用于输电线的强电流感应耦合器和电流互感器 【技术领域】
本发明总体上涉及输电线通信，更具体地，涉及避免输电线感应耦合器中的磁饱和。
背景技术
在输电线通信系统中，电力频率通常在50-60赫兹的范围内，而数据通信信号频率通常在1-50M赫兹的范围内。用于将调制数据耦合到输电线上或从输电线解耦出调制数据的感应耦合器包括一输电线穿过的磁芯和一次级绕组。例如，在以下专利文献中对此进行了说明：2000年12月28日提交的专利申请09/752705，2002年2月25日提交的专利申请10/082063，以及2002年3月14日提交的临时专利申请60/364321，在此以引用的方式并入这些文献。在强电流的初级和次级线路上使用这些耦合器的一个限制就是，磁芯经受大的磁化电流而不发生磁饱和的能力是有限的。
饱和以两种方式使得性能退化。首先，饱和减小了磁化电感，这增加了数据信号上的并联导纳负载。其次，在交流输电线上，输电线电流的瞬时幅值每个周期两次从零值上升到峰值，并且按两倍的输电线频率和具有该两倍频率的谐波对数据信号进行调幅。因此，如果调制深度超出某个特定值，则该调制将导致数据差错。
最小化磁芯饱和的一种方式是在磁芯的磁路中引入一条或更多条气隙，从而增大磁阻并允许在发生饱和之前更强的电流流动。但是，初级和次级绕组的电感与整个磁阻成比例地下降，从而宽气隙意味着为了具有最小地可接受磁化电感，需要不可行的大块磁芯。增加匝数也是不可行的，因为通常是在不中断电力电路的情况下将耦合器安装在大直径的输电线上的。
【发明内容】
本发明的代表性实施例包括在配电系统与调制解调器设备之间耦合高频数据信号的输电线数据耦合器。高频磁芯在数据通信频率下具有高导磁率。数据信号传输次级电路在配电系统的输电线初级绕组与通信调制解调器设备之间耦合数据信号。感应数据耦合器可被视为互感器，其以穿过耦合器芯的电力线作为初级绕组，并以耦合器绕组作为次级绕组。通过将次级绕组端接于较低值的电力频率阻抗(例如扼流线圈)，初级电流感生出与初级电力频率电流方向相反而幅值相当的次级电流。由于次级电流是从初级电流反向地感生出的，所以该次级电流抵消了耦合器芯中感生的电力频率磁通量中的一些。
在一个实施例中，使用在电力频率下具有相对较低阻抗而在数据通信频率下具有相对较高阻抗的扼流电感线圈，从而在电力频率下短接了磁通量抵消次级电路。这样的次级电路还可以包括与扼流电感线圈并联连接的火花隙或气体管电涌放电器(gas tube surge arrestor)。可以将磁通量抵消次级电路设计为使其总阻抗远小于互感器次级绕组的磁化电抗的一半。与次级电路相连接的阻抗越小，则次级电流的幅值越接近输电线电流的幅值。
可以在高频磁芯上缠绕数据信号传输次级绕组。磁通量抵消次级电路的次级绕组可以具有多匝。该次级绕组可以例如通过中央抽头连接到电气地。
在另一实施例中，可以与所述高频芯一起使用一在输电线电力频率下具有高导磁率的附加的低频磁芯。所述数据信号传输次级绕组可以缠绕在所述高频磁芯上，但不缠绕在低频磁芯上。所述低频磁芯可以被选择为在最大输电线电流水平(current level)下饱和。这种饱和可以限制在次级绕组中可能感生的最大电力频率电流，并防止次级绕组过热。
本发明的另一实施例还包括一用于感测配电系统输电线上的电流的系统。第一电流互感器以配电系统输电线作为其初级绕组，并以耦合器次级线圈作为其次极绕组。该耦合器次级线圈中的电流与输电线中的电力电流方向相反且成比例。第二电流互感器以与次级绕组相连接的扼流线圈作为其初级绕组，并且在其次级绕组电路中产生与电力电流成比例的电流感测信号。
在又一实施例中，磁通量抵消线圈连接到电气地，以在次级绕组绝缘失效的情况下使得任何故障电流都直接分流到地。第二电流变换器可以邻近于该地连接部处。可以包括一信号采集装置，其用于将电流感测信号转换为代表性的数字值。可以将该代表性数字值提供给计算机网络。还可以包括一比例补偿机构，其用于使电流感测信号与电力电流之间的比值随电力电流的幅值变化而保持相对恒定。
在另一实施例中，可以利用其绕组与扼流线圈同轴的线圈来替代第二电流互感器。因此，该线圈将用作电力频率电流感测器。
【附图说明】
参照以下详细说明和附图，将更好地理解本发明，其中：
图1a表示本发明一实施例的结构，其中，单个次级绕组用作为双向信号绕组以及磁通量抵消短接绕组。
图1b表示增加了低频磁芯的另一实施例。
图2a和2b表示具有第三绕组的另选实施例。
图3表示具有第三绕组的另一实施例。
图4a-4c表示图1-3所示结构的原理图。
图5表示感测输电线中的电流的本发明的又一实施例。
图6表示用于感测输电线电流的本发明的另一实施例。
【具体实施方式】
可以通过提供次级绕组来大幅提高在发生显著的芯饱和之前可容纳的初级输电线电流的幅值，在该次级绕组中电力频率电流沿着与初级输电线电流相反的方向流动。在其端子通过短路或很低的阻抗而彼此连接的次级绕组中，感生出幅值几乎与初级电流的幅值相等的电流。在这些条件下，驱动芯(初级和次级绕组走线穿过该芯)的磁通势将减小至初级和次级绕组中各自的(电流×匝数)的代数和，远小于单独的初级电流。这使得饱和发生之前允许的初级电流增大。
在次级绕组中感生大电流所需要的条件包括：将短接绕组电路中的阻抗限制为远小于互感器的磁化电感，其中所述互感器包括初级和次级绕组以及它们的公共磁芯。然而，对于高频输电线耦合器，必须与该短接绕组串联连接一射频(rf)扼流圈，以避免从初级绕组感生出的高频信号短路。输送几乎与初级电流一样大的电力频率电流的rf扼流圈在最高的额定电流处绝不能饱和。这种rf扼流线圈可以缠绕在非磁性芯上，或者可选地，包括被形成为在其磁通路中含有大的非磁性元件的磁芯。
图1a表示感应耦合器的一个实施例的结构，该感应耦合器总体上用标号10表示，其中单个次级绕组用作为双向信号绕组以及磁通量抵消短接绕组。感应耦合器10包括多个芯105、一次级115和一扼流线圈135。配电系统的输电线100走线穿过芯105，作为初级绕组。
芯105为高频芯，被构造为使其可在对输电线100加电时设置在输电线100的周围。例如，芯105可以是马蹄形，或者它们可以是分立环形芯，以便于将耦合器10置于输电线100的上方。相对的分立芯会合处的相对极面可以互相接触。可选地，可以在它们之间引入非磁性材料的间隙140，通常称为气隙。芯105是在数据通信频率下具有高导磁率的磁芯。
次级115与芯105电绝缘并穿过芯105，并且通过阻抗匹配和电涌保护电路125连接到通信设备，例如，调制解调器120。因此，次级115用作数据信号传输电路，其用于在输电线100与调制解调器120之间耦合数据信号。还通过数据端子130将调制解调器120与一通信系统(未示出)相耦接，以进行双向数据通信。
扼流线圈135是跨接次级115连接的高频扼流电感器，其对电力频率电流呈现低阻抗而对数据通信频率电流呈现高阻抗。扼流线圈135还是磁通量抵消电路的一部分，所述磁通量抵消电路用于产生与电力频率电流方向相反而幅值相当的磁通量抵消电力频率电流。与次级115的磁化阻抗相比，线圈135的阻抗应该较小，以增大次级电流与初级输电线电流的比值。磁通量抵消电流的幅值可以超过输电线电流的三分之一，优选地，与输电线电流接近。
在操作中，电力频率电流Ip在输电线100中流动，并且在次级115中感生出沿与Ip相反方向流动的电流Is。根据图1a中所示的Ip和Is的方向，芯105受到比单独的Ip小得多的Ip-Is的磁通势。由此，可以在芯105达到有效饱和之前增大Ip。
可以按照如下方式来克服，利用高阻抗射频扼流圈最小化次级电路的信号负载和通过限制扼流圈阻抗最小化电力频率阻抗的要求之间的矛盾。
图1b表示如下实施例：其中，可以将一个或更多个低频、高导磁率的芯110设置为与耦合器10的高频芯105相邻，注意要确保在增加的芯110中最小化高频涡流损耗。典型的低频磁芯材料将增加电力频率阻抗，而对射频阻抗几乎没有影响。芯110对于电力频率将增加次级115的磁化阻抗，而在信号频率下对其阻抗没有显著影响。如图1b所示，与芯105并排地设置有一个或更多个芯110。芯110是在电力频率下导磁率为几千而在信号频率下导磁率几乎为1的磁芯。次级115与扼流线圈135串联连接。
与图1a所示实施例中的比值相比，芯110减小了扼流线圈135的电力频率阻抗与次级115的电力频率阻抗的比值。该比值的减小使得次级电力频率电流与初级电力频率电流的比值增大，因此增大了磁通量的抵消和在高频芯105中不发生饱和的情况下所能容纳的初级电流的电平。气隙150和155分别可用于芯110和105中的一个或者全部两个。
在另选的实施例中，次级115可以环绕芯105和/或芯110多于一匝，但是上述的所有磁通量抵消效应依然适用。
图1b还示出了配置有多匝的扼流线圈135，该扼流线圈135的中央抽头137连接到电气地140。这是一种安全的连接，如果输电线100与次级115之间发生绝缘击穿，则该连接为任何故障电流都提供了通路。地140通常为位于最靠近耦合器10的电杆(electric pole)(未示出)的基部处的接地棒(grounding rod)。从该接地棒升到电杆上的导线还与该电杆处存在的任何中性线相连接。将地140与中央抽头137相连接，为可能出现在地140上的任何高频噪声提供了到两个调制解调器端子121和122中的每一个的对称通路，并且通过调制解调器120的共模抑制比的因数消除了噪声。
图2a表示用于在保持数据耦合器功能性的同时增大输电线电流的最高水平的另选实现的结构。这里，使用一分立绕组(第三绕组)来感生出沿与电力线中的电流流动方向相反的方向流动的电力频率电流。所述第三绕组包括一在电力频率下充当低阻抗而在信号频率下充当高阻抗的扼流圈，该扼流圈防止第三绕组作为短接绕组而使信号短路。
电力线100可被视为是穿过芯105的单匝绕组。次级绕组210仅用作信号频率绕组，并且通过阻抗匹配和电涌保护电路125连接到调制解调器120。与图1a和1b相比，增加了第三绕组200，专用于感生电流以抵消芯105中的很大一部分磁通量。第三绕组200端接于强电流的信号频率扼流圈205，该扼流圈205与图1a和1b中的扼流线圈135相似，对电力频率形成短路，但不对信号频率形成短路。
图2b表示向芯105增加第二磁芯110。磁芯110在电力频率下具有高导磁率。这增加了第三绕组200的磁化阻抗，从而增大了第三电流与初级输电线电流的比值。
图3表示另一另选实现的结构，其与图2b的结构的不同点在于，绕组300仅仅穿过高频芯105，而不穿过电力频率芯110。
图4a、4b和4c是分别与图1b、2b和图3中的结构相对应的原理图，并且增加了可选的火花隙(spark gap)或气体管电涌放电器440。火花隙或气体管电涌放电器440吸收可能通过闪电或其它电涌状态而从输电线100感生的能量。项105、110、120、125、135、137和140是图1b中的对应项的图示。
参照图4b，定量地，电力电流Ip流过用作初级绕组220的输电线100，在第三绕组200中感生出反向电流It＝eIp/M，其中e为可能接近1的“有效因子”，Ip为初级电流，而M为第三绕组200中的匝数。当e＝1时，芯105和110中的磁通量为0。可以忽略绕组210中的电力频率电流，这是因为阻抗匹配和电涌保护电路125被设计为具有足够的电阻以将环路电流减小到1安培以下(例如，参见2002年3月14日提交的临时专利申请60/364321)。如果芯105和110提供近似为1的耦合系数，则因子e将接近于1，并且信号频率扼流圈205的阻抗与第三绕组200的磁化阻抗的比值在电力频率下远小于1。
即使e偏离1，本发明的实施例仍然有用，因为高频芯105中的磁通势仍然降到(1-e)倍。例如，对于I＝1000安培且e＝0.9，高频芯105中的磁通势减小到100安匝，这用现有的材料和合适的气隙即可处理。
对于在几百安以及更高的范围内的电流，由于最终的磁通势抵消是第三绕组200中的电流和匝数的乘积，所以可以将第三绕组200构造为几匝，以使得可以使用更小、更柔软的导线。与在电流互感器中一样，次级电流与初级电流根据匝数比而逆相关，但是用电流与匝数的乘积保持恒定。
如果输电线电流超出了耦合器10的设计电流，则过量电流会在次级115中流动并且使次级115或者扼流线圈135的绝缘过热或者熔化。避免这种故障的一种方法是，选择一种在用于次级115和扼流线圈135的导体的最大额定电流下达到饱和的电力频率芯材料，由此限制电力频率次级中的感生电流。
对于具有用于信号和磁通量抵消分立次级的实施例，如图3和4c所示，次级450专用于信号耦合，不穿过附加的电力频率高导磁率芯110，由此减少了低频噪声向由阻抗匹配电路125和调制解调器120代表的信号电路的耦合，并且减少了涡流损耗。
由于闪电、开关瞬变过程等引起的具有高转换速率的电流浪涌会在扼流圈205中感生出很大的电压，并且会产生破坏绝缘的绝缘击穿。可以将火花隙或气体管放电器440构造在扼流圈205中或者在其附近，以对这些事件进行防护。
输电线耦合器10中的磁通量抵消次级电路包括图1a中的次级115和扼流线圈135，可以将该次级电路进行扩展以用于附加的有用功能，即，对电力线中流动的初级电流的幅值的测量。当把这种感应耦合器安装在输电线上时，电力频率电流按与输电线电流大致成比例的幅值流过扼流线圈135，同时其本身与初级电势相隔离。因此，该装置可以感测和监测初级绕组(即，主输电线)中的电流。
图5为示出致力于这种输电线电流感测的实施例的图，并以图1b和4a为其起点。
该系统包括：(a)第一电流互感器，作为初级绕组的输电线100穿过该第一电流互感器的芯105和110，次级绕组115端接于扼流线圈135，以使次级115中的电流与输电线100中的电力电流方向相反而幅值成比例；以及(b)第二电流互感器535，其以扼流线圈135的一部分或者其多个引线(lead)之一作为初级绕组，并在次级绕组电路中产生出与次级电流成比例从而与电力电流成比例的电流感测信号。
由于扼流线圈135接地，所以对于这样的电流感测装置仅仅需要最小的绝缘，并且成本可以保持得很低。而且，调制解调器120与通信系统(未示出)相连接，因此可以方便地将电流感测互感器535的输出连接到接口设备，例如，信号采集装置555，其将从电流感测互感器535感应到的电流信号转换为数字值并将该数字值发送到电力效用监测中心。
图5示出输电线100穿过芯105和110。次级115和扼流线圈135形成次级电路。被示出分为两半的扼流线圈135包括一中央抽头点520，该中央抽头点520通过导线525连接到中性点或地530。电流感测互感器535在次级电路上的某点处紧夹一条导线。电流感测互感器535的输出Isense连接到信号采集装置555，信号采集装置555又通过导线565连接到通信设备(未示出)。由此，可以方便地通过调制解调器120服务的同一通信系统来传送电流感测指示。
电流Isense与扼流线圈电流Ichoke成比例。匹配网络125中的高通元件阻止电力频率电流的流过，所以在电力频率下Ichoke＝Is。Is与输电线电流Ip成比例，从而Isense与Ip成比例。在输电线100中流动的幅值Ip与到达信号采集装置555的电流感测电流Isense之间的比率用于对信号采集装置555进行校准。
随着电力频率电流Ip增加，芯105和/或110的饱和变得明显，并且Isense/Ip的比值减小，从而降低了Ip的测量的准确性。为了补偿这种饱和，可以在电力频率电流Ip的一段范围上测量Isense/Ip的比值，并且可以增加硬件或软件的比例补偿机构，来抵消该比值的变化。
优选地，将电流感测互感器535放置为邻近于中央抽头点520与导线525的连接点。这减小了对地的寄生电容对于扼流线圈135是其一部分的高频电路的影响。
图6表示另选的设置，其使用电流感测线圈，而不是如图5的实施例中那样将电流感测互感器535置于扼流线圈135的导线周围。将电流感测线圈600设置为与扼流线圈135同轴，并可将其当作由扼流线圈135和电流感测线圈600形成的电流互感器的次级。无论扼流线圈135和/或感测线圈600具有非磁性芯还是具有磁性芯，该关系都有效。
在电流感测线圈600中感生的Isense的电力频率分量被提供给电流测量电路555，该电流测量电路555与作为电力应用分配网络(未示出)的一部分的电流监测设备(未示出)进行通信。由于扼流圈135与感测线圈600之间的互感器感应，所以电流Isense与扼流线圈电流Ichoke成比例。Is与输电线电流Ip成比例，从而Isense与Ip成比例。包括耦合器10和电流感测线圈600的合成装置表示电流互感器，其可在不中断对电力用户的服务的情况下被置于加电线路的周围。
感测线圈600靠近线圈135，高频信号电流流过线圈135，并且高频电压跨接其端子与地之间。Rf扼流圈615与感测线圈600的端子串联连接，以阻止任何高频电流的流过，Rf扼流圈615还与电容器620串联连接，电容器620将任何残余的高频电压短路并防止其与电流测量电路555相连接。还可以加入电容器621以将所有共模高频电流旁路传输到地。555的校准和数据通过导线565的传输(routing)与以上对图5的论述相同。
虽然已经披露了本发明的多种示例性实施例，但是本领域技术人员应该清楚，可以在不脱离本发明实际范围的情况下，进行各种能实现本发明一些优点的变化和修改。本发明将覆盖落入所附权利要求的范围内的所有这些变化和修改。