Datasähkön (PLC) suojaaminen: kaksi hyödyllistä teknologiaa

Kirjoittaja Kenton Williston

Julkaisija DigiKeyn kirjoittajat Pohjois-Amerikassa

2023-08-09

Kun suunnitellaan älykästä energiainfrastruktuuria, kuten älykkäitä sähkönjakeluverkkoja, älykkäitä mittareita ja älykästä katuvalaistusta, tarvitaan luotettavaa, kustannustehokasta ja turvallista viestintää. Vaikka langattomilla teknologioilla on oma roolinsa, niiden haavoittuvuudet, kustannukset ja kattavuusrajoitukset aiheuttavat merkittäviä haasteita. Datasähkö (Power Line Communication, PLC), joka mahdollistaa tiedonsiirron olemassa olevien voimalinjojen kautta, tarjoaa hyvän teknologian kriittisen tärkeän viestinnän perustaksi.

Vaikka PLC on hyvin määritelty ja laajalti käytetty teknologia, suunnittelijoiden tulee huomioida, että viestintää voivat häiritä esimerkiksi signaalin vaimentuminen, kohina ja jännitetransientit. Näiden ongelmien ratkaiseminen edellyttää käytännöllisiä ja tehokkaita ratkaisuja optimaalisen suorituskyvyn varmistamiseksi. Kaksi tällaista ratkaisua ovat PLC-muuntajat ja GMOV-ylijännitesuojat.

PLC-muuntajat on optimoitu minimoimaan kytkentähäviöitä kapeakaistasovelluksissa (NB). Ne myös vähentävät galvaanista erotusta ja sähkömagneettisia häiriöitä (EMI) parantaen signaalin laatua ja luotettavuutta. GMOV on hybridimallinen ylijännitesuojakomponentti, jossa yhdistyvät kaasupurkausputki (GDT) ja metallioksidivaristori (MOV). Se on suunniteltu korjaamaan tavanomaisille MOV-komponenttien rajoituksia ja vikaantumisongelmia, sillä näiden toiminta voi heikentyä ja niissä voi kehittyä lämpöryntäys vaativissa ja hallitsemattomissa ympäristöissä.

Tässä artikkelissa tarkastellaan lyhyesti PLC-teknologian toimintaa ja sitä, miksi se sopii älykkääseen infrastruktuuriin. Sen jälkeen artikkelissa esitellään esimerkkejä PLC-muuntajista ja GMOV-suojakomponenteista Bourns-yritykseltä, kuvaillaan niiden toimintaa ja esitetään joitakin tekijöitä, jotka on otettava huomioon niitä valittaessa ja käytettäessä.

PLC-teknologian toiminta, käyttökohteet ja haasteet

PLC-järjestelmässä siirrettävät tiedot moduloidaan kantoaaltosignaaliin ja syötetään voimalinjaan. Yksityiskohdat vaihtelevat suuresti eri käyttökohteiden kesken, mutta IEEE 1901.2 on sähköverkkojen maailmanlaajuinen standardi. Se määrittää matalataajuisen (≤ 500 kilohertsiä) NB-tiedonsiirron, jonka nopeus on enintään 500 kbps ja joka sopii älykkäiden sähköverkkojen, älykkäiden mittareiden ja älykkään katuvalaistuksen kaltaisiin käyttökohteisiin.

Vaikka PLC-teknologia on osoittautunut hyödylliseksi ratkaisuksi älykkään energiainfrastruktuurin suunnittelijoille, siinäkin on omat haasteensa. Suunnittelun ongelmakohtia ovat signaalin vaimentuminen, kohina ja jännitetransientit, jotka kaikki voivat heikentää merkittävästi tiedonsiirron laatua ja luotettavuutta. Erityisesti:

Signaalin vaimentuminen on ongelma, koska PLC-signaalit käyttävät johtimia, jotka on suunniteltu sähkön siirtoa, ei tiedonsiirtoa varten. Näiden johtimien impedanssiominaisuudet voivat aiheuttaa huomattavaa vaimentumista erityisesti pitkillä etäisyyksillä. Tästä seuraava signaalin voimakkuuden lasku voi pienentää tehokasta toimintaetäisyyttä ja johtaa tietojen menetykseen tai virheisiin.
Useat eri lähteet voivat synnyttää kohinaa, esimerkiksi sähköverkkoon kytketyt sähkölaitteet, virransyötön vaihtelut ja ulkoiset sähkömagneettisiset häiriöt. PLC-datasignaalien suhteellisen korkea taajuus tekee niistä erityisen alttiita näille kohinalähteille suojaamattomassa sähköverkossa.
Salamaniskut ja induktiivisten kuormien kytkeminen voivat synnyttää jännitetransientteja. Tällaiset transientit voivat synnyttää korkeita jännitteitä voimalinjaan ja vahingoittaa PLC-modeemeja.

PLC-järjestelmien haasteisiin voidaan vastata kahdella avainteknologialla: PLC-muuntajilla ja GMOV-suojilla. Molemmat komponentit ovat keskeisessä roolissa PLC-järjestelmien luotettavuuden, suorituskyvyn ja turvallisuuden varmistamisessa.

Ratkaisun tarkastelu: PLC-muuntajat ja GMOV-komponentit kytkentäpiirissä

Tarkastellaanpa kuvassa 1 esitettyä kytkentäpiiriä PLC-muuntajien ja GMOV-suojien ratkaisemien ongelmien havainnollistamiseksi. Tämän piirin on erotettava PLC-modeemi (Z-_Module) verkkovirrasta (Z-_Line) ja samalla tarjottava polku datasignaalille. Tällöin kytkentäpiirin on käsiteltävä sekä korkeataajuista ja matalatehoista tiedonsiirtoa että matalataajuista ja korkeatehoista vaihtovirtaa.

Kuva yksinkertaistetusta kytkentäpiiristä, jossa on ylijännitesuojaus Kuva 1: Kuvassa on yksinkertaistettu kytkentäpiiri, jossa on ylijännitesuojaus. Se erottaa PLC-modeemin (Z-_Module) verkkovirrasta (Z-_Line) ja tarjoaa samalla polun datasignaalille. (Kuvan lähde: Bourns)

PLC-muuntaja (T1) erottaa PLC-modeemin ja verkkovirran galvaanisesti, mikä auttaa pitämään PLC:n erillään verkkovirrasta. Näiden muuntajien keskeinen ominaisuus on niiden minimaalinen kytkentähäviö, joka vähentää signaalivääristymiä ja vaimentumista. Esimerkiksi kuvassa 2 esitetään Bournsin PFB-sarjan PLC-muuntajien suorituskykyä. Ne on optimoitu alle 500 kHz:n NB-sovelluksiin. Lisäksi PLC-muuntajan kyky vaimentaa sähkömagneettisia häiriöitä auttaa vähentämään kohinaa, minkä ansiosta tiedonsiirto on luotettavampaa ja tehokkaampaa.

Kuva 2: Kuvassa esitetään kaavio alle 500 kHz:n NB-sovelluksiin räätälöityjen PFB-sarjan PLC-muuntajien kytkentähäviöstä taajuuden funktiona. (Kuvan lähde: Bourns)

Kuvassa 1 GMOV-suoja hoitaa jälleen jännitetransientit (kuva 3). Tämä uutuuslaite on hybridimallinen ylijännitesuojakomponentti, joka yhdistää MOV:n nopean vasteen ja GDT:n korkean virtapiikkien käsittelykyvyn. Tämä yhdistelmä tarjoaa robustin suojauksen salamaniskujen tai kytkentätapahtumien synnyttämiä jännitetransientteja vastaan, jotka voivat vahingoittaa PLC-järjestelmien elektronisia piirejä.

GMOV-piirissä MOV- ja GDT-komponentit on kytketty kapasitiivisesti sarjaan. Matalilla taajuuksilla GMOV-komponentin jänniterajoitus vastaa MOV- ja GDT-komponenttien jänniterajoituksen summaa.

Kuvassa GMOV yhdistää MOV:n nopean vasteen ja GDT:n korkean virtapiikkien käsittelykyvyn Kuva 3: GMOV yhdistää MOV:n nopean vasteen ja GDT:n korkean virtapiikkien käsittelykyvyn. (Kuvan lähde: Bourns)

Toisin kuin tavalliset MOV-komponentit, joiden toiminta voi heiketä ja joissa voi kehittyä lämpöryntäys, GMOV-suoja on suunniteltu kestämään ankaria ja hallitsemattomia ympäristöjä. MOV-komponentti rajoittaa korkean jännitteen turvalliselle tasolle, kun taas GDT suojaa liian korkeilta virtapiikeiltä. Tämä toiminto ohjaa liiallisen energian pois MOV-komponentista, mikä pidentää sen käyttöikää ja vähentää järjestelmän toimintahäiriön todennäköisyyttä.

PLC-muuntajien ja GMOV-suojien suunnitteluun liittyviä huomioita

PLC-järjestelmän verkkovirtaan yhdistävän kytkentäpiirin suunnittelu edellyttää keskeisten komponenttien ja niiden vuorovaikutuksen huolellista huomioimista. Seuraavassa on muutamia suunnittelussa huomioon otettavia seikkoja.

PLC-järjestelmävaatimukset: ennen suunnitteluprosessin aloittamista on ymmärrettävä PLC-järjestelmän vaatimukset. Tämä sisältää vaaditun tiedonsiirtonopeuden, toimintaetäisyyden, käytettävän verkkovirran tyypin ja ympäristöolosuhteet.

Turvallisuus ja vaatimustenmukaisuus: turvallisuus koskee erityisesti malleja, joihin käyttäjät tai huoltotyöntekijät voivat päästä käsiksi. Käyttökohteesta riippuen ratkaisu voi edellyttää standardien EN 62368-1 (IT- ja audiovisuaaliset laitteet) tai EN 61885 (viestintäverkot ja verkkoautomaatio) noudattamista.

Viestintänäkökulmasta katsottuna ratkaisuiden on yleensä noudatettava eurooppalaista CENELEC EN 50065-1 ‑standardia, jossa määritellään signaalien enimmäistasot ja kantoaallon sallitut taajuuskaistat.

PLC-muuntajan valinta: tarkista, että muuntaja täyttää toimintataajuus-, jännite- ja impedanssivaatimukset. Esimerkiksi aiemmin mainittu Bournsin PFB-sarja on optimoitu NB PLC (NB-PLC) ‑sovelluksiin ja ne sopivat käytettäviksi pitkän etäisyyden yhteyksiin. PFB-sarjaa voidaan käyttää sekä sisä- että ulkotiloissa, koska se tukee sekä matalaa että keskisuurta jännitealuetta.

Muista valita muuntaja, jonka muuntosuhde mahdollistaa PLC-modeemin impedanssisovituksen sähköverkon impedanssiin. Modeemin impedanssia ei useinkaan voida muuttaa, joten muuntaja on valittava huolellisesti impedanssisovitusta ja signaalin siirtotehokkuutta varten.

Myös sovellusympäristö on otettava huomioon. Esimerkiksi PFB-sarja on saatavana sekä vakiomuotoisena että pidennettynä versiona. Vakiomalli PFBR45-ST13150S on suunniteltu käytettäväksi suojakoteloissa, kun taas pidennetyssä versiossa PFB45-SP13150S on lisättyjä turvaominaisuuksia, jotta sitä voidaan käyttää paikoissa, joissa huoltotyöntekijöillä tai käyttäjillä on pääsy siihen. Tämän jälkimmäisen mallin vahvistettu eristys suojaa sähköiskuilta ja eristää loppukäyttäjän vaarallisilta syöttöjännitteiltä. Kuvassa 4 esitellään näiden kahden mallin tärkeimmät ominaisuudet.

Bournsin osanumero	Ensiö induktanssi 100 kHz / 1 V		Hajainduktanssi 100 kHz / 1 V (kaikki toisionastat oikosulussa)		Muuntosuhde		Maks. tasavirtavastus		Käämien välinen kapasitanssi, taajuus 50 kHz:		Korkeajännite 1 s / 1 mA
PFBR45-ST13150S	(1–4)	1 mH, +35 %, –30 %	(1–4)	1,5 μH tyyp. (maks. 2 μH)	(1–4):(7–5)	2:1 ±3 %	(1–4)	215 mΩ	(1,4–5,6,7,8)	Maks. 30 pF	(1–8) kun (6,7) oikosulussa	2 000 V_AC
					(1–4):(7–5)	2:1 ±3 %	(1–4):(8–6)	2:1 ±3 %
					(7–5)	115 mΩ	(8–6)	105 mΩ
PFBR45-SP13150S	(9–6)	1,15 mH, +3 %	(9–6)	Maks. 1,3 μH	(9–6):(1–4)	2:1 ±3 %	(9–6)	500 mΩ	(9,6–1,2,4,5)	Maks. 30 pF	(9–1) kun (2,4) oikosulussa	4 500 V_AC
PFBR45-SP13150S	(9–6)	1,15 mH, +3 %	(9–6)	Maks. 1,3 μH	(9–6):(2–5)	2:1 ±3 %	(1–5) kun (2,4) oikosulussa	350 mΩ	(9,6–1,2,4,5)	Maks. 30 pF	(1–5)	625 V_AC

Kuva 4. Pidemmässä PFB45-SP13150S-mallin PLC-muuntajassa on robustimmat turvaominaisuudet kuin PFBR45-ST13150S-mallissa. (Kuvan lähde: Bourns)

GMOV-suojan valinta: Sopivaa suojainta valittaessa kannattaa tarkastella sitä, millaisia virta- ja jännitetransientteja järjestelmään saattaa kohdistua. Bourns tarjoaa esimerkiksi 14 millimetrin GMOV-suojia, kuten GMOV-14D301K, joiden virtapiikkiluokitus on 6 kiloampeeria, sekä 20 mm:n versioita, kuten GMOV-20D151K, joiden virtapiikkiluokitus on 10 kA. Kannattaa huomata, että sekä 14:n että 20 mm:n versioiden koko ja tarvittava tila ovat yhteensopivia normaalien MOV-komponenttien kanssa. Kuvassa 5 esitetään kattava luettelo näille laitteille saatavilla olevista konfiguraatioista.


Bournsin osanumero	Käyttö				Suojaus
	Maks. jatkuva käyttöjännite (MCOV)		Maks. vuotovirta kun MCOV	Maks. kapasitanssi	I_nom UL 1449/4.	I_max	Rengasaaltosyöksyjännite IEEE 62.41	Suojaustason virtaluokka IEC 61051-1		Jänniterajoituksen siirtymäaika	Energia
	V_RMS	V_DC	A_RMS	1 MHz	15 Op.	1 Op.	200 A	Maks.	Tyyp.	Jänniterajoituksen siirtymäaika	8/20 μs
	V	V	μA	pF	A	A	Op.	V_FP	V_C	μs	J
GMOV-14D450K	45	56	<1	4	3 000	6 000	±250	900	150	0,3	24
GMOV-14D500K	50	65	<1	4	3 000	6 000	±250	800	150	0,3	27
GMOV-14D650K	65	85	<1	4	3 000	6 000	±250	800	185	0,3	33
GMOV-14D950K	95	125	<1	4	3 000	6 000	±250	800	270	0,3	53
GMOV-14D111K	115	150	<1	4	3 000	6 000	±250	800	320	0,3	60
GMOV-14D131K	130	170	<1	4	3 000	6 000	±250	800	360	0,3	70
GMOV-14D141K	140	180	<1	4	3 000	6 000	±250	950	380	0,3	78
GMOV-14D151	150	200	<1	4	3 000	6 000	±250	950	420	0,3	84
GMOV-14D171K	175	225	<1	4	3 000	6 000	±250	950	470	0,3	99
GMOV-14D231K	230	300	<1	4	3 000	6 000	±250	1 300	620	0,3	130
GMOV-14D251K	250	320	<1	4	3 000	6 000	±250	1 300	675	0,3	140
GMOV-14D271K	275	350	<1	4	3 000	6 000	±250	1 300	730	0,3	155
GMOV-14D301K	300	385	<1	4	3 000	6 000	±250	1 300	800	0,3	175
GMOV-14D321K	320	145	<1	4	3 000	6 000	±250	1 300	875	0,3	180
GMOV-20D450K	45	56	<1	4	5 000	10 000	±250	950	150	0,3	49
GMOV-20D500K	50	65	<1	4	5 000	10 000	±250	900	150	0,3	56
GMOV-20D650K	65	85	<1	4	5 000	10 000	±250	900	185	0,3	70
GMOV-20D950K	95	125	<1	4	5 000	10 000	±250	900	270	0,3	106
GMOV-20D111K	115	150	<1	4	5 000	10 000	±250	950	320	0,3	130
GMOV-20D131K	130	170	<1	4	5 000	10 000	±250	950	360	0,3	140
GMOV-20D141K	140	180	<1	4	5 000	10 000	±250	950	380	0,3	155
GMOV-20D151K	150	200	<1	4	5 000	10 000	±250	950	420	0,3	168
GMOV-20D171K	175	225	<1	4	5 000	10 000	±250	950	470	0,3	190
GMOV-20D231K	230	300	<1	4	5 000	10 000	±250	1 300	620	0,3	255
GMOV-20D251K	250	320	<1	4	5 000	10 000	±250	1 300	675	0,3	275
GMOV-20D271K	275	350	<1	4	5 000	10 000	±250	1 300	730	0,3	305
GMOV-20D301K	300	385	<1	4	5 000	10 000	±250	1 300	800	0,3
GMOV-20D321K	320	415	<1	4	5 000	10 000	±250	1 300	875	0,3	360

Kuva 5: GMOV-suojia on saatavilla 14:n ja 20 mm:n versioina, joista jälkimmäisen virtapiikkiluokitus on korkeampi. (Kuvan lähde: Bourns)

On myös tärkeää huomioida kapasitanssi ja vuotovirta. Korkea kapasitanssi voi haitata tiedonsiirtoa PLC-järjestelmissä. Bournsin GMOV-suojan matala kapasitanssi (alle 2 pF) minimoi signaalivääristymän, minkä ansiosta se ei vaikuta merkittävästi tiedonsiirtoon sähköverkon kautta.

Bournsin GMOV-suojissa on myös alle 1 μA:n vuotovirta. Vaikka vuodot saattavat tuntua vähäisiltä, kaupungin laajuisessa käytössä niistä kasvaa suuri virta. Otetaanpa esimerkiksi katuvalosovellus, jonka vuotovirta on 10 mikroampeeria. Kun se kerrotaan tyypillisen kaupunkialueen miljoonalla katuvalolla, vuodosta aiheutuukin jo merkittävä energiahäviö.

Yhteenveto

Älykäs energiainfrastruktuuri, jolle ovat ominaisia älykkäät sähköverkot, älykkäät mittarit ja älykäs katuvalaistus, on yleistynyt, mikä puolestaan on nostanut esiin tarpeen luotettaville, kustannustehokkaille ja tehokkaille viestintäjärjestelmille. Kuten artikkelissa on esitetty, PLC on sopiva vaihtoehto tähän, erityisesti, kun siinä käytetään erityisiä PLC-muuntajia ja GMOV-suojaimia. Nämä varmistavat signaalin laadun ja luotettavuuden sekä suojaavat sitä transienteilta ja syöksyjännitteiltä sekä minimoivat samalla vuotovirran.

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of DigiKey or official policies of DigiKey.