Индуктивный соединитель для связи по силовой линии

011663 Предпосылки для создания настоящего изобретения Область техники, к которой относится настоящее изобретение Настоящее изобретение относится к передаче сигнала данных по системе распределения электроснабжения. Более конкретно, настоящее изобретение относится к использованию индуктивного соединителя для соединения сигнала данных посредством провода в силовом кабеле передачи электроэнергии. Описание предшествующего уровня техники В связи по линиям электросети соединитель данных соединяет сигнал данных между линией сети электропитания и устройством связи, например модемом. Радиочастотно модулированные сигналы данных могут быть соединены с каналом передачи данных и сетями распределения низкого напряжения и передавать данные по каналу передачи данных и сетям распределения низкого напряжения. Примером такого соединителя данных является индуктивный соединитель. Индуктивный соединитель линий электросети в основном представляет собой трансформатор, первичная обмотка которого соединена с линией электроснабжения, а вторичная обмотка которого соединена с устройством связи,например модемом. Примеры индуктивных соединителей и их использования описаны в патенте США 6452482, в заявке на патент США 10/429169 и патентной заявке США 10/688154, каждая из которых принадлежит правопреемнику настоящей заявки, а описание включено в эту заявку в качестве ссылки. Индуктивные соединители обеспечивают получение последовательного соединения, которое способно к возбуждению сигналов связи по линиям электросети с частотами от менее 4 до более 40 МГц по воздушным и подземным силовым кабелям. К сожалению, в большинстве случаев, провода линий электроснабжения не могут прерываться. Это ограничивает до одновитковой обмотки первичную обмотку,проходящую через индуктивный соединитель. Если импеданс линии электроснабжения выше импеданса модема, то согласование импеданса в соединителе данных является трудным, поскольку, хотя первичная обмотка ограничена одним витком, вторичная обмотка не может иметь менее одного витка. Магнитные контуры, включающие в себя индуктивные соединители, обеспечивают нелинейные характеристики, например нелинейность кривой зависимости плотности магнитного потока контура от прикладываемой напряженности магнитного поля (В-Н). Эта нелинейность в связи с магнитодвижущей силой, поднимающейся от нуля до максимального значения, дважды в каждом цикле частоты сети переменного тока, вызывает искажение. Искажение включает в себя амплитудную модуляцию передаваемых и принимаемых сигналов. При некотором пороговом уровне этого искажения модем или другое устройство связи начнет страдать от ошибок в данных. В соответствии с этим имеется необходимость в индуктивном соединителе и соответствующем контуре, который улучшает согласование импеданса между линией электроснабжения и устройством связи или модемом. Имеется дополнительная потребность в индуктивном соединителе, который уменьшает искажения передаваемых и принимаемых сигналов. Аппарат и способ, соответствующие настоящему изобретению, обеспечивают последовательное соединение сигнала данных через посредство провода и контура на силовом кабеле передачи электроэнергии, что увеличивает согласование импеданса и уменьшает искажение сигналов. Сущность настоящего изобретения Объектом настоящего изобретения является обеспечение получения усовершенствованного соединителя для соединения сигнала данных с проводом силового кабеля передачи электроэнергии. Другим объектом настоящего изобретения является обеспечение получения такого соединителя,который был бы недорогим и имел способность высокой скорости передачи данных. Дополнительным объектом настоящего изобретения является обеспечение такого соединителя, который бы мог быть установлен без перерыва обслуживания потребителей электроэнергии. Эти и другие объекты настоящего изобретения достигнуты с помощью способа конфигурирования компонентов для связи по линиям электросети, предусматривающего установку индуктивного соединителя, который использует провод линии электросети в качестве первичной обмотки; соединение устройства связи с вторичной обмоткой индуктивного соединителя; и соединение трансформатора радиочастотного сигнала между вторичной обмоткой и устройством связи, в котором коэффициент трансформации по соотношению витков трансформатора радиочастотного сигнала составляет 2:1. В дополнительном варианте осуществления обеспечивается компоновка компонентов для соединения данных между линией электросети и устройством связи. Компоновка содержит индуктивный соединитель, который использует провод линии электросети в качестве первичной обмотки и трансформатор радиочастотного сигнала для соединения устройства связи с вторичной обмоткой индуктивного соединителя. Трансформатор радиочастотного сигнала имеет коэффициент трансформации по соотношению витков, составляющий 2:1. В другом варианте осуществления обеспечивается получение индуктивного соединителя для соединения сигнала данных между устройством связи и линией электросети, содержащего магнитный сердечник, имеющий апертуру, образованную первой секцией и второй секцией; и вторичную цепь, имеющую обмотку, проходящую через апертуру в качестве вторичной обмотки, соединенной с устройством связи. Апертура обеспечивает возможность линии электросети проходить через нее в качестве первичной-1 011663 обмотки и индуктивный соединитель имеет индуктивность первичной обмотки, составляющую приблизительно 1,5-2,5 мкГ. В еще одном варианте осуществления обеспечивается получение индуктивного соединителя для соединения сигнала данных между устройством связи и линией электросети. Индуктивный соединитель содержит разъемный магнитный сердечник, имеющий апертуру, образованную первой секцией и второй секцией; и вторичную цепь, имеющую обмотку, проходящую через апертуру в качестве вторичной обмотки, соединенной с устройством связи. Первая и вторая секции образуют зазор между ними, а апертура обеспечивает возможность прохода линии электросети через нее в качестве первичной обмотки. В еще одном дополнительном варианте осуществления обеспечивается получение индуктивного соединителя для соединения сигнала данных между устройством связи и линией электросети, содержащего первичную обмотку, которая использует линию электросети и вторичную цепь, имеющую вторичную обмотку, соединенную с устройством связи. Индуктивный соединитель имеет потери в тракте передачи менее приблизительно 10 дБ. Апертура магнитного сердечника может иметь диаметр, составляющий приблизительно 1,5 дюйма. Магнитный сердечник имеет радиальную толщину, которая может быть меньше диаметра апертуры. Зазоры в магнитном сердечнике могут составлять приблизительно 30 мил (0,76 мм). Магнитный сердечник может иметь массу менее приблизительно 10 фунтов. Магнитный сердечник может быть получен из нанокристаллического магнитного материала. Краткое описание чертежей Фиг. 1 - иллюстрация компоновки линии электроснабжения и индуктивного соединителя для передачи данных в соответствии с настоящим изобретением; фиг. 2 - схематическое представление компоновки передачи данных, иллюстрируемой на фиг. 1 с контуром согласования импеданса для индуктивного соединителя; фиг. 3 - изометрическое изображение индуктивного соединителя, имеющего магнитный сердечник,первичную обмотку и вторичную обмотку; фиг. 4 - поперечное сечение индуктивного соединителя, иллюстрируемого на фиг. 3; и фиг. 5 - иллюстрация кривой зависимости плотности потока магнитной индукции от прикладываемой напряженности магнитного поля (В-Н), показывающей нелинейность типового ферритного материала. Подробное описание настоящего изобретения Для двунаправленной передачи цифровых данных, называемой ВЧ-связью по линиям электросети или широкополосному каналу связи по линиям электроснабжения, могут быть использованы надземные и подземные линии передачи электроэнергии. Такие линии передачи электроэнергии покрывают путь между трансформаторной подстанцией, компании-производителя электроэнергии и одним или более трансформаторами распределения электроэнергии среднего напряжения-низкого напряжения, размещенных по соседству. Трансформаторы распределения электроэнергии среднего-низкого напряжения ступенчато понижают электроэнергию среднего напряжения до низкого напряжения, которое затем подается в жилые дома и фирмы. Настоящее изобретение относится к использованию соединителей в энергетической системе среднего напряжения. Соединитель предназначен для предоставления возможности связи сигнала данных посредством силового кабеля передачи электроэнергии. Он имеет первую обмотку для соединения сигнала данных посредством провода силового кабеля передачи электроэнергии и вторую обмотку, индуктивно соединенную с первой обмоткой, для соединения сигнала данных посредством порта данных. На фиг. 1 приведена иллюстрация компоновки линии электросети, используемой для передачи данных. Линия или кабель 200 электросети имеет индуктивный соединитель 220, расположенный на ней. Линия сети 200 служит в качестве первой обмотки 225 соединителя 220. Вторая обмотка 235 соединителя 220 соединена с портом 255, через который передаются и принимаются данные. Таким образом,кабель 200 предназначен для использования в качестве линии высокочастотной передачи, которая может быть соединена с аппаратурой связи, например, модемом (не показан) посредством соединителя 220. Соединитель 220 является радиочастотным трансформатором. Импеданс первичной, то есть первой обмотки 225, такого трансформатора является незначительным при частотах, используемых для передачи электроэнергии. На фиг. 2 иллюстрируется кабель 200 и соединитель 220, как описано выше со ссылкой на фиг. 1, с подобными элементами указанными аналогичными ссылочными номерами. Также показан второй силовой провод 260, представляющий второй первичный провод другой фазы или представляющий нейтральный провод. Если кабели 200 и 260 являются надземными линиями, то характеристический импеданс Z0 надземных линий для разных сигналов имеет значение порядка по меньшей мере 100 Ом. Первичная обмотка 225 "видит" этот импеданс дважды, то есть по одному на каждом конце соединителя 220,для всего импеданса, по меньшей мере, порядка 200 Ом. Модем 375 имеет импеданс, как правило, порядка приблизительно 50 Ом. Согласование импеданса,благодаря использованию подходящего коэффициента трансформации по соотношению витков в соединителе 220, не может быть реализовано, если кабель 200 оставлен незатронутым. Таким образом, в этих-2 011663 случаях коэффициент трансформации по соотношению витков в соединителе 220 составляет 1:1 только с одним витком, используемым для первичной и вторичной обмоток. Это означает, что импеданс, видимый из вторичной обмотки, номинально подобен импедансу, видимому вторичной обмоткой, то есть порядка 200 Ом. Для улучшения согласования импеданса для связи по линиям электросети при использовании модема 375, имеющего характеристический импеданс, описанный выше, трансформатор 300 радиочастотного сигнала соединяют между вторичной обмоткой 235 соединителя 220 и модемом. Радиочастотный трансформатор 300 имеет первичную обмотку 325 и вторичную обмотку 335. На основе характеристик импеданса, описанных выше для линии 200 электроснабжения и модема 375, коэффициент трансформации по соотношению витков для трансформатора 300 радиочастотного сигнала должен составлять 2:1. На фиг. 3 и 4 иллюстрируется индуктивный соединитель 400, который используется, как описано выше со ссылкой на соединитель 220, иллюстрируемый на фиг. 1 и 2. Соединитель 400 имеет магнитный сердечник 500, содержащий базовые наборы 565 и 566. Полимерный материал упаковки, то есть полимерные слои 570 и 571, могут быть использованы для соединения базовых наборов 565 и 566 вместе. Магнитный сердечник 500 включает в себя апертуру 520. Фазовая линия 200 проходит через верхнюю секцию 521 апертуры 520. Вторичная обмотка 510 и вторичная изоляция 575 проходят через нижнюю секцию 522 апертуры 520. Таким образом, магнитный сердечник 500 является композитным разъемным сердечником, который может быть использован в индуктивном соединителе и обеспечивает возможность размещения индуктивного соединителя 400 поверх линии электроснабжения под током, например фазовой линии 200 под током. Апертура 520 предпочтительно является удлиненной или овальной для того, чтобы вмещать фазовую линию 200, которая может быть большого диаметра, и вторичную изоляцию 575, которая может быть толстым слоем изоляции. Например, такая удлиненная или овальная форма может быть выполнена путем конфигурирования разъемного сердечника 500 с первой секцией и второй секцией, то есть с верхним сердечником 525 и нижним сердечником 530, которые имеют подковообразную форму для придания магнитному сердечнику 500 формы беговой дорожки, таким образом вмещающими фазовую линию 200,являющуюся большой, и вторичную изоляцию 575, являющуюся толстой. Верхний и нижний сердечники 525 и 530, являются магнитными и имеют высокую диэлектрическую проницаемость. Верхний и нижний сердечники 525 и 530 действуют как проводники для высокого напряжения, поскольку падение напряжения обратно пропорционально емкости, а емкость пропорциональна диэлектрической проницаемости. Верхний сердечник 525 находится в контактном взаимодействии с фазовой линией 200. Таким образом, верхний сердечник 525 возбужден для избежания интенсивных электрических полей вблизи фазовой линии 200, которая также устраняет локальные разряды через воздух. Верхний и нижний сердечники 525 и 530 могут быть факультативно размещены в электрическом контактном взаимодействии друг с другом, чтобы устранять разности потенциалов между ними. Если такая разность потенциалов достаточно велика, то это может вызвать разряд через воздушный зазор 535 между ними, генерируя электрические помехи, которые могут интерферировать с работой соединителя, и может генерировать интерференцию с радиоприемниками в окрестности. Верхний и нижний сердечники 525 и 530 факультативно могут быть покрыты полупроводящим слоем, который дополнительно уменьшит электрические поля сердечников, препятствуя, таким образом, разряду. Во время приема сигнала данных импеданс катушки индуктивности первичной обмотки соединителя 400 шунтируется сигналом. Для препятствования прохождения большей части потока сигналов через катушку индуктивности соединителя 400 и невозможности достижения модема при приеме сигнала, импеданс первичной обмотки соединителя не должен быть намного меньше радиочастотного характеристического импеданса линии 200 электросети. Аналогичным образом, во время передачи сигнала большая часть передаваемого тока будет проходить через катушку индуктивности соединителя 400, а не через линию 200 электросети, если импеданс первичной обмотки соединителя будет намного меньше радиочастотного характеристического импеданса линии электросети. Величина радиочастотного импеданса первичной обмотки соединителя 400 может быть приблизительно определена какZ2fLp где f - частота в МГц, а Lp - первичная индуктивность в мкГ. В этом приближении не учитываются потери через соединитель 400. При приближении коэффициента k магнитного взаимодействия к единице,импеданс первичной обмотки и импеданс катушки индуктивности почти равны. Для минимизации влияний первичной индуктивности Lp соединителя 400 на прием и передачу данных величина импеданса Z первичной обмотки должна быть значительной частью характеристического импеданса линии 200 электросети. Однако поскольку линия 200 электросети должна быть оставлена незатронутой и, таким образом, ограниченной одним витком, коэффициент трансформации по соотношению витков соединителя 400 не может быть использован для достижения этой минимизации. Требуемая первичная индуктивность может быть получена путем манипуляции магнитным сердечником 500. Верхний и нижний магнитные сердечники 525 и 530, соответственно, должны обеспечивать-3 011663 магнитный контур с достаточно низким магнитным сопротивлением. Магнитное сопротивление верхнего и нижнего магнитных сердечников 525 и 530 пропорционально длине l линии магнитной индукции (magnetic path) (средней длине окружности сердечников) и обратно пропорционально площади А поперечного сечения и проницаемостиLА/l,где площадь поперечного сечения А является произведением радиальной толщины Y (показанной на фиг. 4) магнитного сердечника 500 и его продольным размером X (показанным на фиг. 3). Безусловно,вследствие производственных ограничений радиальная толщина Y и продольный размер X магнитного сердечника 500 не безграничны. Нижняя граница длины l линии магнитной индукции ограничена, по меньшей мере, диаметром наибольшего провода, который вмещает соединитель 400, а также толщиной изоляции 575 вокруг вторичной обмотки 510. Для типовых проводов среднего напряжения внутренний диаметр Dinner магнитного сердечника 500 должен составлять приблизительно 1,5 дюйма. Было установлено, что радиальная толщина Y должна быть меньше внутреннего диаметра Dinner. Это препятствует тому, чтобы длина l линии магнитной индукции вдоль внешнего диаметра Douter намного превосходила длину линии магнитной индукции вдоль внутреннего диаметра Dinner. Поскольку магнитодвижущая сила обратно пропорциональна длине l линии магнитной индукции, линия магнитной индукции вдоль внутреннего диаметра Dinner будет насыщаться намного ниже переменного тока промышленной частоты, чем линия магнитной индукции вдоль внешнего диаметра Douter. Таким образом, магнитный материал вдоль внешней части магнитного сердечника 500 может быть более эффективно использован, если увеличивается продольный размер X, а не радиальная толщина Y. При радиочастотах до десятков мегагерц доступные магнитные материалы ограничены как по проницаемости, так и по максимальной плотности магнитного потока. В общем, материалы меньшей проницаемости имеют более высокую максимальную плотность магнитного потока. На фиг. 3-5 иллюстрируется пример нелинейных свойств соединителя 400 и магнитный контур, в общем, показан в кривой В-Н типового ферритового материала. Для уменьшения искажения передаваемых и принимаемых сигналов вследствие такой нелинейности в магнитный контур соединителя 400 может быть введен воздушный зазор 535. Воздушный зазор 535 является прокладкой в магнитном сердечнике 500 на поверхностях одного или более полюсов магнитного сердечника. Было обнаружено, что для частотной характеристики соединителя, проходящей ниже до 4 МГц,первичная индуктивность соединителя 400 должна достигать по меньшей мере 1,5 мкГ. Для широкополосного соединителя, где граница верхней частоты во много раз больше, чем низкочастотная отсечка,имеется компромиссное решение между преимущественной нижней низкочастотной отсечкой вследствие повышенной индуктивности и увеличенным соединителем для линейного затухания вследствие индуктивности рассеяния. Эта индуктивность рассеяния имеется вследствие рассеяния магнитного потока в воздушных зазорах 535 и ограниченной проницаемости материала магнитного сердечника. Индуктивность рассеяния появляется в последовательных соединениях между линией 200 электросети и вторичной обмоткой 510 соединителя 400, и ее реактивное сопротивление увеличивается с частотой. В соединителях, предназначенных для предпочтительной работы в диапазоне от менее 4 до более 40 МГц, и использования практического диапазона коэффициентов магнитной связи, было обнаружено, что первичная индуктивность соединителя 400 не должна превышать 2,5 мкГ. На основе этого было установлено, что оптимальная первичная индуктивность для соединителя 400 находится в диапазоне 1,5-2,5 мкГ. Было также обнаружено, что для соединителя 400, имеющего внутренний диаметр Dinner, составляющий по меньшей мере 1,5 дюйма, и массу магнитного сердечника, не превышающую приблизительно 10 фунтов, эквивалентная относительная проницаемость , включая сердечник и воздушный зазор, находится в диапазоне приблизительно 200-300 единиц. Для достижения предельно допустимого тока промышленной частоты по меньшей мере 200 А (среднеквадратических), было установлено, что воздушные зазоры 535, имеющие толщину или расстояние приблизительно 30 мил или 0,76 мм, должны быть использованы на каждой из поверхностей двух полюсов магнитного сердечника, обеспечивая получение приблизительно тройного магнитного сопротивления магнитных сердечников 500. Воздушные зазоры 535 примерно в восемь раз увеличивают предельно допустимый ток, уменьшая в то же самое время индуктивность приблизительно в три раза. Воздушные зазоры 535 уменьшают влияния изменений в случайных зазорах, вызываемых геометрическими несовершенствами сопряжения поверхностей полюсов магнитного сердечника 500, и уменьшают влияния разброса производственных параметров на проницаемость материала сердечника. Помимо всего прочего, воздушные зазоры 535 уменьшают радиочастотные потери сердечника. Было установлено, что магнитные сердечники 500 должны иметь исходную относительную проницаемостьв диапазоне 600-1000 единиц. Эти неожиданные результаты имели место для использования ферритового магнитного материала для магнитного сердечника 500. Ферритовые сердечники, как правило, насыщаются при плотностях маг-4 011663 нитного потока в диапазоне 2800-4800 Гаусс. Порошковые металлические сердечники имеют плотности магнитного потока более высокого насыщения, чем ферритовые сердечники, но относительную проницаемостьне более 100 единиц. Общая необходимая масса порошковых металлических сердечников будет в несколько раз больше, чем требуется ферритовыми сердечниками. Было установлено, что соединитель 400, описанный выше при использовании с трансформатором согласования импеданса, например трансформатора 300, иллюстрируемого на фиг. 2, может достичь потерь в тракте передачи в диапазоне 610 дБ на соединитель при использовании на надземных линиях. Для линий электросети, проводящих токи более приблизительно 200 А, ферритовый материал сердечника может быть заменен нанокристаллическими сердечниками. При размерах, описанных в этой заявке, электрические токи 600 А промышленной частоты могут быть приспособлены без чрезмерного насыщения. Хотя настоящее описание было сделано со ссылкой на один или более характерных примеров, квалифицированным специалистам в этой области техники будет очевидно, что без отклонения от объема настоящего изобретения могут быть сделаны различные изменения, а элементы могут быть заменены их эквивалентами. Помимо всего прочего, без отклонения от объема настоящего изобретения многие модификации настоящего изобретения могут быть сделаны для адаптации конкретной ситуации или материала к указаниям описания. Таким образом, предполагается, что описание не ограничено конкретным вариантом осуществления (конкретными вариантами осуществления), описанными как наилучшие варианты,предполагаемые для осуществления настоящего изобретения, но настоящее изобретение будет включать в себя все варианты осуществления, находящиеся в объеме прилагаемой формулы изобретения. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Индуктивный соединитель для соединения сигнала данных между устройством связи и линией электросети, содержащий магнитный сердечник, имеющий апертуру, образованную первой секцией и второй секцией, первая и вторая секции образуют зазор между ними, в котором указанная апертура обеспечивает возможность прохода линии электросети через нее в качестве первичной обмотки; и вторичную цепь, имеющую обмотку, проходящую через указанную апертуру в качестве вторичной обмотки, соединенной с указанным устройством связи, в котором указанный магнитный сердечник имеет радиальную толщину, в котором указанная апертура имеет диаметр и в котором указанная радиальная толщина меньше указанного диаметра. 2. Индуктивный соединитель по п.1, в котором указанная апертура имеет диаметр, составляющий около 1,5 дюйма. 3. Индуктивный соединитель по п.1, в котором указанный магнитный сердечник получен из нанокристаллического магнитного материала. 4. Индуктивный соединитель по п.1, имеющий потери в тракте передачи, составляющие около менее 10 дБ. 5. Индуктивный соединитель по п.1, имеющий первичную индуктивность, составляющую около 1,5-2,5 мкГ. 6. Индуктивный соединитель по п.1, в котором указанный магнитный сердечник имеет пару зазоров, образованных на противоположных сторонах указанного магнитного сердечника, и в котором указанные зазоры имеют толщину, составляющую около 30 мил (0,76 мм). 7. Индуктивный соединитель по п.1, в котором масса указанного магнитного сердечника составляет около менее 10 фунтов. 8. Индуктивный соединитель по п.1, в котором указанная вторичная цепь имеет трансформатор радиочастотного сигнала, соединенный между указанным устройством связи и указанной вторичной обмоткой, и в котором указанный трансформатор радиочастотного сигнала имеет коэффициент трансформации по соотношению витков, составляющий 2:1.