KR20050007339A - 고 전류 유도성 커플러 및 전력선용 계기용 변류기 - Google Patents

고 전류 유도성 커플러 및 전력선용 계기용 변류기 Download PDF

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KR20050007339A
KR20050007339A KR10-2004-7017239A KR20047017239A KR20050007339A KR 20050007339 A KR20050007339 A KR 20050007339A KR 20047017239 A KR20047017239 A KR 20047017239A KR 20050007339 A KR20050007339 A KR 20050007339A
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Abstract

유도성 전력선 데이터 커플러(10)가 제공된다. 상기 커플러(10)는 (a)데이터 통신 주파수에서 높은 투자율을 가지며, 전력선(100)이 1차 권선으로 동작할 수 있도록 하는 자기 코어(105); (b)상기 전력선(100) 및 통신 디바이스(130) 간의 데이터 신호를 커플링하기 위해 상기 자기 코어(105)를 통해 2차 권선(115)을 제공하는 데이터 시그널링 회로; 및 (c)상기 데이터 시그널링 회로에 연결되어 있으며, 전력 주파수 전류와 크기에서 비슷하며 방향이 반대인 플럭스-상쇄 전력 주파수 전류를 발생시키는 쵸크 코일(135)을 포함한다. 상기 커플러(10)는 또한 상기 전력선(100) 상의 전류 레벨을 감지하는 회로를 포함할 수 있다.

Description

고 전류 유도성 커플러 및 전력선용 계기용 변류기{High Current Inductive Coupler and Current Transformer for Power Lines}
전력선 통신 시스템에서, 전력 주파수(power frequency)는 통상적으로 50 내지 60 Hz 범위 내이며, 데이터 통신 신호 주파수는 통상적으로 1 내지 50 MHz 범위내이다. 변조된 데이터를 전력선으로 커플링하거나 전력선으로부터 분리하는 유도성 커플러는 상기 전력선을 둘러싸며 통과하는 자기 코어 및 제2차 권선(winding)을 포함한다. 이는 예를 들어, 본 명세서에 참조로 통합된, 특허출원 제09/752,705호(2000. 12. 28. 출원), 특허출원 제10/082,063호(2002. 2. 25. 출원) 및 가출원 제60/364,321호(2002. 3. 14. 출원)에 기술되어 있다. 높은 전류가 흐르는 제1차 및 제2차 와이어(wire)에 그러한 커플러들을 이용함에 있어서의 한 가지 한계는, 자기 포화없이 큰 자화 전류(magnetization currents)를 견뎌내는 상기 자기 코어의 능력이 제한된 것이다.
포화는 두 가지 방식으로 성능을 떨어뜨린다. 첫째, 포화는 자화 인덕턴스를감소시켜, 상기 데이터 신호에 로딩되는 션트 어드미턴스를 증가시킨다. 둘째, 교류(ac) 전력선상에서의 전력선 전류의 순시치 크기는 영(zero)부터 피크값까지 각 주기에 두 번 상승하며, 상기 데이터 신호는 상기 전력선 주파수의 두 배 및 상기 더블 주파수의 고조파에서 진폭 변조된다. 그래서, 상기 변조의 정도(depth)가 어떤 특정 값을 초과하면, 변조는 데이터 에러를 초래한다.
코어 포화를 최소화하는 한 방법으로 하나 또는 그 이상의 공극(air gaps)을 상기 코어의 자기 회로에 도입하여, 자기 저항을 증가시키고 포화되기 전에 높은 전류가 흐르도록 한다. 그러나, 상기 제1차 및 제2차 권선의 인덕턴스는 총 자기 저항에 비례하여 떨어지므로, 넓은 공극은 최소의 받아들일 만한 자화 인덕턴스를 갖는 데 필요한 실행 불가능할 정도로 큰 부피의 코어를 의미한다. 상기 커플러는 보통 상기 전력회로를 인터럽트하지 않은 채 큰 직경을 갖는 전력선에 장착되므로, 감는 수를 증가시키는 것 역시 실행 불가능하다.
본 발명은 전력선 통신에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 전력선 유도성 커플러(inductive coupler) 내의 자기 포화(magnetic saturation)를 피하는 것에 관한 것이다.
본 발명은 첨부된 도면과 상세한 설명을 참고로 하여 보다 잘 이해될 것이다.
도 1a은 하나의 제2차 권선이 양방향 신호 권선 및 플럭스-상쇄 단락 권선으로 동작하는 본 발명의 실시예에 따른 구조를 나타낸 것이다.
도 1b는 저 주파수 자기 코어를 추가한 실시예를 나타낸 것이다.
도 2a 및 2b는 3차 권선(tertiary winding)을 추가한 실시예를 나타낸 것이다.
도 3은 3차 권선을 추가한 다른 실시예를 나타낸 것이다.
도 4a 내지 4c는 도 1 내지 3에 도시된 구조의 배선 약도(schematic diagram)를 나타낸 것이다.
도 5는 전력선의 전류를 감지하는 본 발명의 다른 실시예를 나타낸 것이다.
도 6은 전력선 전류를 감지하는 본 발명의 다른 실시예를 나타낸 것이다.
본 발명의 대표적 실시예는 전력 배전 시스템 및 모뎀 디바이스 간에 고주파수 데이터 신호를 커플링하는 전력선 데이터 커플러를 포함한다. 고주파수 자기 코어는 데이터 통신 주파수에서 높은 투자율(magnetic permeability)을 갖는다. 데이터 시그널링 2차 회로는 통신 모뎀 디바이스 및 전력 배전 시스템의 전력선 1차 권선 간에 데이터 신호를 커플링한다. 유도성 데이터 커플러는, 제1차 권선으로 동작하는 커플러 코어를 통과하는 전력선 및 제2차 권선으로 동작하는 커플러 권선을 갖는 변압기로 보여질 수 있다. 쵸크 코일과 같은 낮은 값의 전력 주파수 임피던스로 제2차 권선을 종단시킴으로써, 제1차 전류는 제1차 전력 주파수 전류와 방향이 반대이면서 크기면에서 유사한 제2차 전류를 유도한다. 제2차 전류가 제1차 전류로부터 반대 방향으로 유도되므로, 이 2차 전류는 상기 커플러 코어에 유도된 전력 주파수 플럭스(flux)의 일부를 상쇄(cancel)시킨다.
한 실시예에서, 상기 플럭스-상쇄(flux-canceling) 제2차 회로는, 전력 주파수에서 비교적 낮은 임피던스를 가지며 데이터 통신 주파수에서 비교적 높은 임피던스를 갖는 쵸크 인덕터를 이용하여, 전력 주파수에서 단락된다. 그러한 제2차 회로는 상기 쵸크 인덕터에 병렬로 연결된 스파크 갭 또는 가스 튜브 서지 어레스터(surge arrestor) 또한 포함할 수 있다. 상기 플럭스-상쇄 제2차 회로는 상기 변압기 제2차 권선의 자화 리액턴스의 절반보다 훨씬 낮은 총 임피던스를 갖도록 설계될 수 있다. 상기 제2차 회로에 연결된 임피던스가 작으면 작을수록, 상기 제2차 전류의 크기는 상기 전력선 전류의 크기에 더 가까워진다.
상기 데이터 시그널링 제2차 권선은 상기 고주파수 자기 코어에 감길 수 있다. 상기 플럭스-상쇄 제2차 회로의 상기 제2차 권선은 여러 번 감길 수 있다. 그것 또한 전기적 그라운드, 예를 들어 센터 탭에 연결될 수 있다.
다른 실시예로, 전력선 전력 주파수에서 높은 투자율(magnetic permeability)을 갖는 추가 저 주파수 자기 코어가 상기 고 주파수 코어와 함께 이용될 수 있다. 상기 데이터 시그널링 제2차 권선은, 상기 저 주파수 자기 코어가 아닌 상기 고 주파수 자기 코어에 걸쳐 감길 수 있다. 상기 저 주파수 자기 코어는 최대 전력선 전류 레벨에서 포화되도록 선택될 수 있다. 그러한 포화는 상기 제2차권선에서 유도될 수 있는 최대 전력 주파수 전류를 제한할 수 있으며, 오버히팅(overheating)을 방지할 수 있다.
또 다른 실시예로, 전력 배전 시스템 전력선 상의 전류를 감지하는 시스템을 또한 포함할 수 있다. 제1 계기용 변류기(current transformer)는 제1차 권선으로 전력 배전 시스템 전력선을, 제2차 권선으로 커플러 2차 코일을 갖는다. 상기 커플러 2차 코일의 전류는 상기 전력선의 전력 전류와 방향이 반대이면서 비례하는 값을 갖는다. 제2차 계기용 변류기는 제1차 권선으로 상기 제2차 권선에 연결되어 있는 상기 쵸크 코일을 가지며, 상기 전력 전류에 비례하는 전류 감지 신호를 제2차 권선 회로에서 발생(develop)시킨다.
여전히 다른 실시예에서, 상기 플럭스-상쇄 코일은, 상기 제2차 권선의 절연 실패의 경우에 사고 전류(fault current)가 그라운드로 흐르도록(shunt), 전기적 그라운드에 연결된다. 이때, 상기 제2차 계기용 변류기는 상기 그라운드 연결에 가장 가까이 위치할 수 있다. 상기 전류 감지 신호를 대표적 디지털 값으로 변환하기 위해 신호 포착(acquisition) 디바이스가 포함될 수 있다. 상기 대표적 디지털 값은 컴퓨터 네트워크에 제공될 수 있다. 전력 전류 변화의 크기로써 상기 전류 감지 신호 및 상기 전력 전류 사이의 비교적 일정비율을 유지하기 위해, 비례 보상 메커니즘(proportionality compensating mechanism) 또한 포함될 수 있다.
다른 실시예로, 상기 2차 전류 트랜스포머는 상기 쵸크 코일과 동축을 갖는 권선을 포함하는 코일에 의해 대체될 수 있다. 따라서, 상기 코일은 전력 주파수 전류 센서로 동작하게 된다.
상당한 코어 포화 시작 전에 조절될 수 있는 제1차 전력선 전류의 크기는, 상기 제1차 전력선 전류와 반대 방향으로 전력 주파수 전류를 흐르게 하는 제2차 권선을 제공함으로써, 상당히 증가될 수 있다. 단락 회로 또는 매우 낮은 임피던스로 단자들을 서로 연결한 제2차 권선에서, 제1차 전류의 크기와 거의 같은 크기를 갖는 전류가 유도된다. 이러한 조건하에서, 상기 제1차 및 제2차 권선이 라우팅된경로를 통해 코어를 여기시키는(driving) 기자력은, 상기 제1차 및 제2차 권선에서의 턴(turn) 수 곱하기 각 전류의 대수합으로 줄어들 것이며, 상기 제1차 전류 만에 비해서도 상당히 낮은 값을 가질 것이다. 이는 포화가 시작되기 전에, 허용가능한 제1차 전류의 증가를 허용한다.
상기 제2차 권선에서 실질적인 전류를 유도하는데 필요한 조건들은, 상기 단락 권선 회로내의 임피던스를 상기 제1차 및 제2차 권선과 공통의 자기 코어를 포함하는 상기 트랜스포머의 자화(magnetization) 인덕턴스보다 훨씬 작게 제한하는 것을 포함한다. 그러나, 고 주파수 전력선 커플러에 있어서, 무선 주파수(radio frequency) 쵸크는 상기 제1차 권선으로부터 유도된 상기 고 주파수 신호를 단락시키는 것을 피하기 위해 상기 단락된 권선에 직렬로 연결되어야 한다. 거의 상기 제1차 전류 정도 크기의 전력 주파수 전류를 취급하는 상기 무선 주파수 쵸크는 상기 고 등급 전류에서 포화되어서는 안 된다. 그러한 무선 주파수 쵸크 코일은 비 자기 코어에 감기거나 또는 선택적으로 플럭스 경로에 큰 비 자기 구성요소를 포함하는 형태를 가진 자기 코어를 포함할 수 있다.
도 1a는 보통 숫자 10으로 나타내어지는 유도성 커플러로서, 하나의 제2차 권선이 양방향 신호 권선 및 플럭스-상쇄 단락 권선으로 동작하는 유도성 커플러의 한 실시예의 구조를 나타낸다. 유도성 커플러(10)는 코어(105), 제2차(115) 및 쵸크 코일(135)을 포함한다. 전력 배전 시스템의 전력선(100)은 제1차 권선으로서 코어를 통과하도록 설치된다.
고 주파수 코어인 코어(105)는 전력선(100)에 전류가 흐르는 동안 전력선(100)의 주위에 위치하도록 구성되어 진다. 예를 들어, 코어(105)는 말발굽 형태이거나, 커플러(10)를 전력선(100)에 위치시키는 것을 용이하게 하기위한 분리된 토로이드(toroid) 코일일 수 있다. 반대의 분리된 코어가 만나는 반대 극면(pole faces)들은 서로 접촉할 수 있다. 선택적으로, 비 자기 물질의 갭(140), 통상적으로 공극(air gap)으로 명칭되는 갭이 상기 반대 극면들 사이에 도입될 수 있다. 코어(105)는 데이터 통신 주파수에서 높은 투자율을 갖는 자기 코어이다.
제2차(115)는 전기적으로 절연되어 있으며, 코어(105)를 통과하며, 임피던스 매칭 및 서지 방지 회로(125)를 통해 모뎀(120)과 같은 통신 디바이스에 연결된다. 따라서, 제2차(115)는 전력선(100)과 모뎀(120) 사이에 데이터 신호를 결합하기 위한 데이터 시그널링 회로로서 동작한다. 모뎀(120)은 데이터 단자(130)를 통해 통신 시스템(도시되지 않음)과 양방향 데이터 통신을 위해 더 결합된다.
쵸크 코일(135)은 전력 주파수 전류에 저 임피던스를, 데이터 통신 주파수 전류에 고 임피던스를 나타내기 위해, 제2차(115)에 걸쳐 연결된 고 주파수 쵸크 인덕터이다. 쵸크 코일(135)은 또한 전력 주파수 전류와 크기 면에서 비슷하면서 반대 방향인 플럭스-상쇄 전력 주파수 전류를 생성시키는 플럭스-상쇄 회로의 일부이다. 쵸크 코일(135)의 임피던스는, 제2차 전류의 제1차 전력선 전류에 대한 비를 증가시키기 위해, 제2차(115)의 자화 임피던스와 비교해서 작아야 한다. 상기 플럭스-상쇄 전류의 크기는 상기 전력선 전류의 1/3을 넘을 수 있으며, 바람직하게는 상기 전력선 전류의 크기에 근접한다.
동작에 있어서, 전력 주파수 전류 Ip는 전력선(100)을 흐르며, Ip와 반대방향으로 제2차(115)를 흐르는 전류 Is를 유도한다. 도 1a에서 도시하고 있는 Ip 및 Is의 방향에 의해, 코어(105)는 Ip 하나보다도 훨씬 작은 Ip-Is의 기자력에 영향을 받는다. 따라서, Ip는 코어(105)가 상당한 포화에 이르기 전에 증가될 수 있다.
고 임피던스 무선 주파수 쵸크에 의한 상기 제2차의 신호 로딩(loading)의 최소화 및 쵸크 임피던스를 제한함으로써 전력 주파수 임피던스를 줄이고자하는 모순되는 요구는 다음과 같이 극복될 수 있다.
도 1b는 하나 또는 그 이상의 저 주파수, 고 투자율의 코어(110)가 커플러(10)의 상기 고 주파수 코어(105) 다음에 설치되는 실시예를 나타낸 것이다. 상기 추가되는 코어(110)에서의 고 주파수 와전류 손실은 최소화되도록 처리된다. 전형적인 저 주파수 자기 코어 물질은 상기 무선 주파수 임피던스에 거의 영향을 미치지 않으면서 상기 전력 주파수 임피던스를 증가시킨다. 코어(110)는 신호 주파수에서의 임피던스에 심각하게 영향을 미치지 않으면서 전력 주파수를 위해 제2차(115)의 자화 임피던스를 증가시킨다. 도 1b에서 도시하는 바와 같이, 하나 또는 그 이상의 코어(110)가 코어(105)의 옆에 설치된다. 코어(110)는 상기 전력 주파수에서는 수천의, 상기 신호 주파수에서 거의 1(unity)에 가까운 투자율을 갖는 자기 코어이다. 제2차(115)는 쵸크 코일(135)과 직렬로 연결되어 있다.
코어(110)는 도 1a에 도시된 실시예에 존재하는 비율에 비교되는 정도로 쵸크 코일(135)의 전력 주파수 임피던스의 제2차(115)의 전력 주파수 임피던스에 대한 비를 감소시킨다. 이 비율 감소는 제2차 전력 주파수 전류의 제1차 전력 주파수 전류에 대한 비율을 증가시켜, 플럭스 상쇄 및 상기 고 주파수 코어(105)에서 포화됨이 없이 순응할 수 있는 제1차 전류의 레벨을 증가시킨다. 공극(150, 155)은 코어(110, 105) 모두 또는 일방에 각각 사용될 수 있다.
다른 실시예에서, 제2차(115)는 코어(105) 또는 코어(110) 주위에 대한 1회 이상의 턴(turn) 수를 가질 수 있으나, 앞서 설명된 모든 플럭스 상쇄 효과는 여전히 관계있다(pertain).
도 1b 또한 센터 탭(137)이 전기적 그라운드(140)에 연결되며 복수의 턴 수를 갖는 쵸크 코일(135)을 나타내고 있다. 이는 전력선(100)과 제2차(115)간의 절연이 파괴되는 경우, 사고 전류의 경로를 제공하는 안전 연결(safety connection)이다. 그라운드(140)는 통상적으로 커플러(10)에 가장 가까운 전주(electric pole)(도시되지 않음)의 바닥면의 접지 로드이다. 상기 접지 로드로부터 상기 전주까지의 전선 또한 상기 전주에 있는 중성선들에 연결된다. 그라운드(140)와 센터 탭(137)을 연결하는 것은 두 모뎀 단자(121, 122) 각각에, 그라운드(140)에 존재할 수 있는 고 주파수 노이즈의 경로를 제공하며, 모뎀(120)의 공통 모드 제거비의 인자에 의한 상기 노이즈 상쇄를 제공한다.
도 2a는 데이터 커플러의 기능성을 유지하면서 전력선 전류의 최대 레벨을 증가시키기 위한 대체 구현예의 구조를 나타낸 것이다. 여기에서, 3차 권선인 별도권선(separate winding)은 상기 전력선에 흐르는 전류와 반대 방향으로 흐르는 전력 주파수 전류를 유도하기 위해 이용된다. 그것은 전력 주파수에서 저 임피던스로, 신호 주파수에서 고 임피던스로 동작하는 쵸크를 포함하여, 상기 3차 권선이 단락 권선(shorted winding)으로 동작하여 상기 신호를 단락시키는 것을 방지한다.
전력선(100)은 코어(105)를 통과하는 1회의 턴 수를 갖는 권선으로 고려될 수 있다. 2차 권선(210)은 오직 신호 주파수 권선으로서만 동작하며, 모뎀(120)에 임피던스 매칭 및 서지 방지 회로(125)를 통해 연결된다. 도 1a 및 1b와는 다르게, 코어(105) 내의 플럭스의 상당 부분을 상쇄시키도록 전류를 유도하기 위한 3차 권선(200)이 부가된다. 3차 권선(200)은 도 1a 및 1b의 쵸크 코일(135)과 유사한 대전류, 신호 주파수 쵸크(205)에 의해 종단되어, 신호 주파수가 아닌 전력 주파수를 위한 단락 회로를 구성한다.
도 2b는 코어(105)에 제2 자기 코어(110)를 추가한 것을 나타낸 것이다. 자기 코어(110)는 전력 주파수에서 높은 투자율을 갖는다. 이는 3차 전류 대 1차 전력선 전류의 비를 증가시키도록 3차 권선(200)의 자화 임피던스를 증가시킨다.
도 3은 권선(300)이 전력 주파수 코어(110) 이외에 고 주파수 코어(105)만을 통과하는 점에서 도 2b의 구현예와는 다른, 실시예의 구조를 나타낸 것이다.
도 4a, 4b 및 4c는 도 1b, 2b 및 3의 구조 각각에 대응하는 개략도이며, 스파크 갭 또는 가스 튜브 서지 어레스터(440)를 선택적으로 추가하였다. 스파크 갭 또는 서지 어레스터(440)는 낙뢰 또는 다른 전기적 서지 조건에 의해 전력선(100)으로부터 유도될 수 있는 에너지를 흡수한다. 항목들(105, 110, 120, 125, 135, 137, 140)은 도 1b의 해당 항목들의 개략적 표시이다.
도 4b를 참고로 하면, 양적으로는, 전력 전류 Ip는 제1차 권선(220)으로 동작하는 전력선(100)을 흘러, e가 1에 가까워질 수 있는 효율 인자(efficiency factor), Ip가 제1차 전류, M이 제3차 권선(200)에 감겨진 수일 때, It=eIp/M인 반대방향 전류를 3차 권선(200)에 유도한다. e=1인 경우, 코어(105, 110) 내의 플럭스는 제로이다.
순환 전류(circulation current)가 1 암페어 이하로 감소하도록 충분한 저항과 함께 서지 방지 회로(125) 및 임피던스 매칭을 설계하므로, 상기 권선(210) 내의 전력 주파수 전류는 무시될 수 있다(예를 들어, 2002년 3월 14일자 가특허출원 제60/364,321호 참고). 코어(105) 및 코어(110)가 1에 가까운 결합 계수(coupling coefficient)를 제공하고, 신호 주파수 쵸크(205)의 임피던스의 3차 권선(200)의 자화 임피던스에 대한 비율이 전력 주파수에서 1보다 훨씬 적은 경우, 인자 e는 1에 가까운 값을 갖는다.
본 발명의 실시예는 e가 1로부터 벗어나더라도 고 주파수 코어(105)에서의 기자력(magnetomotive force)이 여전히 1-e 인자에 의해 감소되기 때문에 유용하다. 예를 들어, I=1000 암페어(ampere) 및 e=0.9인 조건에서, 상기 고 주파수 코어(105)에서의 기자력은, 현재 이용 가능한 물질 및 적절한 공극과 함께 다루기 쉬운, 100 암페어-턴(ampere-turn)으로 감소한다.
수백 암페어 내지 그 이상의 범위의 전류에 있어서, 3차 권선(200)은, 결과적인 기자력 상쇄가 3차 권선(200)의 전류 및 회전수의 곱이므로, 더 작고 유연한 와이어를 이용하도록 작은 턴(turn) 수로 구성될 수 있다. 계기용 변류기(current transformer)에서와 같이, 상기 2차 전류는 상기 턴 비에 의해 상기 1차 전류에 역으로 관계있으나, 상기 턴 수에 의해 곱해지는 전류의 곱은 일정하다.
상기 전력선 전류가 커플러(10)의 설계 전류를 초과하는 경우, 전류 초과치는 제2차(115)에 흐를 수 있을 것이며, 제2차(115) 또는 쵸크 코일(135)의 절연을 과열시키거나 녹일 수 있을 것이다. 그러한 손상을 피하는 하나의 방법은 제2차(115) 및 쵸크 코일(135)용 도체의 최대 전류에서 포화되는 전력 주파수 코어 물질을 선택하는 것이며, 이로써 상기 전력 주파수 2차측에 유도되는 전류를 제한한다.
도 3 및 4c와 같이 신호 및 플럭스 상쇄를 위한 분리된 2차측을 갖는 실시예에서, 2차측(450)은 와전류 손실을 줄이며, 모뎀(120) 및 임피던스 매칭 회로(125)에 의해 나타나는 신호 회로로 저 주파수 노이즈를 결합하는 것을 줄이며, 추가된 전력 주파수 고 투자율 코어(110)를 통과하지 않고, 신호 커플링을 수행한다.
낙뢰, 스위칭 과도치(transient) 등으로 인하며, 높은 슬루 레이트(slew rate)를 갖는 전류 서지는 쵸크(205)에 큰 전압을 유도할 수 있으며, 절연에 해를 끼치는 절연 장애를 낳을 수도 있다. 스파크 갭 또는 가스 튜브 어레스터(440)가 쵸크 내부 또는 가까운 곳에 세워질 수 있으며, 이러한 이벤트로부터 보호한다.
도 1a의 2차측(115) 및 쵸크 코일(135)를 포함하는 상기 전력선 커플러(10)내의 상기 플럭스-상쇄 2차 회로는 상기 전력선 내를 흐르는 제1차 전류의 크기 측정과 같은 부가적인 유용한 기능을 갖도록 확장될 수 있다. 그러한 유도성 커플러가 전력선에 설치되는 때, 제1차 포텐셜로부터 절연된 상태로 상기 전력선 전류에 대략 비례하는 크기에서 전력 주파수 전류가 쵸크 코일(135)을 흐른다. 따라서, 이 배치는 제1차 권선, 즉 주 전력선의 전류를 감지 및 모니터할 수 있다.
도 5는 그러한 전력선 전류 감지에 관한 실시예를 나타낸 것으로서, 도 1b 및 4a로부터 시작한다.
이 시스템은 (a) 1차 권선으로서 전력선(100)이 코어 (105, 110)를 지나며, 쵸크 코일(135)로 종단된 2차 권선(115)을 포함하여, 제2차(115)의 전류가 전력선(100)의 전력 전류와 크기면에서 비례하며 방향은 반대인 제1 계기용 변류기 및 (b)쵸크 코일(135)의 일부 또는 그 리드(lead)의 하나를 1차 권선으로 가지며, 2차 권선 회로에서 상기 제2차 전류, 결국 전력 전류에 비례하는 전류 감지 신호를 발생시키는 2차 계기용 변류기(535)를 포함한다.
쵸크 코일(135)이 접지되어 있기 때문에, 최소한의 절연만이 그러한 전류 감지 배열을 위해 필요하며, 상당히 적은 비용으로 가능하다. 또한, 모뎀(120)은 통신 시스템(도시되지 않음)에 연결되어서, 전류 감지 트랜스포머(current sensing transformer)(535)의 출력은 편리하게 인터페이스 디바이스에 연결될 수 있다. 예를 들어, 상기 인터페이스 디바이스는 전류 감지 트랜스포머(535)로부터 감지된 전류 신호를 디지털 값으로 변환하고, 상기 디지털 값을 전력 유틸리티의 모니터링 장소로 보내는 신호 포착 디바이스(signal acquisition device)(555)이다.
도 5는 코어(105) 및 코어(110)을 통과하는 전력선(100)을 나타낸 것이다. 제2차(115) 및 쵸크 코일(135)은 제2차 회로를 형성한다. 두 부분으로 나뉘어 도시된 쵸크 코일(135)은 컨덕터(525)를 통해 중성 또는 그라운드(530)에 연결된 센터 탭 포인트(520)을 포함한다. 전류 감지 트랜스포머(535)는 상기 2차 회로의 어떤 포인트에서 컨덕터 주위에 조여진다. 전류 감지 트랜스포머(535)의 출력 Isense은, 통신 장치(도시되지 않음)에 와이어(565)를 통해 차례로 연결된 신호 포착 디바이스(555)에 연결된다. 결국 상기 전류 감지 지시(current sensing indication)는 모뎀(120)이 제공하는 통신 시스템과 동일한 통신 시스템을 통해 편리하게 운송가능하다.
전류 Isense는 쵸크 코일 전류 Ichoke에 비례한다. 매칭 네트워크(125)의 하이 패스 컴퍼넌트(high pass component)는 전력 주파수 전류의 흐름을 막아서, 전력 주파수에서 Ichoke=Is이 된다. Is는 전력선 전류 Ip에 비례하여, Isense는 Ip에 비례한다. 전력선(100)을 흐르는 크기 Ip 및 신호 포착 디바이스(555)에 닿는 전류 감지 전류 Isense의 비는 상기 신호 포착 디바이스(555)를 계산하는데 이용된다.
전력 주파수 전류 Ip가 증가하면서, 코어(105) 또는 코어(110)의 포화는 상당하게 되며, Isense/Ip의 비가 감소하여, Ip 측정의 정확도를 감소시킨다. 그러한 포화를 보상하기 위해, Isense/Ip의 비는 전력 주파수 전류 Ip의 범위를 통해 측정될 수 있으며, 하드웨어 또는 소프트웨어 비례 보상 메커니즘이 상기 비율의 오프셋 변화에 더해질 수 있다.
전류 감지 트랜스포머(535)는 바람직하게는 컨덕터(525)에 센터 탭 포인트(520)를 부착하는 지점 근처에 위치한다. 이는 부유 용량의 효과를 쵸크 코일(135)이 일부인 고 주파수 회로에서의 그라운드로 감소시킨다.
도 6은 도 5의 실시예에서와 같이 쵸크 코일(135)의 컨덕터의 주위에 위치한 전류 감지 트랜스포머(535)를 갖기 보다 전류 감지 코일을 이용한 다른 배열을 나타낸 것이다. 전류 감지 코일(600)은 쵸크 코일(135)과 동축으로 배치되어 있으며, 쵸크 코일(135) 및 전류 감지 코일(600)에 의해 형성된 트랜스포머의 2차측으로 고려될 수 있다. 이러한 관계는 쵸크 코일(135) 또는 감지 코일(600)이 비자기 또는자기 코어를 갖는지를 나타낸다.
전류 감지 코일(600)에서 유도된 Isense의 전력 주파수 구성요소는 전기적 유틸리티 디스트리뷰션 그리드(electrical utility distribution grid)의 일부로서 전류 모니터링 장치(도시되지 않음)와 통신하는 전류 측정 회로(555)에 공급된다. 전류 Isense는 쵸크(135) 및 감지 코일(600) 사이의 트랜스포머 유도에 의해 쵸크 코일 전류 Ichoke와 비례한다. Is는 전력선 전류 Ip에 비례하여, Isense는 Ip에 비례한다. 커플러(10) 및 전류 감지 코일(600)을 포함하는 결과적인 디바이스는 전력 수요자들에 서비스 방해 없이 활성화된 선의 주위에 배치될 수 있는 계기용 변류기(current transformer)를 나타낸다.
감지 코일(600)은 코일(135) 근처에 있으며, 상기 코일은 상기 코일을 흐르는 고 주파수 신호 전류 및 양 단자 및 그라운드에 대한 고 주파수 전압을 갖는다. 무선 주파수 쵸크(615)는 고 주파수 전류의 흐름을 막도록 감지 코일(600)의 단자들과 직렬로 연결되며, 남아있는 고 주파수 전압을 단락시키며 전류 측정 회로(555)와의 연결을 방지하는 커패시터(620)와 직렬로 연결된다. 커패시터(621)는 또한 어떤 공통 모드 고 주파수 전류도 그라운드로 바이패스 하도록 더해질 수 있다. 전류 측정 회로(555)의 눈금(calibration)과 선로(565)를 통한 데이터의 라우팅은 이상의 도 5에서의 논의와 동일하다.
본 발명의 다양한 예시적 실시예들이 개시되었음에도 불구하고, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 진정한 범위를 벗어남이 없이 본 발명의 장점의 일부를 구현할 다양한 변화 및 변경이 이루어질 수 있음이 명백하다. 본 발명은 첨부된 청구항의 범위 내에 포함되는 그러한 모든 변화 및 변경을 포함할 것을 의도로 한다.

Claims (25)

  1. 데이터 통신 주파수에서 높은 투자율을 가지며, 전력 배전 시스템의 전력선이 통과하여 1차 권선으로서 동작하도록 구성된 자기 코어;
    상기 전력선 및 통신 디바이스 간에 데이터 신호를 커플링 시키기 위해 2차 권선을 상기 자기 코어를 통해 제공하는 데이터 시그널링 회로; 및
    상기 데이터 시그널링 회로에 연결되어 전력 주파수 전류에 방향이 반대이며 크기는 비슷한 플럭스-상쇄 전력 주파수 전류를 생성하는 쵸크 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력선 데이터 커플러.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 자기 코어는 제1 자기 코어이고,
    상기 커플러는,
    전력 주파수에서 높은 투자율을 가지는 2차 자기 코어를 더 포함하되, 상기 2차 권선의 전력 주파수 임피던스를 증가시키도록 상기 전력선 및 상기 2차 권선이 상기 2차 자기 코어를 통과하도록 구성된 것을 특징으로 하는 전력선 데이터 커플러.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 데이터 시그널링 회로 2차 권선은 상기 1차 자기 코어에 감기며, 상기2차 자기 코어에는 감기지 않는 것을 특징으로 하는 전력선 데이터 커플러.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 제2 자기 코어는 최대 전력선 전류 레벨에서 포화되는 것을 특징으로 하는 전력선 데이터 커플러.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 쵸크 코일은 상기 전력 주파수에서 낮은 임피던스를 가지며, 상기 데이터 통신 주파수에서 높은 임피던스를 갖는 것을 특징으로 하는 전력선 데이터 커플러.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 쵸크 코일에 병렬로 연결되며, 전기적 서지로부터 에너지를 흡수하는 디바이스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력선 데이터 커플러.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 쵸크 코일은 상기 2차 권선의 자화 리액턴스의 절반보다 훨씬 낮은 총 임피던스를 갖는 것을 특징으로 하는 전력선 데이터 커플러.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 쵸크 코일은 전기적 그라운드에 연결된 것을 특징으로 하는 전력선 데이터 커플러.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 쵸크 코일은 전기적 그라운드에 연결된 센터 탭을 갖는 것을 특징으로 하는 전력선 데이터 커플러.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 2차 권선은 상기 코어에 다수의 턴을 갖는 것을 특징으로 하는 전력선 데이터 커플러.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 전력 주파수 전류에 비례하는 전류 감지 신호를 생성시키기 위해 상기 쵸크 코일을 1차 권선으로 채용한 전류 감지 트랜스포머를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력선 데이터 커플러.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 전류 감지 신호는 상기 통신 디바이스에 통신되는 것을 특징으로 하는 전력선 데이터 커플러.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 전류 감지 트랜스포머는 공극을 갖는 자기 코어를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력선 데이터 커플러.
  14. 제11 항에 있어서,
    상기 전력 주파수 전류 변화의 크기로서 상기 전류 감지 신호 및 상기 전력 주파수 전류의 비교적 일정한 비율을 유지하기 위한 비례 보상 매커니즘을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력선 데이터 커플러.
  15. 제1 항에 있어서,
    상기 자기 코어는 공극을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력선 데이터 커플러.
  16. 데이터 통신 주파수에서 높은 투자율을 가지며, 전력 배전 시스템의 전력선이 통과하여 1차 권선으로서 동작하도록 하는 자기 코어;
    상기 전력선 및 통신 디바이스 간에 데이터 신호를 커플링시키기 위해 2차 권선을 상기 자기 코어를 통해 제공하는 데이터 시그널링 회로; 및
    전력 주파수 전류와 반대 방향이면서 비슷한 크기의 플럭스-상쇄 전력 주파수 전류를 생성시키는 쵸크 코일과 회로 내 상기 자기 코어를 통한 3차 권선을 포함하는 플럭스-상쇄 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력선 데이터 커플러.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 자기 코어는 제1 자기 코어이며,
    상기 커플러는,
    전력 주파수에서 높은 투자율을 갖는 제2 자기 코어를 더 포함하되, 상기 3차 권선의 전력 주파수 임피던스를 증가시키기 위해, 상기 전력선 및 상기 3차 권선이 상기 제2 자기 코어를 통과하도록 구성된 것을 특징으로 하는 전력선 데이터 커플러.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 2차 권선은 상기 2차 자기 코어에 감기지 않은 것을 특징으로 하는 전력선 데이터 커플러.
  19. 제17 항에 있어서,
    상기 2차 권선은 상기 제2 자기 코어에 감기는 것을 특징으로 하는 전력선 데이터 커플러.
  20. 전력 배전 시스템의 전력선을 1차 권선으로 활용하며, 쵸크 코일에 연결된 2차 권선을 활용하여, 상기 쵸크 코일의 전류가 상기 전력선의 전력 전류와 비례하도록 하는 제1 계기용 변류기; 및
    상기 쵸크 코일의 컨덕터를 1차 권선으로서 가지며, 상기 전력 전류에 비례하는 전류 감지 신호를 제2 권선 회로에서 생성시키는 제2 계기용 변류기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 배전 시스템 전력선 상의 전류 감지 시스템.
  21. 제20 항에 있어서,
    상기 쵸크 코일은 전기적 그라운드에 연결된 것을 특징으로 하는 전력 배전 시스템 전력선 상의 전류 감지 시스템.
  22. 제21 항에 있어서,
    상기 제2 계기용 변류기는 상기 쵸크 코일이 상기 전기적 그라운드에 연결된 지점 근처에 위치한 것을 특징으로 하는 전력 배전 시스템 전력선 상의 전류 감지 시스템.
  23. 제20 항에 있어서,
    상기 전류 감지 신호를 디지털 값으로 변환하는 신호 포착 디바이스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 배전 시스템 전력선 상의 전류 감지 시스템.
  24. 제23 항에 있어서,
    상기 디지털 값은 컴퓨터 네트워크에 제공되는 것을 특징으로 하는 전력 배전 시스템 전력선 상의 전류 감지 시스템.
  25. 제20 항에 있어서,
    상기 전력 전류 변화의 크기로서 상기 전류 감지 신호 및 상기 전력 전류간의 비교적 일정한 비율을 유지하는 비례 보상 매커니즘을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 배전 시스템 전력선 상의 전류 감지 시스템.
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