DE69334142T2

DE69334142T2 - Übertragungsgerät zum Einsatz in einem Elektrizitäts-Verteilungsnetzwerk

Info

Publication number: DE69334142T2
Application number: DE69334142T
Authority: DE
Inventors: Paul Anthony Kendal Brown
Original assignee: Amperion Inc
Current assignee: Amperion Inc
Priority date: 1992-10-22
Filing date: 1993-10-20
Publication date: 2008-01-24
Anticipated expiration: 2013-10-21
Also published as: HK125997A; DE69334142D1; US6172597B1; NZ329593A; ATE198521T1; EP0667067B1; EP0667067A1; CA2146648A1; DE69329827T2; GB9621878D0; FI951844A0; GB2272350B; GB2304013A; GB2304013B; FI951844A; HK125897A; EP1050975B1; CA2146648C; AU5373294A; GB9318628D0

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Signaleinspeisung, -übertragung, -kopplung (Abschluss) und -detektion mithilfe eines Energieübertragungsnetzes, d.h. eines Stromversorgungs- und/oder übertragungsnettes. Insbesondere betrifft die Erfindung die Verwendung von Elektrizitätsübertragungsnetzen und/oder -leitungen zur Telekommunikationsübertragung (etwa Sprache und/oder Daten).
Im Vereinigten Königreich ist es üblich, ein Energienetz für 33 kV und mehr als „Übertragungsnetz" und eines für weniger als 33 kV als „Verteilungsnetz" zu bezeichnen. In dieser Beschreibung wird üblicherweise die Bezeichnung „Energieverteilungs- und/oder Energieübertragungsnetz" verwendet, aber allgemeine Verweise auf Energienetze und auf die Übertragung von Signalen werden als für alle Netze geltend aufgefasst.
Herkömmlicherweise wurden Telekommunikationssignale mithilfe von unabhängigen Netzen, etwa Telefonleitungen, übertragen und vor kurzem wurden Forschungen im Bereich der Verwendung vorhandener Energieübertragungs- und -verteilungsnetze als Träger für Telekommunikationsdienste durchgeführt, um Telekommunikationsdienste für industrielle und private Gebäude zu vereinfachen und den Wirkungsgrad derselben zu erhöhen.
Die Verwendung der oben erwähnten oberirdischen Freileitungen für die Übertragung zusätzlicher Steuer-, Sprach- und Datensignale ist bekannt. Durch eine solche Übertragung muss jedoch das Frequenzspektrum bestimmten Anwendungen zugeordnet und auf diese eingeschränkt werden, um Interferenzen mit anderen Telekommunikationsdiensten zu verhindern. Außerdem ist die Stärke der Signale, die übertragen werden können, begrenzt, da die durch die Übertragung erzeugte Strahlungsmenge in Bezug zur Signalstärke steht und diese Strahlung muss auf einem Minimum gehalten werden.
Solche Übertragungssignale müssen daher wenig Energie aufweisen und sind innerhalb einer spezifischen Frequenzbandbreite, zugewiesen durch das internationale Übereinkommen für solche Zwecke eingeschränkt, weswegen dieser Mechanismus für große Sprach- und/oder Datenübertragungen nicht geeignet ist, in denen sich Signale problemlos in das Funkspektrum (etwa 150 kHz und höher) erstrecken.
Die Verwendung von Streuspektrumverfahren zur Übertragung von Daten bei Trägerfrequenzen zwischen 6 kHz und 148 kHz auf oberirdischen und Freileitungs-Leitungen ist bekannt. Wiederum weisen Übertragungen in diesem zugewiesenen Frequenzband niedrige Datenraten und geringe Aufnahmekapazitäten aufgrund der Stromleitungs-Rauscheigenschaften auf. Aufgrund des eingeschränkten, zur Verfügung stehenden Spektrums und des Auftretens von hohen Rauschpegeln können die Breitband-Telekommunikationssignale nicht gesendet werden.
Obwohl Abhandlungen, wie etwa jene von J. R. Formby und R. N. Adams, The mains network as a high frequency signalling medium, The Electricity Council (Jänner 1970), ein Kommunikationspotential für hoch- und- mittelfrequente Spannungsnetze vorschlagen, wurden in diesem Bereich keine weiteren Forschungen unternommen. Sogar heute haben die Lösungen hinsichtlich Fernablesung von Zählern und selektiver Laststeuerung, die Tendenz, Verfahren, wie etwa Telefonie und Funkkommunikation, zu verwenden, womit das Netz, wo immer es möglich ist, vermieden wird.
Einige Konzepte wurden vorgestellt, aber nur wenige wurden über den Schritt des theoretischen Entwurfs hinaus weiterverfolgt, was auf die durch das Netz dargestellte feindliche Umgebung zurückzuführen ist. Die zu lösenden Probleme umfassen elektrisches Rauschen (sowohl konstantes Hintergrundrauschen und kurzzeitige Spitzen) und hohe Dämpfung der Hochfrequenzsignale aufgrund von Skin-Effekt und Nahwirkung.
Formby und Adams schlugen die Verwendung von Frequenzen im Bereich von 80 bis 100 kHz vor. 100 kHz wurde als Maximum empfohlen, da höhere Frequenzen laut Theorie unter übermäßiger Dämpfung leiden würden. Andere Abhandlungen empfehlen ein Maximum von 150 kHz aufgrund der Tatsache, dass die ausgestrahlten Signale, die höher als 150 kHz sind, Interferenzen mit Sendefunksignalen erzeugen würden.
Eine weitere Situation, in der Energienetze ebenfalls zur Übertragung von Sprach- und Datensignalen verwendet werden, ist die Verdrahtung elektrischer Leitungen im Inneren eines Gebäudes. In einer solchen Konfiguration wird die 240V-Netzverdrahtung für die Übertragung von Daten verwendet, wobei die geeignete Aussiebung bereitgestellt wird, um die Datensignale hinzuzufügen und diese von den Energieübertragungssignalen zu trennen. Weiters kann ein Filter, wie etwa der in der europäischen Patentanmeldung EP-A-1.141.673 beschriebene Emlux-Filter, bereitgestellt werden, um die Datensignale am Verlassen des Gebäudes und am Eindringen in das außerhalb des Gebäudes befindlichen Energieversorgungsnetzes zu hindern. Der beschriebene Emlux-Filter besteht aus einem abgestimmten Ferritring, der effektiv als Bandsperre wirkt. Damit die Bandsperre effektiv ist, muss er eine schmale Bandbreite haben und daher ist er für die Verwendung mit Hochgeschwindigkeits-Datenübertragungen nicht geeignet, da eine große Anzahl an solchen Bandsperren dafür nötig wäre. Dokument US-A-4.7724870A offenbart ein Stromleitungs-Übertragungssystem zur Schwachstromübertragung von Signalen, die auf das Wechselstrom-Energiesignal in einem Gebäude überlagert werden. Es umfasst Kopplungselemente zum Einspeisen und Entfernen von Signalen (üblicherweise von TV-Signalen) an das und von dem Wechselstrom-Energienetz im Inneren des Gebäudes.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Kommunikationsvorrichtung zur Verwendung in einem Übertragungsnetz.
Demgemäß stellt die vorliegende Erfindung eine Kommunikationsvorrichtung nach Anspruch 1 bereit.
Auf diese Weise können sowohl die Sprach- als auch die Datensignale unter Verwendung der Erfindung bei Trägerfrequenzen von mehr als etwa 1 MHz übertragen werden, was ein größeres zur Verfügung stehendes Spektrum und eine größere Übertragungskapazität ermöglicht.
Die Bezeichnung „Trägerfrequenz" bezieht sich auf die unmodulierte Frequenz des Trägersignals und nicht auf die Frequenz des Telekommunikationssignals, sobald dieses moduliert ist.
Beispielsweise kann in einem 415V-Netz, in dem die vorliegende Erfindung verwendet wird, die Trägerfrequenz vorzugsweise zwischen 1–10 MHz liegen und in etwa einem 11kV-Netz kann diese zwischen 5–60 MHz sein. Die Frequenz kann jedoch mehrere hundert MHz je nach Netz und Anwendung betragen. Über kurze Distanzen (10–20 m) kann ein Frequenzbereich von 1–800 MHz verwendet werden.
Vorzugsweise ist das Stromnetz, in dem die vorliegende Erfindung verwendet wird, ein unterirdisches Hauptstromnetz, umfassend beispielsweise Abschnitte mit 132 kV, 33 kV, 11 kV, 415 V und 240 V. Die Sprach- und Datensignale können über einen beliebigen oder alle Abschnitte des Stromnetzes durch geeignete Detektion, Verstärkung und/oder Regeneration und Wiedereinbringung, wie und wann benötigt, übertragen werden.
Vorzugsweise werden Vollduplexvorrichtungen bereitgestellt, also Signale können gleichzeitig in alle Richtungen übertragen und/oder aus diesen empfangen werden.
Ein Netz, das die vorliegende Erfindung umfasst, kann für viele Sprach- und/oder Datenübertragungszwecke, wie etwa Fernablesen von Stromzählern, Telebanking und -shopping, Strommanagementsysteme, Telefonie (Sprache), Vermittlungstelefonie, Sicherheitssysteme und/oder interaktive Datendienste und Fernsehen, verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung kann als „Netzkonditionierungseinheit" bekannt sein. Wie beansprucht, umfasst die Netzkonditionierungseinheit einen Tiefpassfilterabschnitt zum Aussieben des Elektrizitätsnetz-Spannungssignals mit niedriger Frequenz und hoher Amplitude und eines Kopplungselements zum Einspeisen und Entnehmen der Telekommunikationssignale aus dem Netz. Vorzugsweise umfasst sie ebenfalls ein Abschlusselement mit ähnlicher Impedanz wie die charakteristische Impedanz des Netzes an diesem Punkt.
Die Verwendung einer solchen Netzkonditionierungseinheit stellt sicher, dass die Hochfrequenz-Telekommunikationssignale die innere Niedrigspannungsverdrahtung, die im Inneren eines Gebäudes vorhanden ist, nicht stören und/oder dass die Rauschquellen von den inneren Niedrigspannungs-Gebäudeverdrahtungen die Hochfrequenz-Telekommunikationssignale, die über das Außenelektrizitäts-Übertragungs- und/oder -verteilernetz übertragen werden, nicht stören oder verfälschen.
Vorzugsweise sind die variablen elektrischen Lasteffekte (also die Lastimpedanz) aller Elemente, die auf dem Netzwerk, von Zeit zu Zeit, gekoppelt vorliegen und die elektrische Energie verwenden (also die elektrischen Lasten), von den Kommunikationssignalen aufgrund der Funktionsweise des Tiefpassfilterabschnitts/der Tiefpassfilterabschnitte der Konditionierungseinheit(en) isoliert.
Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung wird an der Schnittstelle zwischen dem Außenverteilernetz und dem Innennetz des Gebäudes, etwa eines Hauses, eines Benutzers verwendet, um sicherzustellen, dass die beiden Signale getrennt werden. Eine solche Vorrichtung sollte nur minimale Auswirkungen auf die herkömmliche private Stromversorgung haben.
Der Filterabschnitt der vorliegenden Erfindung, der auf die Verringerung der in das Innennetzwerk des Gebäudes eines Benutzers eintretenden Telekommunikationssignale abzielt, hat vorzugsweise nicht mehr als 1 Volt, das an diesem abfällt, während eine Last von 100 Ampere von einer 240V-, 50Hz- oder einer Einphasenquelle zugeführt wird.
Vorzugsweise stellt die Netzwerk-Konditionierungsvorrichtung Impedanzanpassung zwischen Empfangs/Sende-Vorrichtungen und dem Stromversorgungsnetzwerk bereit. Zusätzlich kann die Netzwerkkonditionierungseinheit die volle Last oder den vol len Fehlerstrom bei Stromversorgungsfrequenzen aufnehmen während sie weiterhin die Sprach- und Datensignale überträgt.
In einem die vorliegende Erfindung verwendenden Netz, in dem die Signale entlang eines Dreiphasen-Elektrizitätsspannungskabels übertragen werden, kann die Signalausbreitung zwischen einer beliebigen oder allen Phasen und Erde vorhanden sein. Vorzugsweise wird das Signal zwischen nur eine der Phasen und Erde eingespeist und dies stellt symmetrische Übertragungseigenschaften bereit und das Kabel verhalt sich wie eine Pseudo-Koaxialübertragungsleitung.
Eine große Palette verschiedener Übertragungsverfahren stehen zur Verwendung mit der Elektrizitätsleitungskommunikation zur Verfügung, von denen jedes verschiedene Modulationsverfahren verwendet, die sowohl Frequenz- als auch Zeitmultiplexverfahren beinhalten. Es wurde festgelegt, dass das Streuspektrumsverfahren inhärente Sicherheits- und gute Interferenzsperreigenschaften aufweist. Diese Eigenschaften werden unter Verwendung einer großen Bandbreite erzielt und benötigen daher die Gestaltung eines spezifischen Filters.
Die Netzkonditionierungseinheit umfasst vorzugsweise einen Tiefpassfilterabschnitt, umfassend eine Hauptdrossel und einen ersten Kondensator, wobei die Hauptdrossel zwischen einem Netz-Elektrizitätseingang und einem Netz-Elektrizitätsausgang angeordnet ist und die an jedem Ende derselben mit einer Signaleingangs-/-ausgangsleitung verbunden ist, die parallel zum Netz-Elektrizitätseingang und zum Netz-Elektrizitätsausgang angeordnet ist, wobei die beiden Verbindungen den ersten Kondensator und einen zweiten Kondensator (ein Kopplungselement) umfassen, wobei jeder von diesen eine vorbestimmte Kapazität aufweist, die vom Abschnitt des Frequenzspektrums abhängig ist, welches für Kommunikationszwecke verwendet wird.
In dieser Anordnung ist die Hauptdrossel mit dem ersten Kondensator wirksam, um die Kommunikationssignale aus der Signaleingangs-/-ausgangsleitung am Eintreten in das private/industrielle Gebäude zu hindern. Diese Drossel ist daher vorzugsweise mit einer hohen Induktivität, wie etwa 10 μH bis 200 μH, zur Verwendung mit Frequenzen von 1 MHz und mehr ausgestattet.
Der zweite Kondensator (Kopplungselement), das den Netz-Elektrizitätseingang und die Signaleingangs-/-ausgangsleitung verbindet, dient als Kopplungselement, um Kommunikationssignale durch die Signaleingangs-/-ausgangsleitung zu ermöglichen, während alle Niederfrequenzkomponenten an der oder um die Elektrizitätsversorgungsfrequenz (also 50/60Hz) abgeschwächt werden.
Der erste Kondensator, der zwischen dem Netz-Elektrizitätsausgang und der Signaleingangs-/-ausgangsleitung angeordnet ist, stellt eine weitere Dämpfung der Kommunikationssignale bereit und ist mit Erde verbunden.
Im Falle des Ausfalls entweder des ersten oder des zweiten Kondensators, wird jeder dieser Kondensatoren vorzugsweise mit einer entsprechenden Sicherung bereitgestellt, die zwischen dem ersten und dem zweiten Kondensator und der Signaleingangs-/-ausgangsleitung angeordnet ist. Ferner kann eine zusätzliche Schutzmaßnahme durch Bereitstellung einer zweiten Drossel eingebaut werden, die zwischen den Verbindungen zwischen der Signaleingangs-/-ausgangsleitung und dem ersten und zweiten Kondensator eingebaut werden. Diese Drossel wird einen Pfad zur Erde bereitstellen, wenn der zweite Kondensator einen Fehler erzeugt, wodurch es ermöglicht wird, dass die zweite Sicherung geht, ohne dass es dem Stromversorgungsfrequenzsignal ermöglicht wird, auf die Signaleingangs-/-ausgangsleitung zu gelangen.
Die Induktivität der Hauptdrossel hängt vom Material, aus dem diese besteht, und dem Querschnitt der um den Kern herumgewickelten Verdrahtung ab. Die 10μH-Induktivität, die zuvor spezifiziert wurde, ist vorzugsweise ein Minimum und durch die Verwendung eines besseren Kernmaterials kann eine höhere Induktivität, etwa im Bereich von 200 μH, erzielt werden. Als Alternative dazu könnte eine Anzahl an in Reihe geschalteten Drosseln verwendet werden.
Der zweite Kondensator (Kopplungskondensator) hat eine vorzugsweise im Bereich von 0,01 bis 0,50 μF liegende Kapazität und der erste Kondensator, der den Elektrizitätsausgang mit der Signaleingangs-/-ausgangsleitung und Erde verbindet, weist eine Kapazität im Bereich von 0,001 bis 0,50 μF auf.
Die zweite Drossel, die auf der Signaleingangs-/-ausgangsleitung angeordnet ist, weist vorzugsweise eine Minimalinduktivität von etwa 250 μH auf. Der Leiter, der für die Ausbildung der 250μH-Drossel verwendet wurde, sollte einen ausreichend großen Querschnittsbereich aufweisen, um den Fehlerstrom aufzunehmen, falls der Entkopplungskondensator den Kurzschlusszustand nicht erreichen sollte.
Vorzugsweise wird jegliche unechte Eigenschwingung in den induktiven oder kapazitiven Elementen verhindert.
Vorzugsweise wird der Filter in einem abgeschirmten Gehäuse zusammengebaut, um eine gute Erdung bereitzustellen und die Strahlung der Kommunikationssignale zu verhindern.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben worin:
1 ist ein schematisches Schaltbild eines Teils eines Netzes, das die vorliegende Erfindung verwendet,
2 ist ein schematisches Schaltbild eines ersten Übertragungssystems für ein Netz, das die vorliegende Erfindung verwendet,
3 ist ein schematisches Schaltbild eines zweiten Übertragungssystems für ein Netz, das die vorliegende Erfindung verwendet,
4 ist ein schematisches Schaltbild eines dritten Übertragungssystems für ein Netz, das die vorliegende Erfindung verwendet,
5A ist ein Querschnitt durch ein herkömmliches Dreiphasenkabel,
5B ist ein Schnitt durch ein herkömmliches Koaxialkabel,
6 ist eine bevorzugte Ausführungsform einer Netzkonditionierungseinheit gemäß der vorliegenden Erfindung,
7 ist eine zweite Ausführungsform einer Netzkonditionierungseinheit gemäß der vorliegenden Erfindung,
8 ist eine Draufsicht auf eine Netzkonditionierungseinheit,
9 ist eine Ansicht einer Leiterplatte der Netzkonditionierungseinheit von 8,
10 ist ein schematisches Schaltbild einer Netzkonditionierungseinheit gemäß der vorliegenden Erfindung.
1 zeigt im Allgemeinen ein Netz 40. Netz-Elektrizität tritt in das Netz von einer 11kV-Leitung 42 über einen Transformator 44 ein und gelangt auf ein 415V-Dreiphasennetz 46. Das 415V-Dreiphasennetz wird mehreren Stellen, wie etwa Gebäuden 48, zugeführt. Jedes dieser Gebäude kann nur eine Einphasenelektrizitätsversorgung oder alternativ eine Dreiphasenenergieversorgung empfangen.
Sprach- und Datensignale können in das Netz an einem Einleitpunkt 50 eingeleitet werden (oder alternativ vom Netz empfangen werden), um von den Benutzern in den Gebäuden 48 empfangen zu werden. Damit die Sprach- und Datenkommunikationssignale vom Spannungssignal mit niedriger Frequenz und hoher Amplitude getrennt werden, wird jeder Signalbestimmungsort mit einer Kommunikationsvorrichtung (Netzkonditionierungseinheit) 52 bereitgestellt. Diese Netzkonditionierungseinheit umfasst einen Tiefpassfilter zum Trennen der beiden Signale.
2 zeigt einen Abschnitt eines Dreiphasennetzes 40, in dem und von dem Datensignale unter Verwendung der Netzkonditionierungseinheiten 52 übertragen und empfangen werden können. Beispielsweise können Datensignale auf eine gelbe Phase des Netzes durch die Netzkonditionierungseinheit 52A übertragen werden, d.h. das Signal wird zwischen der gelben Phase und Erde, wie dargestellt, angelegt. Die übertragenen Daten können dann von einer oder allen Konditionierungseinheiten 52B, 52C und 52D empfangen werden, die mit der gelben, roten bzw. blauen Phase verbunden sind. Mit anderen Worten, die übertragenen Daten können in jeder beliebigen Phase des Kabels ausgewählt werden, wobei die Phasen, in die die Signale durch die Übertragungseinheit nicht eingeleitet wurden, mitinbegriffen sind. Wie dargestellt, können die Daten von jeder Einheit gesendet und empfangen werden.
3 zeigt einen Abschnitt eines Dreiphasennetzes 40, in den und von dem die Datensignale unter Verwendung von vier Netzkonditionierungseinheiten 52 gesendet und empfangen werden können. Wie abgebildet, werden die Datensignale über die beiden Phasen des Dreiphasennetzes übertragen – in diesem Fall die rote und die blaue Phase.
In 4 ist ein alternatives Übertragungssystem zu 2 dargestellt, in dem die Datensignale über alle drei Phasen, also die blaue, rote und gelbe, des Dreiphasennetzes 40 übertragen werden. Die Erfindung kann in einem Netz verwendet werden, das Dreiphasenkabel beinhaltet. 5A erläutert eine Theorie, wie Kommunikationssignale sich entlang solcher Kabel ausbreiten können.
5A zeigt einen vereinfachten Querschnitt eines Dreiphasen-Elektrizitätskabels 54, umfassend eine rote Phase 56, eine gelbe Phase 58 und eine blaue Phase 60. Die Datensignale werden zwischen der blauen Phase 60 und der Erde 62 gesendet und in das Netz über die Netzkonditionierungseinheit 52 eingeleitet. Bei hohen Frequenzen erzeugt die gegenseitige Kapazität zwischen den Phasen praktisch einen Kurzschluss. Ein solches Übertragungssystem erstellt daher eine Pseudo-Koaxialeigenschaft, die im Großen und Ganzen der des in 5B dargestellten Koaxialkabels entspricht. Die gegenseitige Kapazität zwischen jeder der beiden Phasen in dem Dreiphasenkabel wird schematisch als 64 in 5A dargestellt – eine ähnliche gegenseitige Kapazität besteht zwischen anderen Phasenteilen.
Unter Bezug auf 6 ist eine Ausführungsform einer Kommunikationsvorrichtung (Netzkonditioniereinheit) gemäß der Erfindung im Allgemeinen durch das Bezugszeichen 52 angezeigt und ist zwischen einen Netz-Elektrizitätseingang 12 und einen Netz-Elektrizitätsausgang 14 geschaltet. Eine Signaleingangs-/-ausgangsleitung 16 ist ebenfalls in die Vorrichtung hinein verbunden. Die Stromleitung ist eine herkömmliche 50Hz-Stromversorgnung, die eine Netzstromversorgung von 240 V bei einem Maximalstrom von 100 Ampere für den herkömmlichen Gebrauch bereitstellt.
Die Vorrichtung 52 wird in einem Metallgehäuse zusammengebaut, das die Strahlung der Kommunikationssignale auf die extern befindlichen Anwendungen verhindert und das eine Verbindung 18 mit der Erdung für die Signaleingangs-/-ausgangsleitung 16 bereitstellt. Die Vorrichtung 52 umfasst einen Tiefpassfilterabschnitt, der eine erste oder eine Hauptdrossel 20 umfasst, die aus einem 16 mm² dicken Draht ausgebildet ist, der auf einen 200 mm langen Ferritstab in einem Durchmesser von 10 mm mittels 30 Wicklungen des Drahtes um diesen herum gewickelt ist. Dies stellt eine Induktivität von etwa 50 μH bereit. Dies kann ein Minimum für die verwendeten Signaleigenschaften sein. Die Verwendung von besseren Materialien oder einer Vielzahl an Seriendrosseln würde die Induktivität der Drossel auf beispielsweise ungefähr 200 μH erhöhen.
Jedes Ende der Hauptdrossel 20 ist mit einer Verbindung bereitgestellt. Eine erste Verbindung 22 zwischen dem Netz-Elektrizitätseingang 12 und der Signaleingangs-/-ausgangsleitung 16 umfasst einen zweiten oder Kopplungskondensator 24 mit einer Kapazität zwischen 0,01 bis 0,50 μF, vorzugsweise 0,1 μF. Dieser Kopplungskondensator 24 ist mit einer zweiten Sicherung 26 verbunden, die angeordnet ist, um im Falle eines Fehlers oder eines im Kondensator 24 entstehenden Kurzschlusses durchzubrennen.
Eine zweite Verbindung 28 umfasst einen ersten Kondensator 30 mit einer Kapazität zwischen 0,001 und 0,50 μF, vorzugsweise 0,1 μF. Dieser Kondensator stellt eine weitere Dämpfung des Kommunikationssignals als Teil des Tiefpassfilterabschnitts durch Kurzschließen mit der Erdung oder der Masse 18 bereit. Eine erste Sicherung 32 ist bereitgestellt, um durchzubrennen, falls ein Kurzschluss im ersten Kondensator 30 entsteht, wodurch eine weitere Beschädigung der Einheit verhindert wird.
Die Signaleingangs-/-ausgangsleitung 16 umfasst eine zweite Drossel 34 mit einer Induktivität von ungefähr mindestens 250 μH. Diese Drossel ist zur Schadensbegrenzung im Falle des Ausfalls des Kopplungskondensators 24 bereitgestellt. Im Falle eines solchen Ausfalls stellt diese Drossel einen Pfad zur Masse 18 für die 50Hz-Elektrizitätsspannungsfrequenz bereit, wodurch die Sicherung 26 durchbrennt.
7 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Kommunikationsvorrichtung (Netzkonditionierungseinheit) der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 70 umfasst ein Paar Drosseln L1, L2, die in Reihe zwischen einem Netz-Elektrizitätseingang 72 und einem Netz-Elektrizitätsausgang 74 angeordnet sind. Ein bevorzugter Wert für L1 und L2 beträgt etwa 16 μH. Eine erste Sicherung F1 und ein erster Kondensator C1 sind zwischen der HF-Eingangsleitung 80 und dem Eingang 72 geschaltet und eine dritte Drossel 13 ist zwischen dem HF-Eingang 80 und der Erdung angeordnet, die als HF-Drosselspule wirkt und einen typischen Wert von 250 μH aufweist.
In einer ähnlichen Weise sind eine zweite Sicherung F2 und ein zweiter Kondensator C2 zwischen dem Verbindungspunkt von L1 und L2 und der Erdung verbunden angeordnet. Eine dritte Sicherung F3 und ein dritter Kondensator C3 sind zwischen dem Netz-Elektrizitätsausgang 74 und der Erdung verbunden angeordnet. Ein üblicher Wert beträgt um die 0,1 μF für die Kondensatoren und etwa 5 Ampere HRC für die Sicherungen.
In 8 ist eine herkömmliche Gehäuseanordnung für eine Kommunikationsvorrichtung (Netzkonditionierungseinheit) gezeigt. Die Hauptdrosseln L1 und L2 sind im Inneren eines Abschirmgehäuses 90 eingehaust. Verschiedene Verbindungen sind ge zeigt, umfassend einen Kommunikationsschnittstellenanschluss 92, an dem eine Kommunikationsausrüstung eines Benutzers üblicherweise angeschlossen würde. Wie in 8 dargestellt, kann das Ende dieses Anschlusses jedoch ein Impedanzanpassungs-Anschlussterminator 94 sein.
9 zeigt eine Leiterplatte 96, die ins Innere der Einheit 90 von 8 passt und den Rest der Schaltung für die Netzkonditioniereinheit von 7 aufnimmt. Die Verbindungen A, B, C, D und E sind abgebildet, die die entsprechenden Punkte des in 8 dargestellten Gehäuses verbinden.
10 ist eine schematische Darstellung einer Kommunikationsvorrichtung (Netzkonditioniereinheit) 52, welche die verschiedenen Bausteine 80–86 des Netzkonditionierungselements zeigt. Um eine geeignete Netzkonditioniereinheit zu entwerfen, sollten die durch die Bausteine 81 und 86 dargestellten Schaltungen hochohmige Elemente im Rahmen des benötigten Kommunikationsfrequenzspektrums (etwa 1 MHz und mehr) und niederohmige Elemente bei Stromversorgungsfrequenz (also 50/60 Hz) sein, d.h. dass diese Elemente Drosseln sind. In ähnlicher Weise sollten die Bausteine 80 bis 82 niederohmige Kopplungselemente im Rahmen des benötigten Kommunikationsfrequenzspektrums und hochohmige Isolationselemente bei Stromversorgungsfrequenz sein, d.h. sie sind Kondensatoren.
HRC-Fehlerstrom-Begrenzungs-Sicherungssicherheitsverbindungen (84 und 85) werden in Reihe mit den Elementen 80 und 82 bereitgestellt. Ein zusätzliches Impedanzanpassungsnetz 83 kann zur Verbindung mit einem Kommunikationsanschluss enthalten sein. Dieses Element kann außerhalb der Netzkonditionierungseinheit 52 angeordnet sein.
Die optimalen Werte der Komponenten 81, 80, 82 und 86 hängen von den folgenden Faktoren ab, welche Folgendes umfassen:

a) Der benötigte Frequenzbereich, über den das Netz konditioniert wird.
b) Die Einheitslänge des Netzes, das konditioniert wird.
c) Die Anzahl und Arten der Lasten, die auf dem Netz angetroffen werden können.
d) Die charakteristische Impedanz der Netzphasenleiter relativ zur Erdung, also die elektrische Außenabschirmung des Leiters.
e) Die Impedanz der Kommunikationsschnittstellenvorrichtungen.

Die Netzkonditioniereinheit kann mit Luft, Edelgas, Harzverbindung oder Öl je nach Position und Last und/oder Fehlerstromwert der Konditionierungseinheit gefüllt sein.
In ähnlicher Weise können die Komponenten 81 und 86 eine Anzahl an einzelnen Drosseln in Reihe umfassen und wenn keine Zusammenschaltung benötigt wird, kann auf die Komponenten 84, 80, 83 und 86 verzichtet werden.
Die Komponenten 80 und 82 können eine Anzahl an Kondensatoren in Reihe und/oder paralleler Konfiguration je nach angetroffenen Arbeitsspannungen, etwa 240 V, 415 V, 11 kV, 33 kV, etc., umfassen. Als Alternative oder zusätzlich dazu können die Komponenten 80 und 82 zwei oder mehrere parallel geschaltete Kondensatoren umfassen, um beispielsweise die Schwachstellen der Kondensatorgestaltung zu beheben, wenn ein Netz über einen relativ breiten Frequenzbereich, etwa 50 MHz bis 500 MHz, konditioniert wird.
Ferner können die Komponenten 81, 85 und 82 der Netzkonditionierungseinheit, wenn nötig, in Kaskade geschaltet sein, wodurch zusätzliche Tiefpassfilterabschnitte bereitgestellt werden. In einer üblichen Anordnung ist die Absenkungsantwort des Filters umso schärfer, je größer die Anzahl der in Kaskade geschalteten Elemente ist.
Aus dem zuvor Erwähnten ist ersichtlich, dass die Erfindung eine Kommunikationsvorrichtung zum effektiven Trennen der Signale mit einem Frequenzspektrum bereit stellt, das die Funkkommunikationssignale von denen der herkömmlichen Elektrizitätsspannungsversorgung anzeigt, ohne dass ein erheblicher Leistungs- oder Qualitätsverlust in jedem Signal auftritt. Daher können die Energieverteilungs- und/oder -übertragungsnetze sowohl für die Bereitstellung der Stromversorgung als auch für die Ausbreitung der Telekommunikationssignale verwendet werden.
Die Verwendung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung an jedem Benutzerversorgungspunkt in einem unterirdischen Niederspannungs-Stromverteilernetz stellt ein konditioniertes Netz bereit, das für die Übertragung von hochfrequenten Kommunikationssignalen zusammen mit der Verteilung von 50Hz-, 240V-Einphasen- und 415V-Dreiphasen-Stromversorgungen geeignet ist.

Claims

Kommunikationsvorrichtung zur Verwendung mit einem Elektrizitätsnetz, das ein Energieverteilungs- und/oder -übertragungsnetz (40) und ein internes Elektrizitätsnetz eines Gebäudes umfasst, wobei die Vorrichtung einen Tiefpassfilterabschnitt (20, 30) zum Aussieben eines Elektrizitätsnetz-Spannungssignals mit niedriger Frequenz und hoher Amplitude und ein Kopplungselement (24) zur Einspeisung eines Telekommunikationssignals mit einer Trägerfrequenz, die größer als 1 MHz ist, in das Netz zur Übertragung des Signals entlang des Energieübertragungs- und/oder -verteilungsnetzes nach außen zum Gebäude und/oder zur Entnahme eines Telekommunikationssignals mit einer Trägerfrequenz, die größer als 1 MHz ist, aus dem Netz umfasst, worin die Vorrichtung ausgebildet ist, um mit dem Tiefpassfilterabschnitt (20, 30) zwischen dem Energieübertragungs- und/oder -verteilungsnetz und dem internen Elektrizitätsnetz des Gebäudes eine Schnittstelle auszubilden, welcher Tiefpassfilterabschnitt (20, 30) wiederum ausgebildet ist, um dem Elektrizitätsnetz-Spannungssignal den Eintritt in das interne Elektrizitätsnetz des Gebäudes zu ermöglichen und das Telekommunikationssignal in diesem zu reduzieren.
Kommunikationsvorrichtung nach Anspruch 1, umfassend ein Abschlusselement (94) zum Abschließen der Vorrichtung mit einer Impedanz, die der charakteristischen Impedanz des Netzes an diesem Punkt ähnlich ist.
Kommunikationsvorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, umfassend ein Impedanzanpassungsmittel (83) für die Impedanzanpassung zwischen Sende-/Empfangsvorrichtungen und dem Energieverteilungs- und/oder -übertragungsnetz.
Kommunikationsvorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin der Tiefpassfilterabschnitt (20, 30) eine Hauptdrossel (20) und einen ersten Kondensator (30) umfasst, wobei die Hauptdrossel (20) zwischen einem Elektrizitätsnetzeingang (12) und einem Elektrizitätsnetzausgang (14) angeordnet ist und am Elektrizitätsnetzeingangsende mit einem zweiten Kondensator (24) verbunden ist, wel cher das Kopplungselement ist, und am Elektrizitätsnetzausgangsende mit dem ersten Kondensator (30) verbunden ist, wobei der zweite Kondensator den Elektrizitätsnetzeingang (12) mit einer Signaleingangs-/-ausgangsleitung (16) verbindet und der erste Kondensator (30) den Elektrizitätsnetzausgang an Erde (18) legt.
Kommunikationsvorrichtung nach Anspruch 4, welche bei Verwendung die Durchleitung der Telekommunikationssignale aus der Signaleingangs-/-ausgangsleitung (16) ermöglicht und niederfrequente Komponenten dämpft.
Kommunikationsvorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, welche mit einem Elektrizitätsenergieübertragungs- und/oder -verteilungsnetz verbunden ist.
Kommunikationsvorrichtung nach Anspruch 6, welche an einer Schnittstelle zwischen dem Energieübertragungs- und/oder -verteilungsnetz und einem internen Elektrizitätsnetzwerk eines Gebäudes angeschlossen ist.