Slik beskytter du strømlinjekommunikasjonssystemer (PLC): To teknologier å kjenne til

Designere av smart energiinfrastruktur, som smarte nett, smarte målere og intelligent gatebelysning, trenger pålitelig, kostnadseffektiv og sikker kommunikasjon. Mens trådløse teknologier har en rolle å spille, representerer deres sårbarheter, kostnader og dekningsbegrensninger betydelige utfordringer. Teknologi for strømlinjekommunikasjon (Power line communication – PLC-teknologi), som muliggjør dataoverføring over eksisterende kraftlinjer, presenterer en god grunnleggende teknologi for å basere kritisk kommunikasjon.

Selv om PLC er veldefinert og mye brukt, er det noen problemer designere må være klar over som kan forstyrre kommunikasjonen, for eksempel signaldemping, støy og spenningstransienter. Å løse disse problemene krever praktiske og effektive løsninger for å sikre optimal ytelse. To slike løsninger er PLC-transformatorer og GMOV-overspenningsbeskyttere.

PLC-transformatorer er optimalisert for minimalt innføringstap i smalbåndsutrustninger (NB-utrustninger). De reduserer også galvanisk isolasjon og elektromagnetisk interferens (EMI), noe som forbedrer signalkvaliteten og påliteligheten. En GMOV er en hybrid beskyttelseskomponent for overspenning som kombinerer et gassutladningsrør (GDT) og en metalloksidvaristor (MOV). Den er konstruert for å overvinne begrensningene og feilproblemene til standard MOV-er, som er utsatt for kvalitetstap og ukontrollerbar termisk tilstand tøffe og ukontrollerte miljøer.

Denne artikkelen gir en kort gjennomgang av hvordan en PLC fungerer og hvorfor den er egnet for smart infrastruktur. Den introduserer deretter PLC-transformator og GMOV-beskyttelseseksempler fra Bourns, viser hvordan de fungerer, og presenterer noen faktorer som skal vurderes når du velger og bruker dem.

PLC-drift, utrustninger og utfordringer

I et PLC-system moduleres dataene som skal overføres på et bærebølgesignal og injiseres i strømlinjen. Detaljene varierer mye fra utrustning til utrustning, men IEEE 1901.2 er den globale standarden for elforsyningsnett (strømnett). Den spesifiserer lavfrekvent (≤ 500 kilohertz (kHz)) NB-kommunikasjon opptil 500 Kbits/s (kilobit per sekund), og er egnet for utrustninger som smarte nett, smarte målere og intelligent gatebelysning.

Selv om PLC-teknologi har vist seg å være en nyttig løsning for designere av smart energiinfrastruktur, har det sine utfordringer. Designutfordringer inkluderer signaldemping, støy og spenningstransienter, som alle kan forringe kommunikasjonskvaliteten og påliteligheten betydelig. Nærmere bestemt:

• Signaldemping (signalattenuasjon) er et problem fordi PLC-signaler bruker linjer som er utformet for strøm, ikke data. Disse linjene har impedanseegenskaper som kan pålegge betydelig demping, spesielt over lange avstander. Det resulterende fallet i signalstyrken kan redusere den effektive rekkevidden og potensielt føre til tap av data eller feil.
• Støy kan innføres fra forskjellige kilder, for eksempel elektroniske apparater som er koblet til strømlinjene, strømforsyningsvariasjoner og ekstern EMI (elektromagnetisk interferens). Den relativt høyfrekvente naturen til PLC-datasignaler gjør dem spesielt utsatt for disse støykildene i det uskjermede strømnettet.
• Spenningstransienter kan oppstå på grunn av lynnedslag eller bryting av induktive belastninger. Slike transienter kan indusere høye spenninger på strømlinjen, og potensielt skade PLC-modemene.

Når de adresserer utfordringene som PLC-systemer står overfor, har designere to nøkkelteknologier de kan bruke: PLC-transformatorer og GMOV-beskyttere. Begge komponentene tjener avgjørende roller i å sikre påliteligheten, ytelsen og sikkerheten til PLC-systemer.

Designgjennomgang: PLC-transformatorer og GMOV-er i koblingskretsen

For å illustrere problemene PLC-transformatorer og GMOV-er kan løse, vurder koblingskretsen som er illustrert i figur 1. Denne kretsen må isolere PLC-modemet (Z-_modul) fra nettlinjen (Z-_linje) samtidig som den gir en bane for datasignalet. Mens dette gjøres, må koblingskretsen håndtere både høyfrekvent kommunikasjon med lavt energiforbruk (lav effekt) og lavfrekvent vekselstrøm med høy-effekt.

Figur 1: Vist er en forenklet koblingskrets med overspenningsvern som isolerer PLC-modemet (Z-_modul) fra strømnettet (Z_-linje), samtidig som det gir en bane for datasignalet. (Bildekilde: Bourns)

PLC-transformatoren (T1) gir galvanisk isolasjon mellom PLC-modemet og strømlinjen, noe som bidrar til å skille PLC-en fra strømnettet. En viktig egenskap ved disse transformatorene er deres minimale innskuddsdempning (innsettingstap), noe som reduserer signalforvrengning og dempning. Figur 2 viser for eksempel ytelsen til Bourns’ PFB-serie PLC-transformatorer, som er optimalisert for NB-utrustninger under 500 kHz. Dessuten bidrar en PLC-transformators evne til å dempe EMI (elektromagnetisk interferens) til å redusere støy, noe som bidrar til mer pålitelig og effektiv kommunikasjon.

Figur 2: Vist er en graf over innsettingstap versus frekvens for PFB-seriens PLC-transformatorer som er skreddersydd for NB-utrustninger under 500 kHz. (Bildekilde: Bourns)

I figur 1, igjen håndteres spenningstransienter av GMOV-beskytteren (figur 3). Denne nye enheten er en hybrid overspenningsbeskyttelseskomponent som integrerer den raske responsen til en MOV og den høye overspenningsstrøm-håndteringsevnen til en GDT. Denne kombinasjonen gir robust beskyttelse mot spenningstransienter forårsaket av lynnedslag eller bryterhendelser som kan skade elektroniske kretser i PLC-systemer.

I en GMOV er MOV- og GDT-komponentene kapasitivt koblet i en seriekonfigurasjon. Under lavfrekvente forhold er spenningsbegrensningen til GMOV-komponenten lik summen av spenningsbegrensningen til MOV- og GDT-komponentene.

Figur 3: GMOV kombinerer den raske responsen til en MOV med den høye overspenningsstrøms-håndteringsevnen til en GDT. (Bildekilde: Bourns)

I motsetning til standard MOV-er, som er utsatt for kvalitetstap og ukontrollerbar termisk tilstand, er GMOV-beskytteren konstruert for å motstå harde og ukontrollerte miljøer. MOV-komponenten klemmer for store spenninger til sikre nivåer, mens GDT fungerer som en feilsikring under ekstreme overspenningsforhold. Denne funksjonen omdirigerer overdreven energi bort fra MOV-en, og forlenger dermed levetiden og reduserer sannsynligheten for systemsvikt.

Konstruksjonshensyn for PLC-transformatorer og GMOV-beskyttere

Utforming av en linjekoblingskrets for et PLC-system krever nøye vurdering av nøkkelkomponenter og deres interaksjoner. Her er noen av problemene som skal tas med i konstruksjonen.

PLC-systemkrav: Før du starter konstruksjonsprosessen, må du ha en klar forståelse av PLC-systemets krav. Dette inkluderer den nødvendige datahastigheten, driftsområdet, typen strømlinjer den skal operere på, og miljøforholdene den skal utsettes for.

Sikkerhet og samsvar: Sikkerhet er spesielt viktig for design som brukere eller vedlikeholdsarbeidere kan ha tilgang til. Avhengig av utrustningen, kan utformingen kreve samsvar med EN 62368-1 (IT og audiovisuelt utstyr) eller EN 61885 (kommunikasjonsnettverk og automatisering av strømforsyning).

Fra et kommunikasjonsperspektiv må konstruksjoner vanligvis overholde den europeiske CENELEC EN 50065-1-standarden, som definerer maksimale signalnivåer så vel som tillatte bærefrekvensbånd.

Velge en PLC-transformator: Kontroller at transformatoren oppfyller kravene til driftsfrekvens, spenning og impedans. For eksempel er Bourns PFB-serien nevnt tidligere optimalisert for NB PLC (NB-PLC)-utrustninger, noe som gjør dem egnet for langdistanseoperasjon. Med støtte for lav- og mellomspenningsområder, kan PFB-serien brukes til både innendørs og utendørs innstillinger.

Sørg for å velge en transformator med et omdreiningsforhold som gjør det mulig for PLC-modemimpedansen å samsvare med strømlinjeimpedansen. Mange ganger kan ikke modemimpedansen endres, så transformatoren må velges nøye for å oppnå en impedanstilpasning for effektiv signaloverføring.

Vurder også utrustningens miljø. PFB-serien er for eksempel tilgjengelig i både standard og langstrakt form. Standardmodellen PFBR45-ST13150S er konstruert for bruk i sikrede hus, mens den langstrakte modellen PFB45-SP13150S legger til sikkerhetsfunksjoner for bruk i områder der vedlikeholdsarbeidere eller brukere kan ha tilgang til den. Den forsterkede isolasjonen av denne sistnevnte modellen beskytter mot elektrisk støt og isolerer sluttbrukeren fra farlige inngangsspenninger. Figur 4 illustrerer de viktigste egenskapene til de to modellene.

Figur 4. Den langstrakte PFB45-SP13150S PLC-transformatoren har mer robuste sikkerhetsfunksjoner sammenlignet med PFBR45-ST13150S. (Bildekilde: Bourns)

Valg av GMOV-beskytter: Vurder hvilke typer strømstøt og spenningstransienter systemet kan møte når du velger en passende beskytter. For eksempel tilbyr Bourns 14 millimeter (mm) GMOV-beskyttere som GMOV-14D301K som støtter overspenningsstrømmer på 6 kiloamper (kA), samt 20 mm-varianter som GMOV-20D151K som støtter overspenningsstrømmer på 10 kA. Spesielt er både 14 og 20 mm-variantene kompatible med standard MOV-er i størrelse og fotavtrykk. Figur 5 gir en fullstendig liste over konfigurasjoner som er tilgjengelige for disse enhetene.

Figur 5: GMOV-beskyttere kommer i varianter på 14 og 20 mm, der sistnevnte støtter høyere overspenningsstrømmer. (Bildekilde: Bourns)

Det er også viktig å huske på kapasitans og lekkasjestrøm. Høy kapasitans kan hindre dataoverføring i PLC-systemer. Bourns GMOV-beskytterens lave kapasitans på mindre enn 2 picofarad (pF) minimerer signalforvrengning, noe som betyr at det ikke påvirker dataoverføringen overstrømlinjene vesentlig.

Bourns GMOV-beskyttere har også mindre enn 1 mikroampere (µA) lekkasjestrøm. Selv om lekkasje kan virke som en bagatellmessig sak, blir det en stor faktor i utrustninger i byskala. Et eksempel: I en gatebelysningsapplikasjon med en lekkasjestrøm på 10 mikroampere, om du multipliserer dette med en million gatelys i et urbant område, blir energitapet fra lekkasje betydelig.

Konklusjon

Fremveksten av smart energiinfrastruktur – preget av smarte nett, smarte målere og smart gatebelysning – har brakt behovet for pålitelige, kostnadseffektive og virkningsfulle kommunikasjonssystemer i forkant. Som vist er PLC et egnet alternativ, spesielt når det støttes av spesialiserte PLC-transformatorer og GMOV-beskyttere for å sikre signalkvalitet og pålitelighet, og for å beskytte mot transienter eller overspenninger, samtidig som lekkasjestrøm minimeres.