Sådan beskyttes PLC-systemer: To teknologier at kende til

Designere af smart energiinfrastruktur, såsom smart grids, smart-målere og intelligent gadebelysning, har brug for pålidelig, omkostningseffektiv og sikker kommunikation. Trådløse teknologier har en rolle at spille, men deres sårbarheder, omkostninger og begrænsede dækning giver store udfordringer. PLC (Power Line Communication)-teknologi, som muliggør dataoverførsel via eksisterende el-ledninger, er en god grundlæggende teknologi at basere kritisk kommunikation på.

Selvom PLC er veldefineret og udbredt, er der nogle problemer, som designere skal være opmærksomme på, og som kan forstyrre kommunikationen, f.eks. signaldæmpning, støj og spændingstransienter. At løse disse problemer kræver praktiske og effektive løsninger for at sikre optimal ydeevne. To af disse løsninger er PLC-transformere og GMOV-overspændingsbeskyttere.

PLC-transformere er optimeret til minimalt indsættelsestab for smalbåndsapplikationer (NB). De reducerer også galvanisk isolation og elektromagnetisk interferens (EMI), hvilket forbedrer signalkvaliteten og pålideligheden. En GMOV er en hybrid overspændingsbeskyttelseskomponent, der kombinerer et gasudladningsrør (GDT) og en metaloxidvaristor (MOV). Den er designet til at overvinde begrænsningerne og fejlproblemerne ved standard-MOV'er, som er følsomme over for nedbrydning og termisk løbskhed i barske og ukontrollerede miljøer.

Denne artikel gennemgår kort, hvordan en PLC fungerer, og hvorfor den er velegnet til smart infrastruktur. Derefter introduceres eksempler på PLC-transformere og GMOV-beskyttere fra Bourns, det vises, hvordan de fungerer, og der præsenteres nogle faktorer, man skal overveje, når man vælger og anvender dem.

PLC-drift, applikationer og udfordringer

I et PLC-system moduleres de data, der skal transmitteres, på et bæresignal og injiceres i strømledningen. Detaljerne varierer meget fra applikation til applikation, men IEEE 1901.2 er den globale standard for elnet. Den specificerer lavfrekvent (≤ 500 kilohertz (kHz)) NB-kommunikation op til 500 kilobit pr. sekund (Kbits/s) og er velegnet til applikationer som smart grids, smart-målere og intelligent gadebelysning.

Selvom PLC-teknologien har vist sig at være en nyttig løsning for designere af intelligent energiinfrastruktur, er den ikke uden udfordringer. Designproblemerne omfatter signaldæmpning, støj og spændingstransienter, som alle kan forringe kommunikationskvaliteten og -pålideligheden betydeligt. Helt specifikt:

• Signaldæmpning er et problem, fordi PLC-signaler bruger linjer, der er designet til strøm, ikke data. Disse linjer har impedansegenskaber, der kan medføre betydelig dæmpning, især over lange afstande. Det resulterende fald i signalstyrken kan reducere den effektive rækkevidde og potentielt føre til tab af data eller fejl.
• Støj kan komme fra forskellige kilder, f.eks. elektroniske apparater, der er tilsluttet strømledningerne, variationer i strømforsyningen og ekstern EMI. PLC-datasignalernes relativt høje frekvens gør dem særligt følsomme over for disse støjkilder i det uafskærmede elnet.
• Spændingstransienter kan opstå på grund af lynnedslag eller kobling af induktive belastninger. Sådanne transienter kan fremkalde høje spændinger på strømledningen og potentielt beskadige PLC-modemmerne.

Når de udfordringer, som PLC-systemer står over for, skal løses, har designerne to nøgleteknologier, de kan anvende: PLC-transformere og GMOV-beskyttere. Begge komponenter spiller en afgørende rolle i at sikre PLC-systemers pålidelighed, ydeevne og sikkerhed.

Gennemgang af design: PLC-transformere og GMOV'er i koblingskredsløbet

For at illustrere de problemer, som PLC-transformere og GMOV'er kan løse, kan vi se på koblingskredsløbet i figur 1. Dette kredsløb skal isolere PLC-modemmet (Z_Modul) fra netledningen (Z_Line) og samtidig sørge for en vej til datasignalet. Samtidig skal koblingskredsløbet kunne håndtere både højfrekvent kommunikation med lav effekt og lavfrekvent vekselstrøm med høj effekt.

Figur 1: Her ses et forenklet koblingskredsløb med overspændingsbeskyttelse, som isolerer PLC-modemmet (Z_Modul) fra netledningen (Z_Line), samtidig med at der er en vej for datasignalet. (Billedkilde: Bourns)

PLC-transformeren (T1) giver galvanisk isolation mellem PLC-modemmet og strømledningen, hvilket hjælper med at adskille PLC'en fra vekselstrømsnettet. En vigtig egenskab ved disse transformere er deres minimale indsætningstab, som reducerer signalforvrængning og dæmpning. For eksempel viser figur 2 ydeevnen for Bourns' PFB-serie af PLC-transformere, som er optimeret til NB-applikationer under 500 kHz. Desuden hjælper en PLC-transformators evne til at undertrykke EMI med at reducere støj, hvilket bidrager til mere pålidelig og effektiv kommunikation.

Figur 2: Her ses en graf over indsættelsestab i forhold til frekvens for PFB-seriens PLC-transformere, der er skræddersyet til NB-applikationer under 500 kHz. (Billedkilde: Bourns)

I figur 1 håndteres spændingstransienter igen af GMOV-beskytteren (figur 3). Denne nye enhed er en hybrid overspændingsbeskyttelseskomponent, der integrerer en MOV's hurtige respons og en GDT's høje kapacitet til at håndtere overspændingsstrøm. Denne kombination giver robust beskyttelse mod spændingstransienter forårsaget af lynnedslag eller koblingshændelser, der kan beskadige elektroniske kredsløb i PLC-systemer.

I en GMOV er MOV- og GDT-komponenterne koblet kapacitivt i en seriekonfiguration. Under lavfrekvensforhold er spændingsbegrænsningen for GMOV-komponenten lig med summen af spændingsbegrænsningen for MOV- og GDT-komponenterne.

Figur 3: GMOV kombinerer en MOV's hurtige respons med en GDT's høje kapacitet til at håndtere overspændingsstrøm. (Billedkilde: Bourns)

I modsætning til standard-MOV'er, som er tilbøjelige til nedbrydning og termisk løbskhed, er GMOV-beskytteren designet til at modstå barske og ukontrollerede miljøer. MOV-komponenten begrænser for høje spændinger ned på et sikkert niveau, mens GDT fungerer som en fejlsikring under ekstreme overspændingsforhold. Denne funktion omdirigerer overskydende energi væk fra MOV'en, hvilket forlænger dens levetid og reducerer sandsynligheden for systemfejl.

Designovervejelser for PLC-transformere og GMOV-beskyttere

Design af et linjekoblingskredsløb til et PLC-system kræver nøje overvejelse af nøglekomponenter og deres interaktion. Her er nogle af de spørgsmål, der skal tages højde for i designet.

Krav til PLC-systemet: Før du starter designprocessen, skal du have en klar forståelse af PLC-systemets krav. Det omfatter den krævede datahastighed, driftsområdet, typen af strømledninger, den skal køre på, og de miljøforhold, den vil blive udsat for.

Sikkerhed og overholdelse: Sikkerheden er særlig vigtig for design, som brugere eller vedligeholdelsesarbejdere kan have adgang til. Afhængigt af anvendelsen kan designet kræve overholdelse af EN 62368-1 (IT og audiovisuelt udstyr) eller EN 61885 (kommunikationsnetværk og automatisering af elforsyning).

Fra et kommunikationsperspektiv skal design typisk overholde den europæiske CENELEC EN 50065-1-standard, som definerer maksimale signalniveauer samt tilladte bærefrekvensbånd.

Valg af en PLC-transformer: Kontrollér, at transformeren opfylder kravene til driftsfrekvens, spænding og impedans. For eksempel er Bourns PFB-serie, der blev nævnt tidligere, optimeret til NB PLC-applikationer (NB-PLC), hvilket gør dem velegnede til langdistancedrift. Med understøttelse af lav- og mellemspændingsområder kan PFB-serien bruges til både indendørs og udendørs miljøer.

Sørg for at vælge en transformer med et omsætningsforhold, der gør det muligt for PLC-modemets impedans at matche strømledningens impedans. Mange gange kan modemets impedans ikke ændres, så transformeren skal vælges omhyggeligt for at opnå et impedansmatch for effektiv signaloverførsel.

Overvej også applikationsmiljøet. For eksempel fås PFB-serien i både en standard og en aflang form. Standardmodellen PFBR45-ST13150S er designet til brug i sikrede huse, mens den aflange model PFB45-SP13150S tilføjer sikkerhedsfunktioner til brug i områder, hvor vedligeholdelsesarbejdere eller brugere kan have adgang til den. Den forstærkede isolering på sidstnævnte model beskytter mod elektrisk stød og isolerer slutbrugeren fra farlige indgangsspændinger. Figur 4 illustrerer de vigtigste karakteristika ved de to modeller.

Figur 4. Den aflange PFB45-SP13150S PLC-transformer har mere robuste sikkerhedsfunktioner sammenlignet med PFBR45-ST13150S. (Billedkilde: Bourns)

Valg af en GMOV-beskytter: Overvej, hvilke former for overspænding og spændingstransienter systemet kan blive udsat for, når du vælger en passende beskytter. For eksempel tilbyder Bourns 14 millimeter (mm) GMOV-beskyttere som GMOV-14D301K, der understøtter overspændingsstrømme på 6 kiloampere (kA), samt 20 mm-varianter som GMOV-20D151K, der understøtter overspændingsstrømme på 10 kA. Både 14- og 20 mm-varianterne er kompatible med standard-MOV'er i størrelse og fodaftryk. Figur 5 viser den fulde liste over tilgængelige konfigurationer for disse enheder.

Figur 5: GMOV-beskyttere findes i 14- og 20 mm-varianter, hvor sidstnævnte understøtter højere overspændingsstrømme. (Billedkilde: Bourns)

Det er også vigtigt at huske på kapacitans og lækstrøm. Høj kapacitans kan hæmme dataoverførslen i PLC-systemer. Bourns GMOV-beskytters lave kapacitans på mindre end 2 picofarader (pF) minimerer signalforvrængning, hvilket betyder, at den ikke påvirker datatransmission over kraftledningerne væsentligt.

Bourns GMOV-beskyttere har også en lækstrøm på mindre end 1 mikroampere (µA). Selvom lækage kan virke som en triviel ting, bygger det op ved by-skala applikationer. For eksempel i en gadelysapplikation med en lækstrøm på 10 mikroampere, og hvis man ganger dette med en million gadelamper i et typisk byområde, bliver energitabet på grund af lækage betydeligt.

Konklusion

Fremkomsten af smart energiinfrastruktur – kendetegnet ved smart grids, smart-målere og intelligent gadebelysning – har bragt behovet for pålidelige, omkostningseffektive og effektive kommunikationssystemer frem i forreste række. Som vist er PLC en velegnet løsning, især når den understøttes af specialiserede PLC-transformere og GMOV-beskyttere for at sikre signalkvalitet og pålidelighed og for at beskytte mod transienter eller overspænding, samtidig med at lækstrømmen minimeres.