Jak chránit systémy komunikace po elektrickém vedení (PLC): Dvě technologie, které je třeba znát

Návrháři inteligentní energetické infrastruktury, jako jsou inteligentní rozvodné sítě, inteligentní měřiče a inteligentní pouliční osvětlení, potřebují spolehlivou, nákladově efektivní a bezpečnou komunikaci. Bezdrátové technologie sice hrají důležitou roli, ale jejich zranitelnost, náklady a omezení pokrytí představují značné problémy. Technologie PLC (Power Line Communication), která umožňuje přenos dat po stávajících elektrických vedeních, představuje dobrou základní technologii pro klíčovou komunikaci.

Přestože je technologie PLC dobře definována a široce používána, konstruktéři musí myslet na některé problémy, které mohou narušit komunikaci, jako je například útlum signálu, šum a napěťové přechody. Aby byl zajištěn optimální výkon, vyžadují tyto problémy praktická a účinná řešení. Dvěma takovými řešeními jsou transformátory PLC a přepěťové ochrany GMOV.

Transformátory PLC jsou optimalizované pro minimální vložné ztráty v úzkopásmových (NB) aplikacích. Rovněž snižují galvanickou izolaci a elektromagnetické rušení (EMI), čímž zvyšují kvalitu a spolehlivost signálu. GMOV je součást hybridní přepěťové ochrany, která kombinuje plynovou výbojku (GDT) a varistor z oxidu kovu (MOV). Je navržen tak, aby překonal omezení a problémy se selháním standardních MOV, které jsou náchylné k degradaci a tepelnému vyčerpání v drsném a nekontrolovaném prostředí.

Tento článek stručně popisuje, jak technologie PLC funguje a proč je vhodná pro inteligentní infrastrukturu. Dále uvádí příklady transformátoru PLC a chrániče GMOV z Bourns, ukazuje, jak fungují, a představuje některé faktory, které je třeba zvážit při jejich výběru a použití.

Aplikace, výzvy a provoz PLC

V systému PLC se přenášená data modulují na nosný signál a přivádí do elektrického vedení. Detaily se mezi jednotlivými aplikacemi značně liší, ale IEEE 1901.2 je globálním standardem pro rozvodné sítě. Specifikuje nízkofrekvenční (≤ 500 kilohertzů (kHz)) NB komunikace až do 500 kilobitů za sekundu (kbit/s) a je vhodný pro aplikace, jako jsou inteligentní rozvodné sítě, inteligentní měřiče a inteligentní pouliční osvětlení.

Přestože se technologie PLC ukázala jako užitečné řešení pro návrháře inteligentní energetické infrastruktury, neobejde se bez problémů. Mezi překážky při návrhu patří útlum signálu, šum a přechodová napětí, které mohou výrazně zhoršit kvalitu a spolehlivost komunikace. Konkrétně:

• Útlum signálu je problém, protože signály PLC používají vedení, která byla navržena pro napájení, nikoli pro data. Tyto linky mají impedanční charakteristiky, jež mohou způsobit značný útlum, zejména na dlouhé vzdálenosti. Výsledný pokles síly signálu může snížit efektivní dosah a potenciálně vést ke ztrátě dat nebo chybě.
• Šum může pocházet z různých zdrojů, jako jsou elektronické spotřebiče připojené k napájecímu vedení, změny v napájení a vnější elektromagnetické rušení. Kvůli své relativně vysokofrekvenční povaze jsou datové signály PLC zvláště náchylné k těmto zdrojům šumu v nestíněné elektrické síti.
• K napěťovým přechodům může dojít v důsledku úderu blesku nebo spínání indukčních zátěží. Takové přechodové jevy mohou v napájecím vedení vyvolat vysoké napětí, které může poškodit modemy PLC.

Při řešení výzev, kterým čelí systémy PLC, mají návrháři k dispozici dvě klíčové technologie, jež mohou použít: transformátory PLC a chrániče GMOV. Obě komponenty hrají zásadní roli při zajišťování spolehlivosti, výkonu a bezpečnosti systémů PLC.

Přehled návrhu: transformátory PLC a chrániče GMOV ve spojovacím obvodu

Pro ilustraci problémů, které mohou řešit transformátory PLC a chrániče GMOV, uvažujme vazební obvod znázorněný na obrázku 1. Tento obvod musí izolovat modem PLC (Z_Module) z hlavního vedení (Z_Line) a zároveň poskytuje cestu pro datový signál. Přitom musí spojovací obvod zvládat jak vysokofrekvenční nízkopříkonovou komunikaci, tak nízkofrekvenční střídavý proud s vysokým výkonem.

Obrázek 1: Znázorněn je zjednodušený spojovací obvod s přepěťovou ochranou, který izoluje modem PLC (Z_Modul ) z hlavního vedení (Z_Line ), přičemž také poskytuje cestu pro datový signál. (Zdroj obrázku: Bourns)

Transformátor PLC (T1) zajišťuje galvanické oddělení mezi modemem PLC a napájecím vedením a pomáhá tak oddělit PLC od elektrické sítě. Klíčovou vlastností těchto transformátorů jsou minimální vložné ztráty, které snižují zkreslení a útlum signálu. Například Obrázek 2 ukazuje výkonnost transformátorů PLC řady PFB společnosti Bourns, které jsou optimalizovány pro aplikace NB pod 500 kHz. Kromě toho schopnost transformátoru PLC potlačit EMI pomáhá snižovat šum a přispívá ke spolehlivější a efektivnější komunikaci.

Obrázek 2: Zobrazen je graf závislosti vložného útlumu na frekvenci pro transformátory PLC řady PFB, které jsou přizpůsobeny pro aplikace NB pod 500 kHz. (Zdroj obrázku: Bourns)

Na Obrázku 1 jsou přechodná napětí opět řešena chráničem GMOV (obrázek 3). Toto nové zařízení je součástí hybridní přepěťové ochrany, která integruje rychlou odezvu MOV a schopnost GDT zpracovávat vysoký rázový proud. Uvedená kombinace poskytuje robustní ochranu proti napěťovým přechodům způsobeným úderem blesku nebo spínacími událostmi, které mohou poškodit elektronické obvody v systémech PLC.

V GMOV jsou komponenty MOV a GDT kapacitně propojeny v sériovém uspořádání. Za podmínek nízké frekvence se napěťové omezení složky GMOV rovná součtu omezení napětí složek MOV a GDT.

Obrázek 3: GMOV kombinuje rychlou odezvu MOV s vysokou schopností GDT zvládat přepěťové proudy. (Zdroj obrázku: Bourns)

Na rozdíl od standardních MOV, které jsou náchylné k degradaci a tepelnému úniku, je chránič GMOV navržen tak, aby odolal drsnému a nekontrolovanému prostředí. Komponenta MOV svírá nadměrná napětí na bezpečnou úroveň, zatímco GDT funguje jako pojistka proti selhání během extrémních podmínek přepětí. Tato funkce přesměrovává nadměrnou energii pryč z MOV, čímž prodlužuje jeho životnost a snižuje pravděpodobnost selhání systému.

Konstrukční hlediska pro transformátory PLC a chrániče GMOV

Návrh spojkového obvodu pro systém PLC vyžaduje pečlivé zvážení klíčových komponent a jejich vzájemného působení. Zde jsou některé z problémů, které je třeba zohlednit při návrhu.

Systémové požadavky PLC: Před zahájením procesu návrhu jasně pochopte požadavky systému PLC. To zahrnuje požadovanou rychlost přenosu dat, provozní rozsah, typ elektrického vedení, na kterém bude pracovat, a podmínky prostředí, kterým bude vystaven.

Bezpečnost a dodržování předpisů: Bezpečnost je zvláště důležitá u konstrukcí, ke kterým mohou mít uživatelé nebo pracovníci údržby přístup. V závislosti na aplikaci může návrh vyžadovat shodu s normami EN 62368-1 (IT a audiovizuální zařízení) nebo EN 61885 (komunikační sítě a automatizace energetických zařízení).

Z komunikačního hlediska musí konstrukce obvykle vyhovovat evropské normě CENELEC EN 50065-1, která definuje maximální úrovně signálu a přípustná pásma nosných frekvencí.

Výběr transformátoru PLC: Zkontrolujte, zda transformátor splňuje požadavky na provozní frekvenci, napětí a impedanci. Například již zmíněná řada PFB společnosti Bourns je optimalizována pro aplikace NB PLC, takže je vhodná pro provoz na dlouhé vzdálenosti. Díky podpoře nízkých a středních napěťových rozsahů lze řadu PFB použít ve vnitřním i venkovním prostředí.

Nezapomeňte zvolit transformátor s takovým poměrem závitů, aby impedance modemu PLC odpovídala impedanci napájecího vedení. Mnohokrát nelze impedanci modemu změnit, takže je třeba vybrat transformátor velmi pečlivě, aby se dosáhlo přizpůsobení impedance pro efektivní přenos signálu.

V úvahu vezměte také prostředí aplikace. Například řada PFB je k dispozici ve standardní i prodloužené formě. Standardní model PFBR45-ST13150S je určen pro použití v zabezpečených pouzdrech, zatímco prodloužený model PFB45-SP13150S přidává bezpečnostní prvky pro použití v oblastech, kde k němu mohou mít přístup pracovníci údržby nebo uživatelé. Zesílená izolace tohoto posledního modelu chrání před úrazem elektrickým proudem a izoluje koncového uživatele od nebezpečného vstupního napětí. Obrázek 4 znázorňuje klíčové charakteristiky obou modelů.

Obrázek 4. Prodloužený transformátor PLC PFB45-SP13150S má ve srovnání s modelem PFBR45-ST13150S robustnější bezpečnostní prvky. (Zdroj obrázku: Bourns)

Výběr chrániče GMOV: Při výběru vhodného chrániče zvažte, jakým druhům přepětí a přechodových jevů může systém čelit. Společnost Bourns například nabízí 14mm chrániče GMOV, jako je GMOV-14D301K, které podporují přepěťové proudy 6 kiloampérů (kA), a 20mm varianty, jako je GMOV-20D151K, které podporují přepěťové proudy 10 kA. Pozoruhodné je, že 14mm i 20mm varianty jsou rozměrově i velikostně kompatibilní se standardními MOV. Obrázek 5 poskytuje úplný seznam konfigurací dostupných pro tato zařízení.

Obrázek 5: Chrániče GMOV se dodávají ve variantách 14 a 20 mm, přičemž druhá varianta podporuje vyšší přepěťové proudy. (Zdroj obrázku: Bourns)

Je také důležité mít na paměti kapacitu a svodový proud. Vysoká kapacita může bránit přenosu dat v systémech PLC. Nízká kapacita chrániče GMOV společnosti Bourns, která je menší než 2 pikofarady (pF), minimalizuje zkreslení signálu, což znamená, že výrazně neovlivňuje přenos dat po elektrickém vedení.

Chrániče GMOV společnosti Bourns mají také svodový proud menší než 1 mikroampér (µA). Ačkoli se úniky mohou zdát jako banální záležitost, v měřítku celého města se nasčítají. Pokud například v aplikaci pouličního osvětlení se svodovým proudem 10 mikroampérů vynásobíme tuto hodnotu jedním milionem pouličních svítidel v typické městské oblasti, ztráty energie způsobené únikem jsou značné.

Závěr

S nástupem inteligentní energetické infrastruktury – charakterizované inteligentními rozvodnými sítěmi, inteligentními měřiči a inteligentním pouličním osvětlením – se do popředí dostala potřeba spolehlivých, nákladově efektivních a účinných komunikačních systémů. Jak bylo ukázáno, PLC je vhodnou volbou, zejména pokud je podporováno specializovanými transformátory PLC a chrániči GMOV, které zajišťují kvalitu a spolehlivost signálu a chrání před přechodovými jevy nebo přepětím a zároveň minimalizují svodový proud.