JP4361488B2 - 高度に絶縁された誘導データカプラー - Google Patents

Description

本発明は、電力線上の通信に関し、更に詳細には、電圧破壊を最小限に抑えるように絶縁されたデータカプラーに関する。

電力線での通信用のデータカプラーは、電力線とモデム等の通信装置との間でデータ信号を結合させる。誘導カプラーでは、電力線の不適当な低電圧での絶縁破壊または部分的な放電が問題となることがある。破壊または部分的な放出は一般的に、電界が絶縁材料内でに集中されたり空気によって過度に高い電界が生じているカプラー内の所定の場所で起こる。

図１は、従来技術の誘導カプラーの断面を示す。電力線８００、例えば統制線は、誘導カプラーのための１次巻線となり、かくして、コア部８０５を含む上方コア部とコア部８１０および空隙８３０、８３５を含む下方コア部とを有するように構成されたコアを備えた磁気回路のアパーチャを通っている。２次巻線８２０がまた、絶縁材料８２５によって囲まれた状態で、このアパーチャを通っている。電力線８００は接触点８５５でコア部８０５に接触するが、２次巻線８２０は接地されている。コア部８０５、８１０は、磁気のコアの材料で形成されている。コア部８０５、８１０内の電界は、コアの材料の伝導率および誘電率によって決まる。

電力線８００が剥き出しになっている場合は、全相電圧が、カプラーの、特に接触点８５５と２次巻線８２０との間に与えられる。

図２を参照すれば、電力線８００が絶縁材で覆われている場合は、電力線８００が、接触点８６５でコア部８０５に接触する絶縁材８６０を有することが見られる。容量性分圧器が、（ａ）電力線８００、絶縁材８６０、およびコア部８０５の間に形成されたキャパシタと、（ｂ）接触点８６５と２次巻線８２０との間のキャパシタンスとの間に形成される。よって、接触点８６５と地面との間の電圧ストレスは、全相電圧よりも小さい。

コア部８１０は、２次巻線８２０がコア部８１０を出る平面に、鋭角部を備えている。一般に、イオン化と電圧破壊との影響を受けやすい２つの場所がある。１つ目は、電力線８００と絶縁材８２５との間の空気路８４０であり、２つ目は、コア部８１０の前記鋭角部とこのコア部８１０からの２次巻線８２０の出口部との間の領域である。

空気路８４０は、以下のように、イオン化および電圧破壊の影響を受けやすい。絶縁材料８２５は、プラスチックまたは２．５〜３．５の誘電率を有する他の材料から構成されることが多い。電力線８００と２次巻線８２０との間の電圧差の容量性電圧分配が、大部分の電圧差を空気路内に与え、比較的少しの電圧差を絶縁通路８５０にわたって与えるだろう。空気の絶縁能力は、プラスチックまたは他の絶縁材料の能力に劣るため、電力線８００の電圧が増すにつれて通路８４０にわたって最も破壊が起こりやすくなる。

図３は、図１に示されているような２次巻線８２０によって分けられた水平断面を示している。下方コア部は、複数のコア部、即ち、コア部８１０、８１１、８１２、および８１３を有するように構成される形で示されている。２次巻線８２０は、コア部８１０、８１１、８１２、および８１３を通る。領域１０００、１００５、１０１０、および１０１５は、電界の集中する複数の領域を示しており、これらの領域は、所望の電圧よりも相当に低い電力線上の電圧で最初の絶縁破壊を生じる恐れがある。

本発明は、電圧破壊を最小限に抑えるように絶縁されたデータカプラーに関連している。本発明の１実施形態は、電力線に信号を結合させる誘導カプラーである。この誘導カプラーは、電力線の回りに配置される磁気のコアと、この磁気のコアの一部の回りに巻かれたコイルと、コアを包み電力線と接触する半導体コーティングとを有する。信号はコイルに結合される。

電力線に信号を結合させるための誘導カプラーの他の実施形態は、電力線の回りに配置される磁気のコアと、この磁気のコアの一部の回りに巻かれたコイルとを有する。コイルは、電力線の電位の外側導体を備えた同軸ケーブルを有し、このケーブルは、ストレス円錐体を備えた端部を有する。

本発明に係われば、高度に絶縁された誘導データカプラーが、空気路に生じる高い電界を実質的になくし、こうした電界を誘電材料で満たされている場所に制限するようにする。高い電界を生じる恐れのある所定の先の尖った形状を避けるように、丸くされた幾何学が全ての励起される本体で採用されている。また、上方および下方コア部は、１つの共有の等電位エンベロープ内に配置され、これによって、カプラーを磁気のコアの誘電特性とは無関係にし、コア内の、上方コア部と下方コア部との間の電界をなくすようにさせている。

図４は、本発明に係わる高度に絶縁された誘導データカプラーの断面である。このカプラーは、電力線８００の回りに配置される磁気のコアを有する。この磁気のコアは、コア部８０５を含む上方コア部とコア部８１０を含む下方コア部とを有するように構成されている。“上方”および“下方”というコア部の表記は、開示された図面上のこれら夫々の位置を単に示しているだけであり、このような表記は、必ずしもこれらコア部の実際の物質的関係の説明ではない。２次巻線８２０が、モデム等の通信装置（図示されず）に接続されており、かくして、カプラーは、線８００と通信装置との間でデータ信号を結合できる。

コア部８０５、８１０は、ブーツ（boots）、即ち半導体材料で形成されたコーティング９００、９０５内に夫々包まれている。適当な半導体材料の例は、所望の体抵抗（bulk resistivity）を与えるようにグラファイトまたは炭化ケイ素を含浸させたプラスチックまたはゴムである。コーティング９００とコーティング９０５との間には、電気接触部９１０が形成されている。このように、コア部８０５、８１０とコーティング９００、９０５とは、１つの原則的に等電位体となっている。

絶縁材料８２５の表面９１５は、半導体コーティング９４５で覆われている。この半導体コーティングは、コーティング９０５に重なり、このコーティング９０５と電気接触している。かくして、コーティング９４５の電位は、電力線８００の表面の電位と原則的に等しくなり、これにより、空気路９４０間の電圧がゼロになるか大幅に減じられる。従って、２次巻線８２０およびコア部８０５、８１０を有し、電力線８００を１次巻線として用いている誘導カプラーは、半導体コーティング９４５なしで可能な電圧よりも高い最初の電圧で安全に使用され得る。

図５は、図４などの高度に絶縁された誘導データカプラーの下方コア部によって分けられた水平断面を示している。下方コア部は、複数のコア部、即ち、コア部８１０，８１１，８１２，および８１３を有するように構成されている。図５の誘導データカプラーは、図３のカプラーと比べたとき、コア部８１３からの２次巻線８２０の出口部のところで、領域１０００と比較される領域１１０５内への電界の集中を減じている。コーティング９０５には、丸くされた外形１１００が与えられ、コア部８１３の側面に面取りされた延長部を与えている。コア部８１３などの励起される本体の形状を丸くすることにより、電力線８００（図１）で伝えられた所定の電圧に対して領域１１０５内の最大電界が減じられ得る。反対に、最大の電圧破壊率を有する所定の絶縁材料８２５（図１）に対して、鋭角部が存在したときの許容範囲と比べて、電力線８００上にかけられる電圧が増され得る。

２次巻線８２０は、コアを通る１つの通路を有する形で図５に示されている。実際には、２次巻線８２０は、コアの一部の回りに巻かれたコイルとして構成されてもよい。

かくして、電力線に信号を結合させる誘導カプラーが提供される。この誘導カプラーは、（ａ）電力線の回りに配置される磁気のコアと、（ｂ）磁気のコアの一部の回りに巻かれ、信号が結合されるコイルと、（ｃ）コアを包み電力線に接触する半導体コーティングとを有する。コアは、細長い端部を有する。誘導カプラーはまた、この細長い端部を覆い、半導体コーティングと電気接触し、および丸められた形状を有する半導体本体を有する。コイルは、コアから生じたリードを有する。誘導カプラーはまた、電力線とコイルを覆う絶縁性表面との間の電気的なストレスを減じるように、前記端部を覆うように設けられた半導体層を有する。

図６は、半導体コーティングを備えた誘導カプラーを用いている構成の垂直断面である。空気路１２００は、電力線８００と、接地された２次巻線１２２０を囲んだ絶縁層１２２５の表面１２１０との間でイオン化と破壊の影響を受けやすい。電力線８００と２次巻線１２２０との間の電位差が、空気路１２００と絶縁層１２２５との間で容量的に分配される。絶縁層１２２５にわたる電位差と比較すると、大部分の電位差が空気路１２００にわたって生じる。空気路１２００はまた、比較的効果の低い絶縁体である。

この状況を改善するために、ストレス円錐体で使用されるのと同様の技術が採用されている。ストレス円錐体が、２つの導体ケーブルの終端部で使用され、絶縁破壊を招く恐れのある電界の集中を減じるように電位を徐々に減じる。これは、図６の右半分に図示されている。半導体層１２３０は、絶縁層１２２５に埋め込まれ、２次巻線１２２０と絶縁層１２２５の表面１２１５との間に挟まれており、また、コア部８０５、８１０のコーティング９０５に接続されている。半導体層１２３０は、半導体コアコーティング９０５の細長い端部からの距離に応じて電位を減じさせる一連の抵抗および浮遊キャパシタンスの組み合わせを有し、半導体層１２３０の遠位端部への過度の電気ストレスの集中を防ぐ。かくして、半導体層１２３０は、表面１２１５の電位を電力線８００の最初の電位の近くにまで高くさせ、空気路１２０５にわたって電位差を大きく減じ、そして、受け入れ難い程に低い電力線８００の最初の電圧での破壊を防ぐ。

２次巻線１２２０は、コアを通る１つの通路を有する形で図６に示されている。実際には、２次巻線１２２０は、コアの一部の回りに巻かれたコイルとして構成され得る。

空気路にわたって大きな電位差を減じ、高い電気ストレスのかかるポイントをなくすことが、複数の技術を組み合わせることによって果たされ得る。１つの技術では、コアは、図４および５に関連して上述されたように、半導体層によってコーティングされる。他の技術では、高圧ケーブルの一部が用いられ、即ち、カプラーのために特にモールド成形される。このケーブルは、コーティングされた磁気のコアと導電性または容量性の接触をすることによって励起される外側半導体層を有する。このケーブルは、接地される中央導体を有する。２次巻線の２つの端部では、ストレス円錐体がケーブルの終端部を与えている。２次巻線が絶縁材に埋め込まれている場合は、格納庫を有さない屋内のストレス円錐体が使用可能である。あるいは、漏れ路を増すように格納庫を有する屋外のストレス円錐体が使用可能である。

図７は、本発明に係わる高圧誘導データカプラー１３４５の他の実施形態の断面である。このカプラー１３４５は、２次巻線として高圧ケーブルを使用している。

電力線８００は、半導体層９００でコーティングされたコア部８０５を通っている。２次巻線１３００、即ち、第２のケーブル１３０５の内側導体は、チョーク（chokes）を介して接地され、半導体層９０５で包まれたコア部８１０を通っている。この第２のケーブル１３０５は、半導体層１３１０でコーティングされており、この半導体層は、ストレス円錐体１３２０の半導体の１部分１３１５に結合している。カプラー１３４５の下部全体は、倉庫１３３０が設けられた絶縁性の本体１３２５内に包まれて、電力線８００と接地された２次巻線１３００との間に漏れ路を与えている。

電力線８００またはその薄い絶縁材は、機能上、半導体層９００と接触し、この半導体層９００の電位を電力線８００の電位の近くまで上げる。用語“ギャップ”と“空隙”とは、飽和前に電流操作能力および最大磁気作用力を増すための、コアの部品間の非磁性のスペーサまたは非磁性の領域を示している。半導体層９００は、コア部８０５と８１０との間のギャップ１３５０で半導体層９０５に接触し、この半導体層９０５に電力線８００の電位に近い電位を与える。２次巻線１３０５は、半導体層９０５と直接接触する半導体層１３１０を有し、これによって、この半導体層１３１０に電力線８００の電位に近い電位を与える。

第２のケーブル１３０５の各端部では、ストレス円錐体１３２０が、この第２のケーブルを終端させており、これによって、２次巻線１３００が過度の局所的な電気ストレスなしでカプラー１３４５から出るようにされている。カプラー１３４５の表面の電位が、下に横たわる励起された半導体層１３１０によって電力線８００の電位に近くされることから、空気路１３４０は高い電位を埋めない。

第２のケーブル１３０５は、コアを通る１つの通路を有する形で図７に示されている。実際には、第２のケーブル１３０５は、コアの一部の回りに巻かれたコイルとして構成され得る。

かくして、電力線に信号を結合させるための誘導カプラーの他の実施形態が提供される。この誘導カプラーは、（ａ）電力線の回りに配置される磁気のコアと、（ｂ）この磁気のコアの一部の回りに巻かれ、信号が結合されるコイルと、（ｃ）コアを包み、電力線に接触する半導体コーティングとを有する。更に、コイルは、半導体材料でコーティングされた高圧ケーブルの一部を有する。この半導体材料は、半導体コーティングと導電性および容量性の接触をしている。本誘導カプラーはまた、コイルの端部にストレス円錐体を有する。

本明細書で説明された教示の組み合わせおよび改良が当業者によって考え出されることが、理解されるだろう。本発明は、添付請求項の範囲内に収まる全てのそのような変形例、改良例、および変化を包含するように意図されている。

電力線に垂直な従来技術の誘導カプラーの断面を示す。 従来技術の誘導カプラーの他の実施形態の断面を示す。 図１のような誘導カプラーの２次巻線によって分けられた水平断面を示す。 電力線に垂直な高度に絶縁された誘導カプラーの断面である。 図４のような高度に絶縁された誘導カプラーの下方コア部によって分けられた水平断面を示す。 半導体コーティングを備えた誘導カプラーを用いる構成の垂直断面を示す。 ケーブルを２次巻線として組み込んだ高圧誘導データカプラーの断面である。

Claims (11)

1. 電力線に信号を結合させる誘導カプラーであって、
   前記電力線の回りに配置される磁気のコアと、
   この磁気のコアの一部の回りに巻かれ、前記信号が結合されるコイルと、
   前記コアを包み、前記電力線に接触する半導体コーティングとを具備する誘導カプラー。
2. 前記コアは、細長い端部を有し、また、
   この細長い端部を覆い、前記半導体コーティングと電気接触している丸くされた半導体の本体を更に具備する請求項１の誘導カプラー。
3. 前記コアは、丸くされた細長い端部を有し、
   前記半導体コーティングは、この丸くされた細長い端部を覆っている請求項１の誘導カプラー。
4. 前記コイルは、前記コアから生じたリードを有し、
   このリードは、絶縁層でコーティングされ、また、
   本誘導カプラーは、前記絶縁層を覆うように設けられた半導体層を更に具備する、請求項１の誘導カプラー。
5. 前記コイルは、前記コアから生じたリードを有し、また、
   本誘導カプラーは、このリードを覆うように設けられた半導体層を更に具備する請求項１の誘導カプラー。
6. 前記コイルは、半導体材料でコーティングされた高圧ケーブルの一部を有し、この半導体材料は、前記半導体コーティングと導電性または容量性の接触をしており、また、本誘導カプラーは、前記コイルの端部にストレス円錐体を更に具備する請求項１の誘導カプラー。
7. 電力線に信号を連結させる誘導カプラーであって、
   前記電力線の回りに配置される磁気のコアと、
   この磁気のコアの一部の回りに巻かれたコイルとを具備し、
   このコイルは、電力線の電位の外側導体を備えた外側の同軸ケーブルを有し、
   この同軸ケーブルは、ストレス円錐部を備えた端部を有する誘導カプラー。
8. 前記磁気のコアは、互いの間に空隙を有する第１の部分と第２の部分とを有している、請求項１の誘導カプラー。
9. 前記半導体コーティングは、電力線の電位とほぼ等しい電位である、請求項１の誘導カプラー。
10. 互いの間に空隙を有する第１の部分と第２の部分とを有し、電力線が中を通るアパーチャを与えるように構成され、この電力線は前記第１の部分の近くに位置付けられる、磁気のコアと、
    前記第２の部分の回りに巻かれたコイルと、
    前記第１および第２の部分の各々の表面に前記空隙をまたいで配置された半導体コーティングとを具備し、この半導体コーティングは、電力線に接触する、誘導カプラーであって、
    前記コイルと電力線との間で磁気のコアによってデータ信号を結合させる誘導カプラー。
11. 前記半導体コーティングは、前記電力線の電位とほぼ等しい電位である、請求項１０の誘導カプラー。

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