinde an der äußeren Umfangsfläche des Zylinders 4b des Außenisolators 4 besteht. Außerdem ist das zweite zylindrische Außenleiterteilstück 2b in den Zylinder 4b des Außenisolators 4 eingesetzt.

Der Abschnitt 4d mit größerem Durchmesser des Außenisolators 4 ist so ausgebildet, daß er sich über die äußere Umfangsfläche des ersten Außenleiterteilstücks 2a erstreckt. Der Flansch 3d des Innenisofators 3 ist so ausgebildet, daß er in eine Durchgangsbohrung 4a1 paßt, die in die Seitenwand 4a des Außenisolators 4 gebohrt ist.

5a ist ein ringförmiges Isoliertragelement, das zwischen dem ersten Innenleiterteilstück 1a, und dem ersten Außenleiterteilstück 2a, angeordnet ist. 5b und 5c sind ringförmige Isoliertragelemente, die zwischen dem zweiten Innenleiterteilstück 1b, und dem dritten Außenleiterteilstück 2c, angeordnet sind, wobei die ringförmigen Isoliertragelemente 5b, 5c auch über dem dritten Innenleiterteilstück 1c angeordnet sind. Ein Isolator 6, der aus einem Dielektrikum oder dergleichen besteht, ist zwischen dem Innenleiterteilstück 1c, und dem fünften Außenleiterteilstück 2e angeordnet. Ein oberer Endabschnitt 1c1 des dritten Innenleiterteilstücks 1c, der den Innenleiter 1 bildet, ist in eine Durchgangsbohrung eingesetzt, die in einen oberen Abschnitt 2e1 gebohrt ist, der nahe einer oberen Öffnung im fünften Außenleiterteilstück 2e ausgebildet ist.

Außerdem ist eine Mutter 7 in einen Gewindeabschnitt geschraubt, der am oberen Ende 1c1 des dritten Innenleiterteilstücks 1c ausgebildet ist. Das dritte Innenleiterteilstück 1c, und das fünfte Außenleiterteilstück 2e, sind somit verbunden, um einen Erdungsabschnitt 8 zu bilden.

9 ist ein Deckel, der die obere Öffnung im fünften Innenleiterteilstück 2e abdeckt.

Wie oben beschrieben, hat der zentrale Innenleiter 1 das dritte Innenleiterteilstück 1c, das den Innenleiter 1 erdet. Außerdem ist das fünfte Außenleiterteilstück 2e, um den dritten Innenleiter 1c zu umgeben, so ausgebildet, daß es vorn dritten Außenleiterteilstück 2c abzweigt. Weiterhin sind das dritte Innenleiterteilstück 1c und das fünfte Außenleiterteilstück 2e über den Erdungsabschnitt 8 verbunden.

10, 11 sind Verbindungsteile, die den Innenleiter 1 und den Außenleiter 2 mit anderen Außenleitern verbinden. Die Verbindungsteile 10, 11 werden mit anderen Außenleitern unter Verwendung geeigneter Montageflansche 12 verbunden. 13 ist ein Luftabschnitt, der zwischen dem zweiten Außenleiterteilstück 2b, und das zweite Innenleiterteilstück 1b, ausgebildet ist.

Die Isolatorlänge des Innenisolators 3, der zwischen dem fünften Innenleiterteilstück 1a und dem zweiten Innenleiterteilstück 1b angeordnet ist, und die Isolatorlänge des Außenisolators 4, der zwischen dem fünften Außenleiterteilstück 2a und dem zweiten Außenleiterteilstück 2b angeordnet ist, sind jeweils auf R der verwendeten Wellenlänge eingestellt.

Der offene Viertelwellenlängenkreis für die verwendete Wellenlänge X hat eine Isolierstruktur, bei der ein Teil der Übertragungsleitung gesperrt wird. Die Länge des Isolators, das heißt die Länge La bei offener Leitung wird wie folgt bestimmt:

Die Eingangsimpedanz Zin des offenen Viertelwellenlängenkreises ist gegeben durch:



Zin = JZo × cot (27πLa/λ)



wobei λ = verwendete Wellenlänge,

La = Länge der offenen Leitung (Länge des Isolators), und

Zo = charakteristische Impedanz.

Es wird angenommen, daß La = π/4 und Zo = 50 Ohm. Dann gilt Zin = 0 Ω auf der Grundlage der obigen Gleichung. Wenn daher die Länge La der offenen Leitung auf R der verwendeten Wellenlänge λ eingestellt ist, dann läßt der offene Viertelwellenlängenkreis ein Signal mit einer bestimmten Frequenz f ohne Verluste durchlaufen.

Wenn dagegen ein Signal mit der doppelten Frequenz, das von dem Signal mit der vorbestimmten Frequenz f verschieden ist, in den Übertragungskreis eindringt, dann ist die Wellenlänge dieses Signals λ/2 aufgrund der Frequenz 2f, und die Eingangsimpedanz Zin des offenen Zirkelkreises ist:



Zin = - JZo × cot ((2π(λ/4)/(λ/2))

Zin = ∞ Ω

Daher hat der offene Vierteiwellenlängenkreis eine hohe Impendanz, das heißt eine sehr ausgeprägte Isoliercharakteristik für Signale außer dem mit der vorbestimmten Frequenz f, das heißt, Signale verschieden vom Frequenzsignal, die zum Beispiel der Blitzschlagüberspannung entsprechen. Der offene Viertelwellenlängenkreis verhindert daher den Durchgang der Signale außer dem Signal mit der vorbestimmten Frequenz f. Dies bedeutet, daß der Erdungsabschnitt 8 des offenen Viertelwellenlängenkreises die Blitzschlagüberspannung, das heißt Signale mit anderen Frequenzen als der vorbestimmten Frequenz f, nach Erde ableitet.

Wenn insbesondere ein Übertragungskreis eine Signalfrequenz f von 3 GHz hat, beträgt die Wellenlänge λ entprechend dieser Signalfrequenz 10 cm wie in der folgenden Gleichung gezeigt ist. Der Isolator des offenen Viertelwellenlängenkreises ist 2,5 cm lang.



λ = c/f = 3 × 108/3 × 109 = 0,1 m

λ/4 = 0, R = 0,025 m



wobei λ = verwendete Wellenlänge,

c = Geschwindigkeit (= 3 × 108), und

f = Signalfrequenz

Dies bedeutet, daß ein Signal mit einer Übertragungsfrequenz von 3 GHz ohne Verluste durch den offenen Viertelwellenlängenkreis läuft.

Es wird nun ein Viertelwellenlängen-Kurzschlußkreis beschrieben. Die Eingangsimpedanz Zin des Viertelwellenlängen-Kurzschlußkreises ist gegeben durch:



Zin = + JZo × tan (2π Lb/λ)



wobei λ = verwendete Wellenlänge

Lb = Kurzschlußleitungslänge, und

Zo = charakteristische Impedanz.

Es wird angenommen, daß L = C/4 und Zo = 50 Ω. Dann gilt die folgende Gleichung:



Zin = + Jzo × tan ((2π(λ/4))/λ) = ∞ Ω

Wenn daher die Länge des Isolators (Kurzschlußleitungslänge) Lb R der verwendeten Wellenlänge beträgt, hat der Viertelwellenlängenkurzschlußkreis für das Signal f eine Eingangsimpedanz entsprechend einem unendlichen Widerstand, so daß der Durchgang der Signalfrequenz f verhindert wird. Dagegen hat der Viertelwellenlängenkurzschlußkreis eine niedrige Impedanz für Sigbale der Blitzschlagüberspannung, die Frequenzen verschieden von der Signalfrequenz f haben. Daher laufen die Signale mit diesen Frequenzkomponenten durch den Kreis, das heißt vom Innenleiter 1 über den Erdungsabschnitt 8 nach Erde.

Der offene Viertelwellenlängenkreis hat eine Isolierstruktur, bei der die Übertragungsleitung gesperrt wird. Beim offenen Viertelwellenlängenkreis ändert sich die gegen Blitzschlagüberspannung zu schützende Isolierstrecke mit der Stromgröße, der Temperatur und der Feuchtigkeit. Es muß jedoch nur eine Impulsstehspannung von etwa 100 V angenommen werden, und ein dielektrischer Durchschlag kann vermieden werden. Folglich muß nur eine räumliche Strecke von 0,5 mm sichergestellt werden, und eine Oberflächenstrecke von 1 mm muß nur für eine gedruckte Schaltungsplatte oder dergleichen sichergestellt werden.

Eine negative Blitzschlagüberspannung wird von Erde durch den Außenleiter und das Verbindungsgerät in den Innenleiter übertragen. Der offene Viertelwellenlängenkreis mit einer Länge von R der vom Außenleiter verwendeten Wellenlänge hat jedoch eine hohe Impedanz, so daß eine Blitzschlagüberspannung am Eindringen in das Verbindungsgerät gehindert wird.

Bei Versuchen, bei denen das vorliegende System mit einem Koaxialkabel- Verbindungsgerät verbunden waren, wurde eine Spannung von 10 KV zwischen den Innenleiter und den Außenleiter unter Anwendung einer Impulswellenform vom 10/200 µs angewandt. Die Spannung am Verbindungsgerät betrug dann 2,2 V maximal und etwa 1,6 V minimal. Außerdem betrug der Wert für die Reflektionscharakteristik (Spannungsstehwellenverhältnis) 1,1 oder weniger, und der Einfügungsverlust betrug 0,1 dB oder weniger. Wie sich aus diesen Versuchen zeigt, genügt dieses System für den praktischen Gebrauch.


Anspruch[de]
  1. 1. Übertragungsleitungs-Überspannungsschutzsystem, dadurch gekennzeichnet, daß ein offener Viertelwellenlängenkreis für die verwendete Frequenz jeweils im Innenleiter (1) und im Außenleiter (2) so angeordnet ist, daß ein Signal mit einer bestimmten Übertragungswellenlänge durchlaufen kann, während Signale mit Frequenzkomponenten der Überspannung gesperrt werden, und daß außerdem im Innenleiter eine Erdungsleitung und ein Förderwellenkurzschlußkreis für die verwendete Wellenlänge jeweils in der Erdungsleitung und dem Außenleiter (2) angeordnet ist, um das Signal mit der bestimmten Übertragungswellenlänge zu blockieren, während Signale mit Frequenzkomponenten der Überspannung zur Erdung abgeleitet werden.
  2. 2. Übertragungsleitungs-Überspannungsschutzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der offene Viertelwellenlängenkreis für die verwendete Wellenlänge durch Anordnen eines Isolators (3) mit R der verwendeten Wellenlänge jeweils im Innen- und im Außenleiter gebildet ist.
  3. 3. Übertragungsleitungs-Überspannungsschutzsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der offene Viertelwellenlängenkreis für die verwendete Wellenlänge durch Unterteilen des Innenleiters (1) und des Außenleiters (2) in Teilstücke und Zwischenanordnung eines Isolators zwischen den Teilstücken jeweils des Innenleiters und des Außenleiters gebildet ist.






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