DE19817575A1

DE19817575A1 - Kapazitives Koppelkabel zur Signalübertragung auf Hoch- und Mittelspannungsstromleitungen

Info

Publication number: DE19817575A1
Application number: DE1998117575
Authority: DE
Inventors: Josef Lehmann; Bruno Sabbattini
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 1998-04-20
Filing date: 1998-04-20
Publication date: 1999-10-21
Also published as: EP0952681A2; EP0952681A3; JP2000030545A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Signalübertragung über Stromleitungen (PLC = "power line communication"). Zur vereinfachten Signaleinkopplung von Schaltstationen 1, 1' in Freiluftleitungen 2a oder Stromkabel 2b auf Hoch- oder Mittelspannungsebene wird vorgeschlagen, ein modifiziertes spannungsisoliertes Koppelkabel 12 als Koppelkondensator KK zu verwenden. Die Einkopplung erfolgt von den Abschirmungen 11; 11a 11b, 11c; 111, 112; 13 auf die Phasenleiter 10;10a, 10b, 10c; 101, 102 des Koppelkabels 12 und von dort in die Phasen der Stromleitung 2a, 2b, 5. Es werden auch Konfigurationen zur Überbrückung von Schaltern in Unterstationen 1' ohne Kommunikationsbedarf angegeben.

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Kommunikation über Strom versorgungsnetze. Sie geht aus von einer Vorrichtung zur Signalübertragung über Stromleitungen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

STAND DER TECHNIK

Die Erfindung hat eine vereinfachte Vorrichtung zur Signaleinkopplung in Freiluftleitungen oder Stromkabel auf Hoch- oder Mittelspannungsebene zum Gegenstand. Die Verwendung bestehender Energieverteilungsnetze zur Daten kommunikation ist von grosser wirtschaftlicher Bedeutung. Elektrizitätsversor gungsunternehmen möchten ohne Neuinstallation von Leitungen beispielsweise Einrichtungen des Stromverteilungsnetzes abfragen und fernbedienen oder durch Fernabfragen und -steuerungen bei Endverbrauchern die Auslastung des Netzes optimieren. Auch können bestehende Leitungen als Nachrichtenkanäle verwendet oder Dritten angeboten werden.

Die Erfindung nimmt auf einen Stand der Technik Bezug, wie er in Fig. 1 skiz ziert ist. In einer Energieverteilungsanlage 1, z. B. einer Schaltstation, Trans formatorenstation o. ä., wird über eine Freiluft- oder Überlandleitung 2a und/ oder über ein Stromkabel 2b mit Abschirmung 3 elektrische Energie zugeführt und bedarfsweise über Schalter 4, eine Sammelschiene S oder Zuleitung 5 und einen Transformator 6 an Verbraucher 7 weitergeleitet. Im Falle eines Orts transformators 1 handelt es sich typischerweise um eine Mittelspannungs- Überlandleitung 2a, ein Mittelspannungskabel 2b, eine Sammelschiene S oder Zuleitung 5 und einen Mittelspannungs/Niederspannungs-Transformator mit jeweils drei Phasen sowie beim Verbraucher um eine Niederspannungsvertei lung 7. Es ist nun bestens bekannt, Signale einer Kommunikationselektronik 8 über einen Signaltransformator 9 einem Koppelkondensator KK zuzuführen und über den Koppelkondensator KK kapazitiv einem Phasenleiter der Über landleitung 2a oder des Stromkabels 2b aufzumodulieren. Problematisch sind hierbei der grosse Isolationsaufwand und der Platzbedarf eines Hoch- oder Mit telspannungs-Koppelkondensators KK und die dadurch bedingten Kosten.

In der deutschen Patentschrift DE 196 48 382 C1 werden ein Verfahren und ei ne Vorrichtung zur Signalübertragung über Stromversorgungsleitungen offenge legt, bei welchem Kommunikationssignale über die Phasenleiterschirme oder gegebenenfalls die Kabelabschirmung von Stromkabeln übertragen werden. Die Signale werden über induktive Koppler auf die Abschirmungen aufmoduliert. Entlang der Übertragungsstrecke sind die Abschirmungen über induktive Impe danzen oder Drosseln geerdet, so dass die hochfrequenten Signale verlustarm weitergeleitet werden. Zur Überbrückung geöffneter Schalter sind durchgehende Abschirmungen oder galvanisch getrennte, über induktive Ein- und Auskoppler verbundene Abschirmungen vorgesehen. Offensichtlich ist dieses Verfahren nur bei Stromkabeln mit Abschirmungen anwendbar und für ungeschirmte Über landleitungen ungeeignet. Gegebenenfalls besteht auch die Möglichkeit einer kapazitiven Kopplung über einen geöffneten Schalter. Hierbei werden kapaziti ve Kopplungen zwischen dem Kabelschirm und einem Phasenleiter entlang der Übertragungsstrecke und zwischen den Phasenkontakten des offenen Schalters ausgenutzt. Wesentliche Nachteile bestehen darin, dass die Schalterkapazitäten klein und oftmals ungenügend sind und dass ein konventioneller Koppelkonden sator zwischen Phasenleiter und Empfangsstation vorgesehen ist. Gänzlich un befriedigend ist es, wenn zur Überbrückung von Schaltern in einer Überlandlei tung Paare von konventionellen Koppelkondensatoren benötigt werden.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Signalübertra gung über Stromleitungen eines Mittel- oder Hochspannungsnetzes anzugeben, welche sich durch einen kostengünstigen, platzsparenden und effizienten kapa zitiven Signalkoppler auszeichnet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Kern der Erfindung ist es nämlich, zur Einkopplung von Signalen einer Kom munikationelektronik in eine Phase einer Stromleitung ein spannungsfestes Koppelkabel vorzusehen, dessen Phasenleiter mit der Phase der Stromleitung und dessen Abschirmung mit einem Signalkoppler der Kommunikationselek tronik in elektrischer Verbindung steht.

Wichtige Ausführungsbeispiele betreffen bevorzugte Anordnungen des Koppel kabels in Energieverteilungsanlagen zwischen einer hereinkommenden Strom leitung und einem Lasttrenner oder in der Zuleitung zwischen einem Lasttren ner und einem Verteiltransformator, ferner die Kombination zweier Koppelkabel zur Signalüberbrückung von Lasttrennern.

Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf bevorzugte Typen von Koppel kabeln (ein- oder mehrphasiges Mittelspannungskabel, ein- oder mehrphasiges Hochspannungskabel) und Beschaltungen der Abschirmung (gleichtakt oder ge gentakt angeschlossene Phasenleiterschirme).

Zusätzliche Ausführungsbeispiele ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und durch Kombinationen erfindungswesentlicher Merkmale.

Ein wichtiger Vorteil der Signalübertragungseinrichtung besteht darin, dass voluminöse, hochspannungsisolierte Koppelkondensatoren durch geringfügig modifizierte Stromkabel ersetzt werden können.

Ein weiterer Vorteil ist es, dass mit erfindungsgemässen Koppelkabeln eine Sig naleinkopplung in ungeschirmte Überlandleitungen und eine nachrichtentech nische Überbrückung von Lasttrennern auf einfache Weise realisierbar sind.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen schematisch:

Fig. 1 eine Transformatorenstation mit einem konventionellen Koppelkon densator zur kapazitiven Signaleinkopplung in die Phase einer Stromleitung (Stand der Technik);

Fig. 2, 4 Transformatorenstationen mit einem erfindungsgemässen Koppel kabel als Koppelkondensator;

Fig. 3 ein Koppelkabel in Form eines dreiphasigen Mittelspannungskabels;

Fig. 5 eine Transformatorenstation mit zwei erfindungsgemässen Koppel kabeln zur Überbrückung eines Schalters.

In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung hat eine Vorrichtung zur Signalübertragung über Stromleitun gen 2a, 2b eines Mittel- oder Hochspannungsnetzes zum Gegenstand. Die Vor richtung umfasst eine Kommunikationselektronik 8 mit mindestens einem Sig nalkoppler 9 und mindestens einem Koppelkondensator zur Signaleinkopplung in mindestens eine Phase der Stromleitung 2a, 2b, 5. Als Koppelkondensator ist ein Koppelkabel 12 vorgesehen, welches einen Phasenleiter 10; 10a, 10b, 10c; 101, 102 und eine Abschirmung 11; 11a, 11b, 11c; 111, 112; 13 aufweist. Der Phasenleiter 10; 10a, 10b, 10c; 101, 102 des Koppelkabels 12 steht mit der Pha se der Stromleftung 2a, 2b, 5 und die Abschirmung 11; 11a, 11b, 11c; 111, 112; 13 des Koppelkabels 12 mit dem Signalkoppler 9 in elektrischer Verbindung. Bevorzugt ist jede Phase der Stromleitung 2a, 2b, 5 mit je einem Phasenleiter 10; 10a, 10b, 10c; 101, 102 des Koppelkabels 12 elektrisch verbunden, besteht die Abschirmung aus einem oder mehreren Phasenleiterschirmen 11; 11a, 11b, 11c; 111, 112 und sind die Phasenleiterschirme 11; 11a, 11b, 11c; 111, 112 mit einander im Gleichtakt oder zueinander im Gegentakt an den Signalkoppler 9 angeschlossen.

In Fig. 2 ist als erstes Ausführungsbeispiel eine Energieverteilungsanlage 1 dargestellt, bei welcher anstelle eines konventionellen Koppelkondensators KK ein Koppelkabel 12 zwischen-einer Durchführung D einer Überlandleitung 2a und einem Schalter 4 angeordnet ist. Hierbei ist ein Phasenleiter 10 des Kop pelkabels 12 elektrisch leitend in die Phase der Überlandleitung 2a eingefügt und mindestens eine Abschirmung 11 des Koppelkabels 12 mit dem Signalkopp ler 9 elektrisch leitend verbunden. Die erfindungsgemässe Signaleinkopplung in eine Phase der Stromleitung 2a, 2b, 5 ist besonders vorteilhaft im Falle von Überlandleitungen 2a, weil diese i. a. ungeschirmt sind, keinen Erdleiter mit führen oder aber mit Erdleitern versehen sind, die an jedem Masten auf Erde gelegt und daher für die Kommunikation unbrauchbar sind.

Ausser bei Überlandleitungen 2a kann die Erfindung auch bei Stromkabeln 2b mit geerdeten Kabel- oder Phasenabschirmungen 3 angewendet werden. Dabei ist das Koppelkabel 12 zwischen einem Kabelabgang des Stromkabels 2b und dem Schalter 4 angeordnet. Es ist wichtig, dass die Phasenleiterschirme 11 des Koppelkabels 12 von den Abschirmungen 3, insbesondere den Phasenabschir mungen 3, des Stromkabels 2b elektrisch isoliert sind.

Die Wirkungsweise des Koppelkabels 12 als Koppelkondensator beruht darauf, dass zwischen der mindestens einen Abschirmung 11a, 11b, 11c, 13 und dem mindestens einen Phasenleiter 10a, 10b, 10c eine Kapazität besteht, über die Signale kapazitiv in mindestens eine Phase der Überlandleitung 2a eingekop pelt werden können. Die Grösse der Koppelkapazität hängt von der relativen geometrischen Anordnung der Abschirmung(en) 11a, 11b, 11c, 13 zu dem oder den Phasenleiter(n) 10a, 10b, 10c, in welche die Signale eingespeist werden, sowie von der Länge der Koppelstrecke bzw. des Koppelkabels 12 ab. Die Sig nale können auch zwischen verschiedenen Phasenleitern 10a, 10b, 10c des Kop pelkabels 12 oder zwischen verschiedenen Phasen der Überlandleitung 2a über koppeln.

Typische Kapazitäten zwischen einem Phasenleiter 10a, 10b, 10c und einem Phasenleiterschirm 11a, 11b, 11c betragen bei Hoch- oder Mittelspannungska beln 12 150 nF/km bis 500 nF/km. Die Kapazität des Koppelkabels soll für eine effiziente Ein- und Auskopplung grösser als 1 nF sein und z. B. im Bereich von 1 nF bis 30 nF, bevorzugt 1 nF bis 10 nF liegen. Günstigerweise wird das Kop pelkabel 12 direkt in einer Energieverteilungsanlage 1 verlegt und soll daher möglichst kurz sein. Eine vorteilhafte Wahl der Kabellänge L ist daher L < 2 m, bevorzugt 2 m < L < 20 m, besonders bevorzugt 4 m bis 10 m.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Koppelkabels 12 in Form eines Mit telspannungskabels 12 mit drei Phasenleitern 10a, 10b, 10c, die jeweils einen leitenden, isolierten und geerdeten Phasenleiterschirm 11a, 11b, 11c aufweisen, in einem Isolator 14 eingebettet sind und von einem gemeinsamen leitenden, geerdeten, aussenisolierten Kabelschirm 13 umgeben sind. Bei dem Koppelkabel 12 kann es sich auch um ein ein- oder mehrphasiges Mittel- oder Hochspan nungskabel handeln. Die erfindungsgemässe Modifikation des Kabels 12 be steht darin, dass wenigstens eine der Abschirmungen 11a, 11b, 11c oder 13 über den Signalkoppler 9, vorzugsweise einen einseitig geerdeten induktiven Koppler 9 oder Signaltransformator 9 zum Senden und/oder Empfangen, mit der Kom munikationselektronik 8 elektrisch leitend verbunden ist (gestrichelte Darstel lung). Bevorzugt ist der Signaltransformator 9 mit einem Phasenleiterschirm 11a, 11b, 11c, insbesondere mit allen Phasenleiterschirmen 11a, 11b, 11c (Gleichtakt-Signalübertragung) verbunden. Die Signalübertragung über meh rere Phasen ist besonders immun gegen Unterbrechungen einzelner Phasen. Die Signalrückleitung erfolgt über die Erde. Hierbei kann die grosse Impedanz der Erde nachteilig sein. Als Alternative ist deshalb auch eine gegenphasige Si gnaleinkopplung (Gegentakt-Signalübertragung) auf zwei oder zwei Gruppen von Phasenleiterschirmen 11a, 11c möglich (durchgezogene Darstellung). Die aus dem Stand der Technik an sich bekannten Methoden der Gleichtakt- und Gegentakt-Signalübertragung sind also mit dem erfindungsgemässen Koppel kabel 12 besonders einfach realisierbar.

In Fig. 4 ist eine erfindungsgemässe Anordnung des Koppelkabels 12 in einer Zuleitung 5 zwischen der Sammelschiene S und einem Verteiltransformator 6 einer Energieverteilungsanlage 1 gezeigt. Das Koppelkabel 12 kann in die Zu leitung 5 eingefügt sein oder die Zuleitung 5 ersetzen. Beispielhaft sind alle drei Phasenschirme 11a, 11b, 11c für einen Gleichtakt-Betrieb mit dem Signal transformator 9 zusammengeschlossen.

Es ist auch denkbar, in einer Phase der Zuleitung 5 oder Stromleitung 2a, 2b eine nicht dargestellte T-förmige Verzweigung vorzusehen und mindestens ei nen Phasenleiter 10; 10a, 10b, 10c des Koppelkabels 12 an die T-förmige Ver zweigung einseitig anzuhängen und die Abschirmungen 10; 10a, 10b, 10c wie zuvor beschrieben zu kontaktieren. Auf diese Weise kann ein besonders platz sparender Einbau realisiert werden. Auch ist es problemlos möglich, ein Kop pelkabel 12 mit einer einzigen Phase 10a zur Signaleinkopplung in eine mehr phasige Stromleitung 2a, 2b, 5 zu verwenden. Im Normalfall wird allerdings das Koppelkabel 12 die gleiche Anzahl Phasen 10; 10a, 10b, 10c aufweisen wie die Stromleitung 2a, 2b, 5.

Fig. 5 betrifft eine Ausführungsform mit zwei Koppelkabeln 12 zur nachrichten technischen Überbrückung mindestens eines Schalters 4, z. B. eines Lasttren ners 4, einer Energieverteilungsanlage 1 mit Kommunikationsbedarf (8, 9, ge strichelt angedeutet) oder ohne Kommunikationsbedarf. Die Koppelkabel 12 sind mit den Phasenleitern 101, 102 beidseits des mindestens einen Schalters 4 angeordnet und die Abschirmungen 111, 112 der Koppelkabel 12 sind miteinan der elektrisch leitend verbunden. Dabei können die Abschirmungen 111, 112 eins-zu-eins, über Kreuz, verzweigungsförmig oder zusammenführend mitein ander verbunden sein.

Wichtige Vorteile des erfindungsgemässen Koppelkabels 12 betreffen: die viel fältige Signaleinkopplung in eine oder mehrere Phasen oder auf einen Erdleiter der Stromleitung 2a, 2b, 5; die geometrische Flexibilität und einfache Verleg barkeit des Koppelkabels 12; und die einfache Nachrüstbarkeit bestehender Energieverteilungsanlagen 1, wobei die ursprüngliche Anordnung von Stromka beln und Erdanschlüssen beibehalten werden kann.

Insgesamt ergibt sich durch die Verwendung eines modifizierten Koppelkabels 12 als Koppelkondensator KK eine sehr kompakte, einfach zu montierende und effiziente Signaleinkopplung in Stromleitungen 2a, 2b, 5. Die Erfindung eignet sich besonders gut für die digitale Signalübertragung über die Phasen von Hoch- und Mittelspannungsleitungen.

Bezugszeichenliste

1

,

1

' Energieverteilungsanlage, Schaltstation, Transformatorenstation

1

' Energieverteilungsanlage ohne Kommunikationsbedarf

2

a,

2

b,

5

Stromleitung

2

a (Hoch/Mittelspannungs-) Überlandleitung, Freiluftleitung

2

b Stromkabel, Hoch/Mittelspannungskabel

3

Stromkabel-Abschirmungen

4

Schalter

5

Zuleitung

6

Mittel/Niederspannungs-Transformator

7

Verbraucher, Niederspannungsverteilung

8

Kommunikationselektronik

9

Signaltransformator

10

;

10

a,

10

b,

10

c;

101

,

102

Einkoppelstrecken, Phasenleiter

11

;

11

a,

11

b,

11

c;

111

,

112

;

13

Einkoppelabschirmungen, Phasenleiterschirme

12

Koppelkabel; dreiphasiges Hoch-, Mittelspannungskabel

13

Kabelabschirmung

14

Isolation
D Durchführung
KK Koppelkondensator (Stand der Technik)
L, L₁

, L₂

Länge der Einkoppelstrecke, des Koppelkabels
S Stromleitung, Sammelschiene

Claims

1. Vorrichtung zur Signalübertragung über Stromleitungen (2a, 2b) eines Mittel- oder Hochspannungsnetzes, umfassend eine Kommunikationselek tronik (8) mit mindestens einem Signalkoppler (9) und mindestens einem Koppelkondensator zur Signaleinkopplung in mindestens eine Phase der Stromleitung (2a, 2b, 5), dadurch gekennzeichnet, dass

a) als Koppelkondensator ein Koppelkabel (12) vorgesehen ist, welches einen Phasenleiter (10; 10a, 10b, 10c; 101, 102) und eine Abschirmung (11; 11a, 11b, 11c; 111, 112; 13) aufweist,
b) der Phasenleiter (10; 10a, 10b, 10c; 101, 102) des Koppelkabels (12) mit der Phase der Stromleitung (2a, 2b, 5) in elektrischer Verbindung steht und
c) die Abschirmung (11; 11a, 11b, 11c; 111, 112; 13) des Koppelkabels (12) mit dem Signalkoppler (9) in elektrischer Verbindung steht.

2. Vorrichtung zur Signalübertragung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass

a) jede Phase der Stromleitung (2a, 2b, 5) mit je einem Phasenleiter (10; 10a, 10b, 10c; 101, 102) des Koppelkabels (12) elektrisch verbunden ist,
b) die Abschirmung aus einem oder mehreren Phasenleiterschirmen (11; 11a, 11b, 11c; 111, 112) besteht und
c) die Phasenleiterschirme (11; 11a, 11b, 11c; 111, 112) miteinander im Gleichtakt oder zueinander im Gegentakt an den Signalkoppler (9) an geschlossen sind.

3. Vorrichtung zur Signalübertragung nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, dass

a) das Koppelkabel (12) eine Länge (L, L₁, L₂) zwischen 2 m und 20 m, bevorzugt zwischen 4 m und 10 m, hat und
b) der Signalkoppler ein Transformator (9) zum Senden und/oder Emp fangen ist.

4. Vorrichtung zur Signalübertragung nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, dass

a) die Stromleitung eine ungeschirmte Überlandleitung (2a) ist oder
b) die Stromleitung ein Stromkabel (2b) mit geerdeten Phasenabschir mungen ist, welche von den Phasenleiterschirmen (11; 11a, 11b, 11c; 111, 112) des Koppelkabels (12) elektrisch isoliert sind.

5. Vorrichtung zur Signalübertragung nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, dass

a) das Koppelkabel (12) ein ein- oder mehrphasiges Mittelspannungska bel (12) oder ein ein- oder mehrphasiges Hochspannungskabel ist und
b) das Koppelkabel (12) im Innern einer Energieverteilungsanlage (1) verlegt ist.

6. Vorrichtung zur Signalübertragung nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, dass

a) das Koppelkabel (12) zwischen einer Durchführung oder einem Ka belabgang und einem Schalter (4) einer Energieverteilungsanlage (1) angeordnet ist oder
b) das Koppelkabel (12) in einer Zuleitung (5) zwischen einer Sammel schiene (S) und einem Verteiltransformator (6) einer Energievertei lungsanlage (1) angeordnet ist.

7. Vorrichtung zur Signalübertragung nach einem der Ansprüche 1-6, da durch gekennzeichnet, dass

a) zwei Koppelkabel (12) zur Überbrückung mindestens eines Schalters (4) einer Energieverteilungsanlage (1) mit oder ohne Kommunikati onsbedarf vorgesehen sind,
b) die Koppelkabel (12) beidseits des Schalters (4) angeordnet sind und
c) die Abschirmungen (11; 11a, 11b, 11c; 111, 112; 13) der Koppelkabel (12) miteinander elektrisch leitend verbunden sind.