PT1350329E - Acoplamento indutivo de um sinal de dados a um cabo de transmissão de energia - Google Patents

Description

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DESCRIÇÃO

"ACOPLAMENTO INDUTIVO DE UM SINAL DE DADOS A UM CABO DE TRANSMISSÃO DE ENERGIA" A presente invenção refere-se à comunicação de um sinal de dados através de um sistema de distribuição de energia e mais particularmente a uma utilização de um acoplador indutivo para acoplar um sinal de dados por intermédio de um condutor de um cabo de transmissão de energia.

Linhas de fornecimento de energia de baixa voltagem (LV) , situadas dentro dos limites de uma casa de habitação ou de um edifício de escritórios têm sido utilizadas como meio para comunicações de ponto para ponto ou em rede, por meio da utilização dos chamados sistemas "transportadores", em que o sinal de dados é modulado numa portadora de alta-frequência (HF) e transmitido através das linhas de fornecimento de energia. 0 acesso à Internet, que exige uma conectividade de "última milha" (last mile connectivity) entre o tronco de dados da Internet e cada um dos domicílios, iria melhorar muito a utilidade de tais redes.

Uma voltagem média (MV) de tipicamente 4-66 kv é reduzida a uma baixa voltagem (LV) tipicamente 100-500 volts, através de um transformador de distribuição MV-LV. Uma grelha de distribuição de energia de média voltagem alimenta muitos lares e empresas por intermédio de transformadores de distribuição. Se estiverem presentes dados na grelha de energia de média voltagem, será desejável acoplar correntes de dados de banda larga a partir de subestações transformadoras para secções inteiras de um determinado bairro, mas os transformadores de distribuição bloqueiam 2 efectivamente a energia de alta-frequência e portanto bloqueiam os dados, impedindo-os de atingir as linhas de alimentação de baixa voltagem (LV).

Em paises que usam a baixas voltagens nominais de 125 volts ou menos, tal como acontece na América do Norte, as linhas de alimentação vindas do transformador de distribuição para a carga eléctrica na casa de habitação ou na empresa, são geralmente mantidas mais curtas do que cerca de 50 metros, de maneira a minimizar a queda da voltagem através das linhas e a preservar uma regulação adequada da voltagem. Tipicamente, apenas um a dez lares ou estabelecimentos, são alimentados a partir de cada transformador de distribuição. Para um número tão pequeno de utilizadores potenciais não é económico procurar-se uma elevada alimentação de dados de alta velocidade, como seja por meio de fibra ou Tl, que são caras, e acoplá-la por intermédio de dispositivos de comunicação da linha de energia, ao lado de baixa voltagem do transformador. Consequentemente, a fim de se explorar a rede de distribuição de média voltagem como um canal de transporte de dados é necessário um dispositivo que ultrapasse o transformador de distribuição.

Num sistema de distribuição de energia, uma alta voltagem (HV), tipicamente de 100-800 kV, é reduzida para uma média voltagem por meio de um transformador de redução HV-MV, numa subestação de transformação. As caracteristicas de bloqueio de alta-frequência dos transformadores de distribuição isolam a rede de distribuição de energia de média voltagem do ruido de alta-frequência presente nas linhas, tanto de baixa voltagem como de alta voltagem (HV). A rede de média voltagem é por isso um meio relativamente silencioso, ideal para comunicar dados de alta velocidade 3 como sistema de distribuição de dados ou "linha de transporte".

Os transformadores acima referidos bloqueiam praticamente toda a energia situada na gama de frequências dos megahertz. Para se poder acoplar dados modulados em alta-frequência a partir de linhas de MV para linhas de LV, tem de ser instalado um dispositivo de desvio em cada um dos locais dos transformadores. Estão actualmente disponíveis e são usados dispositivos para acoplamento de aplicações de baixa frequência e baixa velocidade de dados. Tais aplicações são frequentemente denominadas Comunicações Por Linha de Alimentação de Energia (PLC)- Power Line Communications)). Tipicamente, esses dispositivos incluem um condensador de acoplamento em série de alta voltagem, o qual deve suportar uma voltagem de Impulso Básico de Carga (BIL - Basic Impulse Loading) , tipicamente situada acima de 50 kV. Tais dispositivos são por isso caros, volumosos e têm um impacto sobre a fiabilidade geral da rede de energia. Além disso, nalguns casos, exigem que, durante a instalação, seja desligada a energia aos consumidores.

Em países que têm uma baixa voltagem nominal situada nos limites de 100-120 vóltios, como sejam o Japão e os EEUU, o número de transformadores de distribuição é particularmente grande. Isto deve-se ao facto de os transformadores de MV-LV serem colocados relativamente perto da carga, para manter baixa a resistência de alimentação. Uma baixa resistência de alimentação é desejada para manter um nível razoável de regulação da voltagem, ou seja, uma variação mínima no fornecimento da voltagem com a variação das cargas das correntes. As linhas de alimentação de LV para 4 distâncias que excedam em muito os 50 metros necessitariam de fios impraticavelmente grossos.

Para que um acoplador de dados seja eficaz deve ser considerado no contexto em que opera, em conjunto com as caracteristicas de alta-frequência das linhas de energia de MV e com outros componentes ligados a essas linhas, como sejam transformadores, condensadores de correcção do factor de energia, condensadores de acoplamento PLC e comutadores de desligamento. Estes componentes operam a diferentes voltagens em diferentes países e regiões. O nível de voltagem de funcionamento tem um impacto directo na geometria da construção dos dispositivos de energia de média voltagem e na impedância terminal desses dispositivos a frequências de megahertz. Outros factores que afectam os sinais de alta-frequência nas linhas de energia de MV incluem a geometria da rede, ou seja, as ramificações, o uso de cabos subterrâneos de muito baixa impedância que se ligam a linhas aéreas de alta impedância e a possibilidade da divisão de uma rede em sub- redes devido ao accionamento de um comutador de desligamento. Por isso, a adequação de um dispositivo acoplador MV-LV tem de ser considerada no contexto das caracteristicas específicas do equipamento usado em cada um dos países e do nível de voltagem de MV.

As linhas de transmissão aéreas são caracterizadas por dois ou mais fios, que correm com um afastamento essencialmente constante, tendo um dieléctrico aéreo entre eles. Tais linhas têm uma impedância característica situada na casa dos 300 a 500 ohms e uma perda muito pequena. Cabos coaxiais subterrâneos compreendem um condutor central rodeado por um dieléctrico, sobre o qual se encontram enrolados condutores neutros. Tais cabos possuem uma 5 impedância característica situada entre os limites de 20 a 40 ohms e apresentam uma perda, devido a sinais de megahertz, que pode ser tão baixa como 2 dB por centena de metros de comprimento, dependendo das propriedades de perda do dieléctrico.

Um transformador de distribuição MV-LV, seja destinado a funcionar a partir de uma fase única para neutro, seja de fase para fase numa grelha trifásica, possui um enrolamento primário no lado da MV, que parece possuir uma impedância na casa dos 40 a 300 ohms para frequências superiores a 10 MHz. Condensadores de correcção do factor de energia possuem grandes valores de capacitância nominal (por exemplo, 0,05- 1 nF) , mas a sua elevada frequência de impedância é principalmente determinada pela indutância de série inerente à sua construção. Os condensadores de acoplamento PLC possuem capacitâncias nominais inferiores, por exemplo, 2,2-10nF, mas podem ter elevadas frequências de impedância, que são relativamente baixas em relação à impedância caracteristica do cabo de energia. Qualquer um dos dispositivos anteriormente referidos pode produzir uma ressonância na gama dos megahertz, isto é, a parte imaginária de uma impedância complexa torna-se zero ohms, mas os dispositivos não possuem elevados factores Q a essas frequências e por isso a intensidade da impedância não se aproxima, tipicamente, de zero para uma ressonância em série ou um valor extremamente elevado para uma ressonância paralela.

Outro dispositivo usado em grelhas de MV, especialmente no Japão, é um comutador trifásico de desligamento, controlado remotamente. Quando um sinal de dados é transmitido por meio de uma linha de fase, que passa através de tal 6 comutador, a continuidade dos dados necessita de ser mantida, mesmo quando a linha da fase é aberta por intermédio do comutador. A PE 0 978 952 A2 descreve uma rede de transmissão de energia, a qual inclui meios de introdução, para a introdução de um sinal de telecomunicações num condutor neutro da rede e meios de saída, para remover da rede esse sinal de telecomunicações. A PE 0 889 602 A2 descreve um sistema de transmissão de dados por intermédio de uma blindagem de um cabo de transmissão de energia. A US-A-4 433.326 descreve um sistema de comunicação através de uma linha de fornecimento de energia, o qual usa um circuito de ramal de um Sistema de Distribuição de Energia AC {AC Power Distribution System), no interior de um edifício, para a transmissão de dados. Os dados são transmitidos por intermédio de uma ligação de comunicação, a qual é apenas formada pelo condutor neutro do circuito de ramal e por um condutor de terra adicional.

Constitui um objecto da presente invenção proporcionar um acoplador aperfeiçoado, destinado ao acoplamento de um sinal de dados a um condutor num cabo de transmissão de energia.

Constitui um outro objecto da presente invenção proporcionar um tal acoplador, que é barato e possui uma elevada capacidade de velocidade de dados. 7 7 Fig. 1 Fig.2A Fig. 2B Fig.3A.

Fig. 3B

Constitui ainda outro objecto da presente invenção proporcionar um tal acoplador, que pode ser instalado sem interrupção do serviço de energia aos consumidores. É ainda outro objecto da presente invenção proporcionar um tal acoplador, que utiliza apenas componentes passivos, os quais possuem uma vida de serviço virtualmente ilimitada.

Estes e outros objectos da presente invenção são atingidos por um dispositivo conforme apresentado na Reivindicação 1 e por meio do processo conforme apresentado na Reivindicação 15. é uma ilustração de um cabo coaxial subterrâneo de distribuição de média voltagem típico, mostrando um fio neutro a ser usado como meio de comunicação, de acordo com a presente invenção. é uma ilustração de uma disposição de uma linha de transmissão de terminal único 15, que utiliza um único fio neutro para a comunicação de acordo com a presente invenção. é uma representação esquemática da disposição da Fig.2A. é uma ilustração de um cabo de transmissão de energia, em que dois fios neutros são usados como linha de transmissão para a comunicação de um sinal de dados de acordo com a presente invenção. é uma representação esquemática da disposição apresentada na Fig.3A. δ

Fig.3C é uma representação esquemática de uma alternativa à disposição apresentada na Fig.3A, que usa uma pluralidade de fios neutros para formar uma linha de transmissão de dados. Fig.3D é uma ilustração de uma técnica para implementação da disposição 30 apresentada na Fig.3C. Figs.4A e 4B ilustram formas de realização da topologia de um núcleo magnético para um acoplador destinado a ser usado com um par de condutores neutros, os quais são accionados diferencialmente com um sinal de dados. Fig. 5A é uma ilustração de uma disposição de um cabo, que possui uma impedância elevada, introduzido por meio da colocação de um núcleo magnético toroidal. Fig.5B é uma representação esquemática da disposição da Fig.5A.

Figs.6A-6C são ilustrações de diversas disposições de uma linha de

Fig.6D transmissão compensada, que utiliza dois fios neutros e a indução magnética de acordo com a presente invenção. é uma representação esquemática das disposições de 6A-6C. Fig. 7 é um esquema de uma linha de transmissão compensada, que utiliza uma indução magnética de acordo com a presente invenção. Fig. 8 é um esquema de uma forma de realização da presente invenção, que utiliza múltiplas linhas de transmissão, com múltiplos conjuntos de fios neutros. 9

Fig. 9Α é um esquema de um sistema destinado a identificar um de uma pluralidade de fios de um cabo de transmissão de energia. Fig.9B é uma ilustração de um sistema para a identificação de um de entre uma pluralidade de fios de um cabo de transmissão de energia. Figs.1OA e 10B são esquemas de porções de uma rede de comunicação de dados implementada através de um sistema de distribuição de energia, onde os dados são transportados num condutor de fase do sistema de distribuição de energia de acordo com a presente invenção. Fig. HA é uma ilustração de uma forma de realização de um acoplador indutivo, destinado a acoplar dados por intermédio de um condutor de fase de acordo com a presente invenção. Fig.11B é uma representação esquemática da forma de realização mostrada na Fig.llA. Fig.12 é um esquema de uma porção de uma rede, que possui modems costas com costas num acoplador indutivo. Fig.13 é um esquema de uma técnica para acoplar passivamente dados modulados entre segmentos de uma grelha de energia de acordo com a presente invenção. Fig.14 é um esquema de uma técnica para acoplar dados modulados entre segmentos de uma grelha por meio da utilização de modems costas com costas. 10

Fig.15 é um esquema, que mostra diversas técnicas para acoplar dados a um condutor de fase de um sistema de distribuição de energia, numa implementação de uma rede de comunicação de dados de acordo com a presente invenção.

Fig.lôA é um esquema para um acoplador capacitivo para terminar uma extremidade sem saída de uma linha de transmissão de acordo com a presente invenção.

Fig.lôB é um esquema que utiliza um acoplador capacitivo para ligar um modem a uma extremidade sem saída de uma linha de transmissão de acordo com a presente invenção.

Fig.lôC é um esquema de uma disposição de um acoplador capacitivo destinado a manter a continuidade de um sinal de dados através de um comutador de desligamento da grelha de acordo com a presente invenção.

Descrição da invenção

As linhas de transmissão de média voltagem, aéreas ou subterrâneas, podem ser usadas para a transmissão bidireccional de dados digitais. Tais linhas de transmissão cobrem a passagem entre um transformador de uma subestação de uma companhia de fornecimento de energia e um ou mais transformadores de distribuição MV-LV colocados num determinado bairro. 0 transformador de distribuição MV-LV reduz a energia da média voltagem para baixa voltagem, a qual é então enviada para as habitações ou empresas. A presente invenção refere-se a uma utilização de um acoplador numa grelha de média voltagem. 0 acoplador destina-se a permitir a comunicação de um sinal de dados 11 por intermédio de um cabo de transmissão de energia. Ele possui um primeiro enrolamento destinado a acoplar o sinal de dados, por intermédio de um condutor do cabo de transmissão de energia e um segundo enrolamento, indutivamente acoplado ao primeiro enrolamento, para acoplar o sinal de dados por intermédio de uma porta de dados.

Uma forma de realização da presente invenção é empregue com um cabo de transmissão de energia, que possui um ou mais fios neutros, isto é condutores, enrolados em volta de uma camada exterior do cabo, à semelhança de um cabo coaxial.

Um ou mais dos fios neutros do cabo de transmissão de energia servem como condutor para um ou mais sinais de dados. Outra forma de realização é empregue com um condutor de fase de um cabo de transmissão de energia. Neste caso, o condutor de fase do cabo de transmissão de energia serve como condutor para um ou mais sinais de dados. A Fig.l é uma ilustração de um cabo coaxial subterrâneo de distribuição de média voltagem típico 100 com um acoplador indutivo acoplado a ele, O cabo 100 tem uma multiplicidade de condutores N neutros 105 enrolados em espiral à volta de um núcleo isolador 120, o qual rodeia um fio condutor de fase 115. Por exemplo, num cabo Pirelli Cable X-0802/4202/0692 TRXLPE 25KV 260 mils 1/OA WG Al, que pode ser adquirido à Pirelli Cavi e Sistemi S.pA., Viale Sarça, 222, Milano, Itália 20126, existe um fio condutor da fase rodeado de isolamento, à volta do qual estão enrolados 8 cordões de cobre de 2,8 mm de diâmetro. Cabos com 12 a 18 condutores neutros são também vulgares. 12

Os condutores neutros 106 estão separados e isolados uns dos outros num segmento de cabo. Numa extremidade do cabo 100, um cordão de cada condutor neutro 105 é exposto e dobrado tangencialmente, formando um anel de fio de cobre 125 a uma curta distância da extremidade do cabo, para formar um terminal. Esses cordões são reunidos num único fio entrançado 130 e ligados a uma barra de ligação à terra num transformador de distribuição MV-LV.

Um acoplador 140 já se encontra isolado do condutor de fase 115, sendo este último certificado para suportar tanto as voltagens de estado constante como as transitórias para as quais o cabo se encontra preparado. Explorar o isolamento existente evita a despesa de se voltar a proporcioná-lo ao acoplador. O acoplador pode ser embalado com materiais plásticos vulgares. O acoplador 140 inclui um primeiro enrolamento (não representado na Fig.l) e um segundo enrolamento (não representado na Fig.l). O primeiro enrolamento é fornecido pelo próprio cabo, enquanto que o segundo enrolamento pode ser constituído por uma ou duas voltas de fio de ligação entrançado de pequeno diâmetro, com um isolamento mínimo.

Num cabo subterrâneo, como seja o cabo 100, o uso do acoplador indutivo 140 é particularmente favorável em termos de custos, já que tira vantagem do isolador existente 120 para proporcionar isolamento das linhas de média voltagem.

Um acoplador indutivo de acordo com a presente invenção é também adequado para ser usado com um cabo aéreo de transmissão de energia. O acoplador indutivo é geralmente 13 menos caro do que um acoplador capacitivo, uma vez que o aumento da espessura do isolamento do acoplador indutivo não degrada de modo substancial o desempenho do acoplador, enquanto que o aumento da espessura do isolamento no condensador diminui directamente a sua capacitância por unidade de área e necessita de uma área de placa maior. Por isso, em comparação com um acoplador capacitivo, o acoplador indutivo é consideravelmente menos dispendioso de fabricar.

Existem diversas formas de realização alternativas da invenção. Para o cabo subterrâneo pode-se utilizar um ou mais dos fios neutros do cabo subterrâneo, os quais podem fornecer linhas de transmissão de alta-frequência, ao mesmo tempo que a função de condução da energia do fio neutro escolhido (ou escolhidos) é preservada. A Fig. 2A é uma ilustração de uma disposição de uma linha de transmissão de terminal único, a qual utiliza um único fio neutro para a comunicação de dados, de acordo com a presente invenção. A Fig. 2B é uma representação esquemática da disposição da Fig. 2A. Um cabo 200 inclui uma multiplicidade de condutores neutros 205, por exemplo fios, que podem ser considerados como uma linha de transmissão de dados plana, enrolada numa espiral suave à volta de um isolador de alta voltagem 240 e de um condutor de fase central 245.

Um cordão seleccionado de entre os condutores neutros 205, isto é o condutor neutro 202, é isolado para agir como um condutor isolado de transmissão de dados para um sinal de dados e os restantes condutores neutros 205, principalmente dois condutores neutros 205, que são adjacentes ao condutor 14 neutro 202, servem como um segundo condutor de linha de transmissão de dados. Para o corte perpendicular do cabo Pirelli acima descrito, a impedância caracteristica é calculada em cerca de 95 ohms relativamente aos sinais na gama de frequências de 1-50 MHz, de que uma sub-gama é tipicamente usada na transmissão de dados.

Para implementar a disposição da Fig. 2A num cabo subterrâneo já instalado, é seleccionado o condutor neutro 202 de entre os diversos condutores neutros 205 e é cortado numa secção exposta 210, em cada uma das extremidades do cabo 200. Uma ponta 215 do condutor neutro 202 mantém-se ligada a um anel 250 em cada uma das extremidades do cabo 200. O condutor neutro 202 e a ponta 215 são ligados a um primeiro enrolamento 225 de um acoplador 220. O primeiro enrolamento 225 é assim ligado em série entre o condutor neutro 202 e a terra. Um segundo enrolamento 235 do acoplador 220 é ligado a uma porta 255, através a qual os dados são transmitidos e recebidos. Portanto, o cabo 200 é usado para utilização como uma linha de transmissão de alta-frequência, a qual pode estar ligada a equipamento de comunicação, como seja um modem (não representado), por intermédio do acoplador 220.

Electricamente falando, o acoplador 220 é um transformador. A impedância através do primário, isto é, do primeiro enrolamento 225, de tal transformador não é significativa às frequências usadas para a condução de energia. O primeiro enrolamento 225, que está unido ao condutor neutro 202 e à ponta 215, deverá ser enrolado com um fio pelo menos tão espesso como do condutor neutro 202. Sob tais circunstâncias, o condutor neutro portador de dados seleccionado 202 tem essencialmente a mesma impedância que 15 todos os outros fios neutros. Será portador de essencialmente a mesma corrente que cada um dos outros fios neutros e a corrente permanente admissível total e capacidade de impulsos de corrente do circuito neutro não serão degradadas.

Nas Figs.2A e 2B, a corrente neutra do condutor neutro único 202 passa através do acoplador 220. Para um cabo de 200 Amperes com oito fios neutros, o fio portador dos dados transportará uma corrente de estado contínuo máximo de 25 Amperes de valor efectivo. A corrente máxima de estado constante através de um único condutor neutro é inferior para um cabo com uma pequena corrente contínua admissível e para um cabo com um maior número de condutores neutros. O acoplador 220 deve ser capaz de tratar do fluxo gerado por essa corrente sem saturação magnética do núcleo, a fim de desempenhar a sua função de acoplamento de dados. O condutor neutro 202 transporta corrente numa primeira direcção para um sinal de dados de alta-frequência. Os outros condutores neutrais 205 transportam a corrente de retorno do sinal de dados na direcção oposta, tendendo a cancelar e assim diminuir acentuadamente uma intensidade do campo magnético irradiado devido ao sinal de dados modulado. Esta disposição proporciona também um efeito de protecção electrostática contra o ruído acoplado vindo de um campo eléctrico externo. A Fig. 3A é uma ilustração de um cabo de transmissão de energia 300, no qual são usados dois condutores neutros como linha de transmissão para a comunicação de um sinal de dados de acordo com a presente invenção. A Fig. 3B é uma 16 representação esquemática da disposição apresentada na Fig. 3A.

Um acoplador 307, por exemplo um transformador de alta-frequência, está instalado em série com dois fios neutros adjacentes 302, 305. Os fios neutros 302, 305, que são, de preferência, paralelos e adjacentes um ao outro, são cortados imediatamente antes de um ponto onde se unem ao anel neutro de ligação 330.

Referindo a Fig.3B, as pontas dos fios neutros 302, 305, que se estendem desde o cabo 300, estão ligadas a um primeiro enrolamento 310 do acoplador 307. O primeiro enrolamento 310 está assim ligado em série entre o condutor neutro 302 e o condutor neutro 305. O primeiro enrolamento 310 inclui uma tomada central 312 e um núcleo magnético 315. A tomada central 312 está ligada ao anel neutro 330.

Uma porção 310A do primeiro enrolamento 310 está ligada ao fio neutro 302 e enrolada numa primeira direcção à volta do núcleo 315 e uma segunda porção 310B do primeiro enrolamento 310, está ligada ao fio neutro 305 e enrolada na direcção oposta à volta do núcleo 315. As porções 310A e 310B são feitas de fios de diâmetro ligeiramente maior do que os fios neutros do cabo de energia e são por isso capazes de transportar correntes em estado constante ou por impulsos, pelo menos tão bem como os condutores neutros não seleccionados. Cada uma das porções 310A e 310B pode ela própria ser considerada um enrolamento. A disposição da Fig. 3A assegura que apenas uma impedância insignificante seja inserida em série com dois fios neutros 302, 305 e não perturbe a divisão essencialmente uniforme 17 da corrente de frequência da energia entre todos os fios neutros. Para o cabo Pirelli anteriormente descrito, a impedância caracteristica dos fios paralelos 302 e 305, que actuam como linha de transmissão paralela por fios, calcula-se que seja de aproximadamente 130 ohms. Também à frequência da energia, a disposição apresentada nas Figs. 3A e 3B resulta no cancelamento do fluxo, devido às correntes neutras, que flúem em direcções opostas nos enrolamentos 310A e 310B, resultando num fluxo bruto insignificante através do núcleo 315.

Outro enrolamento 320 está ligado a uma porta 350, através da qual são transmitidos e recebidos os dados. O enrolamento 320 está isolado do neutro do circuito de energia 325, evitando assim um circuito de terra, que poderia induzir ruídos espúrios e impulsos de erro nos circuitos de dados. O cabo 300 pode ser pensado como uma linha de transmissão de alta-frequência, a qual pode ser ligada a equipamento de comunicações por intermédio do acoplador 307. Nesta configuração, um sinal de dados é conduzido diferencialmente através de condutores neutros 302, 305. Uma tal linha de transmissão deverá emitir uma radiação electromagnética ainda mais baixa do que o dispositivo de terminal único descrito na Fig. 2A, para um determinado nível de energia de accionamento. A Fig. 3C é uma representação esquemática de uma alternativa à disposição apresentada nas Figs. 3A e 3B, que usa uma pluralidade de fios neutros para formar uma linha de transmissão de dados. O cabo 300 possui uma pluralidade de fios neutros 330, que são substancialmente paralelos uns 18 aos outros, com alguns fios individuais de um primeiro subconjunto 330A da pluralidade de fios neutros 330 a alternar com fios individuais de um segundo subconjunto 330B da pluralidade de fios neutros 330. O primeiro subconjunto 330A é colectivamente considerado como um primeiro condutor neutro e unido para formar uma primeira ponta entrançada 332 para um acoplador 307A. 0 segundo subconjunto 330B é colectivamente considerado como um segundo condutor neutro e unido de modo a formar uma segunda ponta entrançada 333 para o acoplador 307A. De preferência, a pluralidade de fios neutros 330 é configurada como N/2 linhas de transmissão ligadas em paralelo, onde N é o número de fios neutros 330 e N/2 é o número de fios neutros em cada um dos subconjuntos 330A e 330B. O efeito de tal ligação em paralelo é reduzir a atenuação produzida pelo cabo 300 por um factor de aproximadamente N/2 e reduzir a impedância caracteristica pelo mesmo factor. A Fig. 3D é um diagrama, que mostra como é que a disposição da Fig. 3C pode ser convenientemente implementada. Para facilitar a união do primeiro subconjunto 330A à primeira ponta entrançada 332, um primeiro anel isolador 335 é colocado sobre todos os condutores neutros, isto é, primeiro subconjunto 330A e segundo subconjunto 330B, próximo de um ponto onde o acoplador 307A será colocado. O primeiro subconjunto 330A é enrolado por cima do primeiro anel isolador 335 e são unidos um ao outro para formar a primeira ponta entrançada 332. Da mesma maneira, um segundo conjunto 330B é enrolado por cima de um segundo anel 345, o qual pode ser isolador ou não isolador e são unidos um ao outro para formar uma segunda ponta entrançada 333. A simetria geométrica do fluxo de corrente e os reduzidos 19 níveis de voltagem deverão reduzir ainda mais a radiação electromagnética em relação à emitida com a implementação de dois fios da Fig. 3A.

Uma companhia de utilidades eléctricas poderá objectar ao corte de dois condutores neutros e à sua religação através de um acoplador. De acordo com a presente invenção, é possível "enrolar" um núcleo magnético à volta de dois fios neutros seleccionados, de uma maneira que é topologicamente e magneticamente equivalente à forma de realização apresentada nas Figs 3A e 3B.

As Figs 4A e 4B ilustram formas de realização da topologia de um núcleo magnético para um acoplador destinado a ser usado com um par de condutores neutros, os quais são accionados diferencialmente por meio de um sinal de dados. Um tal núcleo tem uma primeira região adjacente a um primeiro condutor neutro e uma segunda região adjacente a um segundo condutor neutro. 0 acoplador inclui um enrolamento, enrolado à volta de uma porção do núcleo. Através do núcleo o enrolamento induz uma primeira corrente no primeiro condutor neutro, numa primeira direcção e induz uma segunda corrente, no segundo condutor neutro, numa segunda direcção, que é oposta à primeira direcção.

Referindo a Fig. 4A, um núcleo 400 pode ser visualizado como um número "8", sem nenhum contacto no ponto de cruzamento. O número "8" forma uma "torção" topológica. Uma primeira região compreende um primeiro arco 405 do número "8". Um primeiro condutor neutro 410 é encaminhado através do primeiro arco 405. Uma segunda região compreende um segundo arco 415 do número "8". Um segundo condutor neutro 420 é encaminhado através do segundo arco 415. O núcleo 400 20 é efectivamente um núcleo em forma de janela contígua, através da qual os condutores 410 e 420 são passados em direcções opostas, cancelando assim o fluxo devido às correntes de frequência da energia. Um enrolamento 425 induz correntes de sinal de alta-frequência de fases opostas nos fios neutros 410 e 420. A topologia em forma de número "8" pode ser implementada na superfície de um cabo, sem se cortarem os condutores neutros. Conforme se mostra na Fig.4B, um núcleo, constituído por segmentos de núcleo 400A e 400B, é configurado com um primeiro intervalo vazio 430 no primeiro arco 405 e um segundo intervalo vazio 435 no segundo arco 415. 0 condutor neutro 410 é encaminhado através do primeiro intervalo 430 e o condutor neutro 420 é encaminhado através do segundo intervalo 435. Por meio da colocação dos núcleos 400A e 400B contra o isolamento 440 dos condutores neutros 410 e 420, os condutores neutros 410 e 420 são colocados no interior da passagem do fluxo magnético.

Outro processo para evitar o corte físico dos fios neutros é inserir uma alta impedância para altas-frequências, em série com eles, sem cortar os fios. A presente invenção executa isso por meio do envolvimento de todo o cabo com um ou mais núcleos magnéticos toroidais. A Fig. 5A é uma ilustração de uma disposição de um cabo, que possui uma elevada impedância de alta-frequência introduzida por meio da colocação de um núcleo magnético toroidal por cima do cabo. A Fig. 5B é uma representação esquemática da disposição da Fig. 5A. 21

Um ou mais núcleos toroidais 502 são dispostos à volta de uma porção de cabo de transmissão de energia 500. Um primeiro enrolamento 530 (Fig. 5B) de um acoplador 515 é ligado entre um primeiro condutor neutro 510 e um segundo condutor neutro 512, para o interior do cabo 500 relativamente aos núcleos magnéticos toroidais 502. Um segundo enrolamento 532 do acoplador 515 fornece uma passagem para os dados na direcção de uma porta de um modem 520 . O primeiro e o segundo condutores neutros 510, 512, são dois de uma pluralidade de condutores neutros 505 do interior do cabo 500. Cada um dos condutores neutros 505 verá efectivamente um estrangulador 502A (Fig.5B) imediatamente antes de um anel de recolha neutro 525. Assim, os núcleos magnéticos toroidais 502 inserem uma reactância de isolamento entre cada um dos fios neutros 506 e a terra, preferivelmente da ordem de intensidade de alguns micro-Henry.

Os núcleos magnéticos toroidais 502 podem ser configurados como um núcleo dividido composto de duas metades, com uma embalagem mecânica proporcionada de modo a fazer corresponder com precisão as duas metades e fixar o núcleo ao cabo 500. A vantagem desta forma de realização é que nenhum dos fios neutros 505 necessita de ser cortado durante a instalação dos núcleos magnéticos toroidais 502.

Um sinal de dados pode ser transmitido para e recebido de um modem (não representado) ligado através de uma porta 520 do acoplador 515 e acoplado aos condutores neutros 510, 512 a montante dos núcleos magnéticos toroidais 502. O cabo 500 pode ser pensado como uma linha de transmissão de alta- 22 frequência com pontos terminais de ligação 535 e 540, parcialmente isolados da terra por meio de núcleos toroidais, que actuam como estranguladores. À frequência da energia, a corrente da rede, que passa através dos núcleos magnéticos toroidais 502, é essencialmente zero, uma vez que a corrente da fase de um condutor central 517, que flúi numa direcção, é contrabalançada pela corrente neutra opostamente direccionada, que flúi através da multiplicidade de fios neutros 505, que passam todos através de núcleos magnéticos toroidais 502. É assim impedida a saturação do núcleo. A distribuição da corrente entre os fios neutros 505 é mantida sem modificação pela presença de núcleos magnéticos toroidais 502, uma vez que uma reatância muito pequena é induzida pelo efeito de estrangulamento dos núcleos magnéticos toroidais 502, a qual afecta igualmente todos os fios neutros.

As Figs 6A - 6C são ilustrações de diversas disposições de uma linha de transmissão compensada, que utiliza dois fios neutros e indução magnética de acordo com a presente invenção. A Fig. 6D é uma representação esquemática das disposições 6A-6C. Uma vez mais, a vantagem obtida é evitar-se o corte ou a manipulação dos fios neutros para circuitos que podem ser ou não ser carregados de energia.

Cada uma das formas de realização das Figs. 6A-6D utiliza dois fios neutros como linha de transmissão. A corrente do sinal é magneticamente induzida nas secções dos fios neutros adjacentes a um aro de recolha ligado à terra. Um núcleo magnético aberto (como seja um núcleo "E") está 23 posicionado na proximidade e perpendicularmente aos dois fios neutros.

Como se mostra na Fig. 6A, um núcleo magnético aberto 605 tem uma primeira perna 606 posicionada próximo e perpendicularmente ao primeiro dos dois fios neutros 602 de um cabo 600, uma segunda perna 607 posicionada próxima e perpendicularmente a um segundos dos fios neutros 602 e uma terceira perna, isto é a perna comum 610, localizada entre a primeira perna 606 e a segunda perna 607. A perna comum 610 possui um enrolamento 608 que a envolve. O enrolamento 608 está enrolado à volta da perna comum 610, a qual se encontra posicionada entre os dois fios neutros 602 do cabo 600. Esta disposição induz correntes em cada um dos fios neutros 602 individualmente, em direcções opostas relativamente uma à outra. Um segmento 615 (Fig. 6B) dos fios neutros 602, que termina conjuntamente num anel de recolha ligado à terra 625 (Fig.6B) pode ser alternativamente considerado uma bobina de uma só volta, que passa através do intervalo entre as faces polares das pernas 606 e 610 e entre as faces polares das pernas 607 e 610. Assim, uma corrente de sinal no enrolamento 608 irá induzir uma corrente de sinal nos dois fios neutros 602, desencadeando um sinal diferencial através da linha de transmissão formada por esses dois fios neutros 602.

Referindo a Fig. 6C, para reduzir o tamanho do espaço vazio relativamente grande existente entre as pernas, em formatos de núcleo Standard (por exemplo, núcleos "E") e para aumentar o coeficiente de acoplamento, pode ser usado um par de núcleos magnéticos toroidais 620, munidos de intervalos 627 através dos quais são encaminhados fios 24 neutros 602. Um enrolamento 630 é enrolado à volta de uma porção de cada um dos núcleos magnéticos toroidais 620, por exemplo de um perna comum 632. O circuito equivalente das formas de realização das Figs. 6A- 6C é apresentado na Fig. 6D. As secções de fios neutros 602, em que o fluxo é induzido, actuam como dois enrolamentos com fases opostas 635, ligados um ao outro no anel de recolha 625. Um enrolamento 645 fornece uma porta 640 para uma ligação a um modem (não representado). A força magneto-motora da frequência de energia (MMF -Magnetomotive Force) é cancelada na perna comum do núcleo, mas aparece com toda intensidade em cada uma das pernas laterais. No entanto, o intervalo vazio, que tem de ser maior do que o diâmetro de um fio neutro, impedirá geralmente essas pernas laterais de ficarem saturadas. A vantagem das formas de realização das Figs. 6A - 6D é evitar-se, tanto a interrupção como o contacto físico com os fios neutros 602. A distribuição da corrente por entre os fios neutros à frequência de energia irá manter-se essencialmente sem modificações, uma vez que a muito pequena reatância induzida pelo efeito de estrangulamento do núcleo irá introduzir uma reactância insignificante em comparação com a impedância geral do fio neutro ao longo de todo o segmento de cabo. O cabo 6 00 pode ser pensado como uma linha de transmissão de alta-frequência, ligada em cada um dos seus terminais por intermédio de um acoplador a equipamento de comunicação. A Fig.7 é um esquema de uma linha de transmissão compensada, que utiliza uma indução magnética de acordo com 25 a presente invenção. Esta forma de realização é semelhante à da Fig. 6D, mas em vez de um único núcleo magnético ou par de toroidais, que ligam a um par de fios neutros, une-se a todos os fios neutros organizados aos pares. Para um cabo com um número ímpar de fios, um fio seria deixado sem utilização. Para se conseguir isso qualquer das formas de realização das Figs 6A-6D pode ser empregue, com o número de acopladores a ser igual ao número de pares de fios neutros e os enrolamentos dos acopladores ligados uns aos outros. Para uma radiação mínima, os fios neutros alternados deverão ser de fases opostas. À semelhança das formas de realização das Figs. 6A-6D, a forma de realização da Fig.7 inclui um acoplador, que possui um primeiro enrolamento 720 para acoplar um sinal de dados por intermédio de um primeiro condutor neutro 702 de um cabo de transmissão de energia 700 e um segundo enrolamento 740, indutivamente acoplado ao primeiro enrolamento 720, para acoplar o sinal de dados por intermédio de uma porta de dados 760. Genericamente, a forma de realização da Fig. 7 melhora isso para incluir um terceiro enrolamento 725 destinado ao acoplamento do sinal de dados por intermédio de um segundo condutor neutro 705 do cabo de transmissão de energia 700 e um quarto enrolamento 745, indutivamente acoplado ao terceiro enrolamento 725, para acoplar o sinal de dados por intermédio da porta de dados 760. O sinal de dados viaja numa primeira passagem por intermédio do primeiro condutor neutro 702, do primeiro enrolamento 720 e do segundo enrolamento 740 e numa segunda passagem por intermédio do segundo condutor neutro 705, do terceiro enrolamento 725 e do quarto enrolamento 745. A primeira passagem é paralela à segunda passagem. 26 A Fig.7 ilustra a utilização de todos os pares de condutores neutros, de acordo com a forma de realização da fig. 6D. Os pares de fios 702, 705, 710 e 715 funcionam todos como linhas de transmissão, de uma maneira semelhante à do par seleccionado 600 da Fig.6D. O segmento dos fios neutros que passa através do fluxo magnético dos núcleos actua como os enrolamentos 720, 725, 730e 735 e acciona os pares de fios neutros como linhas de transmissão. Os enrolamentos 740, 745, 750 e 755 podem ser ligados em paralelo, conforme se mostra, ou em qualquer combinação de série e paralelo, que forneça um faseamento consistente, a fim de proporcionar um sinal de dados a uma porta 760. Dado que um condutor central 715 do cabo de energia 700 é exposto a um fluxo de fases iguais e opostas vindo das bobinas de acoplamento, a fase do condutor 715 não afecta a transmissão do sinal.

Algumas das vantagens da forma de realização da Fig.7 são: (a) a instalação de um acoplador poder ser executada sem se seleccionar um par de condutores neutros e por isso sem identificar esses condutores na extremidade mais distante do segmento (note-se que a inversão de fase é aqui possível, mas não irá afectar o fluxo de dados, uma vez que os modems podem tolerar a inversão de fase de todo o sinal), (b) ser possível a transmissão de dados, mesmo se o cabo 700 ficar danificado durante a sua passagem e alguns dos fios neutros forem acidentalmente ligados à terra, (c) um melhor cancelamento dos campos externos e da radiação mais baixa e (d) menor perda de passagem através do segmento de cabo. A Fig.8 é um esquema de uma forma de realização da presente invenção, que utiliza linhas de transmissão múltiplas com 27 múltiplos conjuntos de fios neutros. Esta forma de realização utiliza qualquer das formas de realização representadas nas Figs 6A - 6D, mas em vez de uma única passagem de sinal explora uma multiplicidade de linhas de transmissão de fios neutros 802, 805, 810, 815 para proporcionar múltiplos canais de transmissão independentes. A Fig.8 mostra quatro canais de transmissão. À semelhança das formas de realização das Figs 6A - 6D, a forma de realização da Fig.8 inclui um acoplador que possui um primeiro enrolamento 820 para acoplar um sinal de dados por intermédio de um primeiro condutor neutro 802 de um cabo de transmissão de energia 800 e um segundo enrolamento 825, indutivamente acoplado ao primeiro enrolamento 820 para acoplar o sinal de dados por intermédio de uma porta de dados 830. Geralmente, a forma de realização da Fig.8 melhora isso por incluir um terceiro enrolamento 835 para acoplar um segundo sinal de dados por intermédio de um segundo condutor neutro 805 do cabo de transmissão de energia 800 e um quarto enrolamento 840, indutivamente ligado ao terceiro enrolamento 835, para acoplar o segundo sinal de dados a uma segunda porta de dados 845.

Uma tal multiplicidade pode ser explorada para se conseguir: (a) uma transmissão de dados em duplex total através de um ou mais canais, (b) múltiplos canais unidireccionais e bidireccionais, aumentando assim a largura de banda, (c) transmissão de dados redundante para minimizar erros, (d) implementação de interfaces multifios, que possuem linhas separadas de relógio, sinal de validação e dados e (e) utilização de um canal para ordens de supervisão, notificação de erros ou outros dados úteis para a gestão da rede. 28

Para cada uma das formas de realizaçao apresentadas nas Figs 6A-6D e para os aperfeiçoamentos apresentados nas Figs. 3-8, a selecção de um ou dois fios neutros numa extremidade de um cabo implica que os mesmos fios tenham de ser identificados na extremidade distante do cabo. A Fig 9A é um esquema, e a Fig.9B é uma ilustração de um sistema 900 para a identificação de um de entre uma pluralidade de fios de um cabo de transmissão de energia. O sistema 900 inclui um receptor 902 para detectar um sinal vindo de um fio neutro seleccionado do cabo de transmissão de energia e um indicador 905 de uma intensidade do sinal. O sinal é aplicado a um fio seleccionado 925 num primeiro ponto 926 do cabo de transmissão de energia. 0 receptor 902 detecta o sinal num segundo ponto 92 7 do cabo de transmissão de energia, que se encontra afastado do primeiro ponto. O sistema 900 inclui também uma fenda radial 920, através da qual o fio neutro seleccionado 925 é encaminhado e um enrolamento 930, que está enrolado à volta de uma porção de um toroidal de ferrite 915 e ligado a uma entrada 935 do receptor 902. O sinal é indutivamente acoplado a partir do fio neutro seleccionado 925 por intermédio do toroidal de ferrite 915. O sinal é aplicado ao fio neutro seleccionado 925 no primeiro ponto 926 por intermédio de um acoplador indutivo 924.

Na primeira extremidade do cabo a ser ligada, o fio ou fios são seleccionados e é ligado um acoplador. A Fig.9A mostra um par de fios neutros a serem seleccionados. O acoplador é accionado por um oscilador de fraca potência e alta-frequência, tipicamente dentro da gama dos MHz. Isso 29 provoca uma corrente de alta-frequência, que corre com muita intensidade no fio ou fios seleccionados.

Na extremidade afastada, o rádio-receptor 900 é sintonizado para a mesma frequência. Este rádio-receptor é especial no facto de estar equipado com um medidor de intensidade de sinal 905 e com um controlo de ganho manual ou automático 910 para optimizar o ganho. Além disso, a antena do receptor compreende um toroidal de ferrite 915 com uma fenda radial 920 ligeiramente maior do que o diâmetro do fio neutro 925 e uma bobina enrolada no toroidal 915, unida aos terminais de entrada da antena do receptor 935. De preferência, o toroidal 915 está montado fixamente na caixa do receptor. O instalador segura no receptor de modo a orientar a fenda para que fique em linha com e próxima do condutor neutro 925 e observa a leitura do medidor de intensidade de sinal 905. O instalador movimenta então o receptor, tangencialmente à volta do cabo, sondando consecutivamente cada um dos fios. O fio ou fios que produzam a leitura máxima no medidor de intensidade do sinal serão os directamente excitados na outra extremidade do cabo.

Consequentemente, um processo para identificar um de entre uma pluralidade de fios neutros de um cabo de transmissão compreende os passos de: (a) aplicar um sinal a um fio neutro seleccionado, num primeiro ponto do cabo de transmissão de energia, (b) detectar uma intensidade relativa do sinal em cada um dos fios de uma pluralidade de fios neutros num segundo ponto do cabo de transmissão de energia, o qual fica afastado do primeiro ponto e (c) identificar o fio neutro seleccionado a partir das 30 intensidades relativas. O passo de identificação identifica o fio neutro seleccionado como um de entre a pluralidade de fios neutros que apresentam uma maior intensidade relativa. O passo de aplicação compreende o acoplamento indutivo do sinal ao fio neutro seleccionado e o passo de detecção compreende o acoplamento indutivo do sinal vindo do fio neutro seleccionado.

Até aqui a presente invenção tem sido descrita no contexto de um cabo com múltiplos fios neutros, separados, mutuamente isolados. No entanto, muitas redes de distribuição de energia não utilizam cabos com fios neutros mutuamente isolados, mas têm antes os seus fios neutros sob a forma de uma rede ou de fios múltiplos ligados uns aos outros com fita condutora de cobre. As Figs 10A, 10B, 11A e 11B e as descrições a elas associadas, referem-se a uma aplicação da presente invenção para outras grelhas de energia de média voltagem comuns, tais como aquelas que são transportadas através de fios aéreos e aquelas que são transportadas em cabos pseudo coaxiais subterrâneos com um único condutor neutro.

Um acoplador, que evita o contacto físico com um condutor de fase de média voltagem, é desejável pelo facto de um tal acoplador não ir necessitar de suportar voltagens constantes e de impulsos do condutor de fase, simplificando assim a construção e reduzindo o custo do acoplador. No entanto, a utilização do acoplador indutivo agora proposto pressupõe uma continuidade de circuito, através da qual a corrente possa fluir, ao mesmo tempo que os circuitos de média voltagem podem incluir circuitos fisicamente abertos nas suas extremidades, ou estar ligados a enrolamentos de transformadores, cuja alta impedância às frequências de 31 rádio pode aproximar-se do efeito de um terminal de um circuito aberto. De acordo com a presente invenção, os acopladores indutivos podem ser usados numa rede de transporte de dados de média voltagem, quando terminais de alta-frequência forem adicionados, com utilização de portas acopladas por condensação nas extremidades do cabo e numa grande rede de distribuição também numa ou mais posições intermédias. Os condutores de fase das linhas subterrâneas de transmissão de energia podem ser usados como linhas de transmissão de dados, quando estiverem equipados com terminais de carga, eficazes a altas-frequências, usados para comunicações, a fim de acoplar sinais de dados para e das linhas de transmissão.

Em sistemas de distribuição de energia, a grelha de média voltagem está ligada a dispositivos, que apresentam uma impedância muito mais elevada do que a impedância caracteristica do cabo aos sinais com altas-frequências. Tais dispositivos aparecem efectivamente como circuitos abertos a sinais de alta-frequência. 0 acoplamento de pacotes de dados modulados num tal cabo de circuitos abertos resultaria numa grande fracção de uma onda acoplada ser reflectida pelas extremidades do cabo e possivelmente ser interpretada pelos receptores de dados como novos pacotes. Uma outra caracteristica indesejável de tais reflexões seria induzir em erro o receptor dos dados, levando-o a concluir que novos pacotes estão a ocupar o cabo e as redes partilhadas do tipo "detecção do portador" sofreriam uma perda do tempo de transmissão disponível.

Para cabos e fios com perdas significativas de alta-frequência, essas reflexões dissipar-se-iam rapidamente e não causariam problemas. No entanto, tanto para as linhas 32 aéreas como para algumas linhas subterrâneas pseudo coaxiais, as perdas são baixas e fortes sinais reflectidos podem interferir com os sinais directos.

As Figs 10A e 10B são esquemas de porções de uma rede de comunicação de dados implementada através de um sistema de distribuição de energia, onde os dados são transportados num condutor de fase do sistema de distribuição de energia. A presente invenção utiliza uma combinação de acopladores indutivos e de condensação. Conforme explicado abaixo, a rede inclui: (a) um acoplador indutivo para acoplar um sinal de dados por intermédio de um condutor de fase e que possui uma porta de dados para posterior acoplamento do sinal de dados e (b) um acoplador capacitivo, ligado entre o condutor de fase e a terra, próximo de uma extremidade do cabo de transmissão de energia, para absorver as reflexões do sinal de dados e opcionalmente servir como porta de dados para o acoplamento do sinal de dados.

Os acopladores indutivos 1002 são usados em nódulos intermédios 1005 próximos de um transformador de distribuição 1010. Cada um dos acopladores indutivos 1002 fornece uma porta 1015 para ligação a um modem (não representado) ao longo de uma rede de baixa voltagem, que está a receber energia do secundário de cada distribuidor de transformação 1010. Acopladores capacitivos 1020 são ligados entre uma extremidade de um fio ou cabo e uma terra local, para simultaneamente absorverem as reflexões e proporcionarem nódulos de acoplamento dos sinais 1025. Quer dizer, um nódulo de acoplamento do sinal 1025 está localizado entre um acoplador capacitivo 1020 e a terra, para acoplar o sinal de dados entre o condutor de fase e para fornecer outra porta de dados para o sinal de dados. 33 0 "fim do fio ou cabo" inclui um ponto 1018, onde a energia é alimentada para o interior do cabo a partir de um transformador de alta para média voltagem. Em topologias de circuito, o cabo regressa a essa localização mas atinge um final sem saída. Acopladores capacitivos 1020 estão incluídos em tais finais sem saída. Se uma ramificação em T 1030 produzir uma estagnação 1035 na rede de energia, um acoplador capacitivo 1020 é usado para terminar a extremidades distante da estagnação 1035. A Fig. 11A é uma ilustração de uma forma de realização de um acoplador indutivo 1102 para acoplar dados por intermédio de um condutor de fase de acordo com a presente invenção. A Fig. 11B é uma representação esquemática da forma de realização apresentada na Fig.llA.

Um acoplador indutivo 1102 inclui um primeiro enrolamento 1104 para acoplar o sinal de dados por intermédio de um condutor de fase 1110 e um segundo enrolamento 1115, indutivamente acoplado ao primeiro enrolamento 1104, para acoplar o sinal de dados por intermédio de uma porta de dados 1145. O acoplador indutivo 1102 inclui um núcleo 1105, através do qual é encaminhado o condutor de fase 1110. Esta configuração do condutor de fase 1110 através do núcleo 1105 serve como primeiro enrolamento 1104, isto é, um enrolamento de uma única volta. O segundo enrolamento 1115 está enrolado à volta de uma porção do núcleo 1105. O acoplador indutivo 1102 é um transformador de corrente, no qual o núcleo 1105 está colocado por cima de um segmento do condutor de fase 1110. O acoplador indutivo 1102 pode também ser usado com um cabo subterrâneo por meio da colocação do núcleo 1105 por cima de um segmento de um cabo 34 subterrâneo, que está também coberto por uma bainha condutora neutra, com o fio de fase do cabo de energia a passar através do núcleo 1105, sob a forma de um enrolamento de apenas uma volta. 0 núcleo 1105 é feito de ferrite ou de outro material magnético macio com uma permeabilidade substancial e uma perda relativamente baixa em relação à gama de frequências necessária para os dados modulados. O núcleo 1105 possui um intervalo vazio 1120 suficiente para permitir o funcionamento do acoplador indutivo 1102 sem saturação, mesmo quando a corrente, que passa através do condutor de fase 1110 seja tão elevada como a corrente máxima para a qual o condutor 1110 está classificado, por exemplo 200 amperes rms. 0 acoplador indutivo 1102 possui uma indutância de magnetização primária suficiente para apresentar uma impedância apreciável da alta-frequência ao modem transmissor, ao longo de uma gama de frequências relevante, mas uma impedância insignificante às frequências de distribuição de energia. O acoplador indutivo 1102 possui tanto uma indutância de fuga como uma impedância primária reflectida da linha de transmissão, da qual o condutor de fase 1110 é um componente, ao longo da gama de frequências relevante. O acoplador indutivo 1102 possui um condensador de alta voltagem 1125 em série com o segundo enrolamento 1115 com a porta de dados 1145 e ligado a uma saída de baixa voltagem, isto é a uma saída da linha de energia de um transformador de distribuição 1130, para impedir o segundo enrolamento 1115 de fazer curto-circuito com um circuito de energia de 35 baixa voltagem 1135. Portanto, o condensador 1125 acopla um sinal de dados entre o segundo enrolamento 1115 e a saida da linha de energia. 0 acoplador indutivo 1102 também possui um protector contra picos 1140 ligado em paralelo ao segundo enrolamento 1115, para proteger o circuito de baixa voltagem 1135 e qualquer equipamento de comunicação electrónica a ele ligado, de serem afectados por um impulso de alta amplitude, que possa aparecer no condutor de fase 1110 e ser acoplado pelo acoplador indutivo 1102 às linhas de baixa voltagem.

Note-se que, embora apenas uma linha de fase de LV 1150 e de linha neutra de LV 1155 estejam ligadas ao acoplador 1102, a outra linha de fase 1160 receberá um sinal ligeiramente atenuado por intermédio do acoplamento indutivo e capacitivo, ao longo das linhas de alimentação de LV.

Uma consideração importante e um objectivo desejável é a minimização da radiação electromagnética dos fios e cabos usados para a transmissão de dados. Essas linhas poderiam irradiar interferências electromagnéticas, mesmo se enterradas alguns metros debaixo da terra. Ressonâncias espúrias poderiam também impedir a transmissão através de determinadas bandas estreitas de frequência.

Uma ou mais técnicas deverão ser empregues para minimizar a radiação, tolerar ressonâncias e proporcionar um canal de dados robusto e fiável. As opções para minimizar a radiação incluem: 36 (A) A utilização de modulação de espectro disperso nos modems a que se liga ou de onde se liga a grelha de média voltagem. A modulação de espectro disperso emprega uma densidade de energia espectral relativamente baixa (por exemplo, -55 dBm/Hz). (B) Minimizar o nível de energia dos dados modulados. 0 nível da energia deverá ser suficientemente elevado para ultrapassar qualquer ruído presente na linha e qualquer ruído gerado pelo próprio equipamento, por exemplo ruído interno, ruído de amplificador, etc. Por meio da exploração do isolamento relativo da linha de média voltagem em relação às ruidosas grelhas de baixa voltagem e de alta voltagem, o ruído de linha pode ser minimizado. Isso pode conseguir-se por meio da colocação de modems costas com costas em cada um dos acopladores indutivos. Os modems costas com costas tem como finalidade regenerar uma corrente de bits e remodular a transmissão de dados através de um meio adicional. A Fig. 12 é um esquema de uma porção de uma rede, que possui modems costas com costas num acoplador indutivo. Um primeiro modem 1202 possui uma primeira porta 1225 acoplada a uma porta de dados de um segundo enrolamento de um acoplador indutivo 1102, para enviar e receber um sinal de dados modulado e uma segunda porta 1210 para acoplar ainda os dados digitais. Um segundo modem 1205 possui uma primeira porta de dados digitais 1230 acoplada à segunda porta 1210 do primeiro modem 1202 e uma segunda porta 1235 para acoplar ainda o sinal de dados modulado. Opcionalmente, um encaminhador (router) 1220 pode ser 37 interposto entre o primeiro modem 1202 e o segundo modem 1205.

As vantagens da disposição acima são: A) 0 ruído da grelha de LV não alcança a grelha de MV. 0 isolamento pode ainda ser melhorado por meio de isoladores ópticos em série com a ligação de dados 1210 . B) Um modem de espectro disperso ou outro, que utilize uma tecnologia ou parâmetros diferentes da do modem de MV, pode ser optimizado para as grelhas de LV. Os acopladores indutivos introduzem impedância adicional de série nos nódulos de acoplamento, a qual é pequena em relação à impedância caracteristica do fio ou cabo, minimizando assim tanto as reflexões como a absorção de energia. Neste caso, os dados modulados podem atravessar com sucesso um grande número de nódulos intermédios. De preferência a indutância de magnetização e a de fugas são suficientemente pequenas para minimizar as perturbações de impedância, mas suficientemente grandes para proporcionar o acoplamento suficiente. Está aqui implícita uma não concordância intencional de impedâncias entre o modem e a impedância apresentada pelo acoplador. C) Os encaminhadores e outros equipamentos de rede 1220 podem ser empregues para mediar entre a rede doméstica e a rede externa.

Um parâmetro em discussão para minimizar a radiação é a atenuação do nível do sinal numa direcção situada entre a 38 linha e o acoplador, uma vez que o nível do sinal, na linha de energia de média voltagem, tem de ser suficientemente forte para ultrapassar essa atenuação. A atenuação na direcção situada entre o acoplador e a linha pode ser facilmente ultrapassada sem radiação adicional por meio da aplicação de mais energia ao acoplador que impulsiona a linha, de maneira que se estabeleça o nível máximo de energia transmitida permissível, que seja consistente com a adequação aos níveis máximos de radiação permitidos.

Se, por exemplo, cada um dos acopladores estiver desenhado para uma perda de acoplamento de 10 dB, então a energia transmitida pode ser aumentada em 10 dB para compensar e apenas os 10 dB do segundo acoplador são deduzidos da reserva de perdas do modem. A Fig. 13 é um esquema de uma técnica para acoplar passivamente dados modulados entre segmentos de uma grelha de energia de acordo com a presente invenção. Fig.13 mostra uma rede de comunicação de dados 1300 implementada através de um sistema de distribuição de energia, que possui um primeiro segmento 1302 com um primeiro condutor neutro 1320 e um segundo segmento 1303 com um segundo condutor neutro 1330. A rede 1300 inclui um primeiro acoplador 1306 para acoplar indutivamente um sinal de dados por intermédio do primeiro condutor neutro 1320 e tendo uma porta de dados 1335 para acoplar melhor o sinal de dados e um segundo acoplador 1307, que possui uma porta de dados 1340 acoplada à porta de dados 1335 do primeiro acoplador indutivo 1306 e para acoplar indutivamente o sinal de dados por intermédio do segundo condutor neutro 1330. 39 0 primeiro segmento 1302 inclui um primeiro cabo de distribuição de energia 1315 num primeiro lado de um transformador de distribuição de energia 1345. 0 segundo segmento 1303 inclui um segundo cabo de distribuição de energia 1325 num segundo lado do transformador de distribuição de energia 1345. O transformador de distribuição de energia 1345 possui uma saída para a linha de energia 1350. A rede 1300 compreende ainda um condensador 1310 entre a porta de dados 1335 do primeiro acoplador indutivo 1306 e a linha de saída de energia 1350 para acoplar o sinal de dados à linha de saída de energia 1350.

Cada um dos segmentos de transformador para transformador torna-se uma ligação separada numa cadeia de ligações múltiplas. Um acoplador está ligado a cada um dos terminais de cabo, exigindo assim dois acopladores por cada transformador, excepto para o último transformador num segmento que termina sem saída. 0 encadeamento passivo dos segmentos é conseguido por meio da ligação das portas de dados 1335 e 1340 dos dois acopladores de cada um dos lados de um transformador umas às outras. Uma ligação passiva para dispositivos de comunicação ligados à linha de LV 1350 é feita através de séries de condensadores de acoplamento 1310. Modems semelhantes serão ligados, tanto ao ponto de alimentação das redes, como seja uma subestação de energia, seja em tomadas de baixa voltagem nas instalações do utilizador. A Fig.14 é um esquema de uma técnica para o acoplamento de dados modulados entre segmentos de uma grelha de energia que utiliza modems costas com costas. A Fig.14 mostra uma 40 rede de comunicação de dados 1400 implementada através de um sistema de distribuição de energia que possui um primeiro segmento 1402, com um primeiro condutor neutro 1420 e um segundo segmento 1403 com um segundo condutor neutro 1430. A rede 1400 inclui um primeiro acoplador 1406 para acoplar indutivamente um sinal de dados por intermédio do primeiro condutor neutro 1420 e que possui uma porta de dados 1435 para acoplar ainda o sinal de dados e um segundo acoplador 1407 que possui uma porta de dados 1440 acoplada à porta de dados 1435 do primeiro acoplador indutivo 1406 e para acoplar indutivamente o sinal de dados por intermédio do segundo condutor neutro 1430.

Um primeiro modem 1460 inclui uma primeira porta para sinais de dados modulados 1465 acoplada à porta de dados 1435 do primeiro acoplador 1406 e que tem uma segunda porta para dados digitais 1470, para acoplar ainda mais o sinal de dados. Um segundo modem 1480 possui uma primeira porta para dados digitais 1475 acoplada à segunda porta 1470 do primeiro modem 1460 e uma segunda porta 1485 para ainda melhor acoplamento do sinal de dados modulado. O sistema de distribuição de energia inclui um transformador de distribuição 1445, que possui uma linha de saída de energia 1450. A rede 1400 compreende ainda condensadores 1410 entre a segunda porta 1485 do segundo modem 1480 e a linha de saída de energia 1450 para acoplar o sinal de dados modulado à linha de saída de energia 1450.

Um cabo de média voltagem pode incluir um segmento de cabo longo, como seja desde uma subestação até ao primeiro transformador de distribuição num circuito. Para facilidade de instalação e de serviço, a secção longa pode ser 41 segmentada, com poços de acesso de serviço em cada nódulo. Nesses pontos, os segmentos de cabo podem ser terminados em conectores de média voltagem (para o condutor central), juntamente com anéis colectores de fio neutro, que estão ligados à terra. Isso introduz uma descontinuidade na linha de transmissão de dados, a qual é executada num ou mais fios neutros. Para ultrapassar essa descontinuidade, pode ser instalado um par de acopladores, com os seus primários ligados um ao outro, criando-se uma ligação de ponte. A presente invenção proporciona também a implementação de uma rede de comunicação de dados, que utiliza condutores de fase através de segmentos de um sistema de distribuição de energia. A Fig.15 é um esquema que mostra diversas técnicas para o acoplamento de dados a um condutor de fase de um sistema de distribuição de energia numa implementação de uma rede de comunicação de dados 1500 de acordo com a presente invenção.

Um acoplador capacitivo é colocado em linhas aéreas alimentadas por um transformador de redução HV-MV. A impedância secundária do transformador é da mesma ordem de intensidade que a das linhas aéreas ou maior. Um acoplador terminal, pode ser aqui usado, por exemplo um acoplador capacitivo com uma porta de dados que, simultaneamente: (a) seja usado para acoplar um modem à linha e (b) termine a linha com uma resistência aproximadamente igual à impedância caracteristica do cabo de transmissão de energia (uma vez que a resistência do modem ou impedância fictícia da resistência, é reflectida através do seu transformador). Consequentemente, a Fig.15 mostra que o sistema de 42 distribuição da energia inclui uma subestação com um transformador de redução de voltagem HV-MV 1502. Um acoplador capacitivo 1535, isto é, o acoplador terminal, encontra-se localizado próximo de um segundo enrolamento do transformador de redução de voltagem 1502. Um componente, como seja o modem 1525, possui uma impedância que, quando reflectida através do acoplador capacitivo 1535 é aproximadamente igual à impedância caracteristica do cabo de transmissão de energia.

Em sistemas tais como os usados no Japão, onde o costume é fazer correr cabos subterrâneos coaxiais com uma impedância muito baixa, por extensões de até centenas de metros, até ao inicio de uma grelha aérea, a localização preferida para os acopladores indutivos é do lado aéreo do ponto de transição subterrâneo para aéreo. Aqui, a baixa impedância do cabo subterrâneo actua como um curto-circuito na extremidade final da linha aérea e forma-se um circuito fechado de corrente. Assim, o sistema de distribuição de energia inclui uma transição 1545 entre um cabo aéreo 1515, 1516 e um cabo subterrâneo 1510, em que o cabo subterrâneo 1510 possui uma impedância caracteristica, que é muito inferior à do cabo aéreo 1515. Um ou mais acopladores indutivos 1540, 1541 estão localizados no cabo aéreo 1515, 1516, próximo da transição 1545. A colocação dos acopladores indutivos 1540, 1541 nesse cabo aéreo de três fases 1515, 1516, pode ser efectuada simetricamente com cada um dos membros de um par de acopladores a ser accionado por uma corrente de fase oposta. Tal accionamento cancelará praticamente a radiação do campo magnético distante e facilitará a concordância com quaisquer normas reguladoras. Consequentemente, a rede 1500 43 pode incluir um par de acopladores indutivos 1540, 1541, de modo que um primeiro acoplador indutivo, por exemplo o 1540, do par, induza uma primeira corrente no condutor de fase, por exemplo 1515, numa primeira direcção e um segundo acoplador indutivo, por exemplo o 1541, do par, induza uma segunda corrente no segundo condutor de fase, por exemplo no 1516, numa direcção oposta à da primeira corrente.

Alternativamente, pode ser accionada uma única fase, com correntes iguais e opostas a serem induzidas nas outras fases, a uma distância que exceda o comprimento de uma onda de um acoplador indutivo, novamente cancelando muito do campo de radiação distante. Por exemplo, pode ser usado um acoplador indutivo 1540 e os efeitos da indução da linha de transmissão podem apoiar-se no equilíbrio das correntes, após um comprimento de onda através da linha.

Os acopladores indutivos podem ser também colocados nas linhas de alimentação de um primário de um transformador de distribuição, uma vez que a impedância do primário do transformador de alguns tipos de transformadores de distribuição pode ser da mesa ordem de intensidade que a das linhas aéreas e forma-se um circuito fechado. Dado que esse circuito é portador de correntes com frequências muito baixas de energia, tipicamente na casa dos 3-8 Amperes, há pouca tendência para a saturação do núcleo e os núcleos dos acopladores podem ser construídos com pouco ou nenhum intervalo vazio. Conforme se mostra na Fig.15, um acoplador indutivo 1550 encontra-se localizado numa linha que alimenta um enrolamento primário 1555 de um transformador de distribuição do sistema de distribuição de energia. 44

Uma vez que a intensidade da impedância do circuito observada junto do acoplador indutivo 1550 pode ser tão alta como centenas de ohms e os modems 1560, ao longo do comprimento da linha de transmissão ligada ao acoplador indutivo 1550 terão tipicamente uma impedância de 50 ohms, pode haver uma má correspondência substancial de impedâncias.

Conforme se mostra na FIg. 15 o sistema de distribuição de energia 1500 pode incluir um condensador PLC e/ou um condensador de correcção do factor de energia, por exemplo o condensador 1565, entre um condutor de fase, por exemplo 1516 e a terra. O condensador 1565 pode ter uma impedância inferior à do cabo de transmissão da energia 1516. Os condensadores PLC e do factor de energia podem ter uma elevada impedância à RF, caso em que não perturbarão significativamente os sinais de HF que passam através da grelha de energia. Para os dispositivos que tenham uma impedância RF cuja intensidade seja da mesma ordem ou mais baixa do que a impedância caracteristica da linha de energia, como seja o condensador 1565, um estrangulador em série 1570 pode ser inserido em série com o condensador 1565. O estrangulador de série 1570 pode compreender uma ponta de fio existente 1575 para o condensador 1565 por meio da colocação de um ou mais núcleos magnéticos divididos de encaixe de mola sobre a ponta do fio 1575. A corrente da frequência da energia é relativamente baixa, por isso a saturação do núcleo não será um problema. A intensidade em micro-Henry das impedâncias desses estranguladores indutivos não afectará o funcionamento da frequência de energia do condensador. Podem também ser usados núcleos com perdas, porque eles aumentam 45 45 alta-frequência simplesmente a estrangulador e condensador. impedância de contribuem para do isolamento do

Os efeitos dos reflexos da linha de transmissão têm de ser considerados porque produzem ecos, os quais poderiam introduzir erros na corrente de dados. A modulação de espectro disperso é o candidato mais provável a tal transmissão carregada de ecos devido à sua tolerância a ruídos de banda estreita e minimiza a radiação electromagnética emitida devido à sua baixa densidade de energia espectral. Para modems de espectro disperso, sinais reflectidos intra-pacotes, que estejam 6-10 dB ou mais abaixo do nível do sinal directo, não afectarão a recepção de dados. Os sinais reflectidos intra-pacotes são definidos como reflexos, que chegam durante a recepção directa do pacote original.

As perturbações de impedância nas linhas de energia podem ser causadas por: (a) transformadores de distribuição, com ou sem a adição de impedância de acoplador indutivo, (b) terminais de linha, que tipicamente são desenhados para corresponderem bastante bem á impedância da linha, (c) ramificações em T, e (d) condensadores PLC ou de correcção do factor de energia. 0 coeficiente de reflexão dessas descontinuidades de impedância não excederá geralmente 0,5 e o sinal reflectido é sujeito a uma perda por saída dos limites e retorno das próprias linhas, isto é, perda de absorção e perda de radiação, de maneira que se espera que a intensidade dos sinais reflectidos seja mais fraca do que a dos sinais directos por mais do que 6-10 dB. Assim, os sinais reflectidos, que chegam durante um pacote de dados, aparecerão como ruído de baixa amplitude e não impedirão os 46 pretendidos sinais de dados de serem recebidos correctamente.

Para os acopladores colocados em pontos de alimentação de baixa impedância para linhas de alta impedância, como seja a transição 1545, a perda e os reflexos devidos à não correspondência das impedâncias não são desejáveis. Uma vez que fios muito pesados de energia não podem ser enrolados em volta do núcleo do acoplador, o secundário não pode ter mais do que uma volta e o primário não pode ter menos do que uma volta. Por isso, a impedância reflectida nas linhas de energia será igual á impedância do modem, um quarto desta, ou menos, dependendo da proporção de voltas. Para modems com uma impedância terminal de 50 ohms, esta impedância reflectida é muito inferior à sua impedância caracteristica. Uma solução para melhorar a correspondência de impedâncias é construir modems com uma impedância de saida de algumas centenas de ohms.

Outra solução é unir um par de acopladores fase/anti-fase com os seus primários em paralelo. Os secundários (linhas de MV) são necessariamente em série. Assim, uma impedância de 50 ohms do modem é transformada numa impedância reflectida de 100 ohms pelo par acoplador indutivo fase/anti-fase, por meio da utilização de acopladores com os seus primários em paralelo, conseguindo-se uma ligação em série dos enrolamentos do transformador (acoplador), do lado da linha de energia e uma ligação em paralelo no lado do modem.

Por exemplo, a Fig.15 mostra um primeiro acoplador indutivo 1540 e um segundo acoplador indutivo 1541. 0 primeiro acoplador indutivo 1540 induz uma primeira corrente numa 47 primeira direcção no condutor de fase 1515 por intermédio de um primeiro enrolamento 1540 A e o segundo acoplador indutivo 1541 induz uma segunda corrente na direcção oposta no condutor de fase 1516 por intermédio de um segundo enrolamento 1541 A. O primeiro enrolamento 1540 A e o segundo enrolamento 1541 A estão em paralelo um com o outro. Na Fig.15 o primeiro enrolamento 1540 A e o segundo enrolamento 1541 A estão marcados com pontos para mostrar a relação desta fase. O acoplador indutivo do ponto de alimentação aéreo deve ser desenhado de modo a suportar os efeitos da alimentação da corrente total, a qual pode chegar a centenas de Ampares. Dado que mesmo uma bobina com uma única volta, que transporte tal corrente, irá saturar o núcleo dos materiais magnéticos actualmente disponíveis, adequados para o funcionamento a alta-frequência, este acoplador de "linha principal" deve geralmente incluir um espaço vazio no seu circuito magnético. Para conseguir uma indutância de magnetização suficiente, tais acopladores irão necessitar de uma multiplicidade de núcleos, que formem o equivalente de um núcleo, que seja muito espesso na direcção do fio de energia.

As Figs. 16A - 16C representam esquematicamente diversas utilizações de acopladores capacitivos numa rede de comunicação implementada através de um sistema de distribuição de energia. Estes acopladores capacitivos são usados nos nódulos da rede onde acopladores indutivos possam não ser eficazes, por exemplo, em pontos onde não exista um circuito aberto efectivo para a corrente de RF. 48

Um acoplador capacitivo 1020, como o utilizado nas Figs. 10 A e 10B, é apresentado na Fig.16 A, assinalado ai como um acoplador capacitivo 1600. O acoplador capacitivo 1600 deverá ser capaz de suportar continuamente a voltagem de trabalho fornecida pelo condutor de fase e por uma série impulsos BIL, por exemplo de 125 kV para uma voltagem de trabalho de 15 kV, conforme a especificação IEEE Specification 386. O acoplador capacitivo 1600 deverá também ser construído de modo a eliminar a quebra de coroa conforme a especificação acima. O acoplador capacitivo 1600 liga-se às linhas de MV por intermédio de condensadores de alta voltagem 1620, por exemplo, 10 nF, cuja impedância à frequência relevante mais baixa é uma fracção da impedância característica do cabo de transmissão de energia. Opcionalmente, o acoplador capacitivo 1600 pode incluir um fusível de segurança 1625 em série com o condensador 1620, para evitar a falha da linha de voltagem média no caso de surgir um curto-circuito .

Resistências de descarga de alta resistência 1605 estão ligadas em paralelo a cada um dos condensadores 1620 para os descarregar, quando não estão ligados a circuitos com energia. Os condensadores carregados seriam um perigo para o pessoal. Para isolar ainda mais a porta de dados 1630 das linhas de MV, é usado um transformador de isolamento de alta-frequência 1615, com uma proporção de voltas opcional não igual à unidade, se necessário para a transformação da impedância.

Para proteger os dispositivos que se encontram ligados à porta de dados 1630, um protector de picos 1632, como seja 49 uma varistência de óxido metálico (MOV) pode ser ligado através dos terminais da porta de dados 1630 para limitar a amplitude dos impulsos que, de outra maneira, poderiam ser acoplados às linhas de MV dirigidas aos dispositivos.

Preferivelmente, na rede em que o condensador está instalado, um terminal do acoplador capacitivo 1600 está ligado a uma linha de fase de média voltagem e o outro terminal está ligado ao neutro (para linhas de fase única) ou à segunda linha de fase (para linhas de fases múltiplas).

Quando utilizado para terminar um fim sem saida de uma linha de transmissão, o acoplador capacitivo 1600 pode ser usado, juntamente com uma resistência terminal 1635, ligada à porta de dados 1630, para emparelhar com a impedância caracteristica do cabo de transmissão de energia. A Fig. 16B ilustra a utilização do acoplador capacitivo 1600 para acoplar um modem 1636 na extremidade sem saída de um cabo de transmissão de energia. O modem 1636 está ligado à porta de dados 1630. A Fig. 16C é um esquema de uma disposição de acopladores capacitivos para manter a continuidade de um sinal de dados através de um comutador de segmentação de grelha. A Fig. 16C mostra um sistema de distribuição de energia, que possui um condutor de fase com um primeiro segmento 1601 num primeiro lado de um comutador 1602 e um segundo segmento 1603 de um segundo lado do comutador 1602. Um primeiro acoplador capacitivo 1650 acopla um sinal de dados por intermédio do primeiro segmento 1601 e tem uma porta de dados 1635 para acoplar ainda o sinal de dados. Um segundo 50 acoplador capacitivo 1660 tem uma porta de dados 1665 acoplada à porta de dados 1635 do primeiro acoplador capacitivo 1650 e acopla o sinal de dados por intermédio do segundo segmento 1603. Portanto, uma transmissão do sinal de dados entre o primeiro segmento 1601 e o segundo segmento 1603 é mantida quando o comutador 1602 é aberto. A presente invenção emprega uma grande variedade de protocolos de rede para estender o alcance fisico e melhorar a fiabilidade. Depois de passar através dos acopladores indutivos e de encontrar as faltas de correspondência entre impedâncias, as junções em T e a perda de radiação, a amplitude do sinal disponível para o modem do receptor pode tornar-se muito fraca. Se essa fraqueza for relativa a um ruído interno do modem ou a ruído eléctrico ambiente nas linhas de média voltagem, haverá um ponto físico para além do qual o sinal não pode ser detectado e desmodulado nos seus dados com uma baixa taxa de erro aceitável.

Modems bidireccionais podem ser adicionados para regenerar a força do sinal, se forem também usados estranguladores de alta impedância para isolar a grelha de média voltagem em segmentos independentes. A rede de comunicação de dados pode empregar protocolos de comunicação, que incluem a passagem de símbolos de dados de nódulo para nódulo. Em cada um dos nódulos, o símbolo, que proporciona sinalização ou controlo, ou inclui um pacote de dados como carga paga, é armazenado, interpretado e encaminhado. Ou para o modem do utilizador local dos dados ou então para o nódulo seguinte da rede. 0 tempo necessário para armazenar, interpretar e retransmitir um símbolo 51 reduzirá consideravelmente a velocidade efectiva dos dados numa tal rede se cada um dos nódulos estiver sempre em linha.

De acordo com a presente invenção, apenas determinados nódulos estão programados para estarem activos a qualquer momento dado, nomeadamente o nódulo para o qual o símbolo é endereçado e um subconjunto fixo mínimo de nódulos distribuídos ao longo da rede, que são necessários para manter uma amplitude de sinal mínima para todos os pontos da rede. Quando este subconjunto de nódulos se encontre activo, haverá uma vantajosa permuta de tempo de espera e uma velocidade de dados na rede reduzida, em troca de um alcance físico aumentado e de uma taxa de erros melhorada. A determinação da identidade dos membros de nódulo permanentemente activos pode ser conseguida por meio de medições manuais da atenuação entre todos os nódulos da rede de média voltagem. De preferência, os modems estão equipados com circuitos que medem a amplitude de voltagem e/ou de sinal para a proporção de ruído e são interrogados por uma camada de controlo de acesso da rede de media. Os nódulos deverão também estar programados para aceitar uma ordem, que os mantenha num modo de relé activa permanente, mesmo para símbolos ou pacotes que não estão endereçados a eles.

Pode ser implementado um algoritmo, que determine quais os nódulos que devem ser colocados permanentemente activos e casos de uma corrente de ordens para todos os nódulos para colocarem os devidos nódulos em actividade permanente. 0 algoritmo é corrido de cada vez que a configuração da 52 grelha de média voltagem é modificada, mas esse é um evento relativamente raro. Nódulos muito próximos uns dos outros gozarão de uma velocidade de dados igual à velocidade máxima da rede, enquanto que nódulos mais distantes serão ainda servidos de forma fiável, com um serviço de baixa taxa de erros, muito embora a uma velocidade de dados inferior. Em principio, é reivindicado que a disposição descrita remove todos os limites de distância das comunicações de média voltagem. A linha de transmissão formada pelo condutor seleccionado e os seus vizinhos é inerentemente um meio de banda larga, poucas perdas e baixa dispersão. Para linhas aéreas, as perdas seriam devidas ao efeito pelicular e à radiação, sendo esta última relativamente ineficaz, uma vez que a maior parte das linhas não são ressonantes à maioria das frequências. Para as linhas subterrâneas, as perdas seriam devidas ao efeito pelicular e às perdas de isolamento, por exemplo camada exterior de plástico e camada interna de material semicondutor. A presente invenção produz uma baixa emissão electromagnética e possui uma baixa susceptibilidade ao ruído externo, especialmente quando utilizada com técnicas de espectro disperso. Os níveis de energia podem também ser mantidos baixos, devido às pequenas perdas do cabo para o acoplador. A susceptibilidade às fontes de ruído externas será proporcional á radiação, com os modos que têm a menor interferência electromagnética (EMI) a serem aqueles que são mais resistentes à recepção de ruídos externos, com base no princípio da reciprocidade. 53

Para o modo de terminal único (ver Fig.2A), os dois vizinhos do condutor seleccionado actuam em anti-fase relativamente ao condutor central, para os modos de radiação eléctrica e magnética. Um observador à distância haveria de ver campos de cancelamento substanciais.

Para modos equilibrados, haveria simultaneamente um cancelamento do campo distante e um efeito de protecção dos vizinhos ligados à terra. Para a terminação em transformador (ver Fig.2B), a perda de acoplamento seria a mais baixa e os níveis da energia de accionamento poderiam ser mantidos relativamente baixos, dados os níveis mais baixos de EMI. Para a terminação em estrangulador, os níveis de energia de accionamento seriam ligeiramente mais elevados.

Se os modems actuarem como repetidores, então os níveis de energia de accionamento podem ser mantidos no mínimo requerido para um único segmento, reduzindo ainda mais a radiação.

Uma rede de comunicação de dados de acordo com a presente invenção oferece uma capacidade de velocidades de dados muito elevadas, por exemplo superiores a 10 Mbps. Os acopladores são todos dispositivos magnéticos ou electrostáticos, com larguras de banda que podem alcançar pelo menos décimos de megahertz, se forem usados materiais magnéticos e materiais dieléctricos de alta-frequência. As linhas de transmissão que não tenham demasiadas perdas e que tenham uma dispersão mínima poderão conduzir frequências superiores a 20 MHz. Tais frequências poderão ser usadas para modems, que utilizem diversos esquemas de 54 modulação e mesmo um bit por Hertz fornecerá elevadas velocidades de dados. A sinalização de banda de base pode também ser empregue se a codificação dos dados eliminar longas cadeias de tudo 1 e tudo 0. Com ligações entre segmentos, que incluem regeneração (repetidores), a largura de banda será muito maior do que a que se pode obter com a ligação passiva dos segmentos.

Os acopladores da presente invenção podem ser instalados com pouca ou nenhuma interrupção do serviço de energia aos consumidores. A instalação pode também ser executada sem exposição a altas voltagens. Empregando guarda-fios com luvas, as autoridades podem permitir a colocação de um acoplador indutivo à volta de um cabo, enquanto o cabo está em serviço. Mesmo que as autoridades insistam em quer os trabalhadores não trabalhem em cabos carregados de energia, a arquitectura do circuito das grelhas de média voltagem dos bairros permitem que se desligue um único segmento de cabo sem interromper o serviço aos consumidores. Para os relativamente poucos acopladores capacitivos, pode ser necessária uma única e curta interrupção da energia. A presente invenção permite um funcionamento continuado de uma rede de comunicação de dados, mesmo durante uma interrupção da energia. O funcionamento continua mesmo durante interrupções da energia de média voltagem. A presente invenção tem pouco ou nenhum impacto na fiabilidade da grelha eléctrica. Os acopladores indutivos não têm modos defeituosos que possam afectar o fluxo da 55 energia. Os poucos acopladores capacitivos, com os seus fusíveis, também não irão causar um colapso da linha.

Para as formas de realização das Figs. 2A e 2B, o enrolamento do acoplador com um fio mais espesso irá impedir a sua falha devido a excesso de corrente e utilizando-se ligações industriais Standard entre o neutro seleccionado e o acoplador minimizar-se-ão as falhas de ligação. Onde ocorra um circuito aberto, ele deixa (N-l)/N da capacidade de transporte de corrente intacta, ou seja 87,5% no caso discutido. Uma vez que o cabo funciona geralmente, no máximo, abaixo da sua capacidade de 200 A, uma tal falha não teria qualquer efeito. O curto-circuito do acoplador terá impacto nas comunicações de dados, mas isso irá meramente restaurar o condutor neutro para o seu estado original. Consequentemente, a grelha de energia não será submetida a um impacto negativo. O curto-circuito do neutro ou de qualquer outra parte do acoplador para a terra não terá qualquer efeito sobre a linha de MV, uma vez que o seu neutro está ligado proximamente à barra de ligação à terra. A falha do circuito magnético, aberto, curto ou saturação, não terá qualquer efeito sobre o fornecimento de energia eléctrica ou a segurança do sistema.

Os acopladores apenas utilizam componentes passivos, o que implica uma vida de serviço virtualmente ilimitada. O acoplador indutivo pode ser qualquer transformador ou indutor adequado. 56

Na implementação passiva, os acopladores indutivos apenas usam componentes passivos, por exemplo, fios enrolados à volta de núcleos magnéticos e estes não possuem mecanismos que se desgastem. Os acopladores capacitivos também não possuem mecanismos que se desgastem. A construção passiva e a facilidade de instalação dos acopladores indutivos proporcionam uma solução de baixo custo para o problema do acoplamento a linhas de distribuição de energia de média voltagem e a sua utilização como transportadores de canais de dados. 0 tempo de instalação deverá ser inferior a 15 minutos para o indutivo predominante e os custos de instalação são mínimos. Há uma clara vantagem das formas de realização que usam linhas neutras em comparação com os acopladores capacitivos de desvio, que empregam condutores de média voltagem para transportar dados. Estes últimos tomam contacto com a linha de média voltagem pelo menos uma vez em cada transformador e têm de suportar voltagens erradas completas. Por exemplo, um acoplador para um cabo de 15 kV rms da fase para a terra tem de ser testado para 125 kV BIL. Isso torna o acoplador capacitivo muito volumoso e caro e acrescenta muitos mais pontos potenciais de falha do sistema.

Deverá entender-se que diversas alternativas e modificações poderão ser delineadas pelos técnicos do ramo. A presente invenção pretende abarcar todas essas alternativas, modificações e variações, que caiem no âmbito das reivindicações anexas.

Lisboa, 18 de Janeiro de 2007

Claims (15)

1 REIVINDICAÇÕES 1. Dispositivo para permitir a comunicação de um sinal de dados por intermédio de um cabo de transmissão de energia (300; 500), que possui um primeiro condutor neutro (410; 602) e um segundo condutor neutro (420; 602), que compreende: um núcleo magnético (400; 400A, 400B; 605; 620) para colocação à volta dos referidos primeiro e segundo condutores neutros; e um enrolamento (425; 608) enrolado à volta de uma porção do referido núcleo magnético (400; 400A, 400B; 605; 620); em que o referido sinal de dados é indutivamente acoplado entre o referido primeiro condutor neutro (410; 602) e uma porta de dados e entre o referido segundo condutor neutro (420; 602) e a referida porta de dados, por intermédio do referido núcleo magnético (400; 400A, 400B; 605; 620) e o referido enrolamento (425; 608) e em que o referido sinal de dados é accionado diferencialmente através dos referidos primeiro e segundos condutores neutros.

2. Dispositivo de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o referido núcleo magnético (400; 400A, 400B; 605; 620) induzir uma primeira corrente no referido primeiro condutor neutro (410; 602) numa primeira direcção e induzir uma segunda corrente no referido segundo condutor neutro (420; 602) numa segunda direcção, que é oposta à referida primeira direcção.

3. Dispositivo de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o referido núcleo magnético 2 (400; 400Α, 400Β) ser topologicamente configurado com o formato de um número "8", sem nenhum contacto no ponto de cruzamento do "8".

4. Dispositivo de acordo com a Reivindicação 3, caracterizado pelo facto de o referido núcleo magnético (400) compreender uma primeira região adjacente ao referido primeiro condutor neutro (410) e uma segunda região adjacente ao referido segundo condutor neutro (420), por a referida primeira região compreender um primeiro arco (405) do referido número "8" e por o referido primeiro condutor neutro (410) ser encaminhado através do referido primeiro arco (405) e por a referida segunda região compreender um segundo arco (415) do referido número "8"e por o referido segundo condutor (420) ser encaminhado através do referido segundo arco (415)

5. Dispositivo de acordo com a Reivindicação 3, caracterizado pelo facto de o referido núcleo magnético (400A, 400B) compreender uma primeira região adjacente ao referido primeiro condutor neutro (410) e uma segunda região adjacente ao referido segundo condutor neutro (420), por a referida primeira região compreender um primeiro intervalo vazio (430) num primeiro arco (405) do referido número "8", por o referido primeiro condutor (410) ser encaminhado através do referido primeiro intervalo (430), por a referida segunda região compreender um segundo intervalo vazio (435) num segundo arco (415) do referido número "8" e por o referido segundo condutor (420) ser encaminhado através do referido segundo intervalo (435).

6. Dispositivo de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o referido primeiro condutor 3 neutro (410) e o referido segundo condutor neutro (420) serem substancialmente paralelos um ao outro no referido cabo de transmissão de energia.

7. Dispositivo de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o referido primeiro condutor neutro (410) ser encaminhado numa primeira direcção através do referido núcleo magnético (400; 400A, 400B) e ligado a uma tomada central de terra e por o referido segundo condutor neutro ser encaminhado numa segunda direcção através do referido núcleo magnético (400; 400A, 400B) e ligado à referida toma central de terra.

8. Dispositivo de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o referido cabo de transmissão de energia (300) ter uma pluralidade de fios neutros (330), que são substancialmente paralelos uns aos outros, com os indivíduos de um primeiro subconjunto (330 A) da referida pluralidade de fios neutros (330) a alternarem com indivíduos de um segundo subconjunto (330B) da referida pluralidade de fios neutros (330), por o referido primeiro condutor neutro estar inserido no referido primeiro subconjunto (330 A) da referida pluralidade de fios neutros (330), e por o referido segundo condutor neutro estar inserido no referido segundo subconjunto (330B) da referida pluralidade de fios neutros (330).

9. Dispositivo de acordo com a Reivindicação 1, que compreende ainda um toroidal magnético (502) disposto à volta de uma porção do referido cabo de transmissão de energia (500), caracterizado pelo facto de o referido primeiro condutor neutro e o referido segundo condutor neutro estarem ligados a um membro terminal comum a jusante 4 do referido toroidal magnético (502) e por o referido núcleo magnético estar colocado à volta dos referidos primeiro e segundo condutores neutros, a montante do referido toroidal magnético.

10. Dispositivo de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o referido núcleo magnético compreender um núcleo magnético aberto (605) que tem uma primeira perna (606) posicionada próximo e perpendicularmente ao referido primeiro condutor neutro (602) ; uma segunda perna (607) posicionada próximo e perpendicularmente ao referido segundo condutor neutro (602); e uma terceira perna (610), localizada entre a referida primeira perna (605) e a referida segunda perna (607), que tem o referido enrolamento (608) enrolado à sua volta.

11. Dispositivo de acordo com a Reivindicação 1, caracterizado pelo facto de o referido núcleo magnético compreender um primeiro núcleo magnético toroidal (620, Fig.6C) que possui um intervalo vazio (627) através do qual o referido primeiro condutor neutro (602) é encaminhado e um segundo núcleo magnético toroidal (620), que possui um intervalo vazio (627), através do qual o referido segundo condutor neutro (602) é encaminhado e por o referido enrolamento (630) estar enrolado à volta de uma porção do referido primeiro núcleo magnético toroidal (620) e de uma porção do referido segundo núcleo magnético toroidal (620).

12. Dispositivo de acordo com a Reivindicação 1, que compreende ainda: 5 um primeiro modem (1202, Fig.12) que tem uma primeira porta (1225) acoplada à referida porta de dados e que tem uma segunda porta (1210) para mais acoplamento do referido sinal de dados; e um segundo modem (1205) que tem uma primeira porta (1230) acoplada à referida segunda porta (1210) do referido primeiro modem (1202) e que tem uma segunda porta (1235) para mais acoplamento do referido sinal de dados.

13. Dispositivo de acordo com a Reivindicação 12, caracterizado pelo facto de o referido primeiro modem (1202) e o referido segundo modem (1205) estarem configurados costas com costas.

14. Dispositivo de acordo com a Reivindicação 12, que compreende ainda um encaminhador de dados (1220) interposto entre o referido primeiro modem (1202) e o referido segundo modem (12 05) .

15. Processo para permitir a comunicação de um sinal de dados por intermédio de um cabo de transmissão de energia, que possui um primeiro condutor neutro (410; 602) e um segundo condutor neutro (420; 602), compreendendo o referido processo os passos: colocação do núcleo magnético (400; 400A, 400B; 605; 620) à volta dos referidos primeiro e segundo condutores neutros e envolver um enrolamento (425; 608) à volta de uma porção do referido núcleo magnético (400; 400A, 400B; 605; 620), em que o referido sinal de dados é indutivamente acoplado entre o referido primeiro condutor neutro (410; 602) e uma porta de dados e entre o referido segundo condutor neutro (420; 602) e a referida porta de dados, por intermédio do 6 6 referido referido de dados primeiro Lisboa, núcleo magnético (400; 400A, 400B; 605; 620) e do enrolamento (425; 608) e em que o referido sinal é accionado diferencialmente através dos referidos e segundo condutores neutros. 8 de Janeiro de 2007