DE60124010T2

DE60124010T2 - Vorrichtung und Verfahren um Datensignalskommunikation über eine Stromübertragungsleitung zu ermöglichen.

Info

Publication number: DE60124010T2
Application number: DE60124010T
Authority: DE
Inventors: Yehuda Brookline CERN; George Kaplun
Original assignee: Ambient Corp USA
Current assignee: Ambient Corp USA
Priority date: 2000-12-28
Filing date: 2001-05-04
Publication date: 2007-04-19
Anticipated expiration: 2021-05-05
Also published as: WO2002054605A1; US20020027496A1; EA200300733A1; AU2001259563B2; CN101505175B; BR0116627A; US6897764B2; US6646447B2; EA006177B1; CN101505175A; EP1350329A1; AU2001259563B8; MXPA03005853A; US20020105413A1; US6452482B1; DE60124010D1; PT1350329E; US20030160684A1; CN100477539C; ATE343139T1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Kommunikation eines Datensignals über ein Energieverteilungssystem und insbesondere die Verwendung eines induktiven Kopplers zur Kopplung eines Datensignals über einen Leiter in einem Energieübertragungskabel.
Auf einen Haushalt oder ein Firma begrenzte Niederspannungs- (NS-) Leitungen sind als Datenträger für Punkt-zu-Punkt- oder Netzwerkkommunikationen unter Verwendung so genannter "Träger"-Systeme verwendet worden, in denen das Datensignal auf einen Hochfrequenz- (HF-) Träger moduliert und über die Energieleitungen übertragen wird. Ein Internetzugang, der eine "Last-Mile"-Konnektivität zwischen dem Internet-Datenstamm und jedem Haushalt erfordert, würde die Nützlichkeit solcher Netzwerke stark vergrößern.
Eine Mittelspannung (MS), gewöhnlich 4–66 kV, wird von einem MS-NS-Verteilungstransformator auf eine Niederspannung (NS) von gewöhnlich 100–500 Volt verringert. Ein Mittelspannungs-Energieverteilungsnetz versorgt viele Haushalte und Firmen über Verteilungstransformatoren. Wenn Daten im Mittelspannungsnetz vorhanden sind, wäre es wünschenswert, Breitband-Datenströme von Umspannwerken an gesamte Teilstrecken einer Wohngegend zu koppeln, aber die Verteilungstransformatoren blockieren wirksam Hochfrequenzenergie und hindern so die Daten daran, in die NS-Fallleitungen zu gelangen.
In Ländern, die nominale Niederspannungen von 125 Volt und weniger verwenden, wie in Nordamerika, werden Fallleitungen vom Verteilungstransformator zur elektrischen Last im Haus oder im Büro gewöhnlich kürzer als etwa 50 Meter gehalten, damit den Spannungsabfall entlang der Leitungen verringert und eine angemessene Spannungsregulation beibehalten wird. Gewöhnlich werden von jedem Verteilungstransformator nur ein bis zehn Haushalte oder Firmen versorgt. Für eine derart kleine Zahl von möglichen Verbrauchern ist es nicht wirtschaftlich, eine teure Einspeisung mit hoher Datenübertragungsrate, wie Faser oder T1, bereitzustellen und sie über Vorrichtungen zur Energieleitungskommunikationen an die Niederspannungsseite des Transformators zu koppeln. Um das Mittelspannungs-Energieverteilungsnetz als Datenrücktransport- (Backhaul-) kanal zu nutzen, ist dementsprechend eine Vorrichtung erforderlich, mit der der Verteilungstransformator überbrückt werden kann.
Bei einem Energieverteilungssystem wird eine Hochspannung (HS) mit gewöhnlich 100–800 kV von einem HS-MS-Abwärtstransformator in einem Umspannwerk auf eine Mittelspannung herunter transformiert. Die hochfrequenzblockierenden Merkmale von Verteilungstransformatoren isolieren das Mittelspannungs-Energieverteilungsnetz von Hochfrequenzrauschen, das sowohl auf den Niederspannungs- als auch den Hochspannungs- (HS-) leitungen vorhanden ist. Das Mittelspannungsnetz ist folglich ein verhältnismäßig rauschfreier Träger, der für die Hochgeschwindigkeitsdatenkommunikation als Datenverteilungssystem oder "Backhaul-Leitung" ideal ist.
Die vorstehend erwähnten Transformatoren blockieren nahezu jede Leistung im Megahertz-Frequenzbereich. Um die hochfrequenzmodulierten Daten aus den MS-Leitungen mit den NS-Leitungen zu koppeln, muss eine Überbrückungsvorrichtung an jeder Transformatorenstelle installiert werden. Zurzeit sind Vorrichtungen erhältlich und werden für Datenkopplungsanwendungen mit niedriger Frequenz und niedriger Datenübertragungsrate verwendet. Solche Anwendungen werden häufig als Power Line Communications (PLC) bezeichnet. Diese Vorrichtungen umfassen gewöhnlich einen Hochspannungs-Reihenkopplungskondensator, der einer Basic Impulse Loading- (BIL-) Spannung, gewöhnlich über 50 kV, standhalten muss. Solche Vorrichtungen sind sehr teuer und sperrig und haben einen Einfluss auf die gesamte Zuverlässigkeit des Energieversorgungsnetzes. Außerdem erfordern sie in einigen Fällen während ihrer Installation die Energieabschaltung bei den Kunden.
In Ländern mit einer nominalen Niederspannung im Bereich von 100–120 Volt, wie Japan und den USA, ist die Anzahl der Verteilungstransformatoren besonders hoch. Der Grund dafür ist, dass die MS-NS-Verteilungstransformatoren verhältnismäßig nahe an der Last angeordnet werden, um den Einspeisungswiderstand niedrig zu halten. Ein niedriger Einspeisungswiderstand ist wünschenswert, um einen angemessenen Grad an Spannungsregulation, d.h. minimale Schwankungen in der Versorgungsspannung bei verschiedenen Lastströmen, beizubehalten. NS-Versorgungsleitungen für Abstände von viel mehr als 50 Meter würden undurchführbar dicke Kabel erfordern.
Damit ein Datenkoppler wirksam ist, muss er in dem Rahmen betrachtet werden, in dem er in Verbindung mit den Hochfrequenzeigenschaften der MS-Stromleitungen und mit anderen, an diese Leitungen angeschlossenen Komponenten arbeitet, wie Transformatoren, Leistungsfaktorkorrekturkondensatoren, PLC-Koppungskondensatoren und Trennschalter. Diese Komponenten arbeiten in verschiedenen Ländern und Regionen bei unterschiedlichen Spannungen. Die Höhe der Betriebsspannung hat einen direkten Einfluss auf die Konstruktionsgeometrie von Mittelspannungsenergievorrichtungen sowie auf die Klemmenimpedanz dieser Vorrichtungen bei Megahertzfrequenzen. Andere Faktoren, die Hochfrequenzsignale in MS-Energieleitungen beeinflussen, sind u.a. die Geometrie des Netzwerks, z.B. Verzweigung, Verwendung von Untergrundkabeln mit sehr kleiner Impedanz, die mit Oberleitungen hoher Impedanz verbunden sind, und die Möglichkeit der Aufspaltung eines Netzwerks in Unternetzwerke durch Bedienen eines Trennschalters. Daher muss die Eignung einer MS-NS-Kopplungsvorrichtung im Zusammenhang mit den spezifischen Merkmalen der in jedem Land verwendeten Ausrüstung und des MS-Spannungsniveaus betrachtet werden.
Oberirdische Übertragungsleitungen sind durch zwei oder mehrere Kabel gekennzeichnet, die mit im Wesentlichen konstanten Abstand mit Luft-Dielektrikum dazwischen verlaufen. Solche Leitungen haben eine charakteristische Impedanz im Bereich von 300 bis 500 Ohm und sehr geringe Verluste. Koaxiale Untergrundkabel umfassen einen Mittelleiter, der von einem Dielektrikum umgeben ist, über den Mittelleiter gewickelt sind. Solche Kabel haben eine charakteristische Impedanz im Bereich von 20 bis 40 Ohm und zeigen Verluste für Megahertz-Signale, die je nach den Verlusteigenschaften des Dielektrikums nur 2 dB pro hundert Meter Länge betragen können.
Ein MS-NS-Verteilungstransformator, ob er nun für den Betrieb von Ein-Phase zu Mittelleiter oder von Phase zu Phase in einem Dreiphasennetz konstruiert worden ist, hat eine erste Wicklung auf der MS-Seite, die mit einer Impedanz im Bereich von 40 bis 300 Ohm für Frequenzen oberhalb von 10 MHz auftritt. Leistungsfaktorkorrekturkondensatoren haben hohe nominale Kapazitätswerte (z.B. 0,05–1 μF), aber ihre Hochfrequenzimpedanz wird in erster Linie durch Reiheninduktivität bestimmt, die in ihrer Bauweise begründet ist. PLC-Kopplungskondensatoren haben niedrigere nominale Kapazitäten, zum Beispiel 2,2–10 nF, können aber Hochfrequenzimpedanzen haben, die im Verhältnis zur charakteristischen Impedanz des Energiekabels verhältnismäßig niedrig sind. Jede der vorstehend erwähnten Vorrichtungen kann eine Resonanz im Megahertzbereich erzeugen, d.h. der imaginäre Teil einer komplexen Impedanz wird Null Ohm, die Vorrichtungen haben jedoch keine hohen Q-Faktoren bei diesen Frequenzen, und so erreicht die Größenordnung der Impedanz in der Regel nicht Null für eine Reihenresonanz oder einen extrem hohen Wert für eine Parallelresonanz.
Eine andere Vorrichtung, die ein MS-Energieversorgungsnetz, insbesondere in Japan, verwendet, ist ein ferngesteuerter Dreiphasen-Trennschalter. Wenn ein Datensignal über eine Phasenleitung übertragen wird, die durch einen solchen Schalter läuft, muss die Kontinuität der Daten aufrechterhalten werden, sogar wenn die Phasenleitung durch den Schalter geöffnet wird.
EP 0 978 952 A2 offenbart ein Energieübertragungsnetz, das eine Eingabevorrichtung zur Eingabe eines Telekommunikationssignals auf einen Mittelleiter des Netzwerks und eine Ausgabevorrichtung zur Entnahme dieses Telekommunikationssignals aus dem Netzwerk umfasst.
EP 0 889 602 A2 offenbart ein Datenübertragungssystem zur Übertragung von Daten über die Abschirmung eines Energieübertragungskabels.
US-A-4 433 326 offenbart ein Netzleitungskommunikationssystem, das einen Verzweigungskreis von einem Wechselstrom-Energieverteilungssystem in einem Gebäude zur Übertragung von Daten verwendet. Die Daten werden über eine Nachrichtenverbindung übertragen, die nur von dem Mittelleiter des Verzweigungskreises und einem zusätzlichen Erdleiter gebildet wird.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Koppler zur Kopplung eines Datensignals an einen Leiter in einem Energieübertragungskabel bereitzustellen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen derartigen Koppler bereitzustellen, der kostengünstig ist und eine hohe Datenübertragungsgeschwindigkeit besitzt.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen derartigen Koppler bereitzustellen, der ohne Unterbrechung der Versorgung von Energieabnehmern installiert werden kann.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen derartigen Koppler bereitzustellen, der nur passive Komponenten verwendet, die eine praktisch unbeschränkte Lebensdauer haben.
Diese und weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden durch eine Vorrichtung, wie in Anspruch 1 erläutert, und durch ein Verfahren, wie in Anspruch 15 erläutert, erreicht.
1 ist eine Darstellung eines üblichen Untergrund-Mittelspannungsverteilungskoaxialkabels, das einen Neutralleiter zeigt, der als ein erfindungsgemäßes Kommunikationsmedium verwendet wird.
2A ist eine Darstellung einer Anordnung einer einseitig geerdeten Übertragungsleitung 15, die einen einzigen Neutralleiter zur erfindungsgemäßen Datenkommunikation verwendet.
2B ist eine schematische Darstellung der Anordnung der 2A.
3A ist eine Veranschaulichung eines Energieübertragungskabels, in dem zwei Neutralleiter als erfindungsgemäße Übertragungsleitung für die Kommunikation eines Datensignals verwendet werden.
3B ist eine schematische Darstellung der in 3A gezeigten Anordnung.
3C ist eine schematische Darstellung einer Alternative zu der in 3A gezeigten Anordnung, die eine Mehrzahl von Neutralleitern zur Bildung einer Datenübertragungsleitung verwendet.
3D ist eine Veranschaulichung einer Technik zur Realisierung der in 3C gezeigten Anordnung 30.
4A und 4B veranschaulichen Ausführungsformen einer Magnetkerntopologie für einen Koppler für die Verwendung mit einem Paar Neutralleitern, die mit einem Datensignal unterschiedlich betrieben werden.
5A ist eine Darstellung einer Anordnung eines Kabels mit einer hohen Impedanz, die durch Anordnung eines magnetischen Ringspulenkerns eingeführt wurde.
5B ist eine schematische Darstellung der Anordnung von 5A.
6A–6C sind Darstellungen mehrerer erfindungsgemäßer Anordnungen einer symmetrischen Übertragungsleitung, die zwei Neutralleiter und magnetische Induktion verwendet.
6D ist eine schematische Darstellung der Anordnungen von 6A–6C.
7 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen symmetrischen Übertragungsleitung, die eine magnetische Induktion verwendet.
8 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die mehrere Übertragungsleitungen mit mehreren Sätzen von Neutralleitern verwendet.
9A ist eine schematische Darstellung eines Systems zur Identifizierung eines Leitung aus einer Mehrzahl von Leitungen eines Energieübertragungskabels.
9B ist eine Darstellung eines Systems zur Identifizierung einer Leitung aus einer Mehrzahl von Leitungen eines Energieübertragungskabels.
10A und 10B sind schematische Darstellungen von Teilen eines erfindungsgemäßen Datenkommunikationsnetzwerks, das ein Energieverteilungssystem verwendet, wobei die Daten auf einem Phasenleiter des Energieverteilungssystems übertragen werden.
11A ist eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines induktiven Kopplers zur Kopplung von Daten über einen Phasenleiter.
11B ist eine schematische Darstellung der in 11A gezeigten Ausführungsform.
12 ist eine schematische Darstellung eines Teils eines Netzwerks, das Wechselkopplungsmodems an einem induktiven Koppler aufweist.
13 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Technik zum passiven Koppeln modulierter Daten zwischen Abschnitten eines Energieversorgungsnetzes.
14 ist eine schematische Darstellung einer Technik zur Kopplung modulierter Daten zwischen Abschnitten eines Energieversorgungsnetzes unter Verwendung von Wechselkopplungsmodems.
15 ist eine schematische Darstellung, die mehrere Techniken zur Kopplung von Daten an einen Phasenleiter von einem Energieverteilungssystem bei einer Realisierung eines erfindungsgemäßen Datenkommunikationsnetzwerks zeigt.
16A ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen kapazitiven Kopplers als Abschluss eines unbenutzten Endes einer Übertragungsleitung.
16B ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen kapazitiven Kopplers zum Verbinden eines Modems mit einen unbenutzten Ende einer Übertragungsleitung.
16C ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung eines kapazitiven Kopplers zur Aufrechterhaltung der Kontinuität eines Datensignals über einen Netztrennschalter.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ober- und unterirdische Mittelspannungsübertragungsleitungen können für die bidirektionale Übertragung digitaler Daten verwendet werden. Solche Übertragungsleitungen decken den Weg zwischen den Umspannstationen eines Stromerzeugers und einem oder mehreren MS-NS-Verteilungstransformatoren ab, die innerhalb einer Wohngegend angeordnet sind. Die MS-NS-Verteilungstransformatoren transformieren die Mittelspannungsenergie auf Niederspannung herunter, die dann in die Haushalte und Firmen eingespeist wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung eines Kopplers in einem Mittelspannungsenergienetz. Der Koppler ermöglicht die Kommunikation eines Datensignals über ein Energieübertragungskabel. Er hat eine erste Wicklung zur Kopplung des Datensignals über einen Leiter des Energietransmissionskabels und eine zweite Wicklung, die mit der ersten Wicklung induktiv gekoppelt ist, zur Kopplung des Datensignals über einen Dateneingang.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird mit einem Energieübertragungskabel verwendet, das einen oder mehrere Neutralleiter besitzt, d.h. Leiter, die ähnlich wie bei einem Koaxialkabel um eine Außenschicht des Kabels gewickelt sind. Einer oder mehrere der Neutralleiter des Energieübertragungskabels dienen als Leiter für ein oder mehrere Datensignale.
Eine andere Ausführungsform wird mit einem Phasenleiter eines Energieübertragungskabels verwendet. In diesem Fall dient der Phasenleiter des Energieübertragungskabels als Leiter für ein oder mehrere Datensignale.
1 ist eine Darstellung eines üblichen Untergrund-Mittelspannungsverteilungs-koaxialkabels 100 mit einem daran gekoppelten erfindungsgemäßen induktiven Koppler. Das Kabel 100 besitzt eine Mehrzahl von N Mittelleitern 105, die spiralförmig um einen Kernisolator 120 gewickelt sind, der einen Phasenleitungsdraht 115 umgibt. Bei einem Pirelli-Kabel X-0802/4202/0692 TRXLPE 25KV 260 mil 1/0 A WG AI-Kabel, das von Pirelli Cavi e Sistemi S.p.A, Viale Sarca, 222, Mailand, Italien 20126, erhältlich ist, ist zum Beispiel ein Phasenleitungsdraht von einer Isolierung umgeben, um die 8 Stränge Kupfer mit einem Durchmesser von 2,8 mm gewickelt sind. Kabel mit 12 oder 16 Mittelleitern sind ebenfalls gebräuchlich.
Die Mittelleiter 105 sind in einem Kabelabschnitt voneinander getrennt und gegeneinander Isoliert. An einem Ende des Kabels 100 ist ein Strang jedes Mittelleiters 105 offen und tangential gewickelt, so dass ein Ring aus Kupferdraht 125 in einem kurzen Abstand vom Kabelende gebildet wird, der einen Abschluss bildet. Diese Stränge werden in einem einlitzigen Leiter 130 vereinigt und an einer Erdungsstelle am MS-NS-Verteilungstransformator angeschlossen.
Ein Koppler 140 ist bereits vom Phasenleiter 115 isoliert, wobei für den Letzteren garantiert ist, dass er sowohl den stationären als auch den transienten Spannungen Stand hält, für die das Kabel ausgelegt ist. Durch Nutzung bereits bestehender Isolierung muss diese nicht erneut für den Koppler bereitgestellt werden. Der Koppler kann mit gewöhnlichen Kunststoffmaterialien verpackt werden.
Der Koppler 140 umfasst eine erste Wicklung (in 1 nicht gezeigt) und eine zweite Wicklung (in 1 nicht gezeigt). Die erste Wicklung wird durch das Kabel selbst bereitgestellt, während die zweite Wicklung eine oder zwei Windungen einer Schaltlitze mit kleinem Querschnitt und minimaler Isolierung umfassen kann.
Bei einem Untergrundkabel, wie dem Kabel 100, ist die Verwendung eines induktiven Kopplers 140 besonders kostengünstig, da er den bestehenden Isolator 120 zur Bereitstellung einer Isolierung von den Mittelspannungsleitungen nutzt.
Ein erfindungsgemäßer induktiver Koppler eignet sich auch zur Verwendung mit einem oberirdischen Energieübertragungskabel geeignet. Der induktive Koppler ist im Allgemeinen weniger teuer als ein kapazitiver Koppler, da die Schichtzunahme der Isolierung des induktiven Kopplers die Leistungsfähigkeit des Kopplers im Wesentlichen nicht vermindert, während die Zunahme der Isolierungsdicke im Kondensator seine Kapazität pro Flächeneinheit direkt herabsetzt und eine größere Plattenfläche erforderlich macht. Daher kann im Vergleich zu einem kapazitiven Koppler der induktive Koppler wesentlich kostengünstiger hergestellt werden.
Es gibt mehrere alternative Ausführungsformen der Erfindung. Für Untergrundkabel kann man ein oder mehrere Neutralleiter des Untergrundkabels in Anspruch nehmen, die Hochfrequenzübertragungsleitungen bilden können, während die Energieleitungsfunktion des (der) ausgewählten Mittelleiter(s) aufrechterhalten bleibt.
2A ist eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung einer einseitig geerdeten Übertragungsleitung, die einen einzigen Neutralleiter zur Datenkommunikation verwendet. 2B ist eine schematische Darstellung der Anordnung der 2A. Ein Kabel 200 umfasst eine Vielzahl von Mittelleitern 205, z.B. Leiter, die als eine flache Datenübertragungsleitung betrachtet werden können, die in einer leichten Spirale um einen Hochspannungsisolator 240 und einen Mittelphasenstrang 245 gewickelt sind.
Eine ausgewählter Strang aus den Mittelleitern 205, d.h. der Mittelleiter 202, wird isoliert, damit er als Leiter einer Datenübertragungsleitung für ein Datensignal fungieren kann, und die verbleibenden Mittelleiter 205, hauptsächlich zwei Mittelleiter 205, die zum Mittelleiter 202 benachbart sind, dienen als zweiter Leiter für eine Datenübertragungsleitung. Für den Querschnitt des vorstehend beschriebenen Pirelli-Kabels wird die charakteristische Impedanz in Bezug auf Signale in einem Frequenzbereich von 1–50 MHz, wovon ein Unterbereich im Allgemeinen bei einer Datenübertragung verwendet wird, auf etwa 95 Ohm geschätzt.
Um die Anordnung der 2A in einem bereits installiertem Untergrundkabel umzusetzen, wird der Mittelleiter 202 aus den mehreren Mittelleitern 205 ausgewählt und an einem offenen Abschnitt 210 an jedem Ende des Kabels 200 geschnitten. Eine Ader 215 des Mittelleiters 202 bleibt mit einem Ring 250 an jedem Kabelende 200 verbunden. Der Mittelleiter 202 und die Ader 215 werden mit einer ersten Wicklung 225 eines Kopplers 220 verbunden. Die erste Wicklung 225 ist folglich zwischen dem Mittelleiter 202 und der Erde in Reihe angeschlossen. Eine zweite Wicklung 235 des Kopplers 220 wird an einen Eingang 255 gekoppelt, durch den Daten übertragen und empfangen werden. Folglich wird das Kabel 200 für die Verwendung als Hochfrequenzübertragungsleitung genutzt, die mit Kommunikationsausrüstung, wie einem Modem (nicht gezeigt), über den Koppler 220 verbunden werden kann.
Elektrotechnisch ausgedrückt, ist der Koppler 220 ein Transformator. Die Impedanz entlang der primärseitigen, d.h. ersten, Wicklung 225 eines solchen Transformators ist bei den Frequenzen, die für die Energieleitung verwendet werden, vernachlässigbar. Die erste Wicklung 225, die mit dem Mittelleiter 202 und der Ader 215 verbunden ist, sollte mit einem Draht gewickelt werden, der mindestens so dick ist wie der Mittelleiter 202. Unter diesen Umständen hat der ausgewählte, Daten übertragende Mittelleiter 202 im Wesentlichen die gleiche Impedanz wie alle anderen Mittelleiter. Er überträgt im Wesentlichen den gleichen Strom, wie jeder der anderen Mittelleiter, und die gesamte zulässige Stromstärke und Stoßstromkapazität des Nullstromkreises werden nicht abgeschwächt.
In den 2A und 2B fließt der neutrale Strom des einzigen Mittelleiters 202 durch den Koppler 220. Für ein 200-Ampere-Kabel mit acht Neutralleitern überträgt der Daten übertragende Leiter dann einen maximalen stationären Strom von 25 Ampere rms. Der maximale stationäre Strom durch einen einzigen Mittelleiter ist für ein Kabel mit geringerer zulässiger Stromstärke und für ein Kabel mit einer größeren Anzahl an Mittelleitern kleiner. Der Koppler 220 muss in der Lage sein, ohne Magnetkernsättigung den durch diesen Strom erzeugten Fluss zu verarbeiten, damit er seine Datenkopplungsfunktion ausüben kann.
Der Mittelleiter 202 überträgt Strom für ein Hochfrequenzdatensignal in einer ersten Richtung. Die anderen Mittelleiter 205 übertragen den Rückstrom des Datensignals in die entgegengesetzte Richtung, wobei sie dazu neigen, eine Intensität des abgestrahlten Magnetfelds auf Grund des modulierten Datensignals aufzuheben und somit stark abzuschwächen. Diese Anordnung stellt auch einen elektrostatischen Abschirmeffekt gegen Rauschkopplung von einem externen elektrischen Feld bereit.
3A ist eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Energieübertragungskabels 300, in dem zwei Neutralleiter als Übertragungsleitung zur Kommunikation eines Datensignals verwendet werden. 3B ist eine schematische Darstellung der in 3A gezeigten Anordnung.
Ein Koppler 307, zum Beispiel ein Hochfrequenztransformator, wird mit zwei benachbarten Neutralleitern 302 und 305 in Reihe geschaltet. Die Neutralleiter 302, 305, die bevorzugt parallel geschaltet und einander benachbart sind, werden kurz vor einem Punkt getrennt, an dem sie mit dem neutralen Verbindungsring 330 zusammentreffen.
Siehe 3B: Die Adern der Neutralleiter 302, 305, die sich von dem Kabel 300 erstrecken, werden an eine erste Wicklung 310 des Kopplers 307 angeschlossen. Die erste Wicklung 310 ist somit zwischen dem Mittelleiter 302 und dem Mittelleiter 305 in Reihe angeschlossen. Die erste Wicklung 310 umfasst eine Mittelanzapfung 312 und einen Magnetkern 315. Die Mittelanzapfung 312 ist an den neutralen Verbindungsring 330 angeschlossen.
Ein Bereich 310A der ersten Wicklung 310 ist an den Neutralleiter 302 angeschlossen und in einer ersten Richtung um den Kern 315 gewickelt, und ein zweiter Bereich 310B der ersten Wicklung 310 ist an den Neutralleiter 305 angeschlossen und in der entgegengesetzten Richtung um den Kern 315 gewickelt. Die Bereiche 310A und 310B werden aus Drähten mit etwas größerem Durchmesser als die Neutralleiter des Energiekabels hergestellt und sind daher in der Lage, stationäre und Stoßströme mindestens genauso gut zu tragen, wie die nicht ausgewählten Mittelleiter. Jeder der Bereiche 310A und 310B kann selbst als eine Wicklung betrachtet werden.
Die Anordnung der 3A gewährleistet, dass in Reihe mit den zwei Mittelleitern 302, 305 nur eine vernachlässigbare Impedanz eingebracht wird, die die im Wesentlichen gleiche Teilung des Netzfrequenzstroms unter allen Mittelleitern nicht stört. Für das vorstehend beschriebene Pirelli-Kabel wird die charakteristische Impedanz der parallelen Leiter 302 und 305, die als eine Parallelleiterübertragungsleitung wirken, auf etwa 130 Ohm geschätzt. Bei Netzfrequenz führt die in 3A und 3B gezeigte Anordnung ferner zu einer Aufhebung des Flusses auf Grund des neutralen Stroms, der in den Wicklungen 310A und 310B in entgegengesetzte Richtungen fließt, was zu einem vernachlässigbaren Nettofluss durch den Kern 315 führt.
Eine weitere Wicklung 320 ist an einen Eingang 350 angeschlossen, durch den Daten übertragen und empfangen werden. Die Wicklung 320 ist vom Starkstromkreis-Mittelleiter 325 isoliert, so dass eine Erdungsschleife vermieden wird, die Störrauschen und Störstoßströme in den Datenkreisläufen verursachen könnte.
Das Kabel 300 kann als eine Hochfrequenzübertragungsleitung betrachtet werden, die an die Kommunikationsausrüstung über den Koppler 307 angeschlossen werden kann. Bei dieser Konfiguration wird ein Datensignal durch die Mittelleiter 302, 305 unerschiedlich geleitet. Eine derartige Übertragungsleitung sollte für ein vorgegebenes Betriebsenergieniveau sogar eine noch niedrigere elektromagnetische Strahlung aussenden als die in 2A beschriebene einseitig geerdete Anordnung.
3C ist eine schematische Darstellung einer Alternative zu der in 3A und 3B gezeigten Anordnung, die eine Mehrzahl von Mittelleitern verwendet, um eine Datenübertragungsleitung zu bilden. Das Kabel 300 hat eine Mehrzahl von Mittelleitern 330, die im Wesentlichen parallel zueinander sind, wobei Einzelne aus einer ersten Untergruppe 330A der Mehrzahl von Mittelleitern 330 mit Einzelnen aus einer zweiten Untergruppe 330B der Mehrzahl von Mittelleitern 330 abwechseln. Die erste Untergruppe 330A wird insgesamt als ein erster Mittelleiter betrachtet und miteinander verbunden, um eine erste Litzenader 332 zu einem Koppler 307A zu bilden. Die zweite Untergruppe 330B wird insgesamt als ein zweiter Mittelleiter betrachtet und miteinander verbunden, um eine zweite Litzenader 333 zu einem Koppler 307A zu bilden. Vorzugsweise wird die Mehrzahl der Neutralleiter 330 als N/2-Übertragungsleitungen konfiguriert, die parallel verbunden sind, wobei N die Anzahl der Neutralleiter 330 ist und N/2 die Anzahl der Neutralleiter in jeder Untergruppe 330A und 330B ist. Eine solchen parallele Verbindung hat die Wirkung, dass die durch das Kabel 300 erzeugte Abschwächung um einen Faktor von etwa N/2 verringert und die charakteristische Impedanz um denselben Faktor gesenkt wird.
3D ist ein Diagramm, das zeigt, wie die Anordnung der 3C einfach umgesetzt werden kann. Um den Anschluss der ersten Untergruppe 330A an die erste Litzenader 332 zu vereinfachen, wird ein erster Isolierungsring 335 über alle Mittelleiter angeordnet, d.h. die erste Untergruppe 330A und die zweite Untergruppe 330B schließen unmittelbar an einem Punkt an, an dem sich der Koppler 307A befinden wird. Die erste Untergruppe 330A wird über den ersten Isolierungsring 335 gewickelt und miteinander verbunden, um die erste Litzenader 332 zu bilden. Ebenso wird die zweite Untergruppe 330B über einen zweiten Ring 345 gewickelt, der isolierend oder nicht isolierend sein kann, und mit einander verbunden, um die zweite Litzenader 333 zu bilden. Die verbesserte geometrische Symmetrie des Stromflusses und die geringeren Spannungsniveaus sollten die elektromagnetische Strahlung verglichen mit der Strahlung, die mit der Zweileiter-Umsetzung der 3A ausgesendet wird, weiter verringern.
Ein Stromversorgungsunternehmen hat möglicherweise Einwände dagegen, zwei Neutralleiter zu zerschneiden und sie über einen Koppler wieder zu verbinden. Erfindungsgemäß ist es möglich, einen Magnetkern um die zwei ausgewählten Neutralleiter in einer Weise zu "wickeln", die topologisch und magnetisch gleichwertig mit den in 3A und 3B gezeigten Ausführungsformen ist.
4A und 4B veranschaulichen Ausführungsformen einer Magnetkerntopologie für einen Koppler zur Verwendung mit einem Paar von Mittelleitern, die differenziell mit einem Datensignal betrieben werden. Ein derartiger Kern hat einen ersten Bereich in der Nähe eines ersten Mittelleiters und einen zweiten Bereich in der Nähe eines zweiten Mittelleiters. Der Koppler umfasst eine Wicklung, die um einen Teil des Kerns gewickelt ist. Über den Kern induziert die Wicklung einen ersten Strom in dem ersten Mittelleiter in einer ersten Richtung und einen zweiten Strom in dem zweiten Mittelleiter in einer zweiten Richtung, die zur ersten Richtung entgegengesetzt ist.
Siehe 4A: Einen Kern 400 kann man sich als eine Figur "8" ohne Kontakt am Überkreuzungspunkt vorstellen. Die Figur "8" bildet eine topologische "Verdrillung". Ein erster Bereich umfasst eine erste Schleife 405 der Figur "8". Ein erster Mittelleiter 410 wird durch die erste Schleife 405 geführt. Ein zweiter Bereich umfasst eine zweite Schleife 415 der Figur "8". Ein zweiter Mittelleiter 420 wird durch die zweite Schleife 415 geführt. Der Kern 400 ist gewissermaßen ein fortlaufender Ein-Fenster-Kern, durch den die Leiter 410 und 420 in entgegengesetzten Richtungen geführt werden, so dass der Fluss auf Grund von Netzfrequenzströmen aufgehoben wird. Eine Wicklung 425 erzeugt Hochfrequenzsignalströme mit entgegengesetzter Phase in den Neutralleitern 410 und 420.
Die Topologie der Figur "8" kann auf der Oberfläche eines Kabels umgesetzt werden, ohne die Mittelleiter zu zerschneiden. Wie in 4B gezeigt, wird ein Kern, der die Kernbereiche 400A und 400B umfasst, mit einem ersten Spalt 430 in der ersten Schleife 405 und einem zweiten Spalt 435 in der zweiten Schleife 415 konfiguriert. Der Mittelleiter 410 wird durch den ersten Spalt 430 geführt, und der Mittelleiter 420 wird durch den zweiten Spalt 435 geführt. Durch Anordnen der Kerne 400A und 400B gegen die Isolierung 440 der Mittelleiter 410 und 420 werden die Mittelleiter 410 und 420 in dem Pfad des Magnetflusses angeordnet.
Ein weiteres Verfahren zur Vermeidung der physikalischen Trennung der Neutralleiter besteht darin, eine hohe Impedanz für hohe Frequenzen in Reihe mit ihnen zu schalten, ohne die Leiter zu zerschneiden. Die vorliegende Erfindung erreicht dies durch Umgeben des gesamten Kabels mit einem oder mehreren Magnetspulenkernen.
5A ist eine Darstellung einer Anordnung eines Kabels mit einer Hochfrequenz-Hochimpedanz, die durch Anordnen eines Magnetspulenkerns über dem Kabel eingeführt wird. 5B ist eine schematische Darstellung der Anordnung der 5A.
Eine oder mehrere Magnetspulenkerne 502 werden um einen Bereich eines Energieübertragungskabels 500 angeordnet. Eine erste Wicklung 530 (5B) eines Kopplers 515 wird zwischen einem ersten Mittelleiter 510 und einem zweiten Mittelleiter 512 in Bezug auf die Magnetspulenkerne 502 einwärts des Kabels 500 angeschlossen. Eine zweite Wicklung 532 des Kopplers 515 stellt einen Datenweg zu einem Modemeingang 520 bereit.
Der erste und der zweite Mittelleiter 510, 512 sind zwei von einer Mehrzahl von Mittelleitern 505 innerhalb des Kabels 500. Jeder Mittelleiter 505 steht gewissermaßen einer Drossel 502A (5B) kurz vor einem neutralen Sammelring 525 gegenüber. Folglich schalten die Magnetspulenkerne 502 einen isolierenden Blindwiderstand, bevorzugt in einer Größenordnung von wenigen Mikro-Henry, zwischen jeden der Neutralleiter 505 und Erde.
Die Magnetspulenkerne 502 können als gespaltener Kern aus zwei Hälften mit einer mechanischen Verpackung konfiguriert sein, die derart bereitgestellt wird, dass die Kernhälften genau passend verbunden werden und der Kern am Kabel 500 befestigt wird. Der Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass keiner der Neutralleiter 505 während der Installation der Magnetspulenkerne 502 durchtrennt werden muss.
Ein Datensignal kann von einem Modem (nicht gezeigt), das über einen Eingang 520 des Kopplers 515 angeschlossen und an die Mittelleiter 510, 512 stromaufwärts der Magnetspulenkerne 502 gekoppelt ist, übertragen oder davon empfangen werden. Als Kabel 500 kann man sich eine Hochfrequenzübertragungsleitung mit den Verbindungsendpunkten 535 und 540 vorstellen, die von Erde durch Spulen, die als Drosseln fungieren, teilweise isoliert sind.
Bei Netzfrequenz ist der Nettostrom, der durch die Magnetspulenkerne 502 fließt, im Wesentlichen Null, weil der Phasenstrom eines Mittelleiters 517, der in eine Richtung fließt, durch den entgegengesetzt gerichteten neutralen Strom ausbalanciert wird, der durch die Mehrzahl von Neutralleitern 505 fließt, die sämtlich durch die Magnetspulenkerne 502 gehen. Eine Kernsättigung ist somit ausgeschlossen. Die Netzstromverteilung unter den Neutralleitern 505 bleibt durch das Vorliegen der Magnetspulenkerne 502 unverändert, da ein sehr geringer Blindwiderstand durch die Drosselwirkung der Magnetspulenkerne 502 induziert wird, die alle Neutralleiter in gleicher Weise beeinflussen.
6A–6C sind Darstellungen mehrerer erfindungsgemäßer Anordnungen einer symmetrischen Übertragungsleitung, die zwei Neutralleiter und magnetische Induktion verwendet. 6D ist eine schematische Darstellung der Anordnungen von 6A–6C. Wiederum ist der gewonnene Vorteil die Vermeidung der Durchtrennung oder Manipulation der Neutralleiter für Stromkreise, die unter Spannung gesetzt werden können oder nicht.
Jede der Ausführungsformen der 6A–6D verwendet zwei Neutralleiter als Übertragungsleitung. Der Signalstrom wird in den Bereichen der Neutralleiter in der Nähe eines geerdeten Sammelrings magnetisch induziert. Ein offener Magnetkern (wie ein "E-"Kern) wird nahe bei und senkrecht zu den beiden Neutralleitern angeordnet.
Wie in 6A gezeigt, hat ein offener Magnetkern 605 einen ersten Schenkel 606, der nahe bei und senkrecht zu einem ersten der zwei Neutralleiter 602 eines Kabels 600 angeordnet ist, einen zweiten Schenkel 607, der nahe bei und senkrecht zu einem zweiten der Neutralleiter 602 angeordnet ist, und einen dritten Schenkel, d.h. einen gemeinsamen Schenkel 610, der zwischen dem ersten Schenkel 606 und dem zweiten Schenkel 607 angeordnet ist. Der gemeinsame Schenkel 610 hat eine um ihn herum gewickelte Wicklung 608.
Die Wicklung 608 ist um den gemeinsamen Schenkel 610 gewickelt, der zwischen den zwei Neutralleitern 602 des Kabels 600 angeordnet ist. Diese Anordnung induziert Ströme in den einzelnen Neutralleitern 602 in zueinander entgegengesetzten Richtungen. Ein Abschnitt 615 (6B) der Neutralleiter 602, die zusammen in einem geerdetem Sammelring 625 (6B) enden, können ersatzweise als eine Spule mit einer Windung betrachtet werden, die durch den Spalt zwischen den Polflächen der Schenkel 606 und 610 und zwischen den Polflächen der Schenkel 607 und 610 hindurchgeht. So induziert ein Signalstrom in der Wicklung 608 einen Signalstrom in den beiden Neutralleitern 602, der ein differenzielles Signal die Übertragungsleitung hinunter schickt, die durch diese zwei Neutralleiter 602 gebildet wird.
Siehe 6C: Zur Verringerung der Größe des verhältnismäßig großen Luftspalts zwischen den Schenkeln bei Standardkernformen (z.B. beim "E"-Kern) und zur Erhöhung des Kopplungskoeffizienten kann ein Paar Magnetspulenkerne 620 mit bereitgestellten Spalten 627 verwendet werden, durch die Neutralleiter 602 geführt werden. Eine Wicklung 630 wird um einen Bereich jedes der Magnetspulenkerne 620, z.B. einen gemeinsamen Schenkel 632, gewickelt.
Der Äquivalenzkreis der Ausführungsformen der 6A–6C ist in 6D gezeigt. Die Bereiche der Neutralleiter 602, in denen der Fluss induziert wird, fungieren als zwei Wicklungen 635 mit entgegengesetzter Phase, die zusammen an dem Sammelring 625 angeschlossen sind. Eine Wicklung 645 stellt einen Eingang 640 für die Verbindung mit einem Modem (nicht gezeigt) bereit.
Die magnetomotorische Kraft (MMF) der Netzfrequenz wird in dem gemeinsamen Schenkel des Kerns aufgehoben, tritt aber vollständig an jeden Seitenschenkel auf. Jedoch bewahrt der Luftspalt, der breiter sein muss als der Durchmesser eines Neutralleiters, gewöhnlich diese Seitenschenkel davor, gesättigt zu werden.
Der Vorteil der Ausführungsformen der 6A–6D ist, dass sowohl die Unterbrechung als auch der physikalische Kontakt mit den Neutralleitern 602 vermiden werden. Die Stromverteilung unter den Neutralleitern bleibt bei Netzfrequenz im Wesentlichen unverändert, da der sehr geringe Blindwiderstand, der durch die Drosselwirkung des Kerns induziert wird, verglichen mit der gesamten Neutralleiterimpedanz über den gesamten Kabelabschnitt einen vernachlässigbaren Blindwiderstand erzeugt. Das Kabel 600 kann man sich als eine Hochfrequenzübertragungsleitung vorstellen, die an jedem Anschluss über einen Koppler an Kommunikationsausrüstung angeschlossen ist.
7 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen symmetrischen Übertragungsleitung, die eine magnetische Induktion verwendet. Diese Ausführungsform ist ähnlich der von 6D, wobei sie aber an Stelle eines einzigen magnetischen Kerns oder Paars von Spulen, die an ein Paar Neutralleiter koppeln, sie an alle Neutralleiter koppelt, die paarweise angeordnet sind. Bei einem Kabel mit einer ungeraden Zahl von Leitern bleibt ein Leiter unbenutzt. Um dies zu erreichen, kann jede der Ausführungsformen der 6A–6D eingesetzt werden, wobei die Anzahl der Koppler der Anzahl der Neutralleiterpaare entspricht und die Wicklungen der Koppler zusammengeschlossen sind. Für minimale Strahlung sollten die Neutralleiter abwechselnd eine entgegengesetzte Phase haben.
Ähnlich den Ausführungsformen der 6A–6D, umfasst die Ausführungsform der 7 einen Koppler mit einer ersten Wicklung 720 zur Kopplung eines Datensignals über einen ersten Mittelleiter 702 von einem Energieübertragungskabel 700 und einer zweiten Wicklung 740, die induktiv mit der ersten Wicklung 720 gekoppelt ist, zur Kopplung des Datensignals über einen Dateneingang 760. Gewöhnlich verstärkt die Ausführungsform der 7 dies noch und enthält eine dritte Wicklung 725 zum Koppeln des Datensignals über einen zweiten Mittelleiter 705 des Energieübertragungskabels 700 und eine vierte Wicklung 745, die mit der dritten Wicklung 725 induktiv gekoppelt ist, zum Koppeln des Datensignals über den Dateneingang 760. Das Datensignal wandert auf einem ersten Pfad über den zweiten Mittelleiter 702, die erste Wicklung 720 und die zweite Wicklung 740 und auf einem zweiten Pfad über den zweiten Mittelleiter 705, die dritte Wicklung 725 und die vierte Wicklung 745. Der erste Pfad verläuft parallel zu dem zweiten Pfad.
7 veranschaulicht die Verwendung aller Paare von Neutralleitern gemäß der Ausführungsform der 6D. Die Leiterpaare 702, 705, 710 und 715 arbeiten sämtlich als Übertragungsleitungen in einer ähnlichen Weise wie das ausgewählte Paar 600 der 6D ist. Die Abschnitte der Neutralleiter, die durch den Magnetfluss der Kerne gehen, fungieren als Wicklungen 720, 725, 730 und 735 und betreiben die Neutralleiterpaare als Übertragungsleitungen. Die Wicklungen 740, 745, 750 und 755 können, wie gezeigt, parallel oder in jeder beliebigen Reihen- oder Parallelkombination angeschlossen werden, die eine konsistente Phaseneinstellung bereitstellt, so dass ein Datensignal an einen Dateneingang geliefert wird. Da ein Mittelphasenleiter 715 des Energiekabels 700 einem gleich- und einem gegenphasigen Fluss aus den Kopplungsspulen ausgesetzt ist, beeinflusst der Phasenleiter 715 die Signalübertragung nicht.
Einige der Vorteile der Ausführungsform von 7 sind, (a) dass die Installation eines Kopplers durchgeführt werden kann ohne Auswahl eines Paars von Mittelleitern und daher, ohne diese Leiter am entfernten Ende des Abschnitts zu identifizieren (man beachte, dass eine Phaseninversion hier möglich ist, aber den Datenfluss nicht beeinflussen würde, weil Modems Phaseninversionen des gesamten Signals tolerieren können), (b) eine Datenübermittlung möglich ist, sogar wenn das Kabel 700 während seines Betriebs beschädigt wird und einige der Neutralleiter unbeabsichtigt Erdschluss haben, (c) eine bessere Aufhebung externer Felder und eine niedrigere Strahlung sowie (d) kleinere Wegverluste über den Kabelabschnitt.
8 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform, die mehrere Übertragungsleitungen mit mehreren Sätzen von Neutralleitern verwendet. Diese Ausführungsform nutzt eine beliebige der in 6A–6D dargestellten Ausführungsformen, nutzt aber an Stelle eines einzelnen Signalwegs eine Mehrzahl von Neutralleiterübertragungsleitungen 802, 805, 810 und 815, um mehrere unabhängige Übertragungskanäle bereitzustellen. 8 zeigt vier Übertragungskanäle.
Ähnlich wie die Ausführungsformen 6A–6D, umfasst die Ausführung der 8 einen Koppler mit einer ersten Wicklung 820 zur Kopplung eines Datensignals über einen ersten Mittelleiter 802 eines Energieübertragungskabels 800 und eine zweite Wicklung 825, die an die erste Wicklung 820 induktiv gekoppelt ist, zur Kopplung des Datensignals über einen Dateneingang 830. Im Allgemeinen verstärkt die Ausführungsform der 8 dies und enthält eine dritte Wicklung 835 zur Kopplung eines zweiten Datensignals über einen zweiten Mittelleiter 805 des Energieübertragungskabels 800 und eine vierte Wicklung 840, die induktiv an die dritte Wicklung 835 gekoppelt ist, zur Kopplung des zweiten Datensignals an einen zweiten Dateneingang 845.
Eine derartige Mehrzahl kann dazu genutzt werden, (a) eine vollständige Doppelübertragung von Daten auf einem oder mehreren Kanälen, (b) mehreren unidirektionalen oder bidirektionalen Kanälen, wodurch folglich die Gesamtbandbreite erhöht wird, (c) eine redundante Übertragung von Daten, um Fehler zu minimieren, (d) die Einführung von Mehrdrahtschnittstellen mit getrennten Uhr-, Strobe- und Datenleitungen sowie (e) die Verwendung eines Kanals für Überwachungsbefehle, Fehlermeldungen oder andere Daten, die beim Netzwerkmanagement nützlich sind, zu erreichen.
Für jede der in 6A–6D gezeigten Ausführungsformen und für die in 3–8 gezeigten Verbesserungen beinhaltet die Auswahl von einem oder zwei Neutralleitern an einem Ende eines Kabels, dass dieselben Leitungen am distalen Ende des Kabels identifiziert werden müssen.
9A ist eine schematische Darstellung und 9B ist eine Veranschaulichung eines Systems 900 zur Identifizierung einer Leitung aus einer Mehrzahl von Leitungen eines Energieübertragungskabels. Das System 900 umfasst einen Empfänger 902, der ein Signal aus einem ausgewählten Neutralleiter des Energieübertragungskabels misst, und einen Anzeiger 905 für die Stärke des Signals. Das Signal wird an einen ausgewählten Leiter 925 an einen ersten Punkt 926 auf dem Energieübertragungskabel angelegt. Der Empfänger 902 misst das Signal an einem zweiten Punkt 927 auf dem Energieübertragungskabel, der vom ersten Punkt entfernt liegt.
Das System 900 umfasst auch eine Ferritspule 915 mit einem radialen Schlitz 920, durch den der ausgewählte Neutralleiter 925 geführt wird, und eine Wicklung 930, die um einen Bereich der Ferritspule 915 gewickelt und mit einem Eingang 935 des Empfängers 902 verbunden ist. Das Signal wird von dem ausgewählten Neutralleiter 925 über die Ferritspule 915 induktiv gekoppelt. Das Signal wird an den ausgewählten Neutralleiter 925 am ersten Punkt 926 über einen induktiven Koppler 924 angelegt.
Am ersten Kabelende, das angeschlossen werden soll, werden die Leitung(en) ausgewählt, und ein Koppler wird angeschlossen. 9A zeigt ein Paar von ausgewählten Neutralleitungen. Der Koppler wird durch einen Niederspannungs-Hochfrequenz-Oszillator, gewöhnlich im MHz-Bereich, angetrieben. Dies führt dazu, dass Hochfrequenzstrom am stärksten in dem (den) ausgewählten Leiter(n) fließt.
Am distalen Ende wird der Radioempfänger 900 auf die gleiche Frequenz eingestellt. Dieser Radioempfänger ist dahingehend speziell, dass er mit einem Signalstärkenmesser 905 und einer manuellen oder automatischen Verstärkungsregelung 910 zur Optimierung der Verstärkung ausgestattet ist. Zusätzlich umfasst die Antenne des Empfängers eine Ferritspule 915 mit einem radialen Schlitz 920, der etwas größer ist als der Durchmesser des Neutralleiters 925, und eine auf den Ring 915 gewickelte Spule, die an die Antenneneingangsanschlüsse des Empfängers 935 angeschlossen ist. Bevorzugt wird der Ring 915 fest auf das Empfängergehäuse montiert.
Der Installateur hält den Empfänger so, dass der Schlitz in einer Linie mit und in der Nähe des Mittelleiters 925 ausgerichtet ist, und beobachtet die Ablesung auf dem Signalstärkemesser 905. Der Installateur bewegt dann den Empfänger tangential um das Kabel, wobei jeder Leiter der Reihe nach gemessen wird. Der (die) Leiter, welche(r) die maximale Ablesung auf dem Signalstärkemesser erzeugen, sind diejenigen, die am anderen Ende des Kabels direkt angeregt werden.
Demnach umfasst ein Verfahren zum Identifizieren eines aus einer Mehrzahl von Neutralleitern eines Energieübertragungskabels die Schritte (a) Anlegen eines Signals an einen ausgewählten Signalleiter an einen ersten Punkt auf dem Energieübertragungskabel, (b) Messung einer relativen Signalstärke auf jeder der Mehrzahl von Neutralleitungen an einem zweiten Punkt auf dem Energieübertragungskabel, der vom ersten Punkt weit entfernt ist, und (c) Identifizierung des ausgewählten Neutralleiters anhand der relativen Stärken. Der Identifizierungsschritt identifiziert den ausgewählten Neutralleiter als denjenigen aus der Mehrzahl der Neutralleiter mit der größten relativen Stärke. Der Anlegungsschritt umfasst die induktive Kopplung des Signals an den ausgewählten Neutralleiter, und der Messschritt umfasst die induktive Kopplung des Signals von dem ausgewählten Neutralleiter.
So weit wurde die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit einem Kabel mit mehreren getrennten, voneinander isolierten Neutralleitern beschrieben. Viele Energieverteilungsnetzwerke verwenden jedoch keine Kabel mit von einander isolierten Neutralleitern, sondern die Neutralleiter liegen eher in Form eines Netzes oder als mehrere, durch leitendes Kupferband miteinander verbundene Leiter vor. Die 10A, 10B, 11A und 11B und ihre zugehörigen Beschreibungen betreffen eine Anwendung der vorliegenden Erfindung für andere verbreitete Mittelspannungs-Energieversorgungsnetze, wie solche, die auf Überlandleitungen übertragen werden, und solche, die über pseudo-koaxiale Untergrundkabel mit einem einzigen Neutralleiter übertragen werden.
Ein Koppler, der den physikalischen Kontakt mit einem Mittelspannungs-Phasenleiter vermeidet, ist dahingehend wünschenswert, dass ein solcher Koppler den stationären oder Stoßstromspannungen des Phasenleiters nicht Stand halten muss, so dass die Konstruktion vereinfacht wird und die Kosten des Kopplers reduziert werden. Jedoch setzt die Verwendung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen induktiven Kopplers eine Stromkreiskontinuität voraus, wodurch der Strom fließen kann, während die Mittelspannungsstromkreise entweder an ihren Enden physikalisch offene Stromkreise umfassen oder an Transformatorwicklungen angeschlossen sind, deren hohe Impedanz bei Radiofrequenzen in etwa der Wirkung eines Leerlaufabschlusses entspricht. Erfindungsgemäß können induktive Koppler in einem Mittelspannungs-Datenbackhaulnetzwerk verwendet werden, wenn Hochfrequenz-Abschlüsse hinzugefügt werden, die kapazitiv gekoppelte Eingänge an den Enden des Kabels und, in einem großen Verteilungsnetz, auch an einer oder mehreren dazwischen liegenden Positionen verwenden. Die Phasenleiter der unterirdischen Übertragungsleitungen können als Datenübertragungsleitungen verwendet werden, wenn sie mit Lastabschlüssen ausgestattet sind, die zur Kopplung von Datensignalen an die und von den Übertragungsleitungen bei den hohen Frequenzen wirksam sind, die für Kommunikationen verwendet werden.
In Energieverteilungssystemen ist das Mittelspannungsnetz an Vorrichtungen angeschlossen, die eine Impedanz zeigen, die wesentlich höher ist als die charakteristische Impedanz des Kabels gegenüber Signalen bei hohen Frequenzen. Solche Vorrichtungen treten gegenüber Hochfrequenzsignalen gewissermaßen als offene Stromkreise auf. Die Kopplung modulierter Datenpakete auf ein derartiges Leerlaufkabel würde dazu führen, dass ein großer Teil einer gekoppelten Welle von den Enden des Kabels reflektiert und möglicherweise von Datenempfängern als neue Pakete interpretiert wird. Ein weiteres unerwünschtes Merkmal solcher Reflexionen wäre, dass sie die Datenempfänger zur dem Schluss verleitet, dass neue Pakete das Kabel besetzen, und Mehrfachzugangstypen gemeinsamer Netzwerke erlitten einen Verlust an verfügbarer Übertragungszeit.
Bei Kabeln und Leitern mit erheblichen Hochfrequenzverlusten verschwinden diese Reflexionen schnell und verursachen keine Probleme. Jedoch sowohl für Oberleitungen als auch für einige pseudo-koaxiale Untergrundleitungen sind die Verluste gering, und stark reflektierte Signale und direkte Signale können sich gegenseitig überlagern.
10A und 10B sind schematische Darstellungen von Teilen eines Datenkommunikationsnetzwerks, das über ein Energieverteilungssystem umgesetzt wird, wobei die Daten über einen Phasenleiter des Energieverteilungssystems übertragen werden. Die vorliegende Erfindung verwendet eine Kombination aus induktiven und kapazitiven Kopplern. Wie nachstehend erläutert, umfasst das Netzwerk (a) einen induktiven Koppler zur Kopplung eines Datensignals über den Phasenleiter mit einem Dateneingang zur weiteren Kopplung des Datensignals und (b) einen kapazitiven Koppler, der zwischen dem Phasenleiter und Erde in der Nähe zu einem Ende des Energieübertragungskabels angeschlossen ist, der Reflektionen des Datensignals absorbiert und gegebenenfalls als Dateneingang zur Kopplung des Datensignals dient.
Die induktiven Koppler 1002 werden als dazwischenliegende Knoten 1005 in der Nähe zu einem Verteilungstransformator 1010 verwendet. Jeder induktive Koppler 1002 stellt einen Eingang 1015 zum Anschluss an ein Modem (nicht gezeigt) über ein Niederspannungsnetz bereit, das von jedem zweiten Verteilungstransformator 1010 betrieben wird. Die kapazitiven Koppler 1020 sind zwischen einem Ende eines Leiters oder Kabels und einer lokalen Erde angeschlossen, um sowohl die Reflektionen zu absorbieren und Signalkopplungsknoten 1025 bereitzustellen. D.h. ein Signalkopplungsknoten 1025 befindet sich zwischen einem kapazitiven Koppler 1020 und Erde, um das Datensignal zwischen dem Phasenleiter zu koppeln und einen weiteren Dateneingang für das Datensignal bereitzustellen.
Das "Leitungs- oder Kabelende" umfasst einen Punkt 1018, an dem die Energie von einem Hochspannungs- zu einem Mittelspannungstransformator in das Kabel eingespeist wird. Bei Schleifentopologien kehrt das Kabel zu dieser Position zurück, erreicht aber ein unbenutztes Ende. An diesen "unbenutzten Enden" sich kapazitive Koppler 1020 enthalten. Sollte ein T-Zweig 1030 eine Stichleitung 1035 in dem Energienetz erzeugen, wird ein kapazitiver Koppler 1020 dazu verwendet, das distale Ende der Stichleitung 1035 zu beenden.
11A ist eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines induktiven Kopplers 1102 zur Kopplung von Daten über einen Phasenleiter. 11B ist eine schematische Darstellung der in 11A gezeigten Ausführungsform.
Ein induktiver Koppler 1102 umfasst eine erste Wicklung 1104 zur Kopplung des Datensignals über einen Phasenleiter 1110 und eine zweite Wicklung 1115, die an die erste Wicklung 1104 induktiv gekoppelt ist, zur Kopplung des Datensignals über einen Dateneingang 1145. Der induktive Koppler 1102 umfasst einen Kern 1105 durch den der Phasenleiter 1110 geführt wird. Diese Konfiguration des Phasenleiters 1110 durch den Kern 1105 dient als erste Wicklung 1104, d.h. eine Wicklung mit einer einzigen Drehung. Die zweite Wicklung 1115 ist um einen Bereich des Kerns 1105 gewickelt.
Der induktive Koppler 1102 ist ein Stromtransformator, in dem der Kern 1105 über einem Abschnitt des Phasenleiters 1110 angeordnet ist. Der induktive Koppler 1102 kann auch mit einem unterirdischen Kabel verwendet werden, indem der Kern 1105 über einen Abschnitt des Untergrundkabels, der nicht ebenfalls durch eine Neutralleiterummantelung bedeckt ist, angeordnet wird, wobei der Energiekabel-Phasenleiters als Wicklung mit einer Drehung durch den Kern 1105 hindurchgeht.
Der Kern 1105 ist aus Ferrit oder einem anderen leichtmagnetischen Material mit beträchtlicher Permeabilität und verhältnismäßig geringem Verlust über den Frequenzbereich, der für die modulierten Daten erforderlich ist. Der Kern 1105 hat einen Luftspalt 1120, der ausreicht, um den Betrieb des induktiven Kopplers 1102 ohne Sättigung zu ermöglichen, sogar wenn der Strom durch den Phasenleiter 1110 so hoch wie der Maximalstrom ist, für den der Leiter 1110 ausgelegt ist, z.B. 200 Ampere rms.
Der induktive Koppler 1102 besitzt eine primäre Magnetisierungsinduktivität, die ausreicht, dass er gegenüber einem Modemtransmitter eine merkliche Hochfrequenzimpedanz über einen relevanten Frequenzbereich, aber eine vernachlässigbare Impedanz bei Energieverteilungsfrequenzen zeigt. Der induktive Koppler 1102 hat über den relevanten Frequenzbereich sowohl eine Streuinduktivität als auch eine reflektiert-primäre Impedanz, die wesentlich geringer ist als die charakteristische Impedanz der Übertragungsleitung, von der der Phasenleiter 1110 eine Komponente ist.
Der induktive Koppler 1102 besitzt einen Hochspannungskondensator 1125 in Reihe mit der zweiten Wicklung 1115 und dem Dateneingang 1145 und ist an einen Niederspannungsausgang, d.h. einen Starkstromleitungsausgang, eines Verteilungstransformators 1130 angeschlossen, um zu verhindern, dass die zweite Wicklung 1115 mit einem Niederspannungsstromkreis 1135 einen Kurzschluss bildet. Folglich koppelt der Kondensator 1125 ein Datensignal zwischen der zweiten Wicklung 1115 und dem Starkstromleitungsausgang.
Der induktive Koppler 1102 hat auch einen Überspannungsschutz 1140, der mit der zweiten Wicklung 1115 parallel angeschlossen ist, um den Niederspannungskreislauf 1135 und jede elektronische Kommunikationsausrüstung, die daran angeschlossen ist, vor Beeinflussung durch einen Impuls mit hoher Amplitude zu schützen, der auf dem Phasenleiter 1110 auftreten kann und durch den induktiven Koppler 1102 auf die Niederspannungsleitungen gekoppelt wird.
Es ist zu beachten, dass zwar nur eine NS-Phasenleitung 1150 und eine NS-Neutralleitung 1155 an den Koppler 1102 angeschlossen sind, aber die andere Phasenleitung 1160 ein leicht verzögertes Signal mittels kapazitiver und induktiver Kopplung über die Länge der NS-Fallleitungen erhält.
Eine wichtige Überlegung und ein wünschenswertes Ziel ist eine Minimierung der elektromagnetischen Strahlung von den Leitungen und Kabeln, die für die Übertragung von Daten verwendet werden. Diese Leitungen können elektromagnetische Interferenz abstrahlen, sogar wenn sie einige Fuß unter der Erde vergraben sind. Störende Resonanzen können auch die Übertragung über bestimmt enge Frequenzbänder verhindern.
Ein oder mehrere Techniken sollten eingesetzt werden, um die Strahlung zu minimieren, Resonanzen zu tolerieren und einen stabilen und zuverlässigen Datenkanal bereitzustellen. Die Auswahlmöglichkeiten zur Minimierung der Strahlen umfassen:

(A) Verwendung einer Spreizspektrummodulation in den Modems, die zum und vom Mittelspannungsnetz verbinden. Die Spreizspektrumsmodulation verwendet eine verhältnismäßig niedrige Spektralenergiedichte (z.B. –55 dBm/Hz).
(B) Minimierung des Energieniveaus der modulierten Daten. Das Energieniveau sollte hoch genug sein, um jegliches Rauschen auf der Leitung und jegleiches selbsterzeugtes Rauschen der Ausrüstung, z.B. internes Rauschen, Verstärkerrauschen usw., zu überwinden. Durch Ausnutzen der verhältnismäßigen Isolierung der Mittelspannungsleitung von den verrauschten Niederspannungs- und Hochspannungsnetzen kann das Leitungsrauschen minimiert werden. Dies kann durch Anordnung von Wechselkopplungsmodems an jeden induktiven Koppler durchgeführt werden. Wechselkopplungsmodems haben den Zweck, einen Bitstrom zu regenerieren und die Datenübertragung über ein zusätzliches Medium zu remodulieren.

12 ist eine schematische Darstellung eines Teils eines Netzwerks mit Wechselkopplungsmodems an einem induktiven Koppler. Ein erstes Modem 1202 hat einen ersten Eingang 1225, der an einen Dateneingang einer zweiten Wicklung eines induktiven Kopplers 1102 zum Senden und Empfangen eines modulierten Datensignals angeschlossen ist, und einen zweiten Eingang 1210 zur weiteren Kopplung der digitalen Daten. Ein zweites Modem 1205 hat einen ersten digitalen Dateneingang 1230, der an den zweiten Eingang 1210 des ersten Modems 1202 angeschlossen ist, und einen zweiten Eingang 1235 zur weiteren Kopplung des modulierten Datensignals. Wahlweise kann ein Router 1220 zwischen das erste Modem 1202 und das zweite Modem 1205 gesetzt werden.
Die Vorteile der vorstehenden Vorrichtung sind:

(A) Das Rauschen des NS-Netzes erreicht das MS-Netz nicht. Die Isolation kann ferner durch optische Isolatoren in Reihe mit der Datenverbindung 1210 verstärkt werden.
(B) Ein Modem mit Spreizspektrum-Modulation oder anderes Modem, das eine andere Technologie oder andere Parameter als das MS-Modem verwendet, kann für NS-Netze optimiert werden. Die induktiven Koppler führen eine zusätzliche Reihenimpedanz an den Kopplungsknoten ein, die verhältnismäßig klein gegenüber der charakteristischen Impedanz des Leiters oder Kabels ist, so dass sowohl die Reflektionen als auch die Energieabsorption minimiert werden. In diesem Fall können die modulierten Daten eine große Anzahl von dazwischenliegenden Knoten erfolgreich überqueren. Bevorzugt sind die Magnetisierungs- und Streuinduktivitäten klein genug, dass Impedanzstörung minimiert wird, aber groß genug, um eine ausreichende Kopplung bereitzustellen. Vorausgesetzt ist hier eine absichtliche Impedanzfehlangleichung zwischen dem Modem und der Impedanz durch den Koppler. (C) Router und andere Netzwerkvorrichtungen 1220 können

Ein verwendbarer Parameter zur Minimierung der Strahlung ist eine Abschwächung der Signalstärke in Richtung zwischen Leitung und Koppler, da die Signalstärke auf der Mittelspannungs-Starkstromleitung groß genug sein muss, um diese Abschwächung zu überwinden. Die Abschwächung in Richtung zwischen Koppler und Leitung kann ohne zusätzliche Strahlung leicht durch Anlegen von mehr Energie an den Koppler, der die Leitung ansteuert, überwunden werden, um so das maximal zulässige übermittelte Energieniveau festzulegen, das mit der Einhaltung von maximal erlaubten Strahlungsstärken übereinstimmt.
Wenn zum Beispiel jeder Koppler für einen 10 dB Kopplungsverlust ausgelegt ist, dann kann die übertragene Energie zur Kompensation um 10 dB erhöht werden, und nur die 10 dB des zweiten Kopplers werden vom Verlustbudget des Modems abgezogen.
13 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Technik zur passiven Kopplung modulierter Daten zwischen Abschnitten eines Energieversorgungsnetzes. 13 zeigt ein Datenkommunikationsnetzwerk 1300, das über ein Energieverteilungssystem umgesetzt wird und einen ersten Abschnitt 1302 mit einem ersten Mittelleiter 1320 und einen zweiten Abschnitt 1303 mit einem zweiten Mittelleiter 1330 aufweist. Das Netzwerk 1300 umfasst einen ersten Koppler 1306 zur induktiven Kopplung eines Datensignals über einen ersten Mittelleiter 1320 und mit einem Dateneingang 1335 für die weitere Kopplung des Datensignals und einen zweiten Koppler 1307 mit einem Dateneingang 1340, der an den Dateneingang 1335 des ersten induktiven Kopplers 1306 gekoppelt ist, zur induktiven Kopplung des Datensignals über einen zweiten Mittelleiter 1330.
Der erste Abschnitt 1302 umfasst ein erstes Energieübertragungskabel 1315 auf einer ersten Seite eines Energieverteilungstransformators 1345. Der zweite Abschnitt 1303 umfasst ein zweites Energieübertragungskabel 1325 auf einer zweiten Seite eines Energieverteilungstransformators 1345. Der Energieverteilungstransformator 1345 hat einen Ausgang zur Energieleitung 1350. Das Netzwerk 1300 umfasst weiter einen Kondensator 1310 zwischen dem Dateneingang 1335 des ersten induktiven Kopplers 1306 und der Ausgangsenergieleitung 1350 zur Kopplung des Datensignals auf die Ausgangsenergieleitung 1350.
Jeder Transformator-zu-Transformator-Abschnitt wird zu einer separaten Verbindung in einer Mehrfachverbindungskette. Ein Koppler ist an jedem Kabelabschluss angeschlossen, so dass mit Ausnahme des letzten Transformators an einem unbenutzten Endabschnitt zwei Koppler pro Transformator erforderlich sind.
Das passive Aneinanderreihen von Abschnitten wird durch Verbinden der Dateneingänge 1335 und 1340 der zwei Koppler auf jeder Seite des Transformators miteinander erreicht. Eine passive Verbindung mit den Kommunikationsvorrichtungen, die an die NS-Leistung 1350 angeschlossen sind, erfolgt durch Reihenkopplung der Kondensatoren 1310. Ähnliche Modems werden sowohl an den Einspeisungspunkten des Netzwerks, wie dem Energieumspannwerk, als auch bei den Niederspannungsausgängen am Haus des Nutzers angeschlossen.
14 ist eine schematische Darstellung einer Technik zur Kopplung modulierter Daten zwischen Abschnitten eines Energieversorgungsnetzes unter Verwendung von Wechselkopplungsmodems. 14 zeigt ein Datenkommunikationsnetzwerk 1400, das über ein Energieverteilungssystem umgesetzt wird, das einen ersten Abschnitt 1402 mit einem ersten Mittelleiter 1420 und einen zweiten Abschnitt 1403 mit einem zweiten Mittelleiter 1430 besitzt. Das Netzwerk 1400 umfasst einen ersten Koppler 1406 zur induktiven Kopplung eines Datensignals über einen ersten Mittelleiter 1420 mit einem Dateneingang 1435 für die weitere Kopplung des Datensignals und einen zweiten Koppler 1407 mit einem Dateneingang 1440, der an den Dateneingang 1435 des ersten induktiven Kopplers 1406 gekoppelt ist, zur induktiven Kopplung des Datensignals über einen zweiten Mittelleiter 1430.
Ein erstes Modem 1460 umfasst einen ersten Eingang für modulierte Datensignale 1465, der an den Dateneingang 1435 des ersten Kopplers 1406 gekoppelt ist, und hat einen zweiten Eingang für digitale Daten 1470 zur weiteren Kopplung des Datensignals. Ein zweites Modem 1480 hat einen ersten Eingang für digitale Daten 1475, der an den zweiten Eingang 1470 des ersten Modems 1460 gekoppelt ist, und einen zweiten Eingang 1485 für die weitere Kopplung des modulierten Datensignals.
Das Energieverteilungssystem umfasst einen Energieverteilungstransformator 1445 mit einer Ausgangsstarkstromleitung 1450. Das Netzwerk 1400 umfasst weiter Kondensatoren 1410 zwischen dem zweiten Eingang 1485 des zweiten Modems 1480 und der Ausgangsstarkstromleitung 1450 zur Kopplung des modulierten Datensignals an die Ausgangsstarkstromleitung 1450.
Ein Mittelspannungskabel kann einen langen Kabelabschnitt umfassen, wie zum Beispiel von einer Umspannstation zum ersten Verteilungstransformator in einer Schleife. Zur Vereinfachung von Installation und Wartung kann der lange Abschnitt unterteilt werden, wobei jeder Knoten mit Mannlöchern als Zugang ausgestattet ist. An diesen Punkten können die Kabelabschnitte in Mittelspannungsverbindungen (für den Mittelleiter) zusammen mit Neutralleitersammelringen, die geerdet sind, enden. Dies führt eine Diskontinuität in die Datenübertragungsleitung ein, die auf einem oder mehreren Neutralleitern übertragen wird. Um diese Diskontinuität zu überbrücken, kann ein Paar von Kopplern auf jeder Seite der Erde installiert werden, wobei ihre Primärseiten aneinander angeschlossen sind und eine Brückenverbindung herstellen.
Die vorliegende Erfindung stellt auch eine Umsetzung eines Datenkommunikationsnetzwerks bereit, das einen Phasenleiter über Abschnitte eines Energieverteilungssystems verwendet.
15 ist eine schematische Darstellung, die mehrere erfindungsgemäße Techniken zur Kopplung von Daten an einen Phasenleiter eines Energieverteilungssystems bei einer Umsetzung eines Datenkommunikationsnetzwerks 1500 zeigt.
Ein kapazitiver Koppler wird an Oberleitungen angeordnet, die durch einen HS-MS-Abwärtstransformator gespeist werden. Die sekundäre Impedanz des Transformators ist von der gleichen Größenordnung wie diejenige der Oberleitungen oder größer. Ein Abschlusskoppler, z.B. ein kapazitiver Koppler mit einem Dateneingang, kann hier verwendet werden, der sowohl (a) dazu verwendet wird, ein Modem an die Leitung zu koppeln, als auch (b), die Leitung mit einem Widerstand beendet, der annähernd gleich der charakteristischen Impedanz des Energieübertragungskabels ist (da eine Modem- oder Blindwiderstandsimpedanz durch seinen Transformator reflektiert wird). Folglich zeigt 15, dass das Energieverteilungssystem einen HS-MS-Abwärtstransformator 1502 einer Umspannstation umfasst. Ein kapazitiver Koppler 1535, d.h. ein Abschlusskoppler, wird in der Nähe einer sekundären Wicklung des Abwärtstransformators 1502 angeordnet. Eine Komponente, wie das Modem 1525, hat eine Impedanz, die, wenn sie durch den kapazitiven Koppler 1535 reflektiert wird, annähernd gleich einer charakteristischen Impedanz des Energieübertragungskabels ist.
Bei Systemen wie in Japan, wo es üblich ist, Untergrundkoaxialkabel mit sehr niedriger Impedanz über Längen von bis zu hunderten von Metern bis zum Anfang eines oberirdischen Stromnetzes zu betreiben, befindet sich der bevorzugte Ort für induktive Koppler auf der oberirdischen Seite des Untergrund-Oberirdischen-Übergangspunkts. Hier fungiert die niedrige Impedanz des Untergrundkabels als Kurzschluss am Ende der Oberleitung, und eine geschlossene Stromschleife wird gebildet. So umfasst das Energieverteilungssystem einen Übergang 1545 zwischen den Oberleitungskabeln 1515, 1516 und dem Untergrundkabel 1510, wobei das Untergrundkabel 1510 eine charakteristische Impedanz hat, die viel niedriger als die des oberirdischen Kabels 1515 ist. Einer oder mehrere induktive Koppler 1540, 1541 werden auf den Oberleitungskabel 1515, 1516 in der Nähe des Übergangs 1545 angeordnet.
Die Anordnung der induktiven Koppler 1540, 1541 auf dem dreiphasigen Oberleitungskabel 1515, 1516 kann symmetrisch erfolgen, wobei jedes Teil eines Kopplerpaars mit Strom entgegengesetzter Phase angetrieben wird. Ein derartiger Antrieb löscht die elektromagnetische Fernfeldstrahlung im Wesentlichen aus und vereinfacht die Übereinstimmung mit allen behördlichen Anforderungen. Demgemäß kann das Netzwerk 1500 ein Paar induktive Koppler 1540, 1541 derart umfassen, dass ein erster induktiver Koppler, z.B. 1540, des Paars einen ersten Strom im Phasenleiter, z.B. 1515, in einer ersten Richtung erzeugt und ein zweiter induktiver Koppler, z.B. 1541, des Paars einen zweiten Strom im zweiten Phasenleiter, z.B. 1516, in einer zum ersten Strom entgegengesetzten Richtung erzeugt.
Ersatzweise kann eine Einzelphase betrieben werden, wobei gleiche oder entgegengesetzte Strömen in den anderen Phasen in einem Abstand, der eine Wellenlänge von einem induktiven Koppler überschreitet, erzeugt werden, wobei wiederum ein großer Teil der Fernfeldstrahlung ausgelöscht wird. Zum Beispiel kann ein induktiver Koppler 1540 verwendet werden, und Induktionseffekte der Übertragungsleitung können nach einer Wellenlänge die Leitung abwärts auf dem Gleichgewicht der Ströme beruhen.
Die induktiven Koppler können auch an den Leitungen angeordnet werden, die einen Verteilungstransformator primärseitig speisen, da die primärseitige Transformatorimpedanz einiger Typen von Verteilungstransformatoren die gleiche Größenordnung haben kann, wie diejenige der Oberleitungen, und eine geschlossene Schleife gebildet wird. Da diese Schleife Ströme verhältnismäßig niedriger Netzfrequenz, üblicherweise im Bereich von 2–8 Ampere, überträgt, besteht wenig Neigung zur Kernsättigung, und die Kopplerkerne können mit einem kleinem oder ohne Luftspalt gebaut werden. Wie in 15 gezeigt, ist ein induktiver Koppler 1550 an einer Leitung angeordnet, die eine primäre Wicklung 1555 eines Verteilungstransformators des Energieverteilungssystems speist.
Da die Größe der Stromkreisimpedanz, die auf den induktiven Koppler 1550 einwirkt, bis zu mehreren hundert Ohm betragen kann und Modems 1560, die entlang der Übertragungsleitung an den induktiven Koppler 1550 angeschlossen sind, üblicherweise eine Impedanz von 50 Ohm haben, kann es zu einem erheblichen Impedanzunterschied kommen.
Wie in 15 gezeigt, kann das Energieverteilungssystem 1500 einen PLC-Kondensator und/oder einen Leistungsfaktorkorrekturkondensator, z.B. den Kondensator 1565, zwischen einem Phasenleiter, z.B. 1516, und Erde umfassen. Der Kondensator 1565 kann eine Impedanz haben, die niedriger als die des Energieübertragungskabels 1516 ist. PLC- und Leistungsfaktorkondensatoren können eine hohe RF-Impedanz haben, in welchem Fall sie HF-Signale nicht wesentlich stören, die über das Energieversorgungsnetz übertragen werden. Für Vorrichtungen mit einer RF-Impedanz, deren Größe die gleiche oder eine niedrigere Größenordnung hat wie die charakteristische Impedanz der Starkstromleitung, wie der Kondensator 1565, kann eine Reihendrossel 1570 in Reihe mit Kondensator 1565 eingesetzt werden. Die Reihendrossel 1570 kann einen bestehenden Leitungsdraht 1575 zum Kondensator 1565 umfassen, indem ein oder mehrere gespaltene Einschnapp-Magnetkerne über den Leitungsdraht 1575 angebracht werden.
Der Netzfrequenzstrom ist verhältnismäßig klein, so dass Kernsättigung kein Problem ist. Die Mikro-Henry-Größe dieser induktiven Drosselimpedanzen beeinflusst die Netzfrequenzfunktion des Kondensators nicht. Verlustreiche Kerne können ebenfalls verwendet werden, denn sie erhöhen einfach die Hochfrequenzimpedanz der Drossel und tragen zur Isolierung des Kondensators bei.
Die Wirkungen von Übertragungsleitungsreflexionen müssen in Betracht gezogen werden, da sie Echos erzeugen, die Fehler in den Datenstrom einführen können. Die Spreizspektrum-Modulation ist der wahrscheinlichste Kandidat für eine solche echobeladene Übertragung, weil sie gegenüber Schmalband-Frequenzabsorptionen und Schmalbandrauschen tolerant ist und emittierte elektromagnetische Strahlung auf Grund ihrer niedrigen Spektralenergiedichte minimiert. Bei Speizspektrum-Modems beeinflussen reflektierte Signale zwischen Paketen, die 6–10 dB oder mehr unterhalb der direkten Signalstärke sind, den Datenempfang nicht. Reflektierte Signale zwischen Paketen sind definiert als Reflexionen, die während des direkten Empfangs des Originalpakets eintreffen.
Impedanzstörungen auf den Starkstromleitungen können durch (a) Verteilungstransformatoren mit oder ohne Hinzufügung von induktiver Kopplerimpedanz, (b) Leitungsabschlüssen, die gewöhnlich so ausgelegt sind, dass sie recht gut mit der Leitungsimpedanz übereinstimmen, (c) T-Verzweigungen und (d) PLC- oder Leistungsfaktorkorrekturkondensatoren verursacht werden. Der Reflexionskoeffizient dieser Impedanzdiskontinuitäten übersteigt im Allgemeinen 0,5 nicht, und das reflektierte Signal unterliegt aus- und zurücklaufenden Verlusten der Leitungen an sich, d.h. Absorptionsverlust und Strahlungsverlust, so dass erwartet wird, dass die Amplitude reflektierter Signale um mehr als 6–10 dB schwächer ist als direkte Signale. Folglich erscheinen die reflektierten Signale, die während eines Datenpakets eintreffen, als Rauschen mit niedriger Amplitude und verhindern nicht, dass die erwarteten Datensignale korrekt empfangen werden.
Für Koppler, die an Einspeisungspunkten mit niedriger Impedanz in Leitungen mit hoher Impedanz angeordnet sind, so wie der Übergang 1545, sind der Verlust und Reflexionen auf Grund von Impedanzfehlabstimmung nicht wünschenswert. Da die sehr schweren Energiekabel nicht um den Kopplerkern gewickelt werden können, kann sekundärseitig nicht mehr als eine Wicklung und primärseitig nicht weniger als eine Wicklung vorhanden sein. Daher ist die reflektierte Impedanz auf den Starkstromleitungen je nach dem Wicklungsverhältnis gleich der Impedanz des Modems, ein Viertel davon oder weniger. Für Modems mit einer Abschlussimpedanz von 50 Ohm ist diese reflektierte Impedanz viel kleiner als ihre charakteristische Impedanz. Eine Lösung zur Verbesserung der Impedanzübereinstimmung ist es, Modems mit einer Ausgangsimpedanz von einigen Hundert Ohm zu bauen.
Eine andere Lösung ist es, ein Phase-Antiphase-Paar von Kopplern mit ihren Primärseiten parallel anzuschließen. Die Sekundärseiten (MS-Leitungen) sind unbedingt in Reihe anzuschließen. So wird eine Modemimpedanz von 50 Ohm durch das Phase-Antiphase-Paar von Kopplern in eine reflektierte Impedanz von 100 Ohm transformiert. Dieses Prinzip kann durch Verwendung mehrerer Koppler weitergeführt werden, deren Primärseiten parallel geschaltet sind, wobei ein Reihenanschluss der Transformator- (Koppler-) Wicklungen auf der Seite der Starkstromleitung und ein paralleler Anschluss der Modemseite erreicht wird.
Zum Beispiel zeigt 15 einen ersten induktiven Koppler 1540 und einen zweiten induktiven Koppler 1541. Der erste induktive Koppler induziert einen ersten Strom in einer ersten Richtung im Phasenleiter 1515 über eine erste Wicklung 1540A, und der zweite induktive Koppler 1541 induziert einen zweiten Strom in der entgegengesetzten Richtung im Phasenleiter 1516 über eine zweite Wicklung 1541A. Die erste Wicklung 1540A und die zweite Wicklung 1541A sind zueinander parallel. In 15 sind die erste Wicklung 1540A und die zweite Wicklung 1541A mit Punkten markiert, um diese Phasenbeziehung zu zeigen.
Der induktive Koppler am Oberleitungseinspeisungpunkt muss so ausgelegt sein, dass er den Wirkungen der gesamten Stromeinspeisung Stand hält, die mehrere hundert Ampere erreichen kann. Da auch eine Spule mit einer Windung, die einen solchen Strom überträgt, den Kern aus den derzeit erhältlichen magnetischen Materialien, die für den Hochfrequenzbetrieb geeignet sind, sättigt, muss dieser "Hauptleitungs"-Koppler im Allgemeinen einen Luftspalt in seinem Magnetkreis enthalten. Um eine ausreichende Magnetisierungsinduktanz zu erreichen, benötigen solche Koppler eine Mehrzahl an Kernen, die das Äquivalent zu einem Kern bilden, der in Richtung des Starkstromkabels sehr dick ist.
Die 16A–16C sind schematische Darstellungen, die mehrere Verwendungen von kapazitiven Kopplern in einem Kommunikationsnetzwerk darstellen, das über ein Energieverteilungssystem umgesetzt wird. Diese kapazitiven Koppler werden an Knoten im Netzwerk verwendet, an denen induktive Koppler möglicherweise nicht wirksam sind, z.B. an Punkten, an denen ein effektiver offener Stromkreis für RF-Strom vorhanden ist.
Ein kapazitiver Koppler 1020, wie er in den 10A und 10B verwendet wird, ist in 16A dargestellt und darin als kapazitiver Koppler 1600 gekennzeichnet. Der kapazitive Koppler 1600 sollte in der Lage sein, der durch den Phasenleiter und eine Reihe von BIL-Impulsen gelieferten Betriebsspannung, z.B. 125 kV bei einer Betriebsspannung von 15 kV, wie gemäß der IEEE-Spezifikation 386 kontinuierlich Stand zu halten. Der kapazitive Koppler 1600 sollte, wie gemäß der vorstehenden Spezifikation, auch derart konstruiert sein, dass er Koronazusammenbrüche beseitigt.
Der kapazitive Koppler 1600 ist an die MS-Leitungen über Hochspannungskondensatoren 1620, z.B. 10 nF, gekoppelt, deren Impedanz bei der niedrigsten relevanten Frequenz einen Bruchteil der charakteristischen Impedanz des Energieübertragungskabels beträgt. Gegebenenfalls kann der kapazitive Koppler 1600 eine Schutzsicherung 1625 in Reihe mit dem Kondensator 1620 umfassen, damit im Fall eines Kurzschlusses Versagen der Mittelspannungsleitung verhindert wird.
Ableitungswiderstände 1605 mit hohem spezifischem Widerstand sind parallel mit jedem Kondensator 1620 verbunden, damit sie diese entladen, wenn sie nicht an unter Spannung stehende Stromkreise angeschlossen sind. Geladene Kondensatoren wären für das Bedienungspersonal gefährlich. Um den Dateneingang 1630 weiter von den MS-Leitungen zu isolieren, wird ein Hochfrequenzisolationstransformator 1615, gegebenenfalls mit einem Nicht-Einheitswindungsverhältnis, zur Impedanztransformation verwendet.
Um die Vorrichtungen, die an den Dateneingang 1630 angeschlossen sind, zu schützen, kann ein Überspannungsschutz 1632, wie ein Metalloxidvaristor (MOV), über die Anschlüsse des Dateneingangs 1630 angeschlossen werden, so dass die Amplitude von Impulsen beschränkt wird, die anderenfalls von den MS-Leitungen mit den Vorrichtungen gekoppelt werden könnten.
Bevorzugt wird in dem Netzwerk, in dem der Kondensator installiert ist, ein Anschluss des kapazitiven Kondensators 1600 an eine Mittelspannungsphasenleitung angeschlossen und der andere Anschluss an eine neutrale (für einphasige Leitungen) oder an eine zweite Phasenleitung (für mehrphasige Leitungen) gekoppelt.
Wenn der kapazitive Koppler 1600 dazu verwendet wird, ein unbenutztes Ende der Übertragungsleitung abzuschließen, kann er zusammen mit einem Abschlusswiderstand 1635 verwendet werden, der an den Dateneingang 1630 angeschlossen wird, so dass er an die charakteristische Impedanz des Energieübertragungskabels angeglichen wird.
16B veranschaulicht die Verwendung des kapazitiven Kopplers 1600 zur Kopplung eines Modems an ein unbenutztes Ende einer Energieübertragungsleitung. Das Modem 1636 ist an den Dateneingang 1630 angeschlossen.
16C ist eine schematische Darstellung einer Anordnung der kapazitiven Koppler, um die Kontinuität eines Datensignals über einen Netztrennschalter aufrechtzuerhalten. 16C zeigt ein Energieverteilungssystem, das einen Phasenleiter mit einem ersten Abschnitt 1601 auf einer ersten Seite eines Schalters 1602 und einem zweiten Abschnitt 1603 auf einer zweiten Seite des Schalters 1602 besitzt. Ein erster kapazitiver Koppler 1650 koppelt ein Datensignal über den ersten Abschnitt 1601 und hat einen Dateneingang 1635 für die weitere Kopplung des Datensignals. Ein zweiter kapazitiver Koppler 1660 hat einen Dateneingang 1665, der an den Dateneingang 1635 des ersten kapazitiven Kopplers 1650 gekoppelt ist, und koppelt das Datensignal über den zweiten Abschnitt 1603. So wird eine Übertragung des Datensignals zwischen dem erstem Abschnitt 1601 und dem zweiten Abschnitt 1603 aufrechterhalten, wenn der Schalter 1602 geöffnet ist.
Die vorliegende Erfindung setzt eine Vielfalt von Netzwerkprotokollen ein, um den physikalischen Bereich zu erweitern und die Zuverlässigkeit zu verbessern. Nach dem Durchlaufen von induktiven Kopplern und dem Zusammentreffen mit Impedanzfehlabstimmungen, T-Verzweigungen und Strahlungsverlusten kann die Amplitude des für den Empfänger des Modems zur Verfügung stehenden Signals sehr schwach werden. Ob diese Schwäche nun auf das interne Rauschen eines Modems oder elektrisches Rauschen der Umgebung auf den Mittelspannungsleitungen zurückzuführen ist, gibt es einen physikalischen Punkt, unterhalb dessen das Signal nicht mehr nachgewiesen und nicht mehr in Daten mit einer akzeptabel niedrigen Fehlerrate demoduliert werden kann.
Bidirektionale Modems können hinzugefügt werden, um das Signal wiederherzustellen und zu verstärken, wenn ebenfalls Hochimpedanzdrosseln verwendet werden, um das Mittelspannungsnetz in unabhängige Abschnitte zu isolieren.
Das Datenkommunikationsnetzwerk kann Kommunikationsprotokolle einsetzen, die das Leiten von Daten-Token von Knoten zu Knoten umfassen. An jedem Knoten wird der Token, der Signalgebung oder Kontrolle bereitstellt oder ein Datenpaket als Nutzdaten umfasst, gespeichert, ausgewertet und entweder zum lokalen Datennutzer des Modems oder andernfalls zum nächsten Knoten im Netzwerk weitergeleitet. Die Zeit, die zum Speichern, Auswerten und Rückübertragen eines Token erforderlich ist, verringert die effektive Datenübertragungsgeschwindigkeit eines solchen Netzwerks beträchtlich, wenn jeder Knoten immer online ist.
Erfindungsgemäß sind nur gewisse Knoten derart programmiert, dass sie zu jedem gegebenen Zeitpunkt aktiv sind, und zwar der Knoten, an den der Token adressiert ist, sowie eine minimale festgelegte Untergruppe von Knoten, die entlang des Netzwerks verteilt sind und erforderlich sind, um eine minimale Signalamplitude an allen Punkten des Netzwerks aufrecht zu erhalten. Wenn diese Untergruppe von Knoten aktiv ist, erhält man eine vorteilhafte Balance zwischen Zeitverzögerung und reduzierter Netzdatenübertragungsgeschwindigkeit und einem erweiterten physikalischen Bereich und einer verbesserten Fehlerrate.
Die Bestimmung der Identität der ständig aktiven Knotenpunkte kann durch manuelle Messung, der Abschwächung zwischen allen Knoten des Mittelspannungsnetzes erreicht werden. Bevorzugt sind die Modems mit Stromkreisen ausgestattet, die die Spannungsamplitude und/oder das Signal/Rauschen-Verhältnis messen und über eine Netzwerkmedienzugriffssteuerebene abgefragt werden. Die Knoten sollten auch so programmiert werden, dass sie einen Befehl, der sie in einem ständig aktiven Weiterleitungsmodus hält, sogar für Token oder Pakete akzeptieren, die nicht an sie adressiert sind.
Es kann dann ein Algorithmus durchgeführt werden, der bestimmt, welche Knoten als ständig aktiv eingestellt werden sollen, und einen Strom von Befehlen an alle Knoten ausgibt, um die geeigneten Knoten als ständig aktiv einzustellen. Der Algorithmus wird jedes Mal durchgeführt, wenn die Konfiguration des Mittelspannungsnetzes verändert wird, aber dies ist ein verhältnismäßig seltenes Ereignis.
Nah beieinander liegende Knoten erfahren eine Datenübertragungsgeschwindigkeit, die gleich der maximalen Netzwerkgeschwindigkeit ist, während weiter entfernte Knoten immer noch durch zuverlässige Zustellung mit niedriger Fehlerrate, wenn auch mit niedrigerer Datenübertragungsgeschwindigkeit bedient werden. Im Prinzip wird beansprucht, dass die beschriebene Anordnung alle Entfernungsbeschränkungen aus Mittelspannungskommunikationen entfernt.
Die von dem ausgewählten Leiter und seine Nachbarn gebildete Übertragungsleitung ist schon an sich ein Medium mit großer Bandbreite, niedrigen Verlusten und geringer Streuung. Bei Oberleitungen erfolgen Verluste auf Grund von Skin-Effekt und Strahlung, wobei die Letztere verhältnismäßig unwirksam ist, da die Leitungen bei den meisten Frequenzen nicht resonierend sind. Bei Untergrundleitungen erfolgen Verluste auf Grund von Skin-Effekt und der Verlustneigung der Isolierung, z.B. der äußeren Schicht aus Kunststoff und der inneren Schicht aus Halbleiter-Material.
Die vorliegende Erfindung erzeugt eine niedrige elektromagnetische Emission und hat eine niedrige Empfindlichkeit gegenüber externem Rauschen, insbesondere wenn sie mit Spreizspektrum-Techniken verwendet wird. Die Energiestärken können aufgrund des niedrigen Kabel-zu-Koppler-Verlusts ebenfalls niedrig gehalten werden. Die Empfindlichkeit gegenüber externen Rauschquellen ist proportional zur Strahlung, wobei auf Grund des Reziprozitätsprinzips die Modi mit der niedrigsten elektromagnetischen Interferenz (EMI) auch diejenigen sind, die gegenüber dem Empfang von externem Rauschen am widerstandsfähigsten sind.
Für den einseitig geerdeten Modus (siehe 2A) wirken die zwei Nachbarn des ausgewählten Leiters sowohl für den elektrischen als auch den Magnetstrahlungsmodus in Antiphase zum Zentralleiter. Ein Beobachter in einiger Entfernung würde eine erhebliche Auslöschung von Feldern sehen.
Bei symmetrischen Modi käme es sowohl zu Fernfeldauslöschung als auch zu einer Abschirmbeeinträchtigung der geerdeten Nachbarn. Beim Transformatorabschluss (siehe 2B) wäre der Kopplungsverlust am niedrigsten und die Betriebsspannungsstärken könnten verhältnismäßig niedrig gehalten werden, womit sich die niedrigsten EMI-Niveaus ergäben. Beim Drosselabschluss wären die Betriebsspannungsstärken etwas höher.
Wenn die Modems als Leistungsverstärker fungieren, können die Betriebsspannungsniveaus auf ein Minimum beschränkt werden, das für einen einzelnen Abschnitt erforderlich ist, wobei die Strahlung weiter reduziert wird.
Ein erfindungsgemäßes Datenkommunikationsnetzwerk bietet eine Kapazität für sehr hohe Datenübertragungsgeschwindigkeiten, z.B. von mehr als 10 Mbps. Die Koppler sind sämtlich magnetische und elektrostatische Vorrichtungen mit Bandbreiten, die mindestens mehrere zehn Megahertz erreichen können, wenn magnetische und dielektrische Hochfrequenzmaterialien verwendet werden. Übertragungsleitungen, die nicht zu verlustreich sind und eine minimale Streuung aufweisen, können Frequenzen übertragen, die 20 MHz übersteigen. Solche Frequenzen können für Modems, die verschiedene Modulationsschemata verwenden, und sogar bei einem bit pro Hertz eingesetzt werden, was hohe Datenübertragungsgeschwindigkeiten ergeben würde.
Auch Grundbandbreiten-Signalgebung kann eingesetzt werden, wenn die Datenkodierung lange Abfolgen von Nur-1 und Nur-0 beseitigt. Mit Verbindungen zwischen den Abschnitten, die eine Wiederherstellung (Leistungsverstärker) umfassen, wäre die Bandbreite viel größer, als sie durch passive Verbindung der Abschnitte erreichbar ist.
Die erfindungsgemäßen Koppler können mit wenig oder gar keiner Unterbrechung der Energieversorgung der Kunden installiert werden. Die Installation kann auch ohne Aussetzen gegenüber hohen Spannungen durchgeführt werden. Werden behandschuhter Leitungsmonteure eingesetzt, können die Behörden das Anbringen eines induktiven Kopplers um ein Kabel gestatten, während das Kabel in Betrieb ist. Sogar wenn die Behörden darauf bestehen, dass Arbeiter nicht an unter Spannung stehenden Kabeln arbeiten, gestattet die Schleifenstruktur des Mittelspannungsnetzes in den Wohngebieten das Abklemmen eines einzigen Kabelabschnitts, ohne die Stromversorgung an die Kunden zu unterbrechen. Für die verhältnismäßig wenigen kapazitiven Koppler könnte eine einzige kurze Stromabschaltung benötigt werden.
Die vorliegende Erfindung erlaubt einen ununterbrochenen Betrieb eines Datenkommunikationsnetzwerks auch während einer Stromabschaltung. Der Betrieb dauert sogar während Unterbrechungen der Mittelspannungsenergie an.
Die vorliegende Erfindung hat wenig oder keinen Einfluss auf die Zuverlässigkeit des elektrischen Netzes. Die induktiven Koppler haben keine Störungsmodi, die den Energiefluss beeinträchtigen. Die wenigen kapazitiven Koppler mit ihren Sicherungen verursachen ebenfalls keine Leitungsstörung.
Bei den Ausführungsformen der 2A und 2B würde das Bewickeln des Kopplers mit einem dickeren Draht dessen Ausfall in Folge von Überstrom ausschließen, und die Verwendung von Verbindungen von industriellem Standard zwischen dem ausgewählten Neutralleiter und dem Koppler sollte Verbindungsstörungen minimieren. Träte ein offener Kreis auf, hinterließe er (N – 1)/N oder in dem erläuterten Fall 87,5% der Stromführungskapazität intakt. Da das Kabel gewöhnlich weit unter seiner Kapazität von 200 A betrieben wird, sollte eine derartige Störung keine Wirkung haben.
Ein Kurzschluss des Kopplers beeinflusst Datenkommunikationen, aber dies würde nur den Neutralleiter auf seinen Ausgangszustand zurücksetzen. Folglich wird das Energieversorgungsnetz nicht nachteilig beeinflusst.
Ein Kurzschluss des Neutralleiters oder eines anderen Teils des Kopplers zur Erde hätte keinen Einfluss auf die MS-Leitung, da ihr Neutralleiter nahebei an den Erdungsstab angeschlossen ist. Eine Störung des Magnetkreises, offen, Kurzschluss oder Sättigung, hätte keinen Einfluss auf die Versorgung mit elektrischer Energie oder die Sicherheit des Systems.
Die Koppler verwenden nur passive Komponenten, was eine praktisch unbeschränkte Lebensdauer beinhaltet. Der induktive Koppler kann jeder geeignete Transformator oder Induktor sein.
Bei der passiven Umsetzung verwenden die induktiven Koppler nur passive Komponenten, z.B. Drähte, die um Magnetkerne gewickelt sind, und diese haben keine Verschleißmechanismen. Die kapazitiven Koppler haben ebenfalls keine Verschleißmechanismen.
Die passive Bauweise und die Einfachheit der Installation der induktiven Koppler stellen eine kostengünstige Lösung für das Problem der Kopplung an Mittelspannungsenergieverteilungsleitungen und deren Nutzung als Backhaul-Datenkanäle bereit. Die Installationsdauer sollte weniger als 15 Minuten für den hauptsächlichen induktiven Koppler betragen und die Installationskosten minimal sein.
Ausführungsformen, die Neutralleiter verwenden, haben einen klaren Vorteil gegenüber kapazitiven Überbrückungskopplern, die die Mittelspannungsleiter zum Übertragen von Daten einsetzen. Die Letzteren treten mindestens einmal an jedem Transformator mit der Mittelspannungsleitung in Kontakt und müssen den vollen Störungsspannungen Stand halten. Zum Beispiel muss ein Koppler für ein 15 kV rms Phase-Erde-Kabel auf 125 kV BIL getestet werden. Das macht den kapazitiven Koppler sehr sperrig und teuer und fügt dem System sehr viele potenzielle Fehlerpunkte hinzu.
Es sollte verständlich sein, dass verschiedene Alternativen und Modifikationen vom Fachmann erdacht werden können. Die vorliegende Erfindung soll alle derartigen Alternativen, Modifikationen und Varianten umfassen, die unter den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche fallen.

Claims

Vorrichtung zur Ermöglichung von Kommunikation eines Datensignals über ein Energieübertragungskabel (300; 500) mit einem ersten Mittelleiter (410; 602) und einem zweiten Mittelleiter (420; 602), umfassend: einen Magnetkern (400; 400A; 400B; 605; 620) zum Anbringen um den ersten und den zweiten Mittelleiter; und eine Wicklung (425; 608), die um einen Teil des Magnetkerns (400; 400A; 400B; 605; 620) gewickelt ist; wobei das Datensignal zwischen dem ersten Mittelleiter (410; 602) und einem Dateneingang sowie zwischen dem zweiten Mittelleiter (420; 602) und dem Dateneingang über den Magnetkern (400; 400A; 400B; 605; 620) und die Wicklung (425; 608) induktiv gekoppelt ist; und wobei das Datensignal über den ersten und den zweiten Mittelleiter differenziell übertragen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Magnetkern (400; 400A; 400B; 605; 620) einen ersten Strom in dem ersten Mittelleiter (410; 602) in einer ersten Richtung induziert und einen zweiten Strom in dem zweiten Mittelleiter (420; 602) in einer zweiten Richtung induziert, die der ersten Richtung entgegengesetzt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Magnetkern (400; 400A; 400B) topographisch als Figur "8" ohne Kontakt am Überkreuzungspunkt der "8" konfiguriert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Magnetkern (400) einen ersten Bereich neben dem ersten Mittelleiter (410) und einen zweiten Bereich neben dem zweiten Mittelleiter (420) umfasst, wobei der erste Bereich eine erste Schleife (405) der Figur "8" umfasst, wobei der erste Leiter (410) durch die erste Schleife (405) geführt wird, wobei der zweite Bereich eine zweite Schleife (415) der Figur "8" umfasst und wobei der zweite Leiter (420) durch die zweite Schleife (415) geführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Magnetkern (400A, 400B) einen ersten Bereich neben dem ersten Mittelleiter (410) und einen zweiten Bereich neben dem zweiten Mittelleiter (420) umfasst, wobei der erste Bereich einen ersten Spalt (430) in einer ersten Schleife (405) der Figur "8" umfasst, wobei der erste Leiter (410) durch den ersten Spalt (430) geführt wird, wobei der zweite Bereich einen zweiten Spalt (435) in einer zweiten Schleife (415) der Figur "8" umfasst und wobei der zweite Leiter (420) durch den zweiten Spalt (435) geführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Mittelleiter (410) und der zweite Mittelleiter (420) im Wesentlichen parallel zueinander in dem Energieübertragungskabel sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Mittelleiter (410) in einer ersten Richtung durch den Magnetkern (400; 400A; 400B) geführt und an eine geerdete Mittelanzapfung angeschlossen wird und wobei der zweite Mittelleiter (410) in einer zweiten Richtung durch den Magnetkern (400; 400A; 400B) geführt und an die geerdete Mittelanzapfung angeschlossen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Energieübertragungskabel (300) eine Mehrzahl Neutralleiter (330) besitzt, die im Wesentlichen parallel zueinander sind, wobei Einzelne einer ersten Untergruppe (330A) der Mehrzahl Neutralleiter (330) mit Einzelnen einer zweiten Untergruppe (330B) der Mehrzahl Neutralleiter (330) abwechseln, wobei der erste Mittelleiter von der ersten Untergruppe (330A) der Mehrzahl Neutralleiter (330) umfasst wird und wobei der zweiten Mittelleiter von der zweiten Untergruppe (330B) der Mehrzahl Neutralleiter (330) umfasst wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner umfasst: eine um einen Teil des Energieübertragungskabels (500) herum angeordnete Magnetspule (502), wobei der erste Mittelleiter und der zweite Mittelleiter an ein gemeinsames Abschlusselement stromabwärts der Magnetspule (502) angeschlossen sind und wobei der Magnetkern um den ersten und den zweiten Neutralleiter herum stromaufwärts der Magnetspule angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Magnetkern einen offenen Magnetkern (605) umfasst mit: einem ersten Schenkel (606), der nahe bei und senkrecht zu dem ersten Mittelleiter (602) angeordnet ist; einem zweiten Schenkel (607), der nahe bei und senkrecht zu dem zweiten Mittelleiter (602) angeordnet ist; und einem dritten Schenkel (610), der sich zwischen dem ersten Schenkel (605) und dem zweiten Schenkel (607) befindet, um den die Wicklung (608) gewickelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Magnetkern einen ersten Magnetspulenkern (620, 6C) mit einem Spalt (627), durch die der erste Mittelleiter (602) geführt wird, und einen zweiten Magnetspulenkern (620) mit einem Spalt (627) umfasst, durch die der zweite Mittelleiter (602) geführt wird, und wobei die Wicklung (630) um einen Teil des ersten Magnetspulenkerns (620) und einen Teil des zweiten Magnetspulenkerns (620) gewickelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner umfasst: ein erstes Modem (1202, 12) mit einem ersten, an den Dateneingang gekoppelten Eingang (1225) und einem zweiten Eingang (1210) für die weitere Kopplung des Datensignals; und ein zweites Modem (1205) mit einem ersten, an den zweiten Eingang (1210) des ersten Modems (1202) gekoppelten Eingang (1230) und einem zweiten Eingang (1235) für die weitere Kopplung des Datensignals.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei das erste Modem (1202) und das zweite Modem (1205) in Wechselkopplung konfiguriert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 12, die ferner einen Datenrouter (1220) umfasst, der zwischen das erste Modem (1202) und das zweite Modem (1205) geschaltet ist.
Verfahren zur Ermöglichung von Kommunikation eines Datensignals über ein Energieübertragungskabel mit einem ersten Mittelleiter (410; 602) und einem zweiten Mittelleiter (420; 602), wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Anordnen eines Magnetkerns (400; 400A; 400B; 605; 620) um den ersten und den zweiten Mittelleiter; und Winden einer Wicklung (425; 608) um einen Teil des Magnetkerns (400; 400A; 400B; 605; 620), wobei das Datensignal zwischen dem ersten Mittelleiter (410; 602) und einem Dateneingang sowie zwischen dem zweiten Mittelleiter (420; 602) und dem Dateneingang über den Magnetkern (400; 400A; 400B; 605; 620) und die Wicklung (425; 608) induktiv gekoppelt ist und wobei das Datensignal durch den ersten und den zweiten Mittelleiter differenziell geleitet wird.