Cum se protejează sistemele de comunicații prin linii electrice (PLC): Două tehnologii care trebuie cunoscute

Proiectanții de infrastructuri energetice inteligente, cum ar fi rețelele inteligente, contoarele inteligente și iluminatul stradal inteligent, au nevoie de comunicații fiabile, rentabile și sigure. Deși tehnologiile wireless au un rol important, vulnerabilitățile, costurile și limitările de acoperire ale acestora reprezintă provocări semnificative. Tehnologia de comunicare prin linii electrice (PLC), care permite transferul de date prin intermediul liniilor electrice existente, reprezintă o bună tehnologie de bază pentru comunicațiile critice.

Deși PLC este bine definit și utilizat pe scară largă, există unele probleme de care proiectanții trebuie să fie conștienți și care pot perturba comunicarea, cum ar fi atenuarea semnalului, zgomotul și fenomenele tranzitorii de tensiune. Abordarea acestor probleme necesită soluții practice și eficiente pentru a asigura o performanță optimă. Două astfel de soluții sunt transformatoarele PLC și dispozitivele de protecție la supratensiune GMOV.

Transformatoarele PLC sunt optimizate pentru pierderi minime la inserție în cadrul aplicațiilor cu bandă îngustă (NB). De asemenea, acestea reduc izolarea galvanică și interferențele electromagnetice (EMI), îmbunătățind calitatea și fiabilitatea semnalului. Un GMOV este o componentă hibridă de protecție la supratensiune care combină un tub de descărcare în gaz (GDT) și un varistor cu oxid metalic (MOV). Acesta este conceput pentru a depăși limitările și problemele de defecțiune ale MOV-urilor standard, care sunt susceptibile la degradare și la avalanșe termice în medii dure și necontrolate.

Acest articol trece în revistă modul în care funcționează un PLC și de ce este potrivit pentru infrastructura inteligentă. În continuare, sunt prezentate exemple de transformatoare PLC și de dispozitive de protecție GMOV de la Bourns, se arată cum funcționează și se prezintă unii factori de luat în considerare la alegerea și aplicarea acestora.

Funcționarea PLC, aplicații și provocări

Într-un sistem PLC, datele care urmează să fie transmise sunt modulate pe un semnal purtător și injectate în linia electrică. Detaliile variază foarte mult de la o aplicație la alta, dar IEEE 1901.2 este standardul global pentru rețelele electrice. Se specifică comunicările NB de joasă frecvență [≤ 500 kilohertzi (kHz)] de până la 500 kilobiți pe secundă (Kbit/s), iar acestea sunt adecvate pentru aplicații precum rețelele inteligente, contoarele inteligente și iluminatul stradal inteligent.

Deși tehnologia PLC s-a dovedit a fi o soluție utilă pentru proiectanții de infrastructuri energetice inteligente, aceasta nu este lipsită de provocări. Obstacolele legate de proiectare includ atenuarea semnalului, zgomotul și fenomenele tranzitorii de tensiune, toate acestea putând degrada semnificativ calitatea și fiabilitatea comunicațiilor. Mai exact:

• Atenuarea semnalului este o problemă deoarece semnalele PLC utilizează linii care au fost proiectate pentru energie, nu pentru date. Aceste linii au caracteristici de impedanță care pot impune o atenuare considerabilă, în special pe distanțe lungi. Scăderea rezultantă a intensității semnalului poate reduce raza de acțiune efectivă și poate duce la pierderi sau erori de date.
• Zgomotul poate fi introdus din diferite surse, cum ar fi aparatele electronice conectate la liniile de alimentare, variațiile de alimentare și EMI externe. Natura de frecvență relativ înaltă a semnalelor de date PLC le face deosebit de sensibile la aceste surse de zgomot în cadrul rețelei electrice neprotejate.
• Fenomenele tranzitorii de tensiune pot apărea din cauza descărcărilor electrice sau a comutării sarcinilor inductive. Astfel de fenomene tranzitorii pot induce tensiuni ridicate pe linia de alimentare, ceea ce poate deteriora modemurile PLC.

Atunci când abordează provocările cu care se confruntă sistemele PLC, proiectanții au la dispoziție două tehnologii cheie pe care le pot aplica: transformatoarele PLC și dispozitivele de protecție GMOV. Ambele componente au un rol crucial în garantarea fiabilității, performanței și siguranței sistemelor PLC.

Revizuirea proiectului: Transformatoare PLC și GMOV-uri în circuitul de cuplare

Pentru a ilustra problemele pe care le pot rezolva transformatoarele PLC și GMOV-urile, luați în considerare circuitul de cuplare ilustrat în Figura 1. Acest circuit trebuie să izoleze modemul PLC (Z_Module) de linia de rețea (Z_Line), oferind în același timp o cale pentru semnalul de date. În același timp, circuitul de cuplare trebuie să gestioneze atât comunicațiile de înaltă frecvență și de putere mică, cât și cele de joasă frecvență și de mare putere în curent alternativ.

Figura 1: Este prezentat un circuit de cuplare simplificat cu protecție la supratensiune care izolează modemul PLC (Z_Module) de linia de rețea (Z_Line), oferind în același timp o cale pentru semnalul de date. (Sursă imagine: Bourns)

Transformatorul PLC (T1) asigură o izolare galvanică între modemul PLC și linia de alimentare, ajutând la separarea PLC-ului de rețeaua de curent alternativ. O caracteristică cheie a acestor transformatoare este pierderea minimă la inserție, ce reduce distorsiunea și atenuarea semnalului. De exemplu, Figura 2 prezintă performanța transformatoarelor PLC din seria PFB de la Bourns, care sunt optimizate pentru aplicații NB de sub 500 kHz. În plus, capacitatea unui transformator PLC de a suprima EMI ajută la reducerea zgomotului, contribuind la o comunicare mai fiabilă și mai eficientă.

Figura 2: Este prezentat un grafic al pierderii la inserție în funcție de frecvență pentru transformatoarele PLC din seria PFB, care sunt adaptate pentru aplicații NB sub 500 kHz. (Sursă imagine: Bourns)

În Figura 1, din nou, fenomenele tranzitorii de tensiune sunt gestionate de dispozitivul de protecție GMOV (Figura 3). Acest dispozitiv nou este o componentă hibridă de protecție la supratensiune care integrează răspunsul rapid al unui MOV și capacitatea mare de gestionare a supratensiunii de curent a unui GDT. Această combinație asigură o protecție robustă împotriva fenomenelor tranzitorii de tensiune cauzate de descărcări electrice sau de evenimente de comutare care pot deteriora circuitele electronice din sistemele PLC.

Într-un GMOV, componentele MOV și GDT sunt cuplate capacitiv într-o configurație în serie. În condiții de frecvență joasă, limitarea tensiunii componentei GMOV este egală cu suma limitărilor de tensiune ale componentelor MOV și GDT.

Figura 3: GMOV combină reacția rapidă a unui MOV cu capacitatea mare de gestionare a supratensiunilor de curent a unui GDT. (Sursă imagine: Bourns)

Spre deosebire de MOV-urile standard, care sunt predispuse la degradare și la avalanșe termice, dispozitivul de protecție GMOV este proiectat să reziste în medii dure și necontrolate. Componenta MOV limitează tensiunile excesive la niveluri sigure, în timp ce GDT acționează ca o siguranță în condiții de supratensiune extremă. Această funcție redirecționează energia excesivă departe de MOV, prelungind astfel durata de viață a acestuia și reducând probabilitatea de defectare a sistemului.

Considerente privind proiectarea pentru transformatoare PLC și dispozitive de protecție GMOV

Proiectarea unui circuit de cuplare a liniei pentru un sistem PLC necesită o analiză atentă a componentelor cheie și a interacțiunilor acestora. Iată câteva dintre aspectele care trebuie luate în considerare pentru proiectare.

Cerințe de sistem PLC: Înainte de a începe procesul de proiectare, trebuie să aveți o înțelegere clară a cerințelor sistemului PLC. Aceasta include rata de transfer de date necesară, intervalul de funcționare, tipul de linii electrice pe care va funcționa și condițiile de mediu la care va fi expus.

Siguranță și conformitate: Siguranța reprezintă o preocupare deosebită pentru proiectele la care pot avea acces utilizatorii sau tehnicienii de întreținere. În funcție de aplicație, proiectarea poate necesita conformitatea cu EN 62368-1 (echipamente IT și audio-vizuale) sau EN 61885 (rețele de comunicații și automatizări de utilități electrice).

Din punctul de vedere al comunicațiilor, proiectele trebuie să respecte, de obicei, standardul european CENELEC EN 50065-1, care definește nivelurile maxime de semnal, precum și benzile de frecvență purtătoare permise.

Selectarea unui transformator PLC: Verificați dacă transformatorul îndeplinește cerințele privind frecvența de funcționare, tensiunea și impedanța. De exemplu, dispozitivele din seria PFB de la Bourns menționată anterior sunt optimizate pentru aplicații NB PLC (NB-PLC), ceea ce le face potrivite pentru funcționarea la distanță mare. Oferind compatibilitate pentru intervale de tensiune joasă și medie, seria PFB poate fi utilizată atât în interior, cât și în exterior.

Asigurați-vă că alegeți un transformator cu un raport de transformare care să permită ca impedanța modemului PLC să se potrivească cu impedanța liniei electrice. De multe ori, impedanța modemului nu poate fi schimbată, astfel încât transformatorul trebuie să fie selectat cu atenție pentru a obține o potrivire a impedanței pentru o transmisie eficientă a semnalului.

De asemenea, luați în considerare mediul aplicației. De exemplu, seria PFB este disponibilă atât în formă standard, cât și în formă alungită. Modelul standard PFBR45-ST13150S este proiectat pentru utilizarea în carcase securizate, în timp ce modelul alungit PFB45-SP13150S adaugă caracteristici de siguranță pentru utilizarea în zone în care tehnicienii de întreținere sau utilizatorii pot avea acces la el. Izolația consolidată a modelului din urmă protejează împotriva șocurilor electrice și izolează utilizatorul final de tensiunile de intrare periculoase. Figura 4 ilustrează principalele caracteristici ale celor două modele.

Figura 4. Transformatorul PLC PFB45-SP13150S alungit are caracteristici de siguranță mai robuste decât PFBR45-ST13150S. (Sursa imaginii: Bourns)

Selectarea unui dispozitiv de protecție GMOV: Luați în considerare tipurile de supratensiuni și de fenomene tranzitorii de tensiune cu care s-ar putea confrunta sistemul atunci când selectați un dispozitiv de protecție adecvat. De exemplu, Bourns oferă dispozitive de protecție GMOV de 14 milimetri (mm), cum ar fi GMOV-14D301K, care suportă curenți de supratensiune de 6 kiloamperi (kA), precum și variante de 20 mm, ca GMOV-20D151K, care suportă curenți de supratensiune de 10 kA. În special, atât variantele de 14 mm, cât și cele de 20 mm sunt compatibile cu MOV-urile standard din punctul de vedere al dimensiunii și al amprentei. Figura 5 oferă lista completă a configurațiilor disponibile pentru aceste dispozitive.

Figura 5: Dispozitivele de protecție GMOV sunt disponibile în variante de 14 și 20 mm, acestea din urmă suportând curenți de supratensiune mai mari. (Sursa imaginii: Bourns)

De asemenea, este important să țineți cont de capacitate și de curentul de scurgere. Capacitatea ridicată poate împiedica transmiterea datelor în sistemele PLC. Capacitatea redusă a dispozitivului de protecție Bourns GMOV, mai mică de 2 picofarazi (pF), reduce la minimum distorsiunea semnalului, ceea ce înseamnă că nu afectează în mod semnificativ transmisia de date pe liniile electrice.

De asemenea, dispozitivele de protecție GMOV de la Bourns au un curent de scurgere mai mic de 1 microamper (µA). Deși scurgerile pot părea o chestiune banală, ele se adună în cazul aplicațiilor la scară urbană. De exemplu, într-o aplicație de iluminat stradal cu un curent de scurgere de 10 microamperi, înmulțind această valoare cu un milion de lămpi stradale dintr-o zonă urbană tipică, pierderea de energie datorată scurgerilor devine semnificativă.

Concluzie

Apariția unei infrastructuri energetice inteligente – caracterizată prin rețele inteligente, contoare inteligente și iluminat public inteligent – a adus în prim-plan nevoia de sisteme de comunicații fiabile, rentabile și eficiente. După cum s-a arătat, PLC este o opțiune adecvată, în special atunci când este susținută de transformatoare PLC specializate și de dispozitive de protecție GMOV pentru a asigura calitatea și fiabilitatea semnalului și pentru a proteja împotriva fenomenelor tranzitorii sau a supratensiunilor, minimizând în același timp curentul de scurgere.