KR100991921B1 - 고절연 유도성 데이터 커플러 - Google Patents

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Abstract

신호를 전력선에 커플링하는 유도성 커플러가 제공된다. 상기 유도성 커플러는 상기 전력선의 배치를 위한 자기 코어와, 상기 자기 코어의 일부분에 감긴 코일과, 상기 코어를 감싸고, 상기 전력선과 접촉해 있는 반도체 코팅재를 구비한다. 상기 신호는 상기 코일에 커플링된다.

Description

고절연 유도성 데이터 커플러{Highly Insulated Inductive Data Couplers}
본 발명은 전력선 통신에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 전압 장애(breakdown)를 최소화하기 위한 방식으로 절연된 데이터 커플러에 관한 것이다.
전력선 통신용 유도성 커플러는 모뎀과 같은 통신 장치와 전력선 사이의 데이터 신호를 커플링시킨다. 상기 유도성 커플러는 적합하지 않게 낮은 선로 전압에서의 부분적인 방전 또는 절연 장애(breakdown)를 겪을 수 있다. 장애 또는 부분적 방전은, 일반적으로 전기장이 절연 재료에 집중되어 있거나 공기중에 과도하게 높게 형성된 커플러내의 위치에서 발생할 것이다.
도 1은 종래 유도성 커플러의 단면을 나타낸 것이다. 전력선(800) 예컨데, 위상 선(phase line)이 상기 유도성 커플러에 대한 제1 권선의 역할을 하며, 이에따라, 코어 섹션(805)을 구비한 상부 코어 부분 및 코어 섹션(810)과 공극(830, 835)을 구비한 하부 코어 부분으로 구성된 코어의 자기 회로의 개구(aperture)를 통해 통과한다. 제2 권선(820)은 또한 절연재료(825)로 에워쌓인 개구를 통과한다. 전력선(800)은 접촉점(855)에서 코어 섹션(805)에 닿는 한편, 제2 권선(820)은 접지(ground)된다. 코어 섹션(805, 810)은 자기 코어 재료로 이루어진다. 코어 섹션(805, 810) 내측의 전기장은 상기 코어의 재료의 전도율과 유전율에 의존적이다.
전력선(800)이 노출되어 있을 경우에는, 전체 위상(full phase) 전압이 커플러 특히,접촉점(855)와 제2 권선(820)사이에 인가된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 절연물로 덮혀있는 전력선(800)의 경우, 접촉점(865)에서 코어 섹션(805)와 접촉하는 절연물(860)을 구비한다. 용량성 전압 디바이더(divider)는 (a)전력선(800), 절연물(860) 및 코어 섹션(805)사이에 형성된 커패시터; 및 (b)접촉점(865) 및 제2 권선(820) 사이의 커패시턴스(capacitance) 사이에 형성된다. 그 때, 접촉점(865) 및 접지 사이의 전압 스트레스는 상기 전체 위상 전압보다 작다.
제2 권선(820)이 코어 섹션(810)을 벗어나는 면에서, 코어 섹션(810)은 예리한 모서리로 작용한다. 일반적으로, (1)전력선(800)과 절연 재료(825)사이의 공기 통로(840) 및 (2)코어 섹션(810)의 모서리와 코어 섹션(810)으로부터 제2 권선(820)의 출구 사이 영역의 2개의 영역에서 전리(ionization) 및 전압 장애가 일어날 수 있다.
공기 통로(840)는 다음과 같이 전리 및 전압 장애가 일어날 수 있다. 절연 재료(825)는 플라스틱 또는 2.5 내지 3.5사이의 유전율을 갖는 다른 재료로 구성되기 쉽다. 전력선(800)과 제2 권선(820) 사이의 전압 차이의 용량성 전압 분배는, 대부분의 전압차를 공기 통로(840)에, 비교적 적은 전압차는 절연 경로(insulation path)(850)에 걸쳐 배치되도록 한다. 공기의 절연 용량이 플라스틱 또는 다른 절연재료에 비해 적어서, 전력선(800)의 전압이 증가하면서 장애는 공기 통로(840)에 걸쳐 대부분 발생된다.
도 3은 도 1에 도시된 바와 같은 제2 권선(820)의 수평 단면도이다. 하부 코어 부분이 다수의 코어 섹션 즉, 코어 섹션(810, 811, 812, 813)으로 구성되어 있음이 도시되어 있다. 제2 권선(820)은 코어 섹션(810, 811, 812, 813)을 통과한다. 영역(1000, 1005, 1010 및 1015)은 전기장이 집중된(concentration) 영역을 나타내고, 목적한 것보다 매우 낮은 전력선(800) 상의 전압에서 초기 절연 장애를 야기할 수도 있다.
본 발명은 전압 장애를 최소화하는 방식으로 절연된 데이터 커플러에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예는 신호를 전력선에 커플링하는 유도성 커플러이다. 상기 유도성 커플러는 상기 전력선 배치를 위한 자기 코어와, 상기 자기 코어의 일부분에 감긴 코일과, 상기 코어를 감싸고, 상기 전력선과 접촉해 있는 반도전성(semiconducting) 코팅을 구비한다. 상기 신호는 상기 코일에 커플링된다.
신호를 전력선에 커플링하는 유도성 커플러의 다른 실시예는, 전력선 주변에 배치되는 자기 코어, 및 상기 자기 코어의 일부분을 감는 코일을 구비한다. 상기 코일은 전력선 전위(potential)에서 외측 도체를 갖춘 동축 케이블을 구비하고, 상기 케이블은 일 단부에 스트레스 콘(stress cone)를 구비한다.
도 1은 전력선에 수직인 방향에서 도시한, 종래 유도성 커플러의 단면도이다.
도 2는 종래 유도성 커플러의 다른 실시예를 도시한 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 바와 같은 유도성 커플러의 제2 권선의 수평 단면도이다.
도 4는 전력선에 수직인 방향에서 도시한, 고절연(highly insulated) 유도성 데이터 커플러의 단면도이다.
도 5는 도 4에 도시된 바와 같은, 고절연 유도성 데이터 커플러의 하부 코어 부분의 수평 단면도이다.
도 6은 반도전성 코팅을 갖는 유도성 커플러를 사용하는 배치의 수직단면도(vertical cross-section)이다.
도 7은 제2 권선으로서 케이블을 결합시키는 고전압 유도성 데이터 커플러의 단면도이다.
본 발명의 실시예에 따른, 고절연 유도성 데이터 커플러는 공기 통로를 통한 강한 전기장(high electric fields)을 사실상(virtually) 제거하며, 유전체 재료로 가득찬 구역에 상기 전기장을 제한한다. 강한 국부 장(high local field)을 생성할 수 있는 모난 부분을 제거하기위해 모든 에너지가 공급된(energized) 본체를 기하학적으로 둥글게 형성한다. 또한, 상부 및 하부 코어 부분은 단일한 공통의 등전위 표면(equipotential envelope) 내측에 배치되어, 커플러가 자기 코어의 유전적 특성과 무관하도록 하며, 상기 코어 내부 및 상부와 하부 코어 부분 사이의 전기장을 제거한다.
도 4는 본 발명에 따른 고절연 유도성 데이터 커플러의 단면도이다. 상기 커 플러는 전력선(800)의 배치를 위한 자기 코어(magnetic core)를 구비한다. 상기 자기 코어는 코어 섹션(805)를 포함하는 상부 코어 부분과, 코어 섹션(810)을 포함하는 하부 코어 부분으로 구성된다. "상부”,“하부”로 코어 부분을 지정하는 것은 단지 본 명세서 도면에서의 각각의 위치를 나타내는 것이며, 이러한 지정(designation)은 상기 코어 부분들간의 실질적, 물리적 관계를 묘사함에 있어 반드시 요구되는 것은 아니다. 제2 권선(820)은 모뎀(도시하지 않음)과 같은 통신 장치와 연결되며, 이에 따라, 상기 커플러는 전력선(800) 및 상기 통신 장치 사이에 데이터 신호를 커플링 할 수 있게 된다.
코어 섹션(805)과 코어 섹션(810) 각각은 반도체 재료로 이루어진 코팅재 또는 부츠(boots)(900, 905)에 의해 싸여진다. 상기 반도체 재료의 바람직한 예로는, 바람직한 벌크 저항을 공급하도록 흑연(graphite) 또는 실리콘 탄화물(silicon carbide) 등이 함유된 플라스틱 또는 고무 등이 있다. 전기적 접촉부(910)는 코팅재(900)와 코팅재(905) 사이에서 형성된다. 이에 따라, 코어 섹션(805, 810) 및 코팅재(900, 905)는 하나의, 본질적으로는 등전위인 몸체가 된다.
절연 재료(825)의 표면(915)은 반도전성 코팅(945)에 의해 덮여져 있으며, 또한, 코팅재(905)와 닿으며(overlaps), 상기 코팅재(905)와의 전기적으로 접촉한다. 상기 코팅재(945)의 전위는 전력선(800)의 표면과 같게 되어, 공기 통로(940)에 걸친 전압을 제거하거나 현저히 감소시킨다. 이는, 제2 권선(820) 및 코어 섹션(805, 810)을 구비하며, 전력선(800)을 제1 권선으로 사용하는 유도성 커플러가 반도전성 코팅재(945) 없이 가능한 것보다 높은 제1 전압에서 안전하게 이용되는 것 을 허용한다.
도 5는 도 4 에 도시된 바와 같은, 고절연 유도성 데이터 커플러의 하부 코어 부분의 수평 단면을 나타낸 것이다. 상기 하부 코어부는 차례로 복수개의 코어 섹션(810, 811, 812, 813)으로 구성된다. 도 3의 유도성 데이터 커플러와 비교하여 볼 때, 도 5의 유도성 데이터 커플러는 코어 섹션(813)으로부터의 제2 권선의 출구부에서, 영역(1000)과 비교하여, 영역(1105)에서의 전기장의 집중의 감소를 경험한다. 코팅재(905)는 라운드형(rounded profile)(1100)으로 형성되어, 코어 섹션(813)측에 라운드형 연장부를 제공한다. 코어 섹션(813)과 같이, 에너지가 공급된 몸체 형상을 라운드형으로 처리함에 따라, 전력선(800)(도 1 참조)이 취급하는 소정 전압에 대하여 영역(1105)에서의 최대 전기장이 감소한다. 반대로, 최대 전압 장애 등급을 갖는 주어진 절연 재료(825)(도 1)에 있어서는, 모가 형성된 모서리가 있을 때 허용된 것과 비교하여, 전력선(800)에 인가된 전압이 증가할 수 있다.
제2 권선(820)은 상기 코어를 통과하는 하나(single)로 도 5에 도시된다. 실제로, 제 2 권선(820)은 상기 코어의 일부에 감긴, 코일로 구성될 수 있다.
이에 따라, 신호를 전력선에 커플링하는 유도성 커플러가 제공된다. 상기 유도성 커플러는, (a)상기 전력선을 배치하기 위한 자기 코어, (b)신호가 상기 코일에 커플링되는 상기 자기 코어의 일부에 감긴 코일 및 (c)상기 코어를 감싸고, 상기 전력선과 접촉하는 반도전성 코팅재를 구비한다. 상기 코어는 길이 방향(longitudinal) 단부를 가지며, 상기 유도성 커플러는 또한 상기 길이 방향 단부를 덮고 반도전성 코팅재와 전기적으로 접촉하는 라운드형 반도전성 몸체를 구비한다. 상기 코일은 상기 코어로부터 분기되어 나온 리드를 구비하며, 또한 상기 유도성 커플러는 상기 단부 위에 반도전성 층을 구비하여, 전력선과 코일을 덮는 절연 표면 사이의 전기적 스트레스를 감소시키도록 한다.
도 6은 반도전성 코팅재를 갖는 유도성 커플러를 사용하는 배치의 수직 단면도이다. 접지된 제2 권선(1220)을 에워싸는 절연층(1225)의 표면(1210)과 전력선(800) 사이의 전리 및 장애에 공기 통로(1200)가 영향을 받기 쉽다. 전력선(800)과 제2 권선(1220) 사이의 전위 차이는 공기 통로(1200) 및 절연층(1225) 사이에서 용량에 따라 나누어진다. 상기 전위차의 상당 부분은, 절연층(1225)에 걸친 전위 차이와 비교될 정도로, 공기 통로(1200)에 걸쳐 발생하며, 공기 통로(1200) 또한 열악한 절연체이다.
이러한 상황을 완화시키기 위해서, 스트레스 콘에서 사용되는 것과 유사한 기술이 사용된다. 스테레스 콘은 두 도체 케이블의 종단(termination)에서 사용되며, 절연 장애를 일으킬 수 있는 전위(electrical potential)를 점진적으로 감소시킨다. 이는 도 6의 우측면에 도시되어 있다. 절연층(1225) 내에 장착된, 반도전성 층(1230)은 제2 권선(1220)과 절연층(1225)의 표면(1215) 사이에 위치하며(is sandwiched), 코어 섹션(805, 810)의 피복재(905)에 접속되어 있다. 반도전성 층(1230)은 반도전성 코어 피복재(905)의 길이 방향 단부로부터의 거리에 따라 포텐셜이 감소되도록 하는 스트레이 커패시턴스(stray capacitance) 및 직렬 저항의 조합을 구비하여, 반도전성 층(1230)의 말단부에서의 과도한 스트레스 집중을 피하도록 한다. 이에 따라, 반도전성 층(1230)은 표면(1215)의 전위를 전력선(800)의 제 1 포텐셜에 근사하도록 상승시켜, 공기 통로(1205)에 걸친 전위 차이를 크게 감소시키고 전력선(800)에서 수용불가할 정도로 낮은 제1 전압에서의 장애를 방지한다.
제2 권선(1220)은 상기 코어를 통과하는 하나(single)로 도 6에 도시된다. 실제적으로, 제2 권선(1220)은 상기 코어의 일부에 감긴 코일로서 구성될 수 있다.
이러한 기술들의 조합으로서, 공기 통로에 걸친 큰 전위 차이를 제거하고, 고도의 전기적 스트레스 포인트를 제거할 수 있다. 한 가지 기술로는, 도 4 및 5와 관련하여 상술한 바와 같은 반도전성 층에 의해 코어가 코팅되는 것이다. 또 다른 기술로는, 고 전압 케이블의 섹션이 사용되거나 상기 커플러를 위해 특별히 몰딩 처리된다. 상기 케이블은 코팅된 자기 코어와 도전성 또는 용량성 접촉됨에 의해 에너지가 공급된(energized) 외측 반도전성 층을 구비한다. 상기 케이블은 접지된 중앙(center) 컨덕터를 구비한다. 제2 권선의 2개의 단부에서, 스트레스 콘은 상기 케이블의 종단을 제공한다. 제2 권선이 절연물 내에 장착된다면, 쉐드(shed)가 없이 인도어(indoor) 스트레스 콘이 사용될 수도 있다. 반면에, 누설 경로를 증가시키는 쉐드를 갖는 아웃도어(outdoor) 스테레스 콘이 사용될 수도 있다.
도 7은 본 발명에 따른 고전압 유도성 데이터 커플러(1345)의 다른 실시예를 예시한 단면도이다. 커플러(1345)는 제2 권선으로서 고전압 케이블을 사용한다.
전력선(800)은 반도전성 층(900)에 의해 코팅된 코어 섹션(805)을 통과한다. 제2 권선(1300), 예컨대 제2 케이블(1305)의 내측 컨덕터는 쵸크(도시되어 있지 않음)에 의해 접지되어 있고, 그리고 반도전성 층(905)으로 싸여있는 코어 섹션(810)을 통과한다. 제2 케이블(1305)은 스트레스 콘(1320)의 반도전성 부분(1315)에 접 속된 반도전성 층(1310)으로 코팅된다. 커플러(1345)의 전체 하부 부분은 전력선(800)과 접지된 제2 권선(1300)사이의 긴 누설 경로를 제공하도록 쉐드(1330)가 장착된 절연 본체(1325)에 싸여있다.
작용상으로, 전력선(800), 또는 이것의 얇은 절연물은 반도전성 층(900)에 접촉되고, 반도전성 층(900)의 전위가 전력선(800)의 전위에 근접하게 한다. 용어 “갭(gap)” 및 “공극”은 포화되기 전의 최대 기자력 및 전류 취급 용량을 증가시키기 위해, 비(non)자기 스페이서 또는 코어의 부품들 사이의 비자기 영역을 지시하는데 사용된다. 반도전성 층(900)은 코어 섹션(805, 810)사이의 갭(1350)에서 반도전성 층(905)과 각각 접촉하여, 반도전성 층(905)의 전위가 전력선(800)의 전위에 근접하게 한다. 제2 케이블(1305)은 반도전성 층(905)과 직접 접촉되는 반도전성 층(1310)을 갖추어서, 반도전성 층(1310)이 전력선(800)의 전위와 근접한 전위에 이르게 된다.
제2 케이블(1305)의 각 단부에서, 스테레스 콘(1320)이 제2 케이블(1305)의 종단에 설치되어(terminates), 예기치않은 국지적인 전기적 스트레스 없이 제2 권선(1300)이 커플러(1345)로부터 나오도록 한다. 커플러(1345)의 표면의 전위가 아래에 설치된(underlying) 에너지가 공급된(energized) 반도전성 층(1310)에 의해 전력선(800)의 전위에 가깝게 되어, 공기 통로(1340)은 높은 전위에 연결되지 않는다.
제2 케이블(1305)은 상기 코어를 통과하는 하나(single)와 함께 도 7에 도시되어 있다. 실제적으로, 제2 케이블(1305)은 상기 코어의 일부분에 감긴 코일로서 구성될 수 있다.
이에 따라, 신호를 전력선에 커플링하기 위한 유도성 커플러의 다른 실시예가 제공된다. 상기 유도성 커플러는 (a)전력선의 배치를 위한 자기 코어, (b)신호가 커플링되고, 상기 자기 코어의 일부에 감긴 코일, 및 (c)상기 코어를 감싸며(encaptulates), 상기 전력선과 접촉하는 반도전성 코팅재를 구비한다. 그 밖에도, 상기 코일은 반도전성 코팅재(semiconducting coating)와 도전성 또는 용량성 접촉한 반도전성 재료(semiconducting material)로 코팅된 고전압 케이블의 섹션을 구비하며, 그리고 유도성 커플러는 또한 상기 코일의 단부에서 스트레스 콘을 구비한다.
본 명세서 기재의 다양한 대안들, 컴비네이션들 및 변경이 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 가능함을 이해하여야만 한다. 본 발명은 첨부된 청구항들의 범위에 드는 모든 대안들, 컴비네이션들 및 변경을 포함하고자 한다.

Claims (11)

  1. 전력선의 배치를 위한 자기 코어;
    신호가 커플링되며, 상기 자기 코어의 일부분에 감기는 코일; 및
    상기 코어를 감싸고, 상기 전력선에 접촉해 있는 반도전성 코팅재(semiconducting coating)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전력선에 신호를 커플링하기 위한 유도성 커플러
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 코어가 길이방향 단부(longitudinal end)를 구비하고,
    상기 유도성 커플러가, 상기 길이방향 단부를 덮고, 상기 반도전성 코팅재와 전기적으로 접촉하고 있는 라운드형 반도전성 몸체(rounded semiconducting body)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 전력선에 신호를 커플링하기 위한 유도성 커플러.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 코어는 라운드형 길이방향 단부(rounded longitudinal end)를 구비하며,
    상기 반도전성 코팅재가 상기 라운드형 길이방향 단부를 덮는 것을 특징으로 하는, 전력선에 신호를 커플링하기 위한 유도성 커플러.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 코일이 상기 코어로부터 분기되어 나온 리드(lead)를 구비하며,
    상기 리드가 절연층으로 코팅되며,
    상기 유도성 커플러가, 상기 절연층 위에 반도전성 층을 더 구비하는 것을 특징으로 하는, 전력선에 신호를 커플링하기 위한 유도성 커플러.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 코일이 상기 코어로부터 분기되어 나온 리드를 구비하며,
    상기 유도성 커플러가, 상기 리드위에 반도전성 층을 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는, 전력선에 신호를 커플링하기 위한 유도성 커플러.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 코일이, 상기 반도전성 코팅재와 도전성 또는 용량성 접촉을 하는 반도전성 재료로 코팅된 고전압 케이블의 섹션을 구비하며,
    상기 유도성 커플러는, 상기 코일의 일 단부에 스테레스 콘을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 전력선에 신호를 커플링하기 위한 유도성 커플러.
  7. 전력선의 배치를 위한 자기 코어; 및
    상기 자기 코어의 일 부분에 감겨진 코일을 포함하며,
    상기 코일은, 전력선 전위(potential)에서 외측 컨덕터를 구비한 동축 케이블을 포함하고,
    상기 케이블은, 스트레스 콘이 구비된 단부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전력선에 신호를 커플링하기 위한 유도성 커플러.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 자기 코어는 공극(air gap)을 사이에 두고 배치되는 제 1 부분과 제 2 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전력선에 신호를 커플링하기 위한 유도성 커플러.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도전성 코팅재는 상기 전력선의 전위와 동일한 전기적 전위를 가지는 것을 특징으로 하는, 전력선에 신호를 커플링하기 위한 유도성 커플러.
  10. 전력선이 통과되는 개구를 제공하도록 구성되고, 공극을 사이에 두고 배치되는 제 1 부분 및 제 2 부분을 구비하는 자기 코어;
    상기 제 2 부분에 감겨지는 코일; 및
    상기 공극을 가로질러 상기 제 1 및 제 2 부분 각각의 표면에 도포되고, 상기 전력선과 접촉되는 반도전성 코팅재를 포함하며,
    상기 전력선은 상기 제 1 부분에 인접하게 위치하며,
    상기 자기 코어를 거쳐서 상기 코일과 상기 전력선 사이의 데이터 신호를 커플링하는 것을 특징으로 하는 유도성 커플러.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 반도전성 코팅재는 상기 전력선의 전위와 동일한 전기적 전위를 가지는 것을 특징으로 하는 유도성 커플러.
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