BRPI0412518B1

BRPI0412518B1 - circuito de acoplamento indutivo e método para a transmissão de comunicações através de cabos de energia elétrica blindados de uma rede de distribuição de energia elétrica

Info

Publication number: BRPI0412518B1
Application number: BRPI0412518A
Authority: BR
Inventors: Bumiller Gerd
Original assignee: Iad Ges Fuer Informatik Automatisierung Und Datenverarbeitung Mbh
Priority date: 2003-07-11
Filing date: 2004-07-11
Publication date: 2018-12-04
Also published as: US20070252658A1; AU2004301225A1; EP1645048B1; BRPI0412518A; BRPI0412518A8; EP1645048A1; CA2532061C; DE10331744A1; CA2532061A1; US7675386B2; JP2007527146A; WO2005008913A1

Abstract

"circuito de acoplamento indutivo e método para a transmissão de comunicações através de cabos de energia elétrica blindados de uma rede de distribuição de energia elétrica". a presente invenção refere-se aos já conhecidos acoplamentos / desacoplamentos capacitivos ou indutivos de execuções diferentes na rede de tensão média que são instalados simplesmente através de cabos, sendo que os circuitos de acoplamento indutivo sempre induzem a corrente na blindagem do cabo de energia. para se obter também em um circuito de acoplamento indutivo alcances do acoplamento / desacoplamento capacitivo, de acordo com a presente invenção é prevista uma unidade de acoplamento indutivo consistindo em um anel que cerca o cabo de energia blindado e de uma bobina indutivamente acoplada ao anel, que é ligada a uma estação de transmissão / recepção e executada de tal forma que na transmissão a corrente do sinal de comunicação é induzida diretamente no condutor, e na recepção, apenas a corrente no condutor é utilizada, sendo que em uma primeira forma de execução é previsto um condutor de descarga conectado em série à unidade de acoplamento indutivo que se encontra na frente do plano armado e ligado com a blindagem e a terra ou o potencial de compensação, e em uma segunda forma de execução é previsto um condutor de descarga ligado à blindagem e à terra ou ao potencial de compensação, cujo caminho de linha atravessa o núcleo toroidal. a presente invenção refere-se ao campo dos sistemas de transmissão de comunicações em redes de distribuição de energia elétrica.

Description

(54) Título: CIRCUITO DE ACOPLAMENTO INDUTIVO E MÉTODO PARA A TRANSMISSÃO DE COMUNICAÇÕES ATRAVÉS DE CABOS DE ENERGIA ELÉTRICA BLINDADOS DE UMA REDE DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA (73) Titular: IAD GESELLSCHAFT FÜR INFORMATIK, AUTOMATISIERUNG UND DATENVERARBEITUNG MBH, Sociedade Alemã. Endereço: Unterschlauersbacher Haupstrasse 10A, D-90613 Grosshabersdorf, ALEMANHA(DE) (72) Inventor: GERD BUMILLER.

Prazo de Validade: 10 (dez) anos contados a partir de 04/12/2018, observadas as condições legais

Expedida em: 04/12/2018

Assinado digitalmente por:

Liane Elizabeth Caldeira Lage

Diretora de Patentes, Programas de Computador e Topografias de Circuitos Integrados

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Relatório Descritivo da Patente de Invenção para CIRCUITO DE ACOPLAMENTO INDUTIVO E MÉTODO PARA A TRANSMISSÃO DE COMUNICAÇÕES ATRAVÉS DE CABOS DE ENERGIA ELÉTRICA BLINDADOS DE UMA REDE DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA.

[001] A presente invenção refere-se em primeiro lugar a um circuito de acoplamento indutivo. Além disso, a presente invenção referese a um método para a transmissão de comunicações em redes de distribuição de energia elétrica.

[002] A criação de novos acessos rápidos a redes fixas para a telecomunicação na área da rede local - também denominado de local loop ou last mile - atualmente é objeto de trabalhos intensivos de desenvolvimento. Depois da eliminação dos monopólios de telecomunicações iniciou-se em ampla escala uma competição intensiva que, porém, até agora passou despercebida na área da rede local. A razão principal disto é que os antigos monopolistas continuam sendo os proprietários das redes de distribuição. Alternativas na forma de redes de rádio de microondas ou de redes de TV a cabo estão atualmente em desenvolvimento. Porém, devido aos altos custos, a curto prazo eles não têm condições de oferecer alternativas abrangentes diante das redes de telecomunicações existentes. Redes de distribuição de energia elétrica, por outro lado, possuem muito bem este potencial - conforme comprovaram numerosos estudos e testes de campo. Elas são abrangentes e possuem uma ramificação muito mais fina do que qualquer rede de telecomunicações existente, pois não somente alcançam cada casa, e sim, diretamente cada consumidor de energia elétrica e cada tomada.

[003] Na base dessas excelentes perspectivas surgiu um novo ramo industrial com a denominação de Power Line Communications (PLC) que tem como objetivo a realização técnica das novas possibiPetição 870170093646, de 01/12/2017, pág. 11/37

2/20 lidades e a colocação à disposição dos serviços relacionados a isto. Sistemas de Power Line Communication são sistemas de transmissão de comunicações que distribuem a informação através do elemento cabo de energia. Nisso, é importante especialmente o trecho de transmissão entre a estação do transformador na rede de baixa tensão e a instalação na casa do cliente. A topologia desse segmento da rede freqüentemente possui uma estrutura de ponto a multiponto com a estação do transformador como nó. Nesse nó pode estar disposta, por exemplo, uma unidade de transmissão - recepção, que alimenta sinais de alta freqüência de até 30 MHz separadamente para os cabos que saem e os sobrepõe à corrente de energia de 50 Hz. Outras unidades de transmissão - recepção podem encontrar-se na instalação do cliente no nó entre a rede de distribuição de tensão baixa dos fornecedores de energia e a rede da instalação da casa do cliente. No caso, também sinais de alta freqüência são alimentados e recebidos no cabo de energia. A sobreposição da corrente de energia de 50 Hz por correntes de sinais de dados de alta freqüência traz consigo problemas da compatibilidade eletromagnética.

[004] Conforme mostraram amplas investigações, diversas providências EMV podem ser previstas que reduzem a influência das interferências causadas por interferências ligadas à linha e irradiadas. Por exemplo, a redução da interferência ligada à linha pode ser feita com a ajuda de filtros de desacoplamento, sendo que são suprimidos dentro do possível todos os caminhos parasitos, ligados à rede de difusão do sinal de alta freqüência. Os filtros de desacoplamento estão dispostos respectivamente nos finais do trecho de transmissão na estação do transformador e na conexão domiciliar.

[005] Na estação do transformador os filtros impedem uma difusão do sinal de alta freqüência para a barra coletora e para as ramificações paralelas. Assim sendo, por um lado, reduz-se a emissão de

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3/20 sinais de alta freqüência na barra coletora, uma vez que os níveis de tensão parasita na barra coletora são reduzidos. Por outro lado, a sobreposição ligada à linha do sinal de alta freqüência de ramificações paralelas é impedida, razão pela qual as mesmas freqüências podem ser utilizadas em ramificações paralelas.

[006] Na conexão domiciliar o filtro de desacoplamento também tem a tarefa de formar uma barreira para sinais de alta freqüência. Os filtros de desacoplamento impedem uma entrada não desejada do sinal de alta freqüência na rede domiciliar do cliente, providenciando assim uma separação de abastecimento de energia e sinais de alta freqüência. Para o trecho entre a estação do transformador e a conexão domiciliar nas redes de distribuição de baixa tensão os fornecedores de energia utilizam praticamente a princípio um cabo de alimentação principal em técnica de quatro condutores. Isto significa que o condutor N (condutor de corrente de retorno do circuito operacional) e o condutor PE (Protective Earth) estão unidos em um condutor PEN. Esta forma de execução de rede é denominada de rede TN-C (Terre Neutre Combiné), em contrapartida à rede TN-S (Terre Neutre Separé), onde os condutores PE e N são levados separadamente e somente são unidos um ao outro em um único ponto. Tanto a estação do transformador como também a conexão domiciliar são aterrados na rede TN-C. Com isso, a corrente de retorno do consumidor para a estação do transformador não tem á disposição apenas o caminho através do condutor N, e sim, também, através de terra.

[007] O mesmo vale naturalmente também para o sinal útil de alta freqüência da transmissão de dados. Em virtude dessa separação espacial de condutor de ida e de volta são gerados altos campos magnéticos que influenciam de modo indutivo os circuitos de corrente vizinhos, assim induzindo tensões parasitas. Do mesmo modo, tensões parasitas de fontes externas podem sobrepor-se à tensão de rede e à

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4/20 tensão de sinais de dados. Além da indução por meio de campos magnéticos externos, uma tensão de fase causada por potenciais de terra diferentes empurra uma corrente de fase através das linhas de abastecimento e de dados. Esta corrente de fase provoca uma queda de tensão nas impedâncias da linha e do consumidor, sendo, portanto, um outro fator de interferência.

[008] O acoplamento monofásico na transmissão de dados com a ajuda de um capacitor de acoplamento (separação galvânica de rede de corrente e filtração de sinais parasitas de baixa freqüência) e a respectiva resistência de descarga é conhecido, por exemplo, da patente EP 0 684 681 A1. No contexto com um transmissor de alta freqüência este acoplamento de rede físico produz uma separação galvânica de rede de corrente elétrica, a filtração de sinais parasitas de baixa freqüência através da ação de filtro passa-alto e a adaptação da impedância de rede à impedância de entrada de um equipamento eletrônico subseqüente com filtração de vários estágios (filtros passa-banda passivos) e amplificação regulada (circuito de regulação com detector de envoltória, regulador de PI, elemento proporcional e amplificador de tensão alternada não inversivo). Além disso, um diodo de supressão pode ser conectado paralelamente ao enrolamento secundário do transmissor de alta freqüência no acoplamento que suprime os piques de alta tensão no lado da rede.

[009] Da patente DE 197 54 800 A1 é conhecido um dispositivo de acoplamento de barramento onde a tensão de transmissão aplicada na rede é independente da posição de fase da impedância de rede (e amplamente também independente do valor da impedância de rede), onde o isolamento galvânico e a sensibilidade de recepção do dispositivo de barramento e dos terminais conectados ao mesmo não é influenciado e onde é obtida uma supressão melhorada de sinais parasitas fora da banda de freqüência útil dos sinais de alta freqüência. No detaPetição 870170093646, de 01/12/2017, pág. 14/37

5/20 lhe existe no dispositivo de acoplamento de barramento para um sistema de instalação com transmissão de informações ligada à rede de abastecimento de energia elétrica um circuito de acoplamento com um transmissor de alta freqüência, a cujo enrolamento primário são conectados em série pelo menos um capacitor de desacoplamento e uma indutância de compensação, e esta conexão em série pode ser conectada a uma rede de baixa tensão. A indutância é dimensionada de tal modo que sua impedância, na freqüência de um único sinal portador de alta freqüência utilizado ou de um valor médio das freqüências dos sinais portadores de alta freqüência em caso de utilização de vários sinais portadores de alta freqüência, compensa a impedância do capacitor de desacoplamento por meio de uma ressonância de série, sendo que a indutância também é dimensionada levando em consideração as indutâncias de dispersão do transmissor de alta freqüência. Além disso, uma resistência de proteção pode ser inserida na conexão em série de capacitor de desacoplamento, indutância e enrolamento primário. Finalmente, para o caso de que no lado secundário do transmissor é conectado um amplificador de transmissão que contém um capacitor de desacoplamento ou que através de um deste é conectado de modo livre de tensão contínua, é feita uma compensação no lado secundário por meio de uma indutância existente no lado secundário. Nisso, esta indutância no lado secundário é conectada em série com o enrolamento secundário do transmissor e compensa a impedância do capacitor de desacoplamento na freqüência do sinal portador de alta freqüência ou do valor médio de freqüências de sinais portadores de alta freqüência. Em virtude desse tipo da pré-compensação, o sistema funciona também de modo muito seguro em redes fortemente indutivas e consegue alcances semelhantes como em redes pouco indutivas ou também capacitivas.

[0010] Da patente DE 199 07 095 C1 é conhecido um circuito de

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6/20 acoplamento para um equipamento de transmissão de dados para uma fase de uma rede de transmissão de energia elétrica que possui uma conexão em série de um capacitor de acoplamento e um primeiro condutor de descarga de sobretensão que é disposta entre a fase e um potencial de referência da rede de transmissão de energia elétrica, e uma bobina de descarga que é conectada paralelamente ao primeiro condutor de descarga e onde pode ser acoplado um equipamento de transmissão de dados. Para indicar um circuito de acoplamento e uma unidade de acoplamento contendo a mesma que na ocorrência de um erro interno vai desacoplando-se automaticamente da rede de tensão média de tal modo que sua operação não seja prejudicada, é previsto que um fusível de segurança fino é disposto na conexão em série na fase e possui tais valores característicos elétricos que esta não seja disparada nem por uma corrente do equipamento de transmissão de dados, nem por sobretensões da rede de transmissão de energia elétrica. Os valores característicos elétricos do fusível de segurança fina e do primeiro condutor de descarga de sobretensão, no caso, são ajustados de tal modo que em caso de uma liga total do capacitor de acoplamento, o fusível de segurança fino é disparado de modo rápido e seguro já por uma corrente de curto-circuito principiante através do condutor de descarga de sobretensão. A unidade de acoplamento possui um material isolante que envolve de tal modo a unidade de acoplamento em forma de caixa, especialmente em uma forma comparável a um isolador de suporte, que uma primeira conexão do circuito em série a uma fase da rede de transmissão de energia elétrica, uma segunda conexão do circuito em série ao potencial de recebimento, e uma terceira conexão da bobina de descarga a um equipamento de transmissão de dados são acessíveis a partir do lado de fora.

[0011] Além disso, por exemplo, dos Proceedings of International Symposium on Powerline Communication and its Application 2000 torPetição 870170093646, de 01/12/2017, pág. 16/37

7/20 nou-se conhecida a transmissão de dados em linhas de energia, tanto em tensão baixa como em tensão média, com a ajuda de um acoplamento capacitivo. Os alcances alcançados passam através de algumas estações de transformador e em parte através de mais de 10 km. A desvantagem deste acoplamento é a ligação direta ao condutor, a estabilidade de tensão necessária, a demanda de espaço para a instalação, e a necessidade de manter a instalação sem tensão na montagem da instalação. No caso de estações de transformador muito compactas que são abastecidas com cabos de terra, na maioria das vezes, novas, a instalação de um desacoplamento capacitivo em parte não é possível.

[0012] Além disso, por exemplo, o manual de equipamento DCS3000 da firma Siemens AG, Edição A1.0/02.2002, páginas 1-63 a 1-65, apresentou ao lado do acoplamento/desacoplamento capacitivo, também o acoplamento/desacoplamentos indutivo na rede de tensão média que são instalados simplesmente através do cabo. A unidade de acoplamento indutivo consiste em um núcleo toroidal de ferrita de duas partes com braçadeira de montagem que é colocada ao redor do cabo de energia previsto para a transmissão de dados. O acoplamento à estação de transmissão/recepção ocorre através de seis enrolamentos de um condutor que são colocados em torno do núcleo toroidal de ferrita. Isto requer pouco espaço e pode ser feito durante a operação da instalação, sendo que tanto com acoplamento tanto capacitivo como também indutivo a terra serve como linha de retorno para o sinal de dados. Um acoplamento indutivo baseia-se no princípio de que com a ajuda desse acoplamento é gerado um campo magnético anelar. Dentro deste anel é armado um plano. Se um condutor atravessar este plano, então uma corrente é induzida neste condutor. Se esta corrente não puder fluir livremente, ela gera uma tensão que por sua vez dispara um fluxo de corrente elétrica em direção oposta e compensa a corPetição 870170093646, de 01/12/2017, pág. 17/37

8/20 rente induzida. No desacoplamento é aproveitado o efeito de que um fluxo de corrente gera um campo magnético anelar em um condutor que pode ser detectado e utilizado pelo desacoplamento. Uma vez que tanto o acoplamento como também o desacoplamento pode ser feito com o mesmo equipamento, elas serão consideradas como sendo uma unidade de denominados de acoplamento/desacoplamento. Devido ao fato de que esta acoplamento ocorre através de blindagem e condutor e a blindagem, por motivos de segurança é ligada à terra em ambos os lados, a corrente se induz na blindagem. A transmissão, portanto, somente é possível entre duas estações de transformador vizinhas, se a blindagem no meio não for ligada à terra com uma luva de terra ou uma camisa de chumbo de um cabo mais antigo, de resto, não será possível. Em comparação com um sistema de transmissão com acoplamento capacitiva tornam-se necessários consideravelmente mais dispositivos de transmissão/recepção e os tempos de duração de comunicação aumentam claramente. Se um equipamento de transmissão/recepção não funcionar, o caminho de comunicação é interrompido. Isto torna impossível algumas das aplicações que são críticas no que se refere a sua capacidade de tempo real ou as exigências de segurança.

[0013] Uma unidade de acoplamento indutiva semelhante com pelo menos uma bobina de indução que é colocada ao redor do cabo de energia previsto para a transmissão de dados (tensão média), é conhecido da patente WO 03/036932. Para que não seja necessário interromper o cabo de energia para a montagem, pode ser utilizado, por exemplo, uma bobina de indução de duas partes ou uma bobina de indução com um núcleo toroidal flexível com fenda. O acoplamento a uma estação de transmissão/recepção, disposto depois da estação do transformador e funcionando com tensão baixa e seu abastecimento com energia, também pode ser realizado sem fio a partir da unidade

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9/20 de acoplamento, por exemplo, através de transmissão de infravermelho, de modo que na caixa da unidade de acoplamento estão dispostos um transmissor infravermelho e um receptor infravermelho (também duas bobinas de indução). Como alternativa, também é descrito o abastecimento com corrente elétrica com a ajuda de células solares e acumulador.

[0014] Também é conhecido, da patente WO 02/054605 uma unidade de acoplamento indutiva com um transmissor de alta freqüência, onde o cabo de energia é aberto e o transmissor de alta freqüência é introduzido de tal modo em pelo menos um de vários neutros que o lado primário encontra-se entre o neutro e o potencial de terra. O lado secundário do transmissor é conectado a um dispositivo de transmissão de dados, por exemplo, um modem, sendo que os outros neutros servem para a transmissão em direção de retorno.

[0015] Como aperfeiçoamento disto é conhecido da patente WO 02/080396 uma unidade de acoplamento indutiva onde é utilizado um eletroímã consistindo em duas partes que é colocado de tal modo em torno do cabo de energia que o enrolamento secundário é enrolado em torno do eletroímã uma parte da linha de energia que passa através do eletroímã serve de enrolamento primário. Finalmente pode ser previsto que no lado secundário do transmissor esteja disposto um capacitor de desacoplamento.

[0016] Como mostra a utilização acima do estado da técnica, conhecem-se unidades de acoplamento indutivas de diversas realizações que na maioria dos casos contêm um transmissor. Uma instalação na operação de uma linha de energia de 10/20 kV somente é possível, se não se tornar necessária nenhuma intervenção na área de segurança que na maioria das vezes é protegida adicionalmente através de medidas construtivas. Assim sendo, estão eliminados tanto um acoplamento/desacoplamento capacitivo como também a instalação

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10/20 de um acoplamento/desacoplamento indutivo diretamente através de um condutor.

[0017] Blindagens de cabos de terra entre duas estações de transformador, por motivos de segurança, em ambos os lados estão ligadas à terra ou um potencial de compensação. Em parte, para cada fase (três fases) é colocado um cabo próprio com uma blindagem própria, em parte também as três fases são juntadas em um cabo e envolvidos por uma blindagem comum (como é mostrado na figura 1 ou na figura

3). De acordo com as leis da física, a corrente procura um caminho da menor resistência. Se agora um circuito com uma baixa resistência e um segundo circuito com uma resistência maior passar através do plano definido pelo acoplamento indutivo, então uma grande parte da corrente é induzida no circuito com a resistência menor.

[0018] Na instalação até agora utilizada de acoplamentos indutivos, o circuito com a resistência muito baixa é a blindagem que é ligada à terra em ambos os lados. Assim sendo, a corrente é induzida na blindagem. Se agora a blindagem entre duas estações de transformador vizinhas estiver ligada à terra, como por exemplo, com uma luva de terra ou o cabo tem uma camisa de chumbo isolada por betume que tem contato ao lençol freático, então o circuito é fechado prematuramente e não alcança a estação do transformador vizinha. Interferências eletromagnéticas no meio ambiente são captadas pelas blindagens dos cabos e descarregadas para a terra como corrente de compensação. Estas correntes de compensação têm um valor relevante para a transmissão e são captados no desacoplamento como sinal parasita. No condutor propriamente dito não existem estas correntes de compensação. De acordo com isto, na prática falta uma unidade de acoplamento indutiva onde a corrente é induzida diretamente no condutor e onde no desacoplamento as correntes de compensação na blindagem não são captadas juntos. Isto é especialmente importante,

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11/20 pois a indústria que fabrica as instalações de tensão média e tensão alta deve ser considerada como uma indústria extremamente progressiva e aberta às inovações que muito rapidamente pega melhorias e facilitações e as coloca na prática.

[0019] Diante das unidades de acoplamento indutivas conhecidas ou diante dos métodos de transmissão de comunicações em redes de distribuição de energia elétrica com cabos de energia blindados conhecidos, a presente invenção tem a tarefa de colocar á disposição uma unidade de acoplamento indutiva desse tipo e um método com os quais podem ser alcançados os alcances do acoplamento/desacoplamento capacitivo.

[0020] De acordo com a uma primeira modalidade da invenção, esta tarefa é solucionada com um circuito de acoplamento indutivo para a transmissão de comunicações em redes de distribuição de energia elétrica que estão dispostos no trecho de transmissão e que contém:

[0021] - Uma unidade de acoplamento indutivo, consistindo em um anel que envolve o cabo de energia blindado e uma bobina indutivamente acoplada ao anel, que é ligado a uma estação de transmissão/recepção, e sendo que a corrente do sinal de comunicação heteródino no condutor do cabo de energia passa através do plano definido pela unidade de acoplamento indutivo.

[0022] - Um condutor de descarga conectado em série com a unidade de acoplamento indutivo que se encontra na frente do plano definido e ligado à blindagem e à terra ou ao potencial de compensação, fazendo com que não haja fluxo de corrente na blindagem, uma vez que de um dos lados do plano definido para o acoplamento indutivo não há nenhuma ligação condutora para o outro lado do que aquela através do próprio plano e que faz com que na transmissão o fluxo do sinal de comunicações é induzido diretamente no condutor, e na rePetição 870170093646, de 01/12/2017, pág. 21/37

12/20 cepção somente é utilizada a corrente no condutor.

[0023] Esta tarefa também é solucionada, de acordo com uma segunda modalidade da invenção, por meio de um circuito de acoplamento indutivo para a transmissão de comunicações em redes de distribuição de energia elétrica disposto no trecho de transmissão e que possui:

[0024] - Uma unidade de acoplamento indutivo consistindo em um anel que envolve o cabo de energia blindado e uma bobina indutivamente acoplada ao anel que é ligada a uma estação de transmissão/recepção.

[0025] - Um condutor de descarga ligado á blindagem e à terra ou ao potencial de compensação, cujo caminho de linha atravessa o núcleo toroidal, [0026] de tal modo que através do plano definido pela unidade de acoplamento indutivo passa a corrente do sinal de comunicação heteródino no condutor do cabo de energia, a contracorrente e/ou correntes induzidas na blindagem e a contracorrente idêntica e/ou contracorrentes induzidas em direção oposta, em virtude do que ser compensa o campo magnético das duas correntes mencionadas como último e a unidade de acoplamento indutivo induz a corrente do sinal de comunicação diretamente no condutor durante a transmissão, e durante a recepção somente utiliza a corrente no condutor.

[0027] Além disso, esta tarefa é solucionada partindo de uma primeira modalidade de método para a transmissão de comunicações em redes de distribuição de energia elétrica com cabos de energia blindados e com um circuito de acoplamento indutivo conectadapelo fato de que o acoplamento/desacoplamento indutivo do sinal de comunicação ocorre de tal modo através de um plano definido por uma unidade de acoplamento indutivo do circuito de acoplamento que na blindagem não se produz nenhum fluxo de corrente, sendo que de um lado do

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13/20 plano definido para o acoplamento indutivo não existe ligação condutora para o outro lado, a não ser através do próprio plano, de modo que na transmissão a corrente do sinal de comunicação é induzido diretamente para dentro do condutor e, na recepção somente é utilizado a corrente no condutor.

[0028] Final mente esta tarefa é solucionada partindo de uma segunda modalidade de método para a transmissão de comunicações em redes de distribuição de energia elétrica com cabos de energia blindados e com um circuito de acoplamento indutivo conectado, em que o acoplamento/desacoplamento indutivo do sinal de comunicação ocorre de tal modo, que através de um plano definido por uma unidade de acoplamento indutivo do circuito de acoplamento fluem em direção oposta o sinal útil heteródino no condutor do cabo de energia, a contracorrente e/ou interferências induzidas na blindagem, e a contracorrente idêntica e/ou interferências induzidas, razão pela qual o campo magnético das duas correntes mencionadas em último lugar se compensa, e a unidade de acoplamento indutivo, durante a transmissão, induz diretamente no condutor a corrente do sinal de comunicação, e, durante a recepção apenas utiliza a corrente no condutor.

[0029] Nos circuitos de acoplamento indutivo de acordo com a presente invenção ou no método de acordo com a presente invenção é feita uma instalação do acoplamento indutivo no cabo através de blindagem e condutor. No ponto final, a blindagem de uma linha de energia é ligada com a ajuda de um material condutor, por exemplo, uma fita de tecido metálico à terra ou ao potencial de compensação existente na estação do transformador. A corrente na blindagem flui, portanto, através deste material condutor, chamado de condutor de descarga, para a terra. Assim sendo, a corrente no condutor de descarga e na blindagem é quase que idêntica (idêntica, quando o condutor de descarga termina).

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14/20 [0030] Na execução de acordo com a segunda modalidade, o condutor de descarga retorna pelo plano definido pelo acoplamento indutivo. O campo magnético anelar induz agora uma corrente tanto para dentro da blindagem como também para dentro do condutor de descarga. Uma vez que esta corrente flui através do plano do campo magnético anelar na mesma direção, a direção da corrente é oposta em relação ao condutor. As correntes opostas se compensam, de modo que de fato quase que nenhum fluxo de corrente elétrica resulta na blindagem. Uma vez que na blindagem não flui corrente, esta é induzida no condutor.

[0031] Isto também vale quando o condutor de descarga, depois de atravessar o plano para o acoplamento indutivo possui uma conexão condutora para a blindagem. De uma maneira geral, pode-se dizer que na blindagem não resulta nenhum fluxo de corrente quando tiver em um dos lados do plano definido pelo acoplamento indutivo não há nenhuma conexão condutora para o outro lado, a não ser o próprio plano. Além disso, disso também se aplica para a realização de acordo com a primeira modalidade, onde o condutor de descarga é disposto na frente do plano para o acoplamento indutivo e é conduzido para longe da blindagem.

[0032] Os circuitos de acoplamento indutivo de acordo com a presente invenção ou os métodos de acordo com a presente invenção possuem a vantagem de que por meio do acoplamento da corrente no condutor a transmissão de dados já não é mais restringida ao trecho entre estações de transformador vizinhas. Uma vez que um transformador maioria das vezes significa uma carga de elevado valor ômico, a maior parte da corrente permanece na linha que continua. Assim sendo, uma pluralidade de estações de transformador podem ser ligadas em ponte sem que uma estação de transmissão/recepção (para fins de repetição) seja construída nele.

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15/20 [0033] Além da economia de custos para estas estações de transmissão/recepção, as mesmas comunicações podem ser transmitidas na rede consideravelmente mais rapidamente graças às repetições dispensáveis, e o sistema está em condições de realizar funções críticas no que se refere ao tempo real. Já que várias estações de transmissão/recepção podem receber a mesma comunicação é possível construir uma rede de comunicação redundante onde também em caso de falha de uma estação ou de até um determinado número de estações a transmissão na rede fica garantida. Esta exigência é importante para funções relevantes para a segurança que devem ser realizadas através de um sistema deste tipo.

[0034] No desacoplamento precisam ser separadas a corrente no condutor que porta o sinal útil e a corrente na blindagem que em virtude da ação da blindagem contém uma contracorrente de interferências. A tarefa dessa blindagem em um cabo é reduzir o campo eletromagnético fora do cabo. Para poder conseguir isto, uma corrente virada para a direção oposta flui em uma blindagem que em ambos os lados é conectadas com baixo valor ômico, de modo que o campo magnético resultante compensa fora do cabo. Vice-versa, um campo eletromagnético de uma fonte de interferências somente induz uma corrente na blindagem, devido ao que dentro do cabo o campo causado pela interferência é amplamente compensado. Assim sendo, o condutor no cabo não é afetado pela interferência e é muito bem apropriado para a transmissão de dados.

[0035] Uma vez que o desacoplamento indutivo somente pode ser colocado através de blindagem e condutor, este também somente vê a interferência heteródina do sinal útil no condutor, a contracorrente para o sinal útil na blindagem e as interferências acopladas na blindagem. De acordo com a presente invenção, o condutor de descarga da blindagem é retornado atravessando o plano definido pelo acoplamento

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16/20 indutivo. Agora fluem três correntes atravessando o plano definido pelo acoplamento indutivo. Como primeiro, o sinal útil no condutor, como segundo a contracorrente e as interferências induzidas na blindagem, e como terceiro a contracorrente idêntica e as interferências induzidas em direção oposta. Assim sendo, o campo magnético das duas últimas correntes se compensa, e o desacoplamento indutivo utiliza apenas a corrente no condutor.

[0036] Como já foi explicado, nenhum fluxo de corrente é utilizado na blindagem quando de um dos lados do plano definido para o acoplamento indutivo não há nenhuma conexão condutora para o outro lado, do que através do próprio plano. Graças a este tipo de desacoplamento, agora pode ser captada exclusivamente a corrente no condutor do cabo. Uma vez que a blindagem protege o condutor no cabo do acoplamento contra interferências, as interferências remanescentes são pequenas. Com isso surge uma relação muito favorável de sinal útil e interferência para a transmissão de dados. Isto permite alcances que em parte são superiores àqueles obtidos com acoplamentos capacitivos. A uma distância de aproximadamente 450 m entre duas estações de transformador ainda pode ser alcançada uma relação de sinal/ruído de aproximadamente 60 dB, de modo que no total ainda é possível uma transmissão através de um trecho de vários quilômetros e várias estações de transformador.

[0037] Em um aperfeiçoamento da presente invenção, a unidade de acoplamento indutivo é disposto em uma estação do transformador e o anel é executado como um núcleo anelar ou como um anel de material sintético com uma bobina enrolada.

[0038] Este aperfeiçoamento da presente invenção possui a vantagem de que uma caixa de proteção para a unidade de acoplamento indutivo não é necessária e que esta pode ser montada sem uma fenda de ar. A princípio, porém, qualquer forma geométrica pode ser esPetição 870170093646, de 01/12/2017, pág. 26/37

17/20 colhida que é fechada e que define uma superfície (por exemplo, um quadrado), também é possível, utilizar uma bobina de ar.

[0039] Em redes onde são utilizadas tanto linhas ao ar livre como também cabos subterrâneos, as estações de transformador freqüentemente também são conectadas através de cabos de aterramento. Uma vez que a corrente é acoplada diretamente para o condutor, este sistema também pode ser utilizado para estas redes. Em trechos curtos entre a linha ao ar livre e a estação do transformador, na maioria das vezes são utilizados três cabos térreos com respectivamente um condutor e uma blindagem. No caso, de acordo com uma realização preferida da presente invenção, todas as unidades de acoplamento indutivas são colocadas na mesma fase. Em um aperfeiçoamento para isto a unidade de acoplamento indutivo é inserida em todas as fases. [0040] A execução de que um trecho de transmissão com vários cabos de terra todas as unidades de acoplamento indutivo são inseridas na mesma fase ou o aperfeiçoamento de que a unidade de acoplamento indutivo (AE) é inserida sobre todas as fases, possui a vantagem de que também uma instalação mista é possível em uma e em todas as três fases com perdas pequenas.

[0041] Em um aperfeiçoamento a unidade de acoplamento indutivo é inserida na linha de alimentação para o transformador.

[0042] Assim sendo, a unidade de acoplamento indutivo de acordo com a presente invenção também pode ser utilizada em estações de transformador onde uma instalação do acoplamento/desacoplamento indutivo na linha que entra e que sai não é possível, por exemplo, linha ao ar livre e construção aberta na estação do transformador.

[0043] Outras vantagens e mais detalhes podem ser obtidos da descrição seguinte de formas de execução preferidas da presente invenção fazendo referência ao desenho. O desenho mostra:

[0044] A figura 1 mostra uma vista de cima de uma primeira exePetição 870170093646, de 01/12/2017, pág. 27/37

18/20 cução.

[0045] A figura 2 mostra uma vista de cima de uma segunda execução.

[0046] A figura 3 mostra a disposição do circuito de acoplamento indutivo de acordo com a presente invenção para a transmissão de comunicações em redes de distribuição de energia elétrica.

[0047] As formas de execução mostradas na figura 1 e na figura 2 do circuito de acoplamento indutivo de acordo com a presente invenção servem preferencialmente para a transmissão de comunicações em redes de distribuição de energia elétrica, especialmente em instalações de tensão média e de tensão alta. Este pode ser utilizado em quase que todos os tipos de cabos e aplicações, por exemplo, também em tubulações (no caso, o tubo de metal serve quase como blindagem, e o meio, como condutor), ou em cabos de energia para a transmissão de corrente contínua. De preferência, o circuito de acoplamento indutivo consiste em uma unidade de acoplamento indutivo AE e de um condutor de descarga A1 (veja a figura 1) ou A (veja a figura 2 e a figura 3). A unidade de acoplamento indutivo AE possui um anel R que envolve o cabo de energia blindado K e uma bobina SP acoplada indutivamente ao anel R que é conectada a uma estação de transmissão/recepção SE.

[0048] Na realização mostrada na figura 1 do circuito de acoplamento indutivo mostrado na figura 1, o condutor de descarga A1 é conectado atrás da unidade de acoplamento indutivo AE e encontra-se na frente do plano definido e conectado à blindagem S e à terra E ou potencial de compensação (isto é, a blindagem S isolada é ligada diretamente ao trilho de energia E). Em virtude disto resulta na blindagem S nenhum fluxo de corrente, uma vez que de um dos lados do plano definido para o acoplamento indutivo não existe nenhuma conexão condutora com o outro lado, a não ser, o próprio plano. Assim sendo,

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19/20 ao transmitir, a corrente do sinal de comunicação é induzido diretamente no condutor (e não na blindagem como no estado da arte; veja, por exemplo, o Manual para Equipamentos DCS3000 da firma Siemens AG), e ao receber, somente é utilizada a corrente no condutor. [0049] Na forma de execução do circuito de acoplamento indutivo de acordo com a presente invenção mostrada na figura 2 e na figura 3, o caminho de linha do condutor de descarga A ligado com a blindagem S e a terra E ou potencial de compensação é retornado através do núcleo toroidal R. Nisto, fluem através do plano definido pela unidade de acoplamento indutivo AE:

[0050] - a corrente do sinal de comunicação heteródino no condutor do cabo de energia K;

[0051] - a contracorrente e/ou interferências induzidas na blindagem S;

[0052] - a contracorrente idêntica e/ou interferências induzidas em direção oposta no condutor de descarga.

[0053] Por conseguinte, o campo magnético das duas correntes mencionadas como último, se compensa e a unidade de acoplamento indutivo AE induz na transmissão a corrente do sinal de comunicação diretamente no condutor e ao receber utiliza apenas a corrente no condutor. Nisso, de preferência, o condutor de descarga A é retornado o mais perto possível e paralelamente na blindagem, o que pode aumentar o efeito de compensação.

[0054] De preferência, a unidade de acoplamento indutivo AE é disposta em uma estação do transformador, o anel R é executado como núcleo toroidal ou como anel de material sintético com bobina enrolada, e a unidade de acoplamento indutivo AE é inserida em todas as fases. Em um trecho de transmissão com vários cabos de terra todas as unidades de acoplamento indutivo AE são inseridas na mesma fase; também o inserir da unidade de acoplamento indutivo AE na liPetição 870170093646, de 01/12/2017, pág. 29/37

20/20 nha adutora para o transformador T é possível. Os núcleos toroidais também mostrados na figura 3 com sombras claras e que não levam referências mostram a disposição duplamente necessária para cada segmento do cabo do circuito de acoplamento indutivo no estado da arte (veja, por exemplo, o manual de Equipamentos DCS3000 da firma Siemens AG).

[0055] O circuito de acoplamento indutivo de acordo com a presente invenção é utilizado onde há altas exigências quanto à capacidade do tempo real e de segurança e onde deve ser alcançado o máximo de transmissão de dados eficiente e segura ou grandes alcances com poucas estações de transmissão/recepção, por exemplo, na mineração, em instalações de tensão média ou de tensão alta ou na eletrônica industrial, especialmente na técnica de automatização.

[0056] Como aperfeiçoamento da presente invenção pode ser utilizado o circuito de acoplamento indutivo no escopo de uma rede de tempo real de controles (também controle em tempo real com operação mista através de Ethernet e Powerline) onde a capacidade de sincronização dos usuários (por exemplo, acionamentos, E/A sápidos, sensores, atuadores, sistemas de visão) entre si e o processamento de dados em ciclo de regulação dos acionamentos é pré-requisito. O circuito de acoplamento indutivo pode ser disposto em armários de distribuição e em outros lugares.

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Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Circuito de acoplamento indutivo para a transmissão de comunicações em redes de distribuição de energia elétrica que estão dispostos no trecho de transmissão e que contém uma unidade de acoplamento indutivo (AE), consistindo em um anel (R) que envolve o cabo de energia blindado (K) e uma bobina (SP) indutivamente acoplada com o anel (R), que é ligada a uma estação de transmissão / recepção (SE), e um condutor de descarga (A1) ligado à blindagem (S) e à terra (E) ou ao potencial de compensação, caracterizado pelo fato de que o condutor de descarga (A1) está conectado em série com a unidade de acoplamento indutivo (AE), através do qual a corrente do sinal de comunicação heteródino passa no condutor do cabo de energia (K) e através do qual não resulte em fluxo de corrente na blindagem (S), uma vez que de um dos lados do plano definido para o acoplamento indutivo não há nenhuma ligação condutora para o outro lado, a não ser através do próprio plano e que faz com que na transmissão a corrente do sinal de comunicações seja induzida diretamente no condutor, e na recepção somente é utilizada a corrente no condutor e uma pluralidade de estações do transformador são ligáveis em ponte, isentas da incorporação de uma estação de transmissão / recepção (SE).
2. Circuito de acoplamento indutivo para a transmissão de comunicações em redes de distribuição de energia elétrica disposto no trecho de transmissão e que possui uma unidade de acoplamento indutivo (AE) consistindo de um anel (R) que envolve o cabo de energia blindado (K) e uma bobina (SP) indutivamente acoplada ao anel (R) que é ligada a uma estação de transmissão / recepção (SE) e um condutor de descarga (A) ligado à blindagem (S) e à terra (E) ou ao potencial de compensação, caracterizado pelo fato de que

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2/4 o caminho de linha do condutor de descarga (A) retorna pelo núcleo toroidal (R), de tal modo que através do plano definido pela unidade de acoplamento indutivo (AE) passa a corrente do sinal de comunicação heteródino no condutor do cabo de energia (K), uma contracorrente e/ou interferências induzidas na blindagem (S) e a contracorrente idêntica e/ou interferências induzidas em direção oposta, razão pela qual se compensa o campo magnético das duas correntes mencionadas como último, e a unidade de acoplamento indutivo (AE) na transmissão induz a corrente do sinal de comunicação diretamente no condutor, e durante a recepção somente utiliza a corrente no condutor e uma pluralidade de estações do transformador são ligáveis em ponte, isento da incorporação de uma estação de transmissão / recepção (SE).
3. Circuito de acoplamento indutivo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a unidade de acoplamento indutivo (AE) é disposto em uma estação do transformador e que o anel (R) é executado como núcleo toroidal ou como anel de material sintético com bobina enrolada.
4. Circuito de acoplamento indutivo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que em um trecho de transmissão com vários cabos de terra todas as unidades de acoplamento indutivo (AE) são inseridas na mesma fase.
5. Circuito de acoplamento indutivo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a unidade de acoplamento indutivo (AE) é inserida sobre todas as fases.
6. Circuito de acoplamento indutivo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a unidade de acoplamento indutivo (AE) é inserida na linha adutora para o transformador (T).
7. Método para a transmissão de comunicações em redes

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3/4 de distribuição de energia elétrica com cabos de energia blindados (K) e com um circuito de acoplamento indutivo com unidade de acoplamento (AE) conectada a este, consistindo em um anel (R) que envolve o cabo de energia blindado (K) e uma bobina (SP) indutivamente acoplada com o anel (R), que é ligada a uma estação de transmissão / recepção (SE), e um condutor de descarga (A1) ligado à blindagem (S) e à terra (E) ou ao potencial de compensação, caracterizado pelo fato de que o condutor de descarga (A1) está conectado em série com a unidade de acoplamento indutivo (AE), através do qual a corrente do sinal de comunicação heteródino passa no condutor do cabo de energia (K) e que o acoplamento / desacoplamento indutivo do sinal de comunicação ocorre de tal modo através de um plano definido pela unidade de acoplamento indutivo (AE) que na blindagem (S) não se produz nenhum fluxo de corrente, sendo que de um lado do plano definido para o acoplamento indutivo não existe ligação condutora para o outro lado, a não ser através do próprio plano, de modo que na transmissão a corrente do sinal de comunicação é induzida diretamente para dentro do condutor e, na recepção, somente é utilizada a corrente no condutor e uma pluralidade de estações do transformador são ligáveis em ponte, isento da incorporação de uma estação de transmissão / recepção (SE).
8. Método para a transmissão de comunicações em redes de distribuição de energia elétrica com cabos de energia blindados (K) e com um circuito de acoplamento indutivo com unidade de acoplamento (AE) conectada a este, consistindo em um anel (R) que envolve o cabo de energia blindado (K) e uma bobina (SP) indutivamente acoplada com o anel (R), que é ligada a uma estação de transmissão / recepção (SE), e um condutor de descarga (A1) ligado à blindagem (S) e à terra (E) ou ao potencial de compensação caracterizado pelo fato

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4/4 de que o caminho de linha do condutor de descarga (A) retorna pelo núcleo toroidal (R) e o acoplamento / desacoplamento indutivo do sinal de comunicação ocorre de tal modo, que através de um plano definido pela unidade de acoplamento indutivo (AE) do circuito de acoplamento fluem em direção oposta o sinal útil heteródino no condutor do cabo de energia (K), uma contracorrente e / ou interferências induzidas na blindagem (S), e a contracorrente idêntica e/ou interferências induzidas, razão pela qual o campo magnético das duas correntes mencionadas em último lugar se compensa, e a unidade de acoplamento indutivo (AE), durante a transmissão, induz diretamente no condutor a corrente do sinal de comunicação, e, durante a recepção apenas utiliza a corrente no condutor e uma pluralidade de estações do transformador são ligáveis em ponte, isento da incorporação de uma estação de transmissão / recepção (SE).

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