ES2274887T3 - Aparato y metodo que permite la comunicacion de una señal de datos por medio de un cable de transmision de energia. - Google Patents

Abstract

Aparato para permitir la comunicación de una señal de datos por medio de un cable de transmisión de energía eléctrica (300; 500) que tenga un primer conductor neutral (410; 602) y un segundo conductor neutral (420; 602) y que conste de:un núcleo magnético (400; 400A, 400B; 605; 620) para su colocación sobre dichos primero y segundo conductores neutrales; y un devanado (425; 608) enrollado alrededor de una porción de dicho núcleo magnético (400; 400A, 400B; 605; 620); en el que dicha señal de datos se acopla inductivamente entre dicho primer conductor neutral (410; 602) y un puerto de datos, y entre dicho segundo conductor neutral (420; 602) y dicho puerto de datos, por medio de dicho núcleo magnético (400; 400A, 400B; 605; 620) y de dicho devanado (425; 608), y en el que dicha señal de datos es accionada diferencialmente a través de dichos conductores primero y segundo neutrales.

Description

Aparato y método que permite la comunicación de una señal de datos por medio de un cable de transmisión de energía.

La presente invención hace referencia a la comunicación de una señal de datos a través de un sistema de distribución de energía eléctrica, y más en particular, al uso de un acoplador inductivo para acoplar una señal de datos por medio de un conductor en un cable de transmisión de energía eléctrica.

Las líneas de energía eléctrica de baja tensión (BT) dentro de los confines de un hogar o de una empresa se han utilizado como medio para las comunicaciones de red o de punto a punto utilizando los denominados sistemas "carrier" (portadora) en los que una señal de datos se modula en una portadora de alta frecuencia (HF) y se transmite a lo largo de las líneas de energía eléctrica. El acceso a Internet, que requiere conectividad de "última milla" entre la línea troncal de datos de Internet y cada domicilio, mejorarían enormemente la utilidad de dichas redes.

Una tensión media (MT) típica de 4-66 kV se reduce a una baja tensión (BT) típica de 100-500 voltios, por medio de un transformador de distribución MT-BT. Una red de distribución de energía eléctrica de media tensión alimenta a muchos hogares y empresas por medio de transformadores de distribución. Si los datos están presentes en la red de energía eléctrica de media tensión, sería deseable acoplar los flujos de datos de banda ancha de las subestaciones de transformador a secciones completas de un vecindario, pero los transformadores de distribución bloquean con eficacia la energía eléctrica de alta frecuencia y de este modo bloquean los datos evitando que lleguen a las líneas descendentes de BT.

En países que utilizan tensiones bajas nominales de 125 voltios o inferiores, como en Norteamérica, las líneas descendentes desde el transformador de distribución hasta la carga eléctrica en el hogar o en la empresa se mantienen normalmente inferiores a unos 50 metros, con el fin de minimizar la caída de tensión en las líneas y preservar la regulación de la tensión adecuada. Típicamente, sólo de uno a diez hogares o empresas son alimentados desde cada transformador de distribución. Para un número tan pequeño de usuarios potenciales, no es económico procurar una alimentación costosa de alta velocidad de transmisión de los datos, como la fibra o T1, y acoplarla mediante dispositivos de comunicación de la línea de energía eléctrica al lado de baja tensión del transformador. Consecuentemente, con el fin de explotar la red de distribución de media tensión como un canal de backhaul de los datos, se requiere un dispositivo para evitar el transformador de distribución.

En un sistema de distribución de energía eléctrica, una alta tensión (AT) típica de 100-800 kV, se reduce a una tensión media por medio de un transformador de bajada AT-MT en una subestación de transformadores. Las características de bloqueo de alta frecuencia de los transformadores de distribución aíslan la red de distribución de energía eléctrica de media tensión del ruido de alta frecuencia presente tanto en las líneas de baja tensión como en las de alta tensión (AT). La red de media tensión es de este modo un medio relativamente callado, ideal para comunicar datos a alta velocidad como un sistema de distribución de datos o una "línea de backhaul".

Los transformadores arriba mencionados bloquean prácticamente toda la energía eléctrica de la gama de frecuencias en megahercios. Con el fin de acoplar los datos modulados de alta frecuencia de las líneas MT a las líneas BT, debe instalarse un dispositivo de bypass en el emplazamiento de cada transformador. Hay dispositivos disponibles actualmente y se utilizan para aplicaciones de acoplamiento de datos con una baja velocidad de transferencia de baja frecuencia. Dichas aplicaciones a menudo se denominan Comunicaciones a través de Líneas de Energía eléctrica (PLC). Estos dispositivos incluyen típicamente un condensador de acoplamiento en serie de alta tensión, que debe soportar una Carga de Impulso Básico (BIL), típicamente por encima de 50 kV. Dichos dispositivos son costosos, voluminosos y tienen impacto sobre la fiabilidad de la red de energía eléctrica global. Además, en algunos casos, durante su instalación requieren desconectar la energía eléctrica de los clientes.

En países que tienen una tensión baja nominal en la gama de 100-120 voltios, como Japón y los Estados Unidos, el número de transformadores de distribución es especialmente grande. Ese es el motivo por el que los transformadores de distribución MT-BT se colocan relativamente cerca de la carga para mantener baja la resistencia de alimentación. Se desea una resistencia de alimentación baja para mantener un nivel razonable de regulación de tensión, es decir, una variación mínima en la tensión de suministro con corrientes de carga variables. Las líneas de alimentación BT para distancias muy superiores a 50 metros requerirían cables impracticablemente gruesos.

Para que un acoplador de datos sea efectivo, debe considerarse en el contexto en el que opera en conjunción con las características de alta frecuencia de las líneas de energía eléctrica MT y con otros componentes conectados a dichas líneas, como transformadores, condensadores de corrección del factor de energía eléctrica, condensadores de acoplamiento PLC e interruptores de desconexión. Estos componentes operan a diferentes tensiones en diferentes países y regiones. El nivel de tensión operativa tiene un impacto directo en la geometría de la construcción de los dispositivos de energía eléctrica de media tensión y la impedancia terminal de estos dispositivos en frecuencias de megahercios. Otros factores que afectan a las señales de alta frecuencia en las líneas de energía eléctrica MT incluyen la geometría de la red, por ejemplo, la bifurcación, el uso de cables subterráneos con impedancia muy baja que conectan con las líneas aéreas con alta impedancia, y la posibilidad de la división de una red en sub-redes debido a la actuación de un interruptor de desconexión. Por consiguiente, la idoneidad de un dispositivo acoplador MT-BT debe ser considerada en el contexto de las características específicas del equipo utilizado en cada país y del nivel de tensión MT.

Las líneas de transmisión aéreas se caracterizan por dos o más cables que corren a una distancia esencialmente constante, con aire-dieléctrico entre ellos. Dichas líneas tienen una impedancia característica con un rango de 300 a 500 ohmios, y una pérdida muy baja. Los cables subterráneos coaxiales constan de un conductor central rodeado de un dieléctrico, sobre el que se enrollan conductores neutros. Dichos cables tienen una impedancia característica con un rango de 20 a 40 ohmios, y muestran pérdidas de señales de megahercios que pueden ser tan bajas como 2 dB por cien metros de longitud, dependiendo de las propiedades de pérdida del dieléctrico.

Un transformador de distribución MT-BT, bien diseñado para funcionamiento de monofásico a neutro o de fase a fase en una red trifásica, tiene un devanado primario en el lado MT que aparece que tiene una impedancia con un rango de 40 a 300 ohmios para frecuencias por encima de 10 MHz. Los condensadores para la corrección del factor de potencia tienen grandes valores de capacitancia nominal (por ejemplo, 0,05-1 uF), pero su impedancia de alta frecuencia está determinada fundamentalmente por inductancia en serie inherente a su construcción. Los condensadores de acoplamiento PLC tienen capacitancias nominales menores, por ejemplo, 2,2-10 nF, pero pueden tener impedancias de alta frecuencias que son relativamente bajas en relación con la impedancia característica del cable de energía eléctrica. Cualquiera de los dispositivos arriba mencionados pueden producir un resonancia en el rango de megahercios, es decir, la parte imaginaria de una impedancia compleja se convierte en cero ohmios, pero los dispositivos no tienen factores Q elevados en estas frecuencias, y por lo tanto la magnitud de la impedancia típicamente no se aproxima a cero para una resonancia serie o un valor sumamente alto para una resonancia paralela.

Otro dispositivo utilizado en redes MT, especialmente en Japón, es un interruptor de desconexión trifásico controlado a distancia. Cuando una señal de datos se transmite a través de una línea de fase que pasa a través de dicho interruptor, es necesario mantener la continuidad de los datos incluso cuando la línea de fase se abra a través del interruptor.

EP 0 978 952 A2 revela una red de transmisión de energía eléctrica que incluye medios de entrada para la entrada de una señal de telecomunicación en un conductor neutro de la red y medios de salida para eliminar dicha señal de telecomunicación de la red.

EP 0 889 602 A2 revela un sistema de transmisión de datos para la transmisión de datos por medio del blindaje de un cable de transmisión de energía eléctrica.

US-A-4 433 326 revela un sistema de comunicación a través de una línea de energía eléctrica que utiliza un circuito derivado de un Sistema de Distribución de Energía eléctrica de CA dentro de un edificio para la transmisión de datos. Los datos se transmiten por medio de un enlace de comunicación que se forma solamente por el conductor neutro del circuito derivado y por un conductor a tierra adicional.

Es objeto de la presente invención proporcionar un acoplador mejorado para acoplar una señal de datos a un conductor en un cable de transmisión de energía eléctrica.

Otro objeto de la presente invención es proporcionar un acoplador que no sea costoso y que tenga una capacidad de transferencia de datos elevada.

Otro objeto de la presente invención es proporcionar un acoplador que pueda instalarse sin interrumpir el servicio de energía eléctrica a los clientes.

Otro objeto adicional de la presente invención es proporcionar un acoplador que utilice solamente componentes pasivos que tengan una vida de servicio virtualmente ilimitada.

Estos y otros objetos de la presente invención se logran por medio de un aparato según lo establecido en la reivindicación 1 y por medio de un método
según lo establecido en la reivindicación 15.

La Fig. 1 es una ilustración de un cable típico de distribución coaxial subterráneo de media tensión, que muestra un hilo neutro que se utiliza como un medio de comunicación, de conformidad con la presente invención.

La Fig. 2A es una ilustración de una disposición de una línea de transmisión 15 con un solo extremo que utiliza un único hilo neutro para la comunicación de datos, de conformidad con la presente invención.

La Fig. 2B es una representación esquemática de la disposición de la Fig. 2A.

La Fig. 3A es una ilustración de un cable de transmisión de energía eléctrica en el que dos hilos neutros se utilizan como una línea de transmisión para la comunicación de una señal de datos, de conformidad con la presente invención.

La Fig. 3B es una representación esquemática de la disposición mostrada en la Fig. 3A.

La Fig. 3C es una representación esquemática de una alternativa a la disposición mostrada en la Fig. 3A que utiliza una pluralidad de hilos neutros para formar una línea de transmisión de datos.

La Fig. 3D es una ilustración de una técnica para implantar la disposición 30 mostrada en la Fig. 3C.

Las Figs. 4A y 4B ilustran las realizaciones de una topología de núcleo magnético para un acoplador para uso con un par de conductores neutros que sean accionados diferencialmente con una señal de datos.

La Fig. 5A es una ilustración de una disposición de un cable que tiene una alta impedancia introducida por medio de la colocación de un núcleo toroidal magnético.

La Fig. 5B es una representación esquemática de la disposición de la Fig. 5A.

Las Figs. 6A-6C son ilustraciones de varias disposiciones de una línea de transmisión balanceada que utiliza dos hilos neutrales e inducción magnética, de conformidad con la presente invención.

La Fig. 6D es una representación esquemática de las disposiciones de las 6A-6C.

La Fig. 7 es una representación esquemática de una línea de transmisión balanceada que utiliza una inducción magnética, de conformidad con la presente invención.

La Fig. 8 es una representación esquemática de una realización de la presente invención que utiliza líneas de transmisión múltiples con múltiples conjuntos de hilos neutrales.

La Fig. 9A es una representación esquemática de un sistema para identificar uno de una pluralidad de hilos de un cable de transmisión de energía eléctrica.

La Fig. 9B es una ilustración de un sistema para identificar uno de una pluralidad de hilos de un cable de transmisión de energía eléctrica.

Las Figs. 10A y 10B son representaciones esquemáticas de porciones de una red de comunicación de datos implantada a través de un sistema de distribución de energía eléctrica, en el que los datos se transportan sobre un conductor de fase del sistema de distribución de energía eléctrica, de conformidad con la presente invención.

La Fig. 11A es una ilustración de una realización de un acoplador inductivo para acoplar datos por medio de un conductor de fase, de conformidad con la presente invención.

La Fig. 11B es una representación esquemática de la realización mostrada en la Fig. 11A.

La Fig. 12A es una representación esquemática de una porción de una red que tiene módems adosados en un acoplador inductivo.

La Fig. 13 es una representación esquemática de una técnica para acoplar pasivamente datos modulados entre segmentos de una red de energía eléctrica, de conformidad con la presente invención.

La Fig. 14 es una representación esquemática de una técnica para acoplar datos modulados entre segmentos de una red de energía eléctrica utilizando módems adosados.

La Fig. 15 es una representación esquemática que muestra varias técnicas para acoplar datos a un conductor de fase de un sistema de distribución de energía eléctrica en una implantación de una red de comunicación de datos, de conformidad con la presente invención.

La Fig. 16A es una representación esquemática de un acoplador capacitivo para terminar el extremo cerrado de una línea de transmisión, de conformidad con la presente invención.

La Fig. 16B es una representación esquemática que usa un acoplador capacitivo para conectar un módem al extremo cerrado de una línea de transmisión, de conformidad con la presente invención.

La Fig. 16C es una representación esquemática de una disposición de un acoplador capacitivo para mantener la continuidad de una señal de datos a través de un interruptor de desconexión de red, de conformidad con la presente invención.

Descripción de la invención

Las líneas de transmisión de media tensión aéreas y subterráneas pueden utilizarse para la transmisión bi-direccional de datos digitales. Dichas líneas de transmisión cubren la trayectoria entre la subestación de transformador de una compañía eléctrica y uno o más transformadores de distribución MT-BT situados por todo el vecindario. Los transformadores de distribución MT-BT disminuyen escalonadamente la energía eléctrica de media tensión a baja tensión, que es después trasladada a los hogares y empresas.

La presente invención hace referencia al uso de un acoplador en una red de media tensión. El acoplador es para permitir la comunicación de una señal de datos por medio de un cable de transmisión de energía eléctrica. Tiene un primer devanado para acoplar la señal de datos mediante un conductor del cable de transmisión de energía eléctrica, y un segundo devanado, acoplado inductivamente al primer devanado, para acoplar la señal de datos mediante un puerto de datos.

Una realización de la presente invención se emplea con un cable de transmisión de energía eléctrica que tiene uno o más hilos neutrales, es decir, conductores, enrollados en torno a una capa externa del cable, similar a un cable coaxial. Uno o más de los hilos neutrales del cable de transmisión de energía eléctrica sirve como conductor para una o más señales de datos.

Otra realización se emplea con un conductor de fase de un cable de transmisión de energía eléctrica. En este caso, el conductor de fase del cable de transmisión de energía eléctrica sirve como conductor para una o más señales de datos.

La Fig. 1 es una ilustración de un cable típico de distribución coaxial subterráneo de media tensión 100 con un acoplador inductivo acoplado al mismo, de conformidad con la presente invención. El cable 100 tiene una multiplicidad de conductores neutros N 105 enrollados espiralmente en torno a un núcleo aislante 120, que rodea un hilo conductor de fase 115. Por ejemplo, en un cable de aluminio X-0802/4202/0692 TRXLPE 25KV 260 mils 1/0 A WG de Pirelli Cable, que está disponible en Pirelli Cavi e Sistemi S.p.A, Viale Sarca, 222, Milán Italia 20126, hay un hilo conductor de fase rodeado de un aislante en torno al cual se enrollan 8 filamentos de cobre con un diámetro de 2,8 mm. Los cables que tienen de 12 a 16 conductores neutros son también comunes.

Los conductores neutros 105 están separados y aislados mutuamente en un segmento de cable. En un extremo del cable 100, un filamento de cada conductor neutral 105 se expone y se enrolla tangencialmente, formando un anillo de hilo de cobre 125 a una corta distancia del extremo del cable, para formar un terminal. Estos filamentos se reúnen en un único hilo trenzado 130 y se conecta a una toma a tierra en un transformador de distribución MT-BT.

Un acoplador 140 ya está aislado del conductor de fase 115, este último certificado para soportar tanto las tensiones transitorias como las constantes para las que el cable está clasificado. Explotar el aislamiento existente obvia el gasto de proporcionarlo nuevamente al acoplador. El acoplador puede ser empaquetado con materiales plásticos ordinarios.

El acoplador 140 incluye un primer devanado (no mostrado en la Fig. 1) y un segundo devanado (no mostrado en la Fig. 1). El primer devanado es proporcionado por el propio cable mientras que el segundo devanado puede constar de una o dos vueltas de hilo trenzado de conexión de pequeño diámetro, con aislamiento mínimo.

En un cable subterráneo, como el cable 100, el uso de un acoplador inductivo 140 es particularmente económico, ya que aprovecha el aislante existente 120 para proporcionar aislamiento de las líneas de media tensión.

Un acoplador inductivo de conformidad con la presente invención también es apropiado para uso con un cable aéreo de transmisión de energía eléctrica. El acoplador inductivo es normalmente menos costoso que un acoplador capacitivo, ya que el aumento del espesor del aislamiento del acoplador inductivo no degrada sustancialmente el rendimiento del acoplador, mientras que el aumento del espesor del aislamiento en el condensador directamente disminuye su capacitancia por superficie unitaria y necesita una superficie de placa mayor. Por consiguiente, en comparación a un acoplador capacitivo, el acoplador inductivo es considerablemente menos costoso de fabricar.

Existen varias realizaciones alternativas de la invención. Para cable subterráneo, pueda incluirse uno o más hilos neutrales del cable subterráneo, que pueden formar líneas de transmisión de alta frecuencia, mientras la función de conducción de la energía eléctrica del hilo o los hilos neutrales seleccionados se mantiene.

La Fig. 2A es una ilustración de una disposición de una línea de transmisión con un solo extremo que utiliza un solo hilo neutro para comunicación de datos, de conformidad con la presente invención. La Fig. 2B es una representación esquemática de la disposición de la Fig. 2A. Un cable 200 incluye una multiplicidad de conductores neutrales 205, por ejemplo, hilos, que pueden ser considerados como una línea de transmisión de datos plana, enrollados en una suave espiral en torno a un aislante de alta tensión 240 y a un conductor de fase central 245.

Un filamento seleccionado de conductores neutrales 205, es decir, el conductor neutral 202, se aísla para que actúe como conductor de la línea de transmisión de datos para una señal de datos, y los restantes conductores neutrales 205, principalmente dos conductores neutrales 205 que son adyacentes al conductor neutral 202, sirven como un segundo conductor de la línea de transmisión de datos. Para la sección transversal del cable Pirelli descrito más arriba, la impedancia característica se estima que es de aproximadamente 95 ohmios con respecto a las señales en el rango de frecuencia de 1-50 Mhz, cuyo sub-rango se utiliza típicamente en una transmisión de datos.

Para implantar la disposición de la Fig. 2A en un cable subterráneo ya instalado, se selecciona el conductor neutral 202 de entre varios conductores neutrales 205, y se corta en una sección expuesta 210 en cada extremo del cable 200. Un hilo de conexión 215 del conductor neutral 202 permanece conectada a un anillo 250 en cada extremo del cable 200. El conductor neutral 202 y el hilo de conexión 215 se conectan a un primer devanado 225 de un acoplador 220. El primer devanado 225 se conecta en serie entre el conductor neutral 202 y la puesta a tierra. Un segundo devanado 245 del acoplador 220 se acopla a un puerto 255 a través de la cual se transmiten y reciben datos. De este modo, el cable 200 se incluye para uso como una línea de transmisión de alta frecuencia, que puede ser conectado a equipos de comunicaciones como un módem (no mostrado) por medio del acoplador 220.

Hablando eléctricamente, el acoplador 220 es un transformador. La impedancia a través del primario, es decir, el primer devanado 225 de dicho transformador es insignificante en las frecuencias utilizadas para conducir energía eléctrica. El primer devanado 225, que se une al conductor neutral 202 y al hilo de conexión 215, debe enrollarse con un hilo al menos tan grueso como el del conducto neutral 202. En estas circunstancias, el conductor neutral seleccionado 202 que lleva los datos tiene esencialmente la misma impedancia que los demás hilos neutrales. Llevaría esencialmente la misma corriente que cada uno de los otros hilos neutrales y la capacidad de corriente admisible total y la capacidad de sobre-intensidad del circuito neutral no se verían degradadas.

En las Figs. 2A y 2B, la corriente neutral del único conductor neutral 202 pasa a través del acoplador 220. Para un cable de 200 Amp con ocho hilos neutrales, el hilo que lleva los datos llevaría una corriente constante máxima de 25 Amps rms. La corriente constante máxima a través de un único conductor neutral es inferior para un cable con capacidad de corriente admisible más pequeña y para un cable con un número mayor de conductores neutrales. El acoplador 220 debe ser capaz de manejar el flujo generado por esta corriente, sin saturación del núcleo magnético, con el fin de llevar a cabo su función de acoplamiento de datos.

El conductor neutral 202 lleva la corriente en una primera dirección para una señal de datos de alta frecuencia. Los otros conductores neutrales 205 llevan la corriente de retorno de la señal de datos en la dirección opuesta, tendiendo a cancelar y de este modo disminuir enormemente la intensidad del campo magnético radiado debido a la señal de datos modulada. Esta disposición también proporciona un efecto de blindaje electroestático contra el acoplamiento de ruido desde un campo eléctrico externo.

La Fig. 3A es una ilustración de un cable de transmisión de energía eléctrica 300 en el que dos hilos neutros se utilizan como una línea de transmisión para la comunicación de una señal de datos, de conformidad con la presente invención. La Fig. 3B es una representación esquemática de la disposición mostrada en la Fig. 3A.

Un acoplador 307, por ejemplo, un transformador de alta frecuencia, se instala en serie con dos hilos neutrales adyacentes 302, 305. Los hilos neutrales 302, 305, que están preferiblemente en paralelo y adyacentes el uno al otro, se cortan justo antes de un punto en el que se unen a un anillo de conexión neutral 330.

Haciendo referencia a la Fig. 3B, los hilos de conexión de los hilos neutrales 302, 305 que van desde el cable 300 se conectan a un primer devanado 310 del acoplador 307. El primer devanado 310 se conecta de este modo en serie entre el conductor neutral 302 y el conductor neutral 305. El primer devanado 310 incluye una toma central 312 y un núcleo magnético 315. La toma central 312 se conecta a un anillo de conexión neutral 330.

Una porción 310A del primer devanado 310 se conecta al hilo neutral 302 y se enrolla en una primera dirección alrededor del núcleo 315, y una segunda porción 310B del primer devanado 310 se conecta al hilo neutral 305 y se enrolla en la dirección opuesta alrededor del núcleo 315. Las porciones 310A y 310B están hechas de hilos de diámetro ligeramente más grande que los hilos neutrales del cable de energía eléctrica, y son capaces, por lo tanto, de llevar la corriente constante y la sobre-intensidad al menos tan bien como los conductores neutrales no seleccionados. Cada una de las porciones 310A y 310B puede considerarse un devanado.

La disposición de la Fig. 3A garantiza que sólo se inserte una impedancia insignificante en serie con dos hilos neutrales 302, 305, y no perturba la división esencialmente igual de la corriente de frecuencia de energía entre todos los hilos neutrales. Para el cable Pirelli descrito anteriormente, la impedancia característica de los hilos paralelos 302 y 305 que actúan como una línea de transmisión de hilos paralelos se estima que es de 130 ohmios aproximadamente. Asimismo, a frecuencia de la red, la disposición mostrada en las Figs. 3A y 3B da lugar a la cancelación del flujo debido al flujo de las corrientes neutrales en direcciones opuestas en los devanados 310A y 310B, que dan lugar a un flujo neto insignificante a través del núcleo 315.

Otro devanado 320 se conecta a un puerto 350 a través de la cual se reciben y transmiten los datos. El devanado 320 se aísla del neutral del circuito de alimentación 325, evitando de este modo un bucle de puesta a tierra que podría inducir un ruido espurio y subidas de tensión de falla en los circuitos de datos.

Se puede pensar en el cable 300 como una línea de transmisión de alta frecuencia, que puede conectarse a equipos de comunicaciones por medio del acoplador 307. En esta configuración, una señal de datos se dirige diferencialmente a través de los conductores neutrales 302, 305. Dicha línea de transmisión debe emitir radiación electromagnética incluso inferior que la disposición con un solo extremo descrito en la Fig. 2A, para un nivel de fuerza matriz dada.

La Fig. 3C es una representación esquemática de una alternativa a la disposición mostrada en las Figs. 3A y 3B que utiliza una pluralidad de hilos neutrales para criar una línea de transmisión de datos. El cable 300 tiene una pluralidad de hilos neutrales 330 que son sustancialmente paralelos entre ellos, con individuos de un primer subconjunto 330A de la pluralidad de hilos neutrales 330 que alternan con individuos de un segundo subconjunto 330B de la pluralidad de hilos neutrales 330. El primer subconjunto 330A se considera colectivamente como un primer conductor neutral y se juntan para formar un primer hilo trenzado de conexión 332 a un acoplador 307A. El segundo subconjunto 330B se considera colectivamente un segundo conductor neutral y se juntan para formar un segundo hilo trenzado de conexión 333 al acoplador 307A. Preferiblemente, la pluralidad de hilos neutrales 330 se configura como líneas de transmisión N/2 conectadas en paralelo, en las que N es el número de hilos neutros 330, y N/2 es el número de hilos neutros en cada uno de los subconjuntos 330A y 330B. El efecto de dicha conexión paralela es reducir la atenuación producida por el cable 300 por un factor de aproximadamente N/2, y disminuir la impedancia característica por el mismo factor.

La Fig. 3D es un diagrama que muestra cómo se puede implantar convenientemente la disposición de la Fig. 3C. Para facilitar la sujeción del primer subconjunto 330A al primero hilo trenzado de conexión 332, se coloca un primer anillo aislante 335 encima de todos los conductores neutrales, es decir, el primer subconjunto 330A y el segundo subconjunto 330B, próximo a un punto en el que se situará el acoplador 307A. El primer subconjunto 330A se envuelve sobre un primer anillo aislante 335 y se juntan para formar el primer hilo trenzado de conexión 332. Asimismo, el segundo subconjunto de envuelve sobre un segundo anillo 345, que puede ser aislante o no aislante, y se juntan para formar el segundo hilo trenzado de conexión 333. La simetría geométrica mejorada del flujo de corriente y los niveles de tensión reducidos deben reducir de forma adicional la radiación electromagnética, con relación a la emitida con la implantación de dos hilos de la Fig. 3A.

Una empresa eléctrica de servicios públicos podría poner objeciones a cortar dos hilos neutros y volverlos a conectar a través de un acoplador. De conformidad con la presente invención, es posible "enrollar" un núcleo magnético alrededor de dos hilos neutros seleccionados de forma que sea topológicamente y magnéticamente equivalente a la realización mostrada en las Figs. 3A y 3B.

Las Figs. 4A y 4B ilustran las realizaciones de una topología de núcleo magnético para un acoplador para uso con un par de conductores neutros que sean dirigidos diferencialmente con una señal de datos. Dicho núcleo tiene una primera región adyacente a un primer conductor neutral, y una segunda región adyacente a un segundo conductor neutral. El acoplador incluye un devanado enrollado alrededor de una porción del núcleo. A través del núcleo, el devanado induce una primera corriente en el primer conductor neutral en una primera dirección, e induce una segunda corriente en el segundo conductor neutral en una segunda dirección que es opuesta a la primera dirección.

En relación con la Fig. 4A, un núcleo 400 puede visualizarse como una figura "8", con ningún contacto en el punto de cruce. La figura "8" forma un "giro" topológico. Una primera región consta de un primer bucle 405 de la figura "8". Un primer conductor neutral 410 es enrutado a través del primer bucle 405. Una segunda región consta de un segundo bucle 415 de la figura "8". Un segundo conductor neutral 420 es enrutado a través del segundo bucle 415. El núcleo 400 es efectivamente un núcleo contiguo de una ventana a través del cual pasan en direcciones opuestas los conductores 410 y 420, cancelando de este modo el flujo debido a las corrientes de frecuencia de la red. Un devanado 425 induce a las corrientes de señal de alta frecuencia de fases opuestas en los hilos neutrales 410 y 420.

La topología de la figura "8" puede ser implantada sobre la superficie de un cable, sin cortar los conductores neutrales. Según se muestra en la Fig. 4B, un núcleo que consta de segmentos de núcleo 400A y 400B se configura con una primera abertura 430 en el primer bucle 405 y una segunda abertura 435 en el segundo bucle 415. El conductor neutral 410 se enruta a través de la primera abertura 430 y el conductor neutral 420 se enruta a través de la segunda abertura 435. Colocando los núcleos 400A y 400B contra el aislamiento 440 de los conductores neutrales 410 y 420, los conductores neutros 410 y 420 se colocan dentro de la trayectoria del flujo magnético.

Otro método para evitar el corte físico de los hilos neutrales es insertar una impedancia elevada para altas frecuencias en serie con ellos sin cortar los hilos. La presente invención logra esto rodeando el cable entero con una o más núcleos toroidales magnéticos.

La Fig. 5A es una ilustración de una disposición de un cable que tiene una alta impedancia con alta frecuencia introducida por medio de la colocación de un núcleo toroidal magnético sobre el cable. La Fig. 5B es una representación esquemática de la disposición de la Fig. 5A

Uno o más núcleos toroidales magnéticos 502 se disponen alrededor de una porción de un cable de transmisión de energía eléctrica 500. Un primer devanado 530 (Fig. 5B) de un acoplador 515 se conecta entre un primer conductor neutral 510 y un segundo conductor neutral 512, hacia adentro del cable 500 en relación con los núcleos toroidales magnéticos 502. Un segundo devanado 532 del acoplador 515 proporciona una trayectoria de datos a un puerto de módem 520.

Los conductores neutrales primero y segundo 510, 512 son dos de una pluralidad de conductores neutrales 505 dentro del cable 500. Cada uno de los conductores neutrales 505 verá efectivamente una bobina de choque 502A (Fig. 5B) justo antes de un anillo colector neutral 525. De este modo, los núcleos toroidales magnéticos 502 insertan una reactancia aislante entre cada uno de los hilos neutrales 505 y puesta a tierra, preferiblemente en el orden de magnitud de unos pocos micro-Henries.

Los núcleos toroidales magnéticos 502 pueden ser configurados como un núcleo dividido de dos mitades, con un paquete mecánico provisto para acoplar las mitades del núcleo con precisión, y fijar el núcleo al cable 500. La ventaja de esta realización es que no es necesario cortar ninguno de los hilos neutrales 500 durante la instalación de los núcleos toroidales magnéticos 502.

Una señal de datos puede ser transmitida a y recibida desde un módem (no mostrado) conectado a través de un puerto 520 del acoplador 515 y acoplado a conductores neutrales 510, 512 corriente arriba de los núcleos toroidales magnéticos 502. Se puede pensar en el cable 500 como una línea de transmisión de alta frecuencia con puntos extremos de conexión 535 y 540 parcialmente aislados de tierra por toroides que actúen como bobinas de choque.

A frecuencia de red, la corriente neta que pasa a través de los núcleos toroidales magnéticos 502 es esencialmente cero, ya que la corriente de fase de un conductor central 517 que fluye en una dirección se equilibra por la corriente neutral dirigida opuestamente que fluye a través de la multiplicidad de hilos neutrales 505, todos pasando a través de núcleos toroidales magnéticos 502. La saturación del núcleo se obvia de este modo. La distribución de corriente de red entre los hilos neutrales 505 permanece sin cambios por la presencia de núcleos toroidales magnéticos 502, ya que una reactancia muy pequeña es inducida por el efecto de bloqueo de los núcleos toroidales magnéticos 502, que afectan a todos los hilos neutrales por igual.

Las Figs. 6A-6C son ilustraciones de varias disposiciones de una línea de transmisión balanceada que utiliza dos hilos neutrales e inducción magnética, de conformidad con la presente invención. La Fig. 6D es una representación esquemática de las disposiciones de 6A-6C. Nuevamente, la ventaja obtenida es evitar cortar o manipular los hilos neutrales, para circuitos que pueden estar o no energizados.

Cada una de las realizaciones de las Figs. 6A-6D utiliza dos hilos neutrales como línea de transmisión. La corriente de la señal se induce magnéticamente en las secciones de los hilos neutrales, adyacentes a un anillo colector puesto a tierra. Un núcleo magnético abierto (como un núcleo "E") se posiciona próximo y perpendicular a los dos hilos neutrales.

Según se muestra en la Fig. 6A, un núcleo magnético abierto 605 tiene un primer ramal 606 posicionado próximo y perpendicular al primero de los dos hilos neutrales 602 de un cable 600, un segundo ramal 607 posicionado próximo y perpendicular al segundo de los hilos neutrales 602, y un tercer ramal, es decir, un ramal común 610, situado entre el primer ramal 606 y el segundo ramal 607. El ramal común 610 tiene un devanado 608 enrollado alrededor.

El devanado 608 se enrolla alrededor del ramal común 610, que se posiciona entre los dos hilos neutrales 602 del cable 600. Esta disposición induce corrientes en individuos de hilos neutrales 602 en direcciones mutuamente opuestas. Un segmento 615 (Fig. 6B) de hilos neutrales 602 que terminan juntos en un anillo colector puesto a tierra 625 (Fig. 6B) puede ser considerado alternativamente una bobina de una espira que pasa a través de la abertura entre las caras del polo de los ramales 606 y 610, y entre las caras del polo de los ramales 607 y 610. De este modo, una corriente de señales en el devanado 608 inducirá corriente de señales en los dos hilos neutrales 602, lanzando una señal diferencial por la línea de transmisión formada por estos dos hilos neutrales 602.

En relación con la Fig. 6C, para reducir el tamaño del entrehierro relativamente grande entre los ramales en las conformaciones de núcleo estándar (por ejemplo, núcleo "E") y para aumentar la coeficiente de acoplamiento, se puede utilizar un par de núcleos toroidales magnéticos 620, con aberturas 627 provistas a través de las cuales se enrutan los hilos neutrales 602. Un devanado 630 se enrolla alrededor de una porción de cada núcleo toroidal magnético 620, por ejemplo, un ramal común 632.

El circuito equivalente de las realizaciones de las Figs. 6A-6C se muestra en la Fig. 6D. Las secciones de los hilos neutrales 602 en los que se induce el flujo actúan como dos devanados con fase opuesta 635 conectados juntos en el anillo colector 625. Un devanado 645 proporciona un puerto 640 para una conexión a un módem (no se muestra).

La fuerza magnetomotriz (MMF) de la frecuencia de red se cancela en el ramal común del núcleo, pero aparece totalmente en cada ramal lateral. Sin embargo, el entrehierro, que debe ser más grande que el diámetro de un hilo neutral, evitaría normalmente que se saturasen estos ramales laterales.

La ventaja de las realizaciones de las Figs. 6A-6D es que se evita tanto la interrupción como el contacto físico con los hilos neutrales 602. La distribución de la corriente entre los hilos neutrales en la frecuencia de red se mantendría esencialmente sin cambios, ya que la reactancia pequeñísima inducida por el efecto de bloqueo del núcleo introduciría una reactancia insignificante en comparación a la impedancia total de los hilos neutrales a lo largo del segmento del cable entero. Se puede pensar en el cable 600 como una línea de transmisión de alta frecuencia, conectada a cada término por medio de un acoplador, para equipo de comunicaciones.

La Fig. 7 es una representación esquemática de una línea de transmisión balanceada que utiliza una inducción magnética, de conformidad con la presente invención. Esta realización es similar a la de la Fig. 6D, pero en lugar de un solo núcleo magnético o un par de toroides que se acoplan a un par de hilos neutrales, se acopla a todos los hilos neutrales, organizados como pares. Para un cable con un número impar de hilos, se dejaría sin usar un hilo. Para logra esto, cualquiera de las realizaciones de las Figs. 6A-6D se pueden emplear, con el número de acopladores igualando el número de pares de hilos neutrales y los devanados de los acopladores conectados juntos. Para una radiación mínima, los hilos neutrales alternos deben estar en fase opuesta.

Similar a las realizaciones de las Figs. 6A-6D, la realización de la Fig. 7 incluye un acoplador que tiene un primer devanado 720 para acoplar una señal de datos por medio de un conductor neutral primero 702 de un cable de transmisión de energía eléctrica 700 y un segundo devanado 740, acoplado inductivamente al primer devanado 720, para acoplar la señal de datos por medio de un puerto de datos 760. Generalmente, la realización de la Fig. 7 aumenta esto permitiendo incluir un tercer devanado 725 para el acoplamiento de la señal de datos por medio de un conductor neutral segundo 705 del cable de transmisión de energía eléctrica 700, y un cuarto devanado 745, acoplado inductivamente al tercer devanado 725, para acoplar la señal de datos por medio del puerto de datos 760. La señal de datos viaja en una primera trayectoria por medio de los conductores neutrales primeros 702, el primer devanado 720 y un segundo devanado 740, y en una segunda trayectoria por medio del conductor neutral segundo 705, el tercer devanado 725 y un cuarto devanado 745. La primera trayectoria es en paralelo con la segunda trayectoria.

La Fig. 7 ilustra el uso de todos los pares de hilos neutrales, de conformidad con la realización de la Fig. 6D. Los pares de hilos 702, 705, 710 y 715 actúan todos como líneas de transmisión, de una manera similar al par 600 seleccionado de la Fig. 6D. Los segmentos de los hilos neutrales que pasan a través del flujo magnético de los núcleos actúan como devanados 720, 725, 730 y 735, y dirigen los pares de hilos neutros como líneas de transmisión. Los devanados 740, 745, 750 y 755 pueden ser conectados en paralelo, según se muestra, o en cualquier combinación en serie o en paralelo que proporcione un ajuste de fase coherente, para proporcionar una señal de datos a un puerto 760. Dado que un conductor de fase central 715 del cable de energía eléctrica 700 está expuesto a un flujo de fases igual y opuesta desde las bobinas de acoplamiento, el conducto de fase 715 no afecta a la transmisión de la señal.

Algunas de las ventajas de la realización de la Fig. 7 son (a) la instalación de un acoplador puede ser llevada a cabo sin seleccionar un par de conductores neutrales, y por consiguiente, sin identificar aquellos conductores en el extremo lejano del segmento (hay que señalar que una inversión de fase es posible aquí, pero no afectaría al flujo de datos, ya que los módems pueden tolerar la inversión de fase de toda la señal), (b) la transmisión de datos es posible, incluso si el cable 700 se daña durante su recorrido, y algunos de los hilos neutrales se ponen a tierra accidentalmente, (b) mejor cancelación de los campos externos y menor radiación y (d) menor pérdida de trayectoria a lo largo del segmento del cable.

La Fig. 8 es una representación esquemática de una realización de la presente invención que utiliza líneas de transmisión múltiples con múltiples conjuntos de hilos neutrales. Esta realización utiliza cualquiera de las realizaciones representadas en las Figs. 6A-6D, pero en lugar de una sola trayectoria de la señal, explota una multiplicidad de líneas de transmisión neutrales 802, 805, 810, 815 para proporcionar múltiples canales de transmisión independientes. La Fig. 8 muestra cuatro canales de transmisión.

Similar a las realizaciones de las Figs. 6A-6D, la realización de la Fig. 8 incluye un acoplador que tiene un primer devanado 820 para acoplar una señal de datos por medio de un primer conductor neutral 802 de un cable de transmisión de energía eléctrica 800 y un segundo devanado 825, acoplado inductivamente al primer devanado 820, para acoplar la señal de datos por medio de un puerto de datos 830. Generalmente, la realización de la Fig. 8 aumenta esto permitiendo incluir un tercer devanado 835 para acoplar una segunda señal de datos por medio de un segundo conductor neutral 805 del cable de transmisión de energía eléctrica 800, y un cuarto devanado 840, acoplado inductivamente al tercer devanado 835, para acoplar la segunda señal de datos a un segundo puerto de datos 845.

Dicha multiplicidad puede ser explotada para lograr (a) una transmisión de datos bi-direccional (full duplex) en uno o más canales, (b) múltiples canales uni-direccionales o bi-direccionales, aumentando de este modo el ancho de banda total, (c) transmisión redundante de datos para minimizar los errores, (d) implantación de interfaces multi-hilos que tengan líneas de datos, reloj y strobe separados, y (e) uso de un canal para órdenes de supervisión, notificación de errores u otros datos útiles en la gestión de redes.

Para cada una de las realizaciones mostradas en las Figs. 6A-6D, y para las mejoras mostradas en las Figs. 3-8, la selección de uno o dos hilos neutrales en un extremo de un cable implica que los mismos hilos deben ser identificados en el extremo distal del cable.

La Fig. 9A es una representación esquemática, y la Fig. 9B es una ilustración, de un sistema 900 para identificar uno de una pluralidad de hilos de un cable de transmisión de energía eléctrica. El sistema 900 incluye un receptor 902 para sentir una señal desde un hilo neutral seleccionado del cable de transmisión de energía eléctrica, y un indicador 905 de una magnitud de la señal. La señal se aplica a un hilo seleccionado 925 en un primer punto 926 en el cable de transmisión de energía eléctrica. El receptor 902 detecta la señal en un segundo punto 927 en el cable de transmisión de energía eléctrica que es remoto desde el primer punto.

El sistema 900 también incluye un toroide de ferrita 915 que tiene una ranura radial 920 a través de la cual se enruta el hilo neutral seleccionado 925, y un devanado 930 que se enrolla alrededor de una porción del toroide de ferrita 915 y se conecta a una entrada 935 del receptor 902. La señal se acopla inductivamente desde el hilo neutral seleccionado 925 por medio del toroide de ferrita 915. La señal se aplica al hilo neutral seleccionado 925 en el primer punto 926 por medio de un acoplador inductivo 924.

En el extremo primer del cable a conectar, se selecciona el hilo o los hilos y se une un acoplador. La Fig. 9A muestra cómo se selecciona un par de hilos neutrales. El acoplador es accionado por un oscilador de alta frecuencia y de poca potencia, típicamente en el rango de MHz. Esto hace que la corriente de alta frecuencia fluya con más fuerza en el hilo o los hilos seleccionados.

En el extremo distal, el receptor de radio 900 se sintoniza en la misma frecuencia. Este receptor de radio es especial porque está equipado con un medidor de fuerza de la señal 905 y un control manual o automático de ganancia 910 para optimizar la ganancia. Además, la antena del receptor consta de un toroide de ferrita 915 con una ranura radial 920 ligeramente mayor que el diámetro del hilo neutral 925, y una bobina enrollada sobre el toroide 915 conectada a los terminales de entrada 935 de la antena del receptor. Preferiblemente, el toroide 915 se fija-monta sobre la caja del receptor.

El instalador sujeta el receptor con el fin de orientar la ranura para que esté en línea con y próxima al conductor neutral 925 y observa la lectura en el medidor de fuerza de la señal 905. Después, el instalador mueve el receptor tangencialmente alrededor del cable, detectando cada hilo a su vez. El hilo o hilos que producen la máxima lectura en el medidor de la intensidad de la señal serán aquellos directamente excitados en el otro extremo del cable.

Consecuentemente, un método para identificar uno de una pluralidad de hilos neutrales de un cable de transmisión de energía eléctrica, consta de los pasos de (a) aplicar una señal a un hilo neutral seleccionado, en un primer punto en el cable de transmisión de energía eléctrica, (b) detectar una magnitud relativa de la señal en cada uno de la pluralidad de hilos neutrales en un segundo punto en el cable de transmisión de energía eléctrica que es remoto desde el primer punto y (c) identificar el hilo neutral seleccionado desde las magnitudes relativas. El paso de identificación identifica el hilo neutral seleccionado como aquel de la pluralidad de hilos neutrales que tiene una magnitud relativa mayor. El paso a aplicar consiste en acoplar inductivamente la señal al hilo neutral seleccionado, y el paso de detección consiste en acoplar inductivamente la señal desde el hilo neutral seleccionado.

Hasta ahora, la invención presente ha sido descrita en el contexto de un cable con múltiples hilos neutrales, separados y aislados mutuamente. Sin embargo, muchas redes de distribución de energía eléctrica no utilizan cables con hilos neutrales aislados mutuamente, sino que tienen sus hilos neutrales en el criadero de una malla o hilos múltiples conectados juntos con cinta de cobre conductora. Las Figs. 10A, 10B, 11A y 11B y sus descripciones asociadas, están relacionadas con una aplicación de la presente invención para otras redes de potencia comunes de media tensión, como aquellas transportadas en hilos aéreos y aquellas transportadas en cables subterráneos pseudo-coaxiales con un solo conductor neutral.

Es deseable un acoplador que evita el contacto físico con un conductor de fase de media tensión ya que un acoplador así no necesitaría soportar tensiones constantes y de sobre-intensidad del conductor de fase, simplificando de este modo la construcción y reduciendo el coste del acoplador. Sin embargo, el uso del acoplador inductivo actualmente propuesto presupone una continuidad del circuito a través del cual puede fluir la corriente, mientras que los circuitos de media tensión pueden incluir circuitos físicamente abiertos en sus extremos o ser conectados a devanados de transformador cuya alta impedancia en frecuencias de radio puede aproximarse al efecto de la terminación de un circuito abierto. De conformidad con la presente invención, los acopladores inductivos pueden utilizarse en una red de backhaul de datos de media tensión cuando se añaden terminaciones de alta frecuencia utilizando puertos acoplados capacitivos en los extremos del cable y, en una red de distribución grande, también en una o más posiciones intermedias. Los conductores de fase de las líneas de transmisión de energía eléctrica subterráneas pueden utilizarse como líneas de transmisión de datos cuando están equipados con terminaciones de carga efectivas en las altas frecuencias utilizadas para las comunicaciones para acoplar señales de datos a y desde las líneas de transmisión.

En los sistemas de distribución de energía eléctrica, la red de media tensión se une a dispositivos que presenten una impedancia mucho mayor que la impedancia característica del cable a las señales en altas frecuencias. Dichos dispositivos aparecen efectivamente como circuitos abiertos a las señales de alta frecuencia. Acoplar paquetes de datos modulados en un cable con circuito abierto daría lugar a que se reflejase una gran fracción de una onda acoplada desde los extremos del cable, y posiblemente que se interpretase por los receptores de datos como nuevos paquetes. Una características adicional no deseable de dichos reflejos sería inducir a error a los receptores de datos al concluir que nuevos paquetes están ocupando el cable, y los tipos de "detección de carrier o de portadora" de redes compartidas sufrirían una pérdida del tiempo de transmisión disponible.

Para cables e hilos con pérdidas significativas de alta frecuencia, estos reflejos se disiparían rápidamente y no ocasionarían problemas. Sin embargo, tanto para las líneas aéreas como para algunas líneas subterráneas pseudo-coaxiales, las pérdidas son bajas y las señales fuertes que se reflejan pueden interferir en las señales directas.

Las figs. 10A y 10B son representaciones esquemáticas de porciones de una red de comunicación de datos implantada a lo largo de un sistema de distribución de energía eléctrica, en el que los datos se transportan sobre un conductor de fase del sistema de distribución de energía eléctrica. La presente invención utiliza una combinación de acopladores inductivos y capacitivos. Según se explica a continuación, la red incluye (a) un acoplador inductivo para acoplar una señal de datos por medio del conductor de fase, y que tiene un puerto de datos para el acoplamiento adicional de la señal de datos, y (b) un acoplador capacitivo, conectado entre el conductor de fase y la toma a tierra, próximo a un extremo del cable de transmisión de energía eléctrica, para absorber los reflejos de la señal de datos y servir opcionalmente como un puerto de datos para el acoplamiento de la señal de
datos.

Los acopladores inductivos 1002 se utilizan en nodos intermedios 1005, próximos a un transformador de distribución 1010. Cada acoplador inductivo 1002 proporciona un puerto 1015 para conexión a un módem (no se muestra) en una red de baja tensión que se acciona desde el secundario de cada transformador de distribución 1010. Los acopladores capacitivos 1020 se conectan entre un extremo de un hilo o cable y una toma de tierra local, para absorber los reflejos y proporcionar nodos de acoplamiento de la señal 1025. Es decir, un nodo de acoplamiento de la señal 1025 se sitúa entre un acoplador capacitivo 1020 y la toma de tierra, para acoplar la señal de datos entre el conductor de fase y para proporcionar otro puerto de datos para la señal de datos.

El "extremo del hilo o del cable" incluye un punto 1018 en la que la energía eléctrica se introduce en el cable desde un transformador de alta tensión a media tensión. En topologías de bucle, el cable vuelve a este lugar pero llega a un extremo cerrado. Los acopladores capacitivos 1020 se incluyen en dichos "extremos cerrados". Si un ramal en T 1030 produjese un tope 1035 en la red de energía eléctrica, se utiliza un acoplador capacitivo 1020 para terminar el extremo distal del tope 1035.

La Fig. 11A es una ilustración de una realización de un acoplador inductivo 1102 para el acoplamiento de datos por medio de un conductor de fase, de conformidad con la presente invención. La Fig. 11B es una representación esquemática de la realización mostrada en la Fig. 11A.

Un acoplador inductivo 1102 incluye un primer devanado 1104 para el acoplamiento de la señal de datos por medio de un conductor de fase 1110, y un segundo devanado 1115, acoplado inductivamente al primer devanado 1104, para el acoplamiento de la señal de datos por medio de un puerto de datos 1145. El acoplador inductivo 1102 incluye un núcleo 1105 a través el cual se enruta el conducto de fase 1110. Esta configuración del conducto de fase 1110 a través del núcleo 1105 sirve como primer devanado 1104, es decir, un devanado de una solo espira. El segundo devanado 1115 se enrolla alrededor de una porción del núcleo 1105.

El acoplador inductivo 1102 es un transformador de corriente en el que el núcleo 1105 se coloca encima de un segmento del conducto de fase 1110. El acoplador inductivo 1102 puede utilizarse también con un cable subterráneo colocando el núcleo 1105 encima de un segmento de un cable subterráneo que no esté cubierto tampoco por la funda de un conductor neutral, con el hilo de fase del cable de energía eléctrica pasando a través del núcleo 1105 como un devanado de una espira.

El núcleo 1105 está hecho de ferrita u otro material magnético blando con permeabilidad substancial y pérdida relativamente baja por encima del rango de frecuencia requerido para los datos modulados. El núcleo 1105 tiene un entrehierro 1120 suficiente para permitir el funcionamiento del acoplador inductivo 1102 sin saturación, incluso cuando la corriente a través del conductor de fase 1110 es tan alto como la corriente máxima para la que está clasificado el conductor 1110, por ejemplo, 200 amperios rms.

El acoplador inductivo 1102 tiene una inductancia de magnetización primaria suficiente para presentar una impedancia de alta frecuencia apreciable a un transmisor de módem a lo largo de un rango de frecuencia relevante, pero una impedancia insignificante en frecuencias de distribución de energía eléctrica. El acoplador inductivo 1102 tiene tanto una inductancia de fugas y una impedancia primaria reflejada mucho menor que la impedancia característica de la línea de transmisión de la que el conducto de fase 1110 es un componente, a lo largo del rango de frecuencia relevante.

El acoplador inductivo 1102 tiene un condensador de alta tensión 1125 en serie con un segundo devanado 1115 y un puerto de datos 1145, y conectado a una salida de baja tensión, es decir, salida de la línea de energía eléctrica, de un transformador de distribución 1130, para evitar que el segundo devanado 1115 cortocircuito un circuito de potencia de baja tensión 1135. De este modo, el condensador 1125 acopla una señal de datos entre el segundo devanado 1115 y la salida de la línea de energía eléctrica.

El acoplador inductivo 1102 también tiene un protector de sobreintensidad 1140 conectado en paralelo con el segundo devanado 1115, para proteger al circuito de baja tensión 1135, y a cualquier equipo electrónico de comunicación unido al mismo, de verse afectados por un impulso de amplitud elevado que pudiera aparecer en el conductor de fase 1110 y que sea acoplado por el acoplador inductivo 1102 a las líneas de baja tensión.

Hay que señalar que aunque sólo una línea de fase BT 1150 y una línea neutral BT 1155 están conectadas al acoplador 1102, la otra línea de fase 1160 recibirá una señal ligeramente atenuada por medio de acoplamiento capacitivo e inductivo, a lo largo de la longitud de las líneas descendentes de BT.

Una consideración importante, y un objetivo deseable, es una minimización de la radiación electromagnética de los hilos y cables utilizados para la transmisión de datos. Estas líneas podrían irradiar interferencias electromagnéticas, aunque se enterrasen algunos pies bajo tierra. Las falsas resonancias también podrían evitar la transmisión en determinadas bandas de frecuencia estrecha.

Deben emplearse una o más técnicas para minimizar la radiación, tolerar las resonancias y proporcionar un canal de datos robusto y fiable. Las opciones para minimizar la radiación incluyen:

(A) Utilizar modulación de espectro esparcido en los módems que se conectan a y desde la red de media tensión. La modulación de espectro esparcido emplea una densidad de energía eléctrica espectral relativamente baja (por ejemplo, -55 dBm/Hz).

(B) Minimizar el nivel de energía eléctrica de los datos modulados. El nivel de energía eléctrica deber ser lo suficientemente alto para superar cualquier ruido en la línea, y cualquier ruido auto-generado por equipos, por ejemplo, ruido interno, ruido de amplificador, etc. Al explotar el aislamiento relativo de la línea de media tensión desde las ruidosas redes de baja tensión y de alta tensión, el ruido de la línea puede minimizarse. Esto puede lograrse colocando módems adosados en cada acoplador inductivo. Los módems adosados tienen como fin regenerar un flujo de bits y re-modular la transmisión de datos a lo largo de un medio adicional.

La Fig. 12 es una representación esquemática de una porción de una red que tiene módems adosados en un acoplador inductivo. Un primer módem 1202 tiene un primer puerto 1225 acoplado a un puerto de datos de un segundo devanado de un acoplador inductivo 1102 para enviar y recibir una señal de datos modulada, y un segundo puerto 1210 para el acoplamiento adicional de los datos digitales. Un segundo módem 1205 tiene un primer puerto de datos digitales 1230 acoplado al segundo puerto 1210 del primer módem 1202, y un segundo puerto 1235 para el acoplamiento adicional de la señal de datos modulada. Opcionalmente, puede interponerse un router 1220 entre el primer módem 1202 y el segundo módem 1205.

Las ventajas de la disposición arriba mencionada son:

A) El ruido de la red BT no llega hasta la red MT. Puede aumentarse más el aislamiento por medio de aislantes ópticos en serie con la conexión de datos 1210.

B) Un módem de espectro esparcido u otro módem, que utilice una tecnología o parámetros diferentes a los del módem MT, puede optimizarse para las redes BT. Los acopladores inductivos introducen impedancia adicional en serie en los nodos de acoplamiento que es pequeña en relación con la impedancia característica del hilo o cable, minimizando de este modo tanto los reflejos como la absorción de energía eléctrica. En este caso, los datos modulados pueden atravesar un gran número de nodos intermedios satisfactoriamente. Preferiblemente, la magnetización y las inductancias de fugas son lo suficientemente pequeñas para minimizar la perturbación de la impedancia pero lo suficientemente grandes para proporcionar un acoplamiento suficiente. Queda implícito aquí un desajuste intencionado de la impedancia entre el módem y la impedancia presentada por el acoplador.

C) Los routers y otros equipos para networking 1220 pueden emplearse para mediar entre la red doméstica y la red externa.

Un parámetro importante para minimizar la radiación es una atenuación del nivel de la señal en una dirección entre la línea y el acoplador, ya que el nivel de la señal en la línea de energía eléctrica de media tensión debe ser lo suficientemente fuerte para superar esta atenuación. La atenuación en la dirección entre el acoplador y la línea puede superarse fácilmente sin radiación adicional aplicando más energía eléctrica al acoplador que dirige la línea con el fin de establecer el nivel de energía eléctrica transmitida máxima permisible coherente con el cumplimiento de los niveles de radiación máximo permitidos.

Por ejemplo, si cada acoplador está diseñado para una pérdida de acoplamiento de 10 dB, entonces la energía eléctrica transmitida puede aumentarse 10 dB para compensar, y sólo los 10 dB del segundo acoplador se deducen del presupuesto de pérdida del módem.

La Fig. 13 es una representación esquemática de una técnica para acoplar pasivamente los datos modulados entre los segmentos de una red de potencia, de conformidad con la presente invención. La Fig. 13 muestra una red de comunicación de datos 1300 implantada en un sistema de distribución de energía eléctrica que tiene un primer segmento 1302 con un primer conductor neutral 1320, y un segundo segmento 1303 con un segundo conductor neutral 1330. La red 1300 incluye un primer acoplador 1306 para acoplar inductivamente una señal de datos por medio de un primer conductor neutral 1320, y que tiene un puerto de datos 1335 para el acoplamiento adicional de la señal de datos, y un segundo acoplador 1307 que tiene un puerto de datos 1340 acoplados al puerto de datos 1335 del primer acoplador inductivo 1306, y para acoplar inductivamente la señal de datos por medio del segundo conductor neutral 1330.

El primer segmento 1302 incluye un primer cable de distribución de energía eléctrica 1315 en un primer lado de un transformador de distribución de energía eléctrica 1345. El segundo segmento 1303 incluye un segundo cable de distribución de energía eléctrica 1325 en un segundo lado del transformador de distribución de energía eléctrica 1345. El transformador de distribución de energía eléctrica 1345 tiene una salida a una línea de energía eléctrica 1350. La red 1300 consta además de un condensador 1310 entre el puerto de datos 1335 del primer acoplador inductivo 1306 y la línea de energía eléctrica de salida 1350, para el acoplamiento de la señal de datos a la línea de energía eléctrica de salida 1350.

Cada segmento de transformador a transformador se convierte en un eslabón separado en un cadena multi-eslabones. Un acoplador se une a cada terminación del cable, requiriendo de este modo dos acopladores por transformador, salvo para el último transformador sobre un segmento de extremo cerrado.

El encadenamiento pasivo de los segmentos se logra conectando los puertos de datos 1335 y 1340 de los dos acopladores en cada lado de un transformador entre sí. Se realiza una conexión pasiva a los dispositivos de comunicaciones unidos a la línea BT 1350 a través de condensadores de acoplamiento en serie 1310. Módems similares se unirían tanto al punto de alimentación de las dos redes, como a la subestación de energía eléctrica, y a las salidas de baja tensión en los locales de los usuarios.

La Fig. 14 es una representación esquemática de una técnica para acoplar los datos modulados entre los segmentos de una red de potencia utilizando módems adosados. La Fig. 14 muestra una red de comunicación de datos 1400 implantada en un sistema de distribución de energía eléctrica que tiene un primer segmento 1402 con un primer conductor neutral 1420, y un segundo segmento 1403 con un segundo conductor neutral 1430. La red 1400 incluye un primer acoplador 1406 para acoplar inductivamente una señal de datos por medio de un primer conductor neutral 1420, y que tiene un puerto de datos 1435 para el acoplamiento adicional de la señal de datos, y un segundo acoplador 1407 que tiene un puerto de datos 1440 acoplado al puerto de datos 1435 del primer acoplador inductivo 1406, y para acoplar inductivamente la señal de datos por medio del segundo conductor neutral 1430.

Un primer módem 1460 incluye un primer puerto para las señales de datos modulados 1465 acoplado al puerto de datos 1435 del primer acoplador 1406, y que tiene un segundo puerto para datos digitales 1470 para el acoplamiento adicional de la señal de datos. Un segundo módem 1480 tiene un primer puerto de datos digitales 1475 acoplado al segundo puerto 1470 del primer módem 1460, y un segundo puerto 1485 para el acoplamiento adicional de la señal de datos modulada.

El sistema de distribución de energía eléctrica incluye un transformador de distribución de energía eléctrica 1445 que tiene una línea de energía eléctrica de salida 1450. La red 1400 consta además de condensadores 1410 entre el segundo puerto 1485 del módem segundo 1480 y de la línea de energía eléctrica de salida 1450, para acoplar la señal de datos modulada a la línea de energía eléctrica de salida 1450.

Un cable de media tensión puede incluir un segmento de cable largo, como desde una subestación al primer transformador de distribución en un bucle. Para facilidad de instalación y mantenimiento, la sección larga puede estar segmentada, con registros de acceso en cada nodo. En estos puntos, los segmentos de cable pueden estar terminados en conectores de media tensión (para el conductor central), junto con anillos colectores de hilo neutral que estén puestas a tierra. Esto introduce una discontinuidad en la línea de transmisión de datos, que se lleva a uno o más hilos neutrales. Para pasar por alto esta discontinuidad, pueden instalarse un par de acopladores, uno en cada lado de la toma a tierra, con sus primarios conectados entre sí, creando una conexión puente.

La presente invención también permite la implantación de una red de comunicación de datos utilizando un conductor de fase a través de los segmentos de un sistema de distribución de energía eléctrica.

La Fig. 15 es una representación esquemática que muestra varias técnicas para acoplar datos a un conductor de fase de un sistema de distribución de energía eléctrica en una implantación de una red de comunicación de datos 1500, de conformidad con la presente invención.

Un acoplador capacitivo se coloca en las líneas aéreas alimentadas por un transformador reductor AT-MT. La impedancia secundaria del transformador es del mismo orden de magnitud que la de las líneas aéreas o superior. Un terminador-acoplador, por ejemplo, un acoplador capacitivo con un puerto de datos, puede utilizarse aquí para que (a) se utilice para acoplar un módem a la línea, y (b) termine la línea con una resistencia aproximadamente igual a la impedancia característica del cable de transmisión de energía eléctrica (como una impedancia de un módem o una impedancia de una resistencia ficticia se refleja a través de su transformador). Consecuentemente, la Fig. 15 muestra que el sistema de distribución de energía eléctrica incluye un transformador reductor de tensión AT-MT 1502 de una subestación. Un acoplador capacitivo 1535, es decir, un acoplador-terminador, se coloca próximo a un devanado secundario del transformador reductor de tensión 1502. Un componente, como un módem 1525, tiene una impedancia que cuando se refleja a través de un acoplador capacitivo 1535 es aproximadamente igual a una impedancia característica del cable de transmisión de energía eléctrica.

En sistemas como en Japón, en los que la costumbre es colocar cables subterráneos coaxiales con una impedancia muy baja para longitudes hasta cientos de metros hasta el comienzo de una red aérea, la ubicación preferida para los acopladores inductivos es en el lado aéreo del punto de transición subterráneo-aéreo. Aquí, la baja impedancia del cable subterráneo actúa como un corto-circuito en el extremo de la línea aérea, y se forma un bucle de corriente cerrado. De este modo, el sistema de distribución de energía eléctrica incluye una transición 1545 entre un cable aéreo 1515, 1516 y un cable subterráneo 1510, en la que el cable subterráneo 1510 tiene una impedancia característica que es muy inferior a la del cable aéreo 1515. Uno o más acopladores inductivos 1540, 1541 se colocan en el cable aéreo 1515, 1516, próximos a la transición 1545.

La colocación de los acopladores inductivos 1540, 1541 en el cable aéreo trifásico 1515, 1516 puede realizarse simétricamente con cada miembro de un par acoplador accionado con corriente con fase opuesta. Dicho accionamiento cancelará sustancialmente la radiación electromagnética del campo lejano, y facilitará el cumplimiento de cualquier estándar reglamentario. Consecuentemente, la red 1500 puede incluir un par de acopladores inductivos 1540, 1541 de forma que un primer acoplador inductivo, por ejemplo, el 1540, del par induce una primera corriente en el conductor de fase, por ejemplo, el 1515, en una primera dirección, y un segundo acoplador inductivo, por ejemplo, el 1541, del par induce una segunda corriente en el segundo conductor de fase, por ejemplo, el 1516, en una dirección opuesta a la primera corriente.

Alternativamente, se puede accionar una sola fase, induciéndose corrientes iguales y opuestas en las otras fases, a una distancia que supere una longitud de onda desde un acoplador inductivo, cancelando nuevamente mucha de la radiación del campo lejano. Por ejemplo, puede utilizarse un acoplador inductivo 1540, y puede confiarse en los efectos de inducción de la línea de transmisión para equilibrar las corrientes, después de una longitud de onda bajo la línea.

También se pueden colocar los acopladores inductivos en las líneas que alimentan un primario de un transformador de distribución, ya que la impedancia primaria del transformador de algunos tipos de transformadores de distribución pueden ser del mismo orden de magnitud que la de las líneas aéreas, y se forma un bucle cerrado. Dado que este bucle lleva corrientes con relativamente baja frecuencia de la red, típicamente en el rango de 2-8 amperios, hay poca tendencia a la saturación del núcleo, y los núcleos del acoplador se pueden construir con poco o ningún entrehierro. Según se muestra en la Fig. 15, se coloca un acoplador inductivo 1550 en una línea que alimente un devanado primario 1555 de un transformador de distribución del sistema de distribución de energía eléctrica.

Dado que la magnitud de la impedancia del circuito vista por el acoplador inductivo 1550 puede ser tan elevada como cientos de ohmios, y los módems 1560 a lo largo de la longitud de la línea de transmisión unida al acoplador inductivo 1550 tendrían típicamente una impedancia de 50 ohmios, puede haber un desajuste substancial de la impedancia.

Según se muestra en la Fig. 15, el sistema de distribución de energía eléctrica 1500 puede incluir un condensador PLC y/o un condensador de corrección del factor de potencia, por ejemplo, un condensador 1565, entre un conductor de fase, por ejemplo, 1516 y toma a tierra. El condensador 1565 puede tener una impedancia inferior a la del cable de transmisión de energía eléctrica 1516. Los condensadores PLC y de factor de potencia pueden tener una impedancia RF elevada, en cuyo caso perturbará de manera significativa las señales de alta frecuencia que pasan por la red de potencia. Para aquellos dispositivos que tengan una impedancia RF cuya magnitud sea del mismo orden de magnitud o inferior a la impedancia característica de la línea de energía eléctrica, como el condensador 1565, se puede insertar en serie una bobina de choque en serie 1570 con el condensador 1565. La bobina de choque de serie 1570 puede constar de un hilo conductor existente 1575 hacia el condensador 1565 colocando uno o más núcleos magnéticos divididos de presión encima del hilo conductor 1575.

La corriente de la frecuencia de potencia es relativamente baja, por lo tanto la saturación del núcleo no será un problema. La magnitud micro-Henry de las impedancias inductivas de estas bobinas de choque no afectará el funcionamiento de la frecuencia de potencia de los condensadores. También pueden añadirse núcleos disipativos, ya que aumentar sencillamente la impedancia de alta frecuencia de la bobina de choque, y aumentan el aislamiento del condensador.

Deben considerarse los efectos de los reflejos de la línea de transmisión deben, ya que producen ecos que pueden introducir errores en el flujo de datos. La modulación de la propagación del espectro es el candidato más probable para dicha transmisión cargada de eco, ya que es tolerante con la absorción de frecuencia de banda estrecha y el ruido de banda estrecha y minimiza la radiación electromagnética emitida debido a su baja densidad de potencia espectral. Para módems de propagación del espectro, las señales intra-paquete reflejadas que son de 6-10 dB o están más por debajo del nivel de la señal directa no afectarán la recepción de datos. Las señales reflejadas intra-paquete se definen como reflejos que llegan durante la recepción directa del paquete original.

Las perturbaciones de impedancia en las líneas de energía eléctrica pueden ser ocasionadas por (a) transformadores de distribución, con o sin la adición de impedancia del acoplador inductivo, (b) terminaciones de la línea, que están diseñadas típicamente para coincidir bastante bien con la impedancia de la línea, (c) ramales en T y (d) condensadores PLC o de corrección del factor de potencia. El coeficiente de reflexión de estas discontinuidades de impedancia no superarán generalmente 0,5, y la señal reflejada está sujeta a pérdida de saliente y de retorno de las propias líneas, es decir, pérdida de absorción y pérdida de radiación, ya que se espera que la amplitud de las señales reflejadas será más débil que las señales directas de más de 6-10 dB. De este modo, las señales reflejadas que llegan durante un paquete de datos aparecerán como ruido de amplitud bajo, y no evitarán que las señales de datos previstas se reciban correctamente.

Para acopladores colocados en puntos de alimentación de baja impedancia a líneas de alta impedancia, como la transición 1545, no son deseables la pérdida y las reflexiones debidas al desajuste de impedancia. Dado que los hilos de energía eléctrica muy pesados no pueden enrollarse alrededor del núcleo del acoplador, el secundario no puede tener más de una espira, y el primario no puede tener menos de una espira. Por consiguiente, la impedancia reflejada en las líneas de energía eléctrica será igual a la impedancia del módem, un cuarto de la misma, o menos, dependiendo del ratio de las espiras. Para módems con impedancia terminal de 50 ohmios, esta impedancia reflejada es muy inferior a su impedancia característica. Una solución para mejorar la adaptación de la impedancia es construir módems con una impedancia de salida de unos cien ohmios.

Otra solución es conectar un par de acopladores fase-antifase a sus primarios en paralelo. Los secundarios (líneas MT) son necesariamente en serie. De este modo, una impedancia de módem de 50 ohmios se transforma en una impedancia reflejada de 100 ohmios por medio del par acoplador inductivo fase-antifase. Este principio puede llevarse más allá, utilizando múltiples acopladores con sus primarios paralelizados, logrando una conexión en serie de devanados de transformador (acoplador) en el lado de la línea de energía eléctrica, y una conexión paralela en el lado del módem.

Por ejemplo, la Fig. 15 muestra un primer acoplador inductivo 1540 y un segundo acoplador inductivo 1541. El primer acoplador inductivo 1540 induce una primera corriente en una primera dirección en el conductor de fase 1515 por medio de un primer devanado 1540A, y un segundo acoplador 1541 induce una segunda corriente en la dirección opuesta en el conductor de fase 1516 por medio de un segundo devanado 1541A. El primer devanado 1540A y el segundo devanado 1541A están en paralelo mutuamente. En la Fig. 15, el primer devanado 1540A y el segundo devanado 1541A están marcados con puntos para mostrar esta relación de fase.

El acoplador inductivo en el punto de alimentación aéreo debe ser diseñado para soportar los efectos de la corriente total de alimentación, que puede alcanzar cientos de amperios. Dado que incluso una bobina de una espira que lleve dicha corriente saturará el núcleo de los materiales magnéticos actualmente disponibles apropiados para el funcionamiento de alta frecuencia, este acoplador "de línea principal" debe incluir generalmente un entrehierro en su circuito magnético. Para lograr una inductancia de magnetización suficiente, dichos acopladores necesitarán una multiplicidad de núcleos que formen el equivalente de un núcleo que sea muy grueso en la dirección del hilo de energía eléctrica.

Las Figs. 16A-16C son representaciones esquemáticas que representan varios usos de los acopladores capacitivos en una red de comunicación implantada en un sistema de distribución de energía eléctrica. Estos acopladores capacitivos se utilizan en nodos en la red en las que no son efectivos los acopladores inductivos, por ejemplo, en puntos en los que haya un circuito efectivo abierto a la corriente RF.

Un acoplador capacitivo 1020, como el utilizado en las Figs. 10A y 10B, se muestra en la Fig. 16A, marcado allí como un acoplador capacitivo 1600. El acoplador capacitivo 1600 debe ser capaz de soportar continuamente la tensión de trabajo suministrada por el conductor de fase y una serie de impulsos BIL, por ejemplo, 125 kV para una tensión de trabajo de 15 kV, según la especificación IEEE 386. El acoplador capacitivo 1600 debe construirse también con el fin de eliminar la avería de la corona según la especificación arriba mencionada.

El acoplador capacitivo 1600 se conecta a las líneas MT por medio de condensadores de alta tensión 1620, por ejemplo, 10nF, cuya impedancia en la frecuencia relevante más baja es una fracción de la impedancia característica del cable de transmisión de energía eléctrica. Opcionalmente, el acoplador capacitivo 1600 puede incluir un fusible de seguridad 1625 en serie con un condensador 1620, para evitar los fallos de la línea de media tensión en caso de corto-circuito.

Las resistencias de descarga de alta resistencia 1605 se conectan en paralelo a cada condensador 1620 para descargarlas cuando no estén conectadas a circuitos energizados. Los condensadores cargados serían un peligro para el personal. Para aislar adicionalmente el puerto de datos 1630 de las líneas MT, se utiliza un transformador aislante de alta frecuencia 1615, con un ratio de espiras opcional no unitario, si fuese necesario, para la transformación de la impedancia.

Para proteger los dispositivos que están conectados al puerto de datos 1630, puede conectarse un protector de sobreintensidad 1632, como un varistor de óxido de metal (MOV) a través de los terminales del puerto de datos 1630 para limitar la amplitud de los impulsos que puedan acoplarse de lo contrario desde la líneas MT a los dispositivos.

Preferiblemente, en la red en la que está instalado el condensador, se conecta un terminal del acoplador capacitivo 1600 a una línea de fase de media tensión, y el otro terminal se conecta al neutral (para líneas monofásicas) o a una segunda línea de fase (para líneas multifásicas).

Cuando se utiliza para terminar un extremo cerrado de una línea de transmisión, se puede utilizar el acoplador capacitivo 1600, junto con una resistencia de terminación 1635, conectada al puerto de datos 1630, para adaptarse a la impedancia característica del cable de transmisión de energía eléctrica.

La Fig. 16B ilustra el uso del acoplador capacitivo 1600 para el acoplamiento de un módem 1636 en un extremo cerrado de un cable de transmisión de energía eléctrica. El módem 1636 se conecta al puerto de datos 1630.

La Fig. 16C es una representación esquemática de una disposición de acopladores capacitivos para mantener la continuidad de una señal de datos a través de un interruptor de segmentación de red. La Fig. 16C muestra un sistema de distribución de energía eléctrica que tiene un conductor de fase con un primer segmento 1601 en un primer lado de un interruptor 1602 y un segundo segmento 1603 en un segundo lado del interruptor 1602. Un primer acoplador capacitivo 1650 acopla una señal de datos por medio del primer segmento 1601, y tiene un puerto de datos 1635 para el acoplamiento adicional de la señal de datos. Un segundo acoplador capacitivo 1660 tiene un puerto de datos 1665 acoplado al puerto de datos 1635 del primer acoplador capacitivo 1650, y acopla la señal de datos por medio del segundo segmento 1603. De este modo, se mantiene una transmisión de la señal de datos entre el primer segmento 1601 y el segundo segmento 1603 cuando se abre el interruptor
1602.

La presente invención emplea una variedad de protocolos de trabajo de red para ampliar el rango físico y mejorar la fiabilidad. Después de pasar a través de los acopladores inductivos y encontrar desajustes de impedancia, uniones en T y pérdida de radiación, la amplitud de la señal disponible hacia el receptor del módem puede volverse muy débil. Si esta debilidad es relativa al ruido interno de un módem o al ruido eléctrico del ambiente en las líneas de media tensión, habrá un punto físico más allá del cual la señal no podrá ser detectada ni demodulada en datos con una tasa de error aceptablemente baja.

Pueden añadirse módems bi-direccionales para regenerar y fortalecer la señal si también se utilizan bobinas de choque de impedancia elevada para aislar la red de media tensión en segmentos independientes.

La red de comunicaciones de datos puede emplear protocolos de comunicación que incluyen el paso de tokens (muestras) de datos de nodo a nodo. En cada nodo, el token, que proporciona señalización o control, o incluye un paquete de datos como carga útil, se almacena, interpreta y enruta hacia el usuario local de datos del módem o bien hacia el siguiente nodo de la red. El tiempo requerido para almacenar, interpretar y retransmitir un token reducirá considerablemente la tasa efectiva de datos neta de dicha red, si cada nodo está siempre en línea.

De conformidad con la presente invención, sólo determinados nodos están programados para estar activos en cualquier momento dado, a saber el nodo al que se dirige el token y un mínimo fijo de subconjuntos de nodos distribuidos a lo largo de la red que se requieren para mantener una amplitud de señal mínima para todos los puntos de la red. Cuando este subconjunto de nodos esté activo, habrá un equilibrio ventajoso del tiempo de retardo y de la tasa de datos neta reducida a cambio del aumento de rango físico y de mejora de la tasa de error.

La determinación de la identidad de los miembros del nodo permanentemente activos puede lograrse por medio de mediciones manuales de la atenuación entre todos los nodos de la red de media tensión. Preferiblemente, los módems están equipados con circuitos que miden la amplitud de la tensión y/o la tasa señal/ruido, y son interrogados por un dispositivo de control de acceso de los medios de red. Los nodos deben ser programados también para que acepten una orden que les mantenga en modo de relevo permanentemente activo, incluso para tokens o paquetes que no son dirigidos hacia ellos.

Se puede implantar entonces un algoritmo que determine qué nodos deben establecerse como activos permanentemente, y que emita un flujo de órdenes para todos los nodos para establecer los nodos apropiados como permanentemente activos. El algoritmo se ejecuta cada vez que la configuración de la red de media tensión se cambia, pero éste es un acontecimiento relativamente raro.

Los nodos poco espaciados disfrutarán de una velocidad de transmisión de los datos igual a la velocidad máxima de transmisión de la red mientras que los nodos más distantes seguirán siendo atendidos por un servicio fiable con una baja tasa de error, aunque a una velocidad de transmisión de los datos menor. En principio, se declara que la disposición descrita elimina todos los límites de distancia de las comunicaciones de media tensión.

La línea de transmisión formada por el conductor seleccionado y sus aledaños es inherentemente un medio de anchura de banda amplia, baja pérdida y baja dispersión. Para líneas aéreas, las pérdidas se deberían al efecto pelicular y a la radiación, siendo el último relativamente ineficaz ya que las líneas no son resonantes en la mayoría de las frecuencias. Para líneas subterráneas, las pérdidas se deberían al efecto pelicular y a la pérdida de aislamiento, por ejemplo, capa exterior de plástico y capa interno de material semiconductor.

La presente invención produce una emisión electromagnética baja y tiene poca susceptibilidad al ruido externo, especialmente cuando se usa con técnicas de propagación del espectro. También se pueden mantener bajos los niveles de energía eléctrica, debido a la baja pérdida de cable a acoplador. La susceptibilidad a las fuentes de ruido externo serían proporcionales a la radiación, y los modos que tienen la interferencia electromagnética más baja (EMI) también son aquellos más resistentes a la recepción del ruido externo, en base al principio de reciprocidad.

Para modo con un solo extremo (ver la Fig. 2A), los dos vecinos del conductor seleccionado actúan en anti-fase con respecto al conductor central para ambos modos de radiación eléctrica y magnética. Un observador a distancia vería una cancelación sustancial de los campos.

Para modos equilibrados, habría una cancelación del campo lejano y un efecto de blindaje de los vecinos puestos a tierra. Para la terminación del transformador (ver la Fig. 2B), la pérdida de acoplamiento sería más baja y los niveles de fuerza motriz podrían mantenerse relativamente bajos, ofreciendo los niveles EMI más bajos. Para la terminación de la bobina de bloqueo, los niveles de la fuerza motriz serían ligeramente más altos.

Si los módems actúan como repetidores, entonces los niveles de la fuerza motriz pueden mantenerse al mínimo requerido para un solo segmento, reduciendo aún más la radiación.

Una red de comunicación de datos de conformidad con la presente invención ofrece una capacidad para velocidades de transmisión de datos muy elevadas, por ejemplo, que superen 10 Mbps. Los acopladores son todos dispositivos magnéticos y electrostáticos con anchos de banda que pueden alcanzar como mínimo decenas de megaherzios si se utilizan materiales magnéticos y dieléctricos de alta frecuencia. Las líneas de transmisión que no pierdan demasiado y que tengan una dispersión mínima podrían conducir las frecuencias que superen 20 MHz. Dichas frecuencias podrían utilizarse para módems que usen varios programas de modulación e incluso a un bit por herzio, ofrecerían velocidades de transmisión de datos elevadas.

La señalización de banda base puede emplearse también si el codificación de los datos elimina las largas cadenas de todo 1 y todo 0. Con conexiones entre segmentos que incluyan la regeneración (repetidores), la banda ancha sería más grande que obtenible con enlace pasivo de segmentos.

Los acopladores de la presente invención pueden ser instalados con poca o ninguna interrupción del servicio de energía eléctrica a los clientes. La instalación también puede ser llevada a cabo sin exposición a altas tensiones. Si se emplean trabajadores de línea enguantados, las autoridades pueden permitir colocar un acoplador inductivo alrededor de un cable, mientras el cable esté en servicio. Incluso si las autoridades insisten en que los trabajadores no trabajen en cables energizados, la arquitectura de bucle de las redes de media tensión de las cercanías permite desconectar un solo segmento de cable, sin interrumpir el servicio a los clientes. Para los acopladores capacitivos, relativamente pocos, puede ser necesaria un solo corte de energía eléctrica corto.

La presente invención permite el funcionamiento continuado de una red de comunicación de datos incluso durante un corte de energía eléctrica. El funcionamiento continúa incluso durante interrupciones en la energía eléctrica de media tensión.

La presente invención plantea poco o ningún impacto sobre la fiabilidad de la red eléctrica. Los acopladores inductivos no tienen ningún modo de falla que afecte al flujo de potencia. Los pocos acopladores capacitivos, con sus fusibles, no causarían tampoco un fallo en la línea.

Para las realizaciones de las Figs. 2A y 2B, enrollar el acoplador con un hilo más grueso excluiría su fallo debido a sobrecorriente y usar conexiones estándares para la industria entre el neutral seleccionado y el acoplador minimizaría el fallo de conexión. Si fuese a producirse un circuito abierto, deje (N-1)/N de la capacidad de transporte de corriente intacta o el 87,5% en el caso tratado. Ya que el cable normalmente opera muy por debajo de su capacidad de 200 A, dicho fallo no tendría ningún efecto.

El cortocircuito del acoplador tendría un impacto en las comunicaciones de datos, pero esto restauraría meramente el conductor neutral a su estado original. Consecuentemente, la red de potencia no se vería impactada adversamente.

El cortocircuito del neutral o de cualquier otra parte del acoplador a tierra no tendría ningún efecto en la línea MT, ya que su neutral está conectado próximamente a la varilla de tierra. El fallo del circuito magnético, abierto, corto, o saturación, no tendría ningún efecto sobre el suministro de energía eléctrica o la seguridad del sistema.

Los acopladores utilizan solamente componentes pasivos, que implican una vida de servicio virtualmente ilimitada. El acoplador inductivo puede ser cualquier transformador o inductor apropiado.

En la implantación pasiva, los acopladores inductivos utilizan solamente componentes pasivos, por ejemplo, hilos enrollados alrededor de núcleos magnéticos, y éstos no tienen ningún mecanismo de desgaste. Los acopladores capacitivos tampoco no tienen mecanismos de desgaste.

La construcción pasiva y la facilidad de instalación de los acopladores inductivos proporcionan una solución de bajo coste al problema del acoplamiento a líneas de distribución de energía eléctrica de media tensión y su utilización como canales de backhaul de datos. El tiempo de instalación debería ser inferior a 15 minutos para el acoplador inductivo predominante y los costes de instalación mínimos.

Existe una clara ventaja de la realizaciones que utilizan líneas neutrales, en comparación a los acopladores capacitivos de derivación que emplean los conductores de media tensión para transportar datos. Estos hacen contacto con la línea de media tensión como mínimo una vez cada transformador y debe soportar tensiones completas de falla. Por ejemplo, un acoplador para un cable de fase a tierra de 15 kV rms debe probarse para 125 kV BIL. Esto hace muy voluminoso y costoso el acoplador capacitivo y añade muchos más puntos potenciales de fallo al sistema.

Debe entenderse que pueden diseñarse diversas alternativas y modificaciones por los hombres expertos en esta técnica. La presente invención tiene como objetivo aunar todas esas alternativas, modificaciones y variaciones que entran dentro del alcance de las reivindicaciones acompañadas.

Claims (14)

1. Aparato para permitir la comunicación de una señal de datos por medio de un cable de transmisión de energía eléctrica (300; 500) que tenga un primer conductor neutral (410; 602) y un segundo conductor neutral (420; 602) y que conste de:un núcleo magnético (400; 400A, 400B; 605; 620) para su colocación sobre dichos primero y segundo conductores neutrales; y un devanado (425; 608) enrollado alrededor de una porción de dicho núcleo magnético (400; 400A, 400B; 605; 620); en el que dicha señal de datos se acopla inductivamente entre dicho primer conductor neutral (410; 602) y un puerto de datos, y entre dicho segundo conductor neutral (420; 602) y dicho puerto de datos, por medio de dicho núcleo magnético (400; 400A, 400B; 605; 620) y de dicho devanado (425; 608), y en el que dicha señal de datos es accionada diferencialmente a través de dichos conductores primero y segundo neutrales.

2. Aparato de la reivindicación 1, en el que dicho núcleo magnético (400; 400A, 400B; 605; 620) induce una primera corriente en dicho primer conductor neutral (410; 602) en una primera dirección, e induce una segunda corriente en dicho segundo conductor neutral (420; 602) en una segunda dirección que es opuesta a dicha primera dirección.

3. Aparato de la reivindicación 1, en el que dicho núcleo magnético (400; 400A, 400B) se configura topográficamente como una figura "8" con ningún contacto en el punto de cruce del "8".

4. Aparato de la reivindicación 3, en el que dicho núcleo magnético (400) consta de una primera región adyacente a dicho primer conductor neutral (410) y una segunda región adyacente a dicho segundo conductor neutral (420), en el que dicha primera región consta de un primer bucle (405) de dicha figura "8".en el que dicho primer conductor (410) es enrutado a través de dicho primer bucle (405), en el que dicha segunda región consta de un segundo bucle (415) de dicha figura "8", yen el que dicho segundo conductor (420) es enrutado a través de dicho segundo bucle (415).

5. Aparato de la reivindicación 3, en el que dicho núcleo magnético (400A, 400B) conste de una primera región adyacente a dicho primer conductor neutral (410) y una segunda región adyacente a dicho segundo conductor neutral (420),en el que dicha primera región consta de una primera abertura (430) en un primer bucle (405) de dicha figura "8". en el que dicho primer conductor (410) es enrutado a través de dicha primera abertura (430), en el que dicha segunda región consta de una segunda abertura (435) en un segundo bucle (415) de dicha figura "8", y en el que dicho segundo conductor (420) se enruta a través de dicha segunda abertura (435).

6. Aparato de la reivindicación 1, en el que dicho primer conductor neutral (410) y dicho segundo conductor neutral (420) son substancialmente paralelos entre sí en dicho cable de transmisión de energía eléctrica.

7. Aparato de la reivindicación 1, en el que dicho primer conductor neutral (410) es enrutado en una primera dirección a través de dicho núcleo magnético (400; 400a, 400b) y se conecta a una toma central puesta a tierra, y en el que dicho segundo conductor neutral es enrutado en una segunda dirección a través de dicho núcleo magnético (400; 400A; 400B) y se conecta a dicha toma central puesta a tierra.

8. Aparato de la reivindicación 1, en el que dicho cable de transmisión (300) tiene una pluralidad de hilos neutrales (330) que son sustancialmente paralelos entre sí, con individuos de un primer subconjunto (330A) de dicha pluralidad de hilos neutrales (330) alternando con individuos de un segundo subconjunto (330B) de dicha pluralidad de hilos neutrales (330), en el que dicho primer conductor neutral está incluido en dicho primer subconjunto (330A) de dicha pluralidad de hilos neutrales (330), y en el que dicho segundo conductor neutral está incluido en dicho subconjunto segundo (330B) de dicha pluralidad de hilos neutrales (330). Aparato de la reivindicación 1, que incluye además un toroide magnético (502) dispuesto alrededor de una porción de dicho cable de transmisión de energía eléctrica (500), en el que dicho primer conductor neutral y dicho segundo conductor neutral se conectan a un miembro de terminación común corriente abajo de dicho toroide magnético (502), y en el que dicho núcleo magnético se coloca sobre dichos conductores neutrales primero y segundo corriente arriba de dicho toroide magnético.

9. Aparato de la reivindicación 1, en el que dicho núcleo magnético consta de un núcleo magnético abierto (605) que tiene: un primer ramal (606) posicionado próximo y perpendicular a dicho primer conductor neutral (602); un segundo ramal (607) posicionado próximo y perpendicular a dicho conductor segundo neutral (602), y un tercer ramal (610), situado entre dicho primer ramal (605) y dicho segundo ramal (607) que tiene dicho devanado (608) enrollado alrededor.

10. Aparato de la reivindicación 1, en el que dicho núcleo magnético consta de una primer núcleo toroidal magnético (620, Fig. 6C) que tiene una abertura (627) a través de la cual dicho primer conductor neutral (602) se enruta y un segundo núcleo toroidal magnética (620) que tiene una abertura (627) a través de la cual se enruta dicho segundo conductor neutral (602), y en el que dicho devanado (630) se enrolla alrededor de una porción de dicho primer núcleo toroidal (620) y una porción de dicho segundo núcleo magnético toroidal (620).

11. Aparato de la reivindicación 1, que incluye además:un primer módem (1202, Fig. 12) que tiene un primer puerto (1225) acoplado a dicho puerto de datos, y que tiene un segundo puerto (1210) para el acoplamiento adicional de dicha señal de datos; y un segundo módem (1205) que tiene un primer puerto (1230) acoplado a dicho segundo puerto (1210) de dicho primer módem (1202) y que tiene un segundo puerto (1235) para acoplamiento adicional de dicha señal de datos.

12. Aparato de la reivindicación 12, en el que dicho primer módem (1202) y dicho segundo módem (1205) se configuran adosados.

13. Aparato de la reivindicación 12, comprende además un router de datos (1220) interpuesto entre dicho primer módem (1202) y dicho segundo módem (1205).

14. Método para permitir la comunicación de una señal de datos por medio de un cable de transmisión de energía eléctrica que tenga un primer conductor neutral (410; 602) y un segundo conductor neutral (420; 602), consistiendo dicho método en los pasos:colocar un núcleo magnético (400; 400A, 400B; 605; 620) sobre dichos primero y segundo conductores neutrales; y enrollar un devanado (425; 608) alrededor de una porción de dicho núcleo magnético (400; 400A, 400B; 605; 620), en la que dicha señal de datos se acopla inductivamente entre dicho primer conductor neutral (410; 602) y un puerto de datos, y entre dicho segundo conductor neutral (420; 602) y dicho puerto de datos, por medio de dicho núcleo magnético (400; 400A, 400B; 605; 620) y dicho devanado (425; 608), y en el que dicha señal de datos es accionada diferencialmente a través de dichos conductores primero y segundo neutrales.