DE2933473A1

DE2933473A1 - Transformatoranordnung zur einkopplung eines nachrichtensignals in eine dreiphasen-netzleitung

Info

Publication number: DE2933473A1
Application number: DE19792933473
Authority: DE
Inventors: William C Perkins
Original assignee: Rockwell International Corp
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1978-08-17
Filing date: 1979-08-17
Publication date: 1980-02-28
Also published as: FR2433863B1; SE7906860L; US4188619A; AU4981579A; CA1136727A; GB2028065B; AU525935B2; FR2433863A1; AT366213B; NZ191226A; ATA556979A; IL58085A; DK340479A; GB2028065A

Description

Transformatoranordnung zur Einkopplung eines Nachrichtensignals in eine Dreiphasen-Netzleitung

Die Erfindung betrifft allgemein die übertragung von Nachrichtensignalen auf Dreiphasen-Netzleitungen, insbesondere eine Transformatoranordnung zum Ankoppeln des Nachrichtensignals an die Netzleitung.

Die übertragung von Nachrichtensignalen auf Dreiphasen-Netzleitungen, z.B. zur überwachung und Steuerung des elektrischen Netzes selbst^ hat sich bewährt. Die im Hinblick auf zunehmende Schwierigkeiten der Energieversorgung angewandte direkte überwachung und Steuerung von Verbraucherlasten erfordert jedoch eine neue und verbesserte Nachrichten-Übertragungstechnik. Wenn die Netzleitung als solche als Nachrichten-Transportmittel verwendet wird, anstelle von Telefonleitungen oder Funkverbindungen, um Daten zu und von dem Verbraucher zu übertragen, so werden gewöhnlich alle von einer Dreiphasen-Netzleitung be-

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ORIGINAL INSPECTED

dienten Verbraucherlasten von zentraler Stelle aus überwacht und gesteuert, und zwar über die Verteiler-Unterstation, die von dem Stromversorgungsunternehmen gestellt wird. Da diese Verbraucherlasten in einem Dreiphasensystem mit Nullpunkt-Sternschaltung jeweils zwischen einen der Phasenleiter und den Sternpunktleiter oder in einem System mit Dreiecksschaltung zwischen zwei Phasenleiter geschaltet sind, muß der Sender/Empfänger in der Unterstation zur übertragung von Befehlssignalen zu den Verbraucherlasten und zum Empfangen von Überwachungssignalen aus diesen im Stande sein, das Signal in alle drei Phasen einzukoppeln, denn diese Verbraucherlasten sind stets auf die drei Phasen verteilt, um das Dreiphasennetz gleichmäßig zu belasten. Diese Einkopplung kann durch Anwendung von drei Sende/Empfängern erfolgen, wovon jeweils einer in einen der drei Phasenleiter Signale einkoppelt, deren Frequenz wesentlich höher ist als die Netzfrequenz (60 bzw. 50 Hz), oder auch mittels eines Sende/Empfängers, der nacheinander an die drei Phasenleiter angeschlossen wird, so daß alle angeschlossenen Lasten zur Nachrichtenübertragung mit dem Sende/Empfänger in Verbindung gelangen.

Die erstere Lösung ist unwirtschaftlich, denn es sind die gleichen Geräte mehrfach vorhanden; letztere Lösung erfordert einen Schaltmechanismus, der nicht nur die Herstellungskosten erhöht und die Zuverlässigkeit des Systems beeinträchtigt, sondern darüber hinaus die zur übertragung von Befehlen erforderliche Zeitspanne verlängert und das auf der Netzleitung ausgesandte Signal verschlechtert. Eine dritte Lösung besteht darin, das Nachrichtensignal gleichzeitig an alle drei Phasen anzukoppeln, wie dies z.B. in der US-PS 4 O65 763 beschrieben ist. Die dort beschriebene Transformatoranordnung mit einem Einphasen-Transformator, der eine Hochspannungswicklung mit mehreren Anzapfungen aufweist, hat den Nachteil, daß bei ungleichmäßiger Belastung der Phasen oder bei ungleichmäßigen Anzapfuncjen Nachrichtensignalströme in dem Transformator

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fließen, wodurch der Sende/Empfänger belastet wird, der bereits die Aufgabe hat, Signale unter schwierigen Bedingungen zu übertragen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Transformatoranordnung zur gleichzeitigen Einkopplung eines Nachrichtensignals in alle drei Phasenleiter einer Dreiphasen-Netzleitung zu schaffen, die kostengünstig herstellbar ist und einen optimalen Betrieb des Sende/Empfängers ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch eine Transformatoranordnung zur gleichzeitigen Einkopplung eines Signals in alle drei Phasenleiter einer Dreiphasen-Netzleitung gelöst, die gemäß der Erfindung gekennzeichnet ist durch eine Gruppe von drei gleichen Niederspannungswicklungen, die in Reihe geschaltet sind, wobei jeweils ein Ende von zwei der Wicklungen nicht verbunden sind, eine Gruppe von drei gleichen Hochspannungswicklungen, die in Nullpunkt-Sternschaltung mit der Netzleitung verbunden sind, eine Einrichtung zur magnetischen Ankopplung jeder Wicklung einer Gruppe mit einer anderen Wicklung deranderen Gruppe, derart, daß ein Stromfluß in der Gruppe von Niederspannungswicklungen einen in bezug auf den Sternpunkt in derselben Richtung verlaufenden Stromfluß in den Hochspannungswicklungen verursacht, und eine Einrichtung zum Anlegen des in die Netzleitung einzukoppelnden Signals an die nicht verbundenen Enden der beiden Wicklungen der ersten Gruppe.

Bei dieser Transformatoranordnung werden die in dem Transformator zirkulierenden Ströme auf ein Minimum reduziert, und es wird gewährleistet, daß die an die Hochspannungswicklungen angelegten Wechselstrom-Dreiphasenspannungen nicht auf dem Umweg über den Transformator und dessen Niederspannungswicklungen an das Sende/Empfangsgerät gelangen, denn die drei darin induzierten Wechselstrom-Netzspannungen werden durch Vektoraddition ausgelöscht.

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Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird ein Nachrichtensignal gleichzeitig in alle drei Phasenleiter eines Dreiphasensystems mit Dreiecksschaltung eingekoppelt, wobei ein Dreiphasentransformator mit offener Dreiecksschaltung verwendet wird und das Nachrichtensignal an die beiden Niederspannungswicklungen angelegt wird.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform der Erfindung, die zur Anwendung bei einer Dreiphasen-Netzleitung in Nullpunkt-Sternschaltung bestimmt ist; und

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform der Erfindung, die zur Anwendung bei einer Dreiphasen-Netzleitung mit Dreiecksschaltung bestimmt ist.

Wie in Fig. 1 schematisch dargestellt ist, enthält eine allgemein mit 10 bezeichnete Dreiphasen-Netzleitung die drei Phasenleiter A, B, C und einen Sternpunktleiter N. Die Netzleitung 10, die gewöhnlich eine Nennspannung von 12 kV zwischen jeweils zwei Phasen führt, ist mit den Ausgangsanschlüssen 12 eines Dreiphasen-Abwärtstransformators 14 verbunden, dessen Niederspannungwicklungen 16 in üblicher Sternschaltung angeordnet sind und dessen Hochspannungswicklungen 18 in Dreiecksschaltung angeordnet sind. Der Transformator 14 ist über Hochspannunganschlüsse 20 mit der Hochspannungs-Netzleitung 22 verbunden.

Ein Sende/Empfänger befindet sich in der Unterstation und ist dazu bestimmt, die Befehlssignale zu erzeugen und auszusenden, die über die Netzleitung 10 zu den Verbrauchern übertragen werden sollen, um dort die Verbraucherlasten und sonstige Funktionen zu steuern; der Sende/Empfänger hat ferner die

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Aufgabe, Signale von den Verbrauchern zu empfangen, um die Nutzlasten zu überwachen. Der Sende/Empfänger 24, der Sender und Empfänger getrennt oder in Form einer Geräteeinheit enthalten kann, die beide Funktionen erfüllt, ist als solcher bekannt und wird daher nicht näher beschrieben. Der Sende/Empfänger 24 enthält sämtliche Geräte, die erforderlich sind, um ein Trägersignal der geeigneten Frequenz zu erzeugen und zu modulieren, z.B. mit 3 bis 10 kHz, um dieses über die Netzleitung 10 dem Verbraucher zu übertragen, ein vom Verbraucher über die Netzleitung 10 übertragenes Trägersignal zu erfassen und zu demodulieren, wobei ebenfalls eine geeignete Stromversorgung vorgesehen ist. Das Nachrichtensignal wird über die Niederspannungsanschlüsse 25 in die Netzleitung 10 eingekoppelt bzw. aus dieser ausgekoppelt, und zwar über eine Transformatoranordnung 26, die aus einer Gruppe von drei gleichen Niederspannungswicklungen 28 besteht, die in Reihe geschaltet sind (mit offener Dreiecksschaltung) und an die das Nachrichtensignal angelegt wird, so daß derselbe Strom I_L durch alle drei Wicklungen 28 fließt. Eine Gruppe von drei gleichen Hochspannungswicklungen 30 ist in Sternschaltung mit den Phasen A, B, C der Netzleitung 10 verbunden, und zwar über Hochspannungsanschlüsse 31, während der Sternpunkt mit dem Sternpunktleiter N der Netzleitung 10 über Anschluß 33 verbunden ist. Jede Wicklung 30 ist magnetisch mit einer anderen Niederspannungswicklung 28 gekoppelt (über einen einzelnen Dreiphasen-Transformator oder über drei Einphasen-Transformatoren), und zwar derart gekoppelt, daß die in den Hochspanntingswicklungen 30 durch den in den Wicklungen 28 fließenden Strom I- induzierten Ströme I„ in bezug auf den Sternpunkt jeweils in derselben Richtung fliessen, wie in der üblichen Weise in Fig. 1 durch Punkte angedeutet ist. Da alle drei Ströme I„ einander gleich sein müssen, weil sie proportional demselben Strom I_L und demselben Wicklungsverhältnis sind (die Wicklungen innerhalb einer Gruppe sind jeweils gleich), entstehen in dem Transformator 26 keine umlaufenden Ströme aufgrund von einer möglicherweise unausgeglichenen Belastung der Netzleitung 10, so daß SignalVerfälschungen

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verhindert werden, die sonst dadurch entstehen würden. Die Anordnung der Niederspannungswicklungen in offener Dreiecksschaltung gewährleistet ferner/ daß die Netzwechselspannungen (50 bzw. 60 Hz), die in den Niederspannungswicklungen 28 durch die Hochspannungswicklungen 30 induziert werden, ausgelöscht werden, wenn sie an den Anschlüssen 25 vektoriell aufsummiert werden, so daß an den Sende/Empfänger 24 keinerlei Netzspannung angelegt wird mit Ausnahme von verbleibenden Unsymmetrien. Dadurch wird die Verwendung von Geräten ermöglicht, die mit Halbleiterelementen für niedrige Spannungen ausgerüstet sind, ohne daß es erforderlich wäre, die Netzfrequenz beispielsweise mittels eines großen Kondensators abzublocken.

Die Verbraucher-Nutzlasten werden von Einphasen-Versorgungsgeräten 32 aus der Netzleitung 10 gespeist, die an die verschiedenen Phasen der Netzleitung angeschlossen sind, so daß diese ungefähr gleichmäßig belastet wird. Nach Herabtransformation auf die Verbraucherspannung, z.B. 120/240 V, mittels Verteilertransformatoren 34 wird der Strom über Niederspannungs-Versorgungsleitungen 36 den verschiedenen Verbrauchern zugeführt. In Fig. 1 sind die verschiedenen Verbraucherlasten nicht dargestellt; sie sind an den Niederspannungs-Netzleitungen 36 an denselben Stellen angeschlossen wie Transponder wie Antwortsender 38, wobei jeweils ein Transponder 38 für jede Verbraucherstelle vorgesehen ist. Der als solche bekannte Transponder 38, der hier nicht näher beschrieben wird, spricht auf die Befehlssignale aus dem Sende/-Empfanger 24 an, indem er entweder irgendeine Steuerfunktion der Nutzlast vornimmt oder zu dem Sende/Empfänger 24 irgendeine Lastinformation überträgt, die überwacht wird. Jeder Transponder 38 enthält also wiederum einen Sende/Empfänger. Die Steuerung jedes einzelnen Transponders erfolgt durch Codierung der Adresse des Transponders 38, dem das Befehlssignal zugeführt wird, in den Befehlssignalen, wobei jeder Transponder 38 eine eindeutige Adresse hat. Da die Befehlssignale an alle drei Phasen A, B, C der Netzleitung 10 angelegt werden, ist es gleichgültig, an welche

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Phase der adressierte Transponder 38 angeschlossen ist, denn er empfängt auf jeden Fall das Signal über eine der drei Phasen. Da der Sende/Empfänger 24 Antwortsignale über alle drei Phasen der Netzleitung 10 empfängt, ist es ferner gleichgültig, welcher Transponder 38 die übertragung vornimmt, denn das Signal wird auf jeden Fall über den betreffenden Phasenleiter empfangen.

Bei Vergleichsmessungen zwischen der Einphasen-Ankopplungstechnik und der Technik mit offener Dreiecksschaltung unter Verwendung von gewöhnlichen Vertielertransformatoren in der Unterstation, wobei zwischen einer normalen Unterstation und Wohngebieten gemessen wurde, wurde gefunden, daß die Anordnung mit offener Dreiecksschaltung eine um 3 bis 6 dB bessere Ubertragungsimpedanz im Bereich von 3 bis 10 kHz ermöglicht. Die offene Dreiecksschaltung ermöglicht also einen um 3 bis 6 dB geringeren übertragenen Strom, um denselben Empfangssignalpegel in beiden Richtungen zu erzeugen. Die für die Nachrichtenübertragung erforderlichen Signalpegel werden also durch Anwendung der offenen Dreiecksschaltung reduziert.

Unter den oben genannten Bedingungen wird durch die offene Dreiecksschaltung bei einer Nennspannung von 120 V an den Sender bzw. Empfänger ein Signalpegel mit der Netz-Grundfrequenz (50 bzw. 60 Hz) angelegt, der niedriger ist als 2 V effektiv, im Vergleich zu 120 V effektiv bei einem Einphasenabschluß. Der Pegel der dritten Harmonischen der Netzfrequenz (150 bzw. 180 Hz) dominiert bei der offenen Dreiecksschaltung und ist normalerweise niedriger als 5 V effektiv. Von 3 bis 10 kHz sind bei den beiden Anordnungen die Pegel der Harmonischen der Netzfrequenz vergleichbar und betragen weniger als 1 mV. Ohne Nachteile in Kauf nehmen zu müssen, wird also durch die Ankopplung in offener Dreiecksschaltung die Aufgabe gelöst, den Sender und Empfänger vor der Netzfrequenz zu schützen.

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Ein weiterer Vorteil der beschriebenen Anordnung besteht in der verminderten Gefahr, daß das an die Netzleitung 10 angelegte Nachrichtensignal den Empfang eines Nachrichtensignals stört, das an die Netzleitungen über das Hochspannungssystem angelegt wird, welches den Transformator 14 enthält. Dies ist darauf zurückzuführen, daß gleiche Ströme I_H in den Phasenleitern 1OA-1OC fließen, so daß die jeweils gleichen Komponenten dieser Ströme, die durch die Niederspannungswicklungen 16 des Transformators 14 fließen, statt über die Leitung 10, in den Hochspannungswicklungen 18 nur einen zirkulierenden Strom induziert, der nicht in die Übertragungleitung 22 eingekoppelt und zu anderen Verteilerpunkten übertragen wird.-Nur bei ungleichmäßiger Impedanzbelastung kann ein gewisser Teil des Nachrichtensignals auf diese Weise eingekoppelt werden.

Untersuchungen an einer Verteilerstation haben erwiesen, daß beim Anlegen des Nachrichtensignals an alle drei Phasenleiter statt an eine einzelne Phase unter sonst gleichen Bedingungen eine um 3 dB stärkere Signaldämpfung vorhanden ist, folglich also ein reduziertes Übersprechen, das an den Verteilerstationen in der Umgebung gemessen wird.

Die in Fig. 1 gezeigte Transformatoranordnung ist natürlich für ein Dreiphasensystem in Dreiecksschaltung ungeeignet. Das Problem der übertragung von Nachrichtensignalen bei derartigen Systemen wird durch die in Fig. 2 gezeigte Transformatoranordnung gelöst, bei der die Dreiphasen-Transformatoranordnung 40 in offener Dreiecksschaltung aus zwei Hochspannungswicklungen 42 besteht, die in offener Dreiecksschaltung angeordnet und so mit Hochspannungsanschlüssen 44 verbunden sind, während zwei Niederspannungswicklungen 46 in Reihe geschaltet und mit den Niederspannungsanschlüssen 48 verbunden sind, an welche das Nachrichtensignal angelegt wird. Da bei dieser Anordnung die in den Niederspannungswicklungen induzierte Netzspannung (mit 50 bzw. 60 Hz) nicht ausgelöscht wird, ist der Sende/-

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Empfänger 24 über einen Kondensator 50 mit der Transformatoranordnung 40 verbunden, um die Netzfrequenz für den Sende/Empfänger 24 abzublocken.

Die beschriebene Transformatoranordnung ermöglicht somit die Einkopplung von Nachrichtensignalen in eine Netzleitung und Auskopplung der Signale aus dieser unter Verwendung von üblichen Sende/Empfangsgeräten, wodurch Kostenvorteile und eine vereinfachte Betriebsweise geschaffen werden.

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Claims

PATENTANS PRÜCHE

/ 1 /\Transformatoranordnung zur gleichzeitigen Ankopplung eines Signals an alle drei Phasenleiter einer Dreiphasen-Netzleitung mit einem Sternpunktleiter, gekennzeichnet durch eine Gruppe von drei gleichen Niederspannungswicklungen, die in Reihe geschaltet sind, wobei die Endenvon zwei Wicklungen nicht verbunden sind, eine Gruppe von drei gleichen Hochspannungswicklungen, die in Nullpunkt-Sternschaltung mit der Netzleitung verbunden sind,

eine Einrichtung zur magnetischen Ankopplung jeder Wicklung einer Gruppe mit einer anderen Wicklung der anderen Gruppe, derart, daß ein Stromfluß in der Gruppe von Niederspannungswicklungen einen in bezug auf den Sternpunkt in derselben Richtung verlaufenden Stromfluß in den Hochspannungswicklungen verursacht, und eine Einrichtung zum Anlegen des in die Netzleitung einzukoppelnden Signals an die nicht verbundenen Enden der beiden Wicklungen der ersten Gruppe.

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_ O μ
2. Signalübertragungsanlage zur gleichzeitigen Ankopplung eines Signals an alle drei Phasenleiter einer Dreiphasen-Netzleitung mit einem Sternpunktleiter, gekennzeichnet durch

eine Wechselstrom-Signalgabevorrichtung mit zwei Anschlüssen, über die das Signal übertragen wird, und einen Transformator mit einer Gruppe von drei gleichen Niederspannungswicklungen, die in Reihe geschaltet sind, wobei jeweils ein Ende von zwei Wicklungen mit einem anderen Anschluß verbunden ist, mit einer Gruppe von drei gleichen Hochspannungswicklungen, die in Nullpunkt-Sternschaltung mit der Netzleitung verbunden sind, und mit einer Einrichtung zur magnetischen Kopplung jeder Windung der einen Gruppe mit einer anderen Wicklung der anderen Gruppe derart, daß ein Stromfluß in den Niederspannungswicklungen einen Stromfluß in den Hochspannungswicklungen verursacht, der in bezug auf den Sternpunkt in derselben Richtung verläuft.
3. Signalübertragungsanlage mit einer Dreiphasen-Netzleitung, die drei Phasenleiter und einen Sternpunktleiter enthält, sowie mit einer Wechselstrom-Signalgabevorrichtung, die zwei Anschlüsse aufweist, über die das Signal übertragen wird, gekennzeichnet durch

einen Transformator mit einer Gruppe von drei gleichen Niederspannungswicklungen, die in Reihe geschaltet sind, wobei jeweils ein Ende von zwei Wicklungen mit einem verschiedenen Anschluß verbunden ist, eine Gruppe von drei gleichen Hochspannungswicklungen, die in Nullpunkt-Sternschaltung mit der Netzleitung verbunden sind, und durch eine Einrichtung zur magnetischen Ankopplung jeder Wicklung der einen Gruppe an eine andere Wicklung der anderen Gruppe derart, daß ein Stromfluß in den Niederspannungswicklungen einen Stromfluß in den Hochspannungswicklungen verursacht, der in bezug auf den Sternpunkt in derselben Richtung verläuft.

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4. Transformatoranordnung zur gleichseitigen Ankopplung eines Signals an alle drei Phasenleiter einer Dreiphasen-Netzleitung, gekennzeichnet durch

ein Paar Hochspannungswicklungen, die in offener Dreiecksschaltung mit der Netzleitung verbunden sind, ein Paar Niederspannungswicklungen, die in Reihe geschaltet sind und an die das Signal angelegt ist, und eine Einrichtung zur magnetischen Ankopplung jeder Windung eines Paares an eine andere Wicklung des anderen Paares.
5. Signalgabevorrichtung zur gleichzeitigen Einkopplung eines Signals in alle drei Phasenleiter einer Dreiphasen-Netzleitung, gekennzeichnet durch

eine Wechselstrom-Signalgabevorrichtung, ein Paar Hochspannungswicklungen, die in offener Dreiecksschaltung mit der Netzleitung verbunden sind, ein Paar Niederspannungswicklungen, die in Reihe geschaltet und mit der Signalgabevorrichtung verbunden sind, und eine Einrichtung zur magnetischen Ankopplung jeder Wicklung eines Paares an eine andere Wicklung des anderen Paares.
6. Signalgabeanlage mit einer Dreiphasen-Netzleitung, die drei Phasenleiter aufweist, gekennzeichnet durch eine Wechselstrom-Signalgabevorrichtung, ein Paar Hochspannungswicklungen, die in offener Dreiecksschaltung mit der Netzleitung verbunden sind, ein Paar Niederspannungswicklungen, die in Reihe geschaltet und mit der Signalgabevorrichtung verbunden sind, und eine Einrichtung zur magnetischen Ankopplung jeder Wicklung eines Paares an eine andere Wicklung des anderen Paares.

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