Hur man skyddar system med elnätskommunikation (PLC): Två tekniker att känna till

Konstruktörer av smart energiinfrastruktur, som t.ex. smarta elnät, smarta mätare och intelligent gatubelysning, behöver tillförlitliga, kostnadseffektiva och säkra kommunikationssystem. Trådlös teknik spelar en stor roll, men dess sårbarhet, kostnader och begränsade täckning innebär stora utmaningar. Tekniken för elnätskommunikation (Power Line Communication, PLC) gör det möjligt att överföra data via befintliga kraftledningar och är en bra grundläggande teknik att basera viktiga kommunikationssystem på.

Trots att elnätskommunikation är väldefinierat och används i stor utsträckning finns det vissa problem som kan störa kommunikationen som konstruktörer måste vara medvetna om, som t.ex. signaldämpning, brus och spänningstransienter. För att hantera dessa problem och säkerställa optimal prestanda krävs praktiska och effektiva lösningar. Två sådana lösningar är transformatorer för elnätskommunikation och GMOV-överspänningsskydd.

Transformatorer för elnätskommunikation är optimerade för minimal införingsförlust i tillämpningar med smalbandsteknik (narrowband, NB). De minskar även den galvaniska isoleringen och de elektromagnetiska störningarna (EMI), vilket förbättrar signalkvaliteten och tillförlitligheten. GMOV är en hybridkomponent av ett överspänningsskydd som kombinerar ett gasurladdningsrör (GDT) och en metalloxidvaristor (MOV). Den är konstruerad för att övervinna begränsningar och fel hos vanliga metalloxidvaristorer, som i sig är känsliga för försämring och termisk instabilitet i tuffa och okontrollerade miljöer.

Artikeln beskriver kortfattat hur elnätskommunikation fungerar och varför den är lämplig för smart infrastruktur. Därefter presenteras exempel på transformatorer för elnätskommunikation och GMOV-skydd från Bourns, hur de fungerar och några faktorer som bör beaktas vid val och användning av dem.

Drift, tillämpningar och utmaningar med elnätskommunikation

I ett system med elnätskommunikation moduleras den data som ska överföras till en bärarsignal och matas in i kraftledningen. Detaljerna varierar mycket mellan olika tillämpningar, men IEEE 1901.2 är den globala elnätsstandarden. Den specificerar lågfrekvent (≤ 500 kHz) kommunikation med smalbandsteknik med upp till 500 Kbits/s, och är lämplig för tillämpningar som t.ex. smarta elnät, smarta mätare och intelligent gatubelysning.

Även om tekniken för elnätskommunikation har visat sig vara en användbar lösning för konstruktörer av smart energiinfrastruktur, är den inte utan utmaningar. Bland konstruktionshindren finns signaldämpning, brus och spänningstransienter, som alla kan försämra kommunikationens kvalitet och tillförlitlighet avsevärt. Specifikationer

• Signaldämpning är ett problem eftersom signalerna i elnätskommunikationen använder ledningar som är konstruerade för ström, inte data. Ledningarna har impedansegenskaper som kan medföra betydande dämpning, särskilt över långa avstånd. Den minskade signalstyrkan kan reducera den effektiva räckvidden och leda till dataförlust eller fel.
• Brus kan komma från olika källor, t.ex. elektroniska apparater som är anslutna till kraftledningarna, variationer i strömförsörjningen eller extern EMI. I det oskärmade elnätet blir de relativt höga frekvenserna för datasignalerna i elnätskommunikationen särskilt känsliga för dessa bruskällor.
• Spänningstransienter kan uppstå på grund av blixtnedslag eller omkoppling av induktiva laster. Transienter kan inducera höga spänningar i kraftledningen, vilket kan skada modemen för elnätskommunikation.

För att hantera utmaningarna i system med elnätskommunikation har konstruktörer två viktiga tekniker som de kan använda sig av; transformatorer för elnätskommunikation och GMOV-skydd. Båda komponenterna spelar en avgörande roll i system med elnätskommunikation när det kommer till tillförlitlighet, prestanda och säkerhet.

Granskning av konstruktion: Transformatorer för elnätskommunikation och GMOV i kopplingskretsar

För att illustrera de problem som transformatorer och GMOV kan hantera kan vi titta på den kopplingskrets som illustreras i figur 1. Kretsen måste isolera elnätskommunikationens modem (Z_Module) från elnätet (Z_Line) och samtidigt tillhandahålla en väg för datasignalen. Samtidigt måste kopplingskretsen hantera kommunikation med hög frekvens och låg effekt samt växelström med hög effekt och låg frekvens.

Bild 1: Här visas en förenklad kopplingskrets med överspänningsskydd som isolerar elnätskommunikationens modem (Z_Module) från elnätet (Z_Line), samtidigt som den tillhandahåller en väg för datasignalen. (Bildkälla: Bourns)

Transformatorn för elnätskommunikationen (T1) ger galvanisk isolering mellan modemet och kraftledningen, vilket gör det lättare att separera elnätskommunikationen från växelströmsnätet. En viktig egenskap hos transformatorerna är deras minimala inkopplingsförlust, vilket minskar signalförvrängning och -dämpning. Figur 2 visar till exempel effektiviteten hos transformatorserien PFB för elnätskommunikation från Bourns, som är optimerade för smalbandstillämpningar mindre än 500 kHz. Dessutom, bidrar dämpningsegenskapen för EMI hos en transformator för elnätskommunikation till minskat brus, vilket bidrar till en mer tillförlitlig och effektiv kommunikation.

Figur 2: Här visas ett diagram över inkopplingsförluster i förhållande till frekvens för PFB-seriens transformatorer för elnätskommunikation, som är skräddarsydda för smalbandstillämpningar mindre än 500 kHz. (Bildkälla: Bourns)

Även i figur 1 hanteras spänningstransienter av GMOV-skyddet (figur 3). Denna nya enhet är en hybridkomponent av överspänningsskydd som integrerar den snabba responsen hos en metalloxidvaristor och gasurladdningsrörets höga kapacitet för hantering av överspänningsströmmar. Kombinationen tillhandahåller ett kraftfullt skydd mot spänningstransienter som orsakas av blixtnedslag eller omkopplingshändelser, som kan skada elektroniska kretsar i system med elnätskommunikation.

I en GMOV är komponenterna för metalloxidvaristorn och gasurladdningsröret kopplade i en kapacitiv seriekonfiguration. Vid tillstånd med låga frekvenser är spänningsbegränsningen för GMOV-komponenten lika med summan av spänningsbegränsningen för komponenter med metalloxidvaristor och gasurladdningsrör.

Figur 3: GMOV kombinerar den snabba reaktionsförmågan hos en metalloxidvaristor med gasurladdningsrörets höga hanteringskapacitet av överspänningsströmmar. (Bildkälla: Bourns)

Till skillnad från en vanlig metalloxidvaristor, som är känsliga för försämring och termisk instabilitet, är GMOV-skydd konstruerade för att klara tuffa och okontrollerade miljöer. Komponenten i metalloxidvariatorn dämpar överspänningar till säkra nivåer, medan ett gasurladdningsrör fungerar som felsäkerhet vid extrema överspänningsförhållanden. Funktionen leder bort överskottsenergi från metalloxidvariatorn vilket förlänger dess livslängd och minskar risken för systemfel.

Överväganden vid konstruktioner med transformatorer för elnätskommunikation och GMOV-skydd

Att konstruera en linjekopplingskrets för ett system med elnätskommunikation kräver noggranna överväganden av nyckelkomponenter och deras samverkan. Här är några av de frågor som bör beaktas vid utformningen.

Kraven i elnätskommunikationssystemet: Innan utformningsprocessen påbörjas måste du ha en klar uppfattning om kraven för elnätskommunikationssystemet. Det inkluderar den erforderliga datahastigheten, driftsområdet, vilken typ av kraftledningar som den kommer att arbeta över och de miljöförhållanden som den kommer att utsättas för.

Säkerhet och efterlevnad: Säkerheten är särskilt viktig för konstruktioner som användare eller underhållspersonal kan ha tillgång till. Beroende på tillämpning kan överensstämmelse med EN 62368-1 (IT och audiovisuell utrustning) eller EN 61885 (kommunikationsnät och elförsörjningsautomation) komma att krävas.

Ur ett kommunikationsperspektiv måste konstruktioner normalt uppfylla den europeiska standarden CENELEC EN 50065-1 som definierar maximala signalnivåer samt tillåtna bärfrekvensband.

Val av transformator för elnätskommunikation: Kontrollera att transformatorn uppfyller driftfrekvens-, spännings- och impedanskrav. Till exempel är PFB-serien från Bourns som nämndes tidigare, optimerad för tillämpningar av elnätskommunikation med smalband (NB-PLC), vilket gör dem lämpliga vid långa avstånd. PFB-serien har stöd för låg- och medelspänning och kan användas i både inom- och utomhusmiljöer.

Var noga med att välja en transformator med ett lindningsförhållande som gör att impedansen för elnätskommunikationens modem överensstämmer med kraftledningens impedans. Många gånger kan modemets impedans inte ändras, så transformatorn måste väljas med omsorg för att uppnå en överensstämmande impedans för effektiv signalöverföring.

Tänk också på tillämpningsmiljön. PFB-serien finns till exempel i både standardutförande och i bredare utförande. Standardmodellen PFBR45-ST13150S är avsedd för användning i säkrade höljen, medan den bredare modellen PFB45-SP13150S har ytterligare säkerhetsfunktioner för användning i områden där underhållspersonal eller användare kan ha tillgång till den. Den förstärkta isoleringen i den sistnämnda modellen skyddar mot elektriska stötar och isolerar slutanvändaren från farliga inspänningar. Figur 4 illustrerar de viktigaste egenskaperna hos de två modellerna.

Figur 4. Den bredare transformatorn för elnätskommunikation PFB45-SP13150S har mer robusta säkerhetsfunktioner jämfört med PFBR45-ST13150S. (Bildkälla: Bourns)

Välja ett GMOV-skydd: Tänk på vilka typer av överspänningar och spänningstransienter som systemet kan utsättas för när du väljer ett lämpligt skydd. Bourns erbjuder exempelvis GMOV-skydd på 14 mm som t.ex. GMOV-14D301K som klarar överspänningsströmmar på 6 kA, samt varianter på 20 mm som t.ex. GMOV-20D151K som klarar överspänningsströmmar på 10 kA. Båda varianterna är kompatibla med en vanlig metalloxidvariator vad gäller storlek och upptagen kretskortsyta. Figur 5 visar en fullständig lista över tillgängliga konfigurationer för dessa enheter.

Figur 5: GMOV-skydd finns i varianter på 14 och 20 mm där det sistnämnda har stöd för högre överspänningsströmmar. (Bildkälla: Bourns)

Det är också viktigt att tänka på kapacitans och läckström. Hög kapacitans kan hindra dataöverföringen i system med elnätskommunikation. GMOV-skydd från Bourns har en låg kapacitans, mindre än 2 pF, vilket minimerar signalförvrängningen och därför påverkar de därmed inte dataöverföringen genom kraftledningarna nämnvärt.

GMOV-skydd från Bourns har också en läckström på mindre än 1 µA. Även om läckage kan tyckas vara en trivial fråga blir det mycket i stadsskaletillämpningar. Ett exempel är att i en tillämpning med gatubelysning med en läckström på 10 µA blir energiförlusten på grund av läckström betydande om man multiplicerar detta med den miljon gatlyktor som finns i ett typiskt stadsområde.

Sammanfattning

Tillkomsten av smart energiinfrastruktur - som kännetecknas av smarta elnät, smarta mätare och intelligent gatubelysning - har gjort att behovet av tillförlitliga, kostnadseffektiva och effektiva kommunikationssystem har hamnat i fokus. Som visas så är elnätskommunikation ett lämpligt alternativ, särskilt när systemen stöds av särskilda transformatorer för elnätskommunikation och GMOV-skydd för att säkerställa signalkvalitet och tillförlitlighet, och för att skydda mot transienter eller överspänningar, samtidigt som läckströmmen minimeras.