Hoe PLC-systemen (Power Line Communication) te beschermen: Twee technologieën om te weten

Ontwerpers van slimme energie-infrastructuur, zoals slimme netwerken, slimme meters en intelligente straatverlichting, hebben betrouwbare, kosteneffectieve en veilige communicatie nodig. Hoewel draadloze technologieën een rol kunnen spelen, vormen hun kwetsbaarheden, kosten en dekkingsbeperkingen aanzienlijke uitdagingen. PLC-technologie (Power Line Communication), die gegevensoverdracht via bestaande elektriciteitsleidingen mogelijk maakt, is een goede basistechnologie om kritieke communicatie op te baseren.

Hoewel PLC goed gedefinieerd is en veel gebruikt wordt, zijn er enkele zaken waar ontwerpers zich bewust van moeten zijn die de communicatie kunnen verstoren, zoals signaalverzwakking, ruis en spanningstransiënten. Om deze problemen aan te pakken zijn praktische en efficiënte oplossingen nodig om optimale prestaties te garanderen. Twee van zulke oplossingen zijn PLC-transformators en GMOV-overspanningsbeveiligingen.

PLC-transformators zijn geoptimaliseerd voor minimaal insertieverlies in smalbandtoepassingen (NB). Ze verminderen ook galvanische isolatie en elektromagnetische interferentie (EMI) en verbeteren de signaalkwaliteit en betrouwbaarheid. Een GMOV is een hybride overspanningsbeveiligingscomponent die een gasontladingsbuis (GDT) en een metaaloxide varistor (MOV) combineert. Het is ontworpen om de beperkingen en storingsproblemen van standaard-MOV's, die gevoelig zijn voor degradatie en thermische runaway in ruwe en ongecontroleerde omgevingen, te overwinnen.

In dit artikel wordt kort uitgelegd hoe een PLC werkt en waarom deze geschikt is voor slimme infrastructuur. Vervolgens worden PLC-transformator- en GMOV-beveiligingsvoorbeelden van Bourns geïntroduceerd, wordt getoond hoe ze werken en worden enkele factoren gepresenteerd waarmee rekening moet worden gehouden bij het kiezen en toepassen ervan.

PLC-werking, toepassingen en uitdagingen

In een PLC-systeem worden de te verzenden gegevens gemoduleerd op een draaggolfsignaal en geïnjecteerd in de voedingslijn. De details verschillen sterk per toepassing, maar IEEE 1901.2 is de wereldwijde standaard voor elektriciteitsnetten. Het specificeert laagfrequente (≤ 500 kilohertz (kHz)) NB-communicatie tot 500 kilobits per seconde (Kbits/s) en is geschikt voor toepassingen zoals smart grids, slimme meters en intelligente straatverlichting.

Hoewel PLC-technologie een nuttige oplossing is gebleken voor ontwerpers van slimme energie-infrastructuur, is het niet zonder uitdagingen. Ontwerphindernissen zijn onder andere signaalverzwakking, ruis en spanningstransiënten, die allemaal de kwaliteit en betrouwbaarheid van de communicatie aanzienlijk kunnen aantasten. Specifiek:

• Signaaldemping is een probleem omdat PLC-signalen lijnen gebruiken die zijn ontworpen voor stroom, niet voor gegevens. Deze lijnen hebben impedantiekarakteristieken die een aanzienlijke verzwakking kunnen veroorzaken, vooral over lange afstanden. De resulterende afname in signaalsterkte kan het effectieve bereik verkleinen en mogelijk leiden tot gegevensverlies of fouten.
• Ruis kan worden geïntroduceerd door verschillende bronnen, zoals elektronische apparaten die zijn aangesloten op de voedingskabels, variaties in de voeding en externe EMI. Omdat PLC-gegevenssignalen relatief hoogfrequent zijn, zijn ze bijzonder gevoelig voor deze storingsbronnen in het niet-afgeschermde elektriciteitsnet.
• Spanningstransiënten kunnen optreden door blikseminslag of het schakelen van inductieve belastingen. Dergelijke transiënten kunnen hoge spanningen op de voedingslijn veroorzaken, waardoor de PLC-modems beschadigd kunnen raken.

Bij het aanpakken van de uitdagingen waar PLC-systemen mee te maken hebben, kunnen ontwerpers twee belangrijke technologieën toepassen: PLC-transformators en GMOV-beschermers. Beide componenten spelen een cruciale rol bij het garanderen van de betrouwbaarheid, prestaties en veiligheid van PLC-systemen.

Herziening van het ontwerp: PLC-transformators en GMOV's in het koppelingscircuit

Ter illustratie van de problemen die PLC-transformators en GMOV's kunnen oplossen, wordt het koppelingscircuit in afbeelding 1 weergegeven. Dit circuit moet het PLC-modem (Z_Module) isoleren van de voedingslijn (Z_Line) en tegelijkertijd een pad bieden voor het gegevenssignaal. Daarbij moet het koppelingscircuit zowel hoogfrequente communicatie met laag vermogen als laagfrequente wisselstroom met hoog vermogen verwerken.

Afbeelding 1: Afgebeeld is een vereenvoudigd koppelingscircuit met overspanningsbeveiliging dat het PLC-modem (Z_Module) isoleert van de voedingslijn (Z_Line) en tegelijkertijd een pad biedt voor het gegevenssignaal. (Bron afbeelding: Bourns)

De PLC-transformator (T1) zorgt voor een galvanische scheiding tussen de PLC-modem en de voedingslijn, waardoor de PLC gescheiden wordt van het wisselstroomnet. Een belangrijk kenmerk van deze transformatoren is hun minimale insertieverlies, waardoor signaalvervorming en -verzwakking worden verminderd. Afbeelding 2 toont bijvoorbeeld de prestaties van de PLC-transformators uit de PFB-serie van Bourns, die geoptimaliseerd zijn voor NB-toepassingen onder 500 kHz. Bovendien helpt het vermogen van een PLC-transformator om EMI te onderdrukken ruis te verminderen, wat bijdraagt aan betrouwbaardere en efficiëntere communicatie.

Afbeelding 2: Weergegeven is een grafiek van insertieverlies versus frequentie voor de PLC-transformators van de PFB-serie die zijn afgestemd op NB-toepassingen onder 500 kHz. (Bron afbeelding: Bourns)

In Afbeelding 1 worden spanningstransiënten weer afgehandeld door de GMOV-beschermer (Afbeelding 3). Dit nieuwe apparaat is een hybride overspanningsbeveiligingscomponent die de snelle respons van een MOV en de hoge piekstroomcapaciteit van een GDT integreert. Deze combinatie biedt robuuste bescherming tegen spanningsovergangen veroorzaakt door blikseminslag of schakelgebeurtenissen die elektronische circuits in PLC-systemen kunnen beschadigen.

In een GMOV zijn de MOV- en GDT-componenten capacitief gekoppeld in een serieconfiguratie. Onder laagfrequente omstandigheden is de spanningsbegrenzing van de GMOV-component gelijk aan de som van de spanningsbegrenzing van de MOV- en GDT-componenten.

Afbeelding 3: De GMOV combineert de snelle respons van een MOV met de hoge piekstroomverwerkingscapaciteit van een GDT. (Bron afbeelding: Bourns)

In tegenstelling tot standaard-MOV's, die gevoelig zijn voor degradatie en thermische runaway, is de GMOV-protector ontworpen om zware en ongecontroleerde omgevingen te weerstaan. De MOV-component beperkt excessieve spanningen tot een veilig niveau, terwijl de GDT fungeert als een fail-safe tijdens extreme piekomstandigheden. Deze functie leidt overtollige energie weg van de MOV, waardoor de levensduur wordt verlengd en de kans op systeemstoringen wordt verkleind.

Ontwerpoverwegingen voor PLC-transformators en GMOV-beschermers

Het ontwerpen van een lijnkoppelingscircuit voor een PLC-systeem vereist zorgvuldige overweging van de belangrijkste componenten en hun interacties. Hier zijn enkele punten waarmee rekening moet worden gehouden in het ontwerp.

Vereisten voor PLC-systeem: Voordat u begint met het ontwerpproces, moet u een duidelijk inzicht hebben in de vereisten van het PLC-systeem. Dit omvat de vereiste gegevenssnelheid, het werkingsbereik, het type stroomkabels waarop het zal werken en de omgevingsomstandigheden waaraan het zal worden blootgesteld.

Veiligheid en naleving: Veiligheid is van bijzonder belang voor ontwerpen waartoe gebruikers of onderhoudsmedewerkers toegang kunnen hebben. Afhankelijk van de toepassing moet het ontwerp voldoen aan EN 62368-1 (IT en audiovisuele apparatuur) of EN 61885 (communicatienetwerken en automatisering van elektriciteitscentrales).

Vanuit communicatieperspectief moeten ontwerpen meestal voldoen aan de Europese CENELEC EN 50065-1-norm, die maximale signaalniveaus en toegestane draaggolffrequentiebanden definieert.

Een PLC-transformator selecteren: Controleer of de transformator voldoet aan de vereisten voor werkfrequentie, spanning en impedantie. De eerder genoemde Bourns PFB-serie is bijvoorbeeld geoptimaliseerd voor NB PLC-toepassingen (NB-PLC), waardoor deze geschikt is voor gebruik op lange afstanden. Met ondersteuning voor laag- en middenspanningsbereiken kan de PFB-serie zowel binnen als buiten worden gebruikt.

Zorg ervoor dat u een transformator kiest met een omwentelingsverhouding die ervoor zorgt dat de impedantie van de PLC-modem overeenkomt met de impedantie van de voedingslijn. Vaak kan de impedantie van het modem niet veranderd worden, dus moet de transformator zorgvuldig gekozen worden om een impedantiematch te bereiken voor efficiënte signaaloverdracht.

Houd ook rekening met de toepassingsomgeving. Zo is de PFB-serie verkrijgbaar in zowel een standaard als een langwerpige vorm. Het standaardmodel PFBR45-ST13150S is ontworpen voor gebruik in beveiligde behuizingen, terwijl het langwerpige model PFB45-SP13150S veiligheidsfuncties toevoegt voor gebruik in gebieden waar onderhoudsmedewerkers of gebruikers toegang kunnen hebben. De versterkte isolatie van dit laatste model beschermt tegen elektrische schokken en isoleert de eindgebruiker van gevaarlijke ingangsspanningen. Afbeelding 4 illustreert de belangrijkste kenmerken van de twee modellen.

Afbeelding 4. De langwerpige PLC-transformator PFB45-SP13150S heeft robuustere veiligheidsfuncties in vergelijking met de PFBR45-ST13150S. (Bron afbeelding: Bourns)

Een GMOV-beschermer selecteren: Bedenk bij het selecteren van een geschikte beschermer met welke soorten stroompieken en spanningstransiënten het systeem te maken kan krijgen. Bourns biedt bijvoorbeeld GMOV-beschermers van 14 millimeter (mm) zoals de GMOV-14D301K die piekstromen van 6 kiloampère (kA) ondersteunen, maar ook varianten van 20 mm zoals de GMOV-20D151K die piekstromen van 10 kA ondersteunen. Met name de 14 en 20 mm varianten zijn qua grootte en voetafdruk compatibel met standaard MOV's. Afbeelding 5 toont de volledige lijst met beschikbare configuraties voor deze apparaten.

Afbeelding 5: GMOV-beschermers zijn er in varianten van 14 en 20 mm, waarbij de laatste hogere piekstromen ondersteunen. (Bron afbeelding: Bourns)

Het is ook belangrijk om rekening te houden met capaciteit en lekstroom. Een hoge capaciteit kan de gegevensoverdracht in PLC-systemen belemmeren. De lage capaciteit van Bourns GMOV protector van minder dan 2 picofarads (pF) minimaliseert signaalvervorming, wat betekent dat het geen significante invloed heeft op gegevensoverdracht via de elektriciteitsleidingen.

De GMOV-beschermers van Bourns hebben ook minder dan 1 microampère (µA) lekstroom. Hoewel lekkage een triviale kwestie lijkt, kan het in stadsschaaltoepassingen wel degelijk een rol spelen. In een toepassing voor straatverlichting met een lekstroom van 10 microampère bijvoorbeeld, vermenigvuldigd met de miljoen straatlantaarns in een typisch stedelijk gebied, wordt het energieverlies door lekkage aanzienlijk.

Conclusie

De komst van slimme energie-infrastructuur - gekenmerkt door slimme netwerken, slimme meters en intelligente straatverlichting - heeft de behoefte aan betrouwbare, kosteneffectieve en efficiënte communicatiesystemen op de voorgrond geplaatst. Zoals aangetoond is PLC een geschikte optie, vooral wanneer deze wordt ondersteund door gespecialiseerde PLC-transformators en GMOV-beschermers om de signaalkwaliteit en betrouwbaarheid te garanderen en te beschermen tegen transiënten of piekstromen, terwijl de lekstroom tot een minimum wordt beperkt.