Két hasznos komponens villamoshálózati távközlési (PLC) rendszerek védelmére

Az intelligens energiainfrastruktúrák, például az intelligens hálózatok, az intelligens mérőórák és az intelligens közvilágítási rendszerek tervezőinek olyan platformokra van szükségük, melyek biztosítani tudják a megbízható, költséghatékony és biztonságos kommunikációt. Bár a vezeték nélküli technológiáknak lehet szerepük ebben, sebezhetőségük, költségeik és a lefedettségi korlátok miatt használatuk jelentős kihívásokkal jár. A meglévő elektromos hálózati vezetékeken történő villamoshálózati távközlés (PLC – Power Line Communication) egy jó alapvető technológia a kritikus kommunikáció lebonyolítására.

Bár a PLC egy jól definiált és széles körben használt technológia, a tervezőknek ismerniük kell azokat a tényezőket (például jelgyengülés, zaj és feszültség-tranziensek), amelyek zavarhatják a kommunikációt. E problémákra gyakorlatias és hatékony megoldásokat szükséges találni ahhoz, hogy a működés optimális legyen. Két ilyen megoldás a PLC-transzformátor és a GMOV túlfeszültség-védő.

A PLC-transzformátorokat úgy optimalizálták, hogy keskeny sávú (NB) rendszerekben való használatuk esetén a jelek beiktatási vesztesége minimális legyen. Emellett galvanikus elválasztást biztosítanak, és csökkentik az elektromágneses interferenciát (EMI), javítva a jelminőséget és a megbízhatóságot. A GMOV-ok hibrid túlfeszültségvédelmi alkatrészek, amelyek egy gázkisüléses csőből (GDT) és egy fémoxid-varisztorból (MOV) állnak. Úgy tervezték őket, hogy kiküszöböljék a zord és ellenőrizetlen környezetekben degradációra és hőmegfutásra hajlamos közönséges MOV-ok korlátait és meghibásodási problémáit.

Ez a cikk röviden áttekinti a PLC működését, és azt, hogy az intelligens infrastruktúráknál miért használható. Ezután példaként bemutat néhány Bourns gyártmányú PLC-transzformátort és GMOV-ot, azok működési elvét, és ismertet néhány tényezőt, amelyeket figyelembe kell venni a kiválasztásuk és alkalmazásuk során.

A PLC-technológia, alkalmazási területei és problémái

PLC-rendszerekben az átvinni kívánt adatokat egy vivőjelre modulálják, és a tápvezetékbe táplálják. Az egyes rendszerekre vonatkozó feltételek és körülmények széleskörűen eltérőek, de az elektromos hálózatokon történő adattovábbítás globális szabványaként az IEEE 1901.2-t alkalmazzák. Ez a szabvány határozza meg az alacsony (500 kHz-en aluli) frekvenciájú, legfeljebb 500 Kbits/s átviteli sebességű keskeny sávú kommunikációt, és olyan alkalmazási esetekre vonatkoztatható, mint az intelligens hálózatok, az intelligens mérőórák és az intelligens közvilágítás.

Bár az intelligens energiainfrastruktúrák tervezői számára a PLC-technológia hasznos megoldásnak bizonyult, nem mentes a maga problémáitól. Az ellene szóló tényezők közé tartozik a jelgyengülés, a zaj és a feszültség-tranziensek, melyek mind jelentősen ronthatják a kommunikáció minőségét és megbízhatóságát. Konkrétan:

• A jelgyengülés azért probléma, mert a PLC-jeleket nem adatokra, hanem energiaátvitelre tervezett vezetékeken továbbítják. Ezen vezetékek impedanciája olyan lehet, ami jelentős csillapítást okozhat, különösen nagy távolságokon. A jelerősség emiatti csökkenése rövidítheti a tényleges adattovábbítási távolságot, és adatvesztéshez vagy hibához vezethet.
• Zajt különböző források okozhatnak, például a tápvezetékre csatlakoztatott elektronikus készülékek, a tápellátás ingadozásai és a külső elektromágneses interferencia. Mivel a PLC-adatjelek frekvenciája viszonylag nagy, ezért különösen érzékenyek ezekre a zajforrásokra az árnyékolatlan elektromos hálózaton belül.
• Feszültség-tranziensek villámcsapásból vagy induktív terhelések kapcsolásából származhatnak. Az ilyen tranziensek magas feszültséget indukálhatnak a tápvezetéken, ami károsíthatja a PLC-modemeket.

A PLC-rendszerekre jellemző problémák megoldására a tervezők számára alapvetően két technológiai elem áll rendelkezésre: a PLC-transzformátorok és a GMOV túlfeszültség-védők. Mindkét típusú alkatrésznek döntő szerepe van a PLC-rendszerek megbízhatóságának, működési teljesítményének és biztonságosságának biztosításában.

Tervezési segédlet: PLC-transzformátorok és GMOV-ok működésének áttekintése csatolóáramkörökben

A PLC-transzformátorok és a GMOV-ok által kezelhető problémák szemléltetésére tekintsük át az 1. ábrán látható csatolóáramkört. Ennek az áramkörnek a feladata az, hogy leválassza a PLC modemet (Z_Module) a villamos hálózatról (Z_Line), de ugyanakkor egy útvonalat is biztosítson az adatjelek számára. Ennek során a csatolóáramkörnek egyaránt alkalmasnak kell lennie a nagyfrekvenciás, kis teljesítményű adatátvitelre és a kisfrekvenciás, nagy teljesítményű váltakozó áram elviselésére is.

1. ábra: A képen egy túlfeszültség ellen védett, egyszerűsített csatolóáramkör látható, amely leválasztja a PLC-modemet (Z_Module) a villamos hálózatról (Z_Line), miközben útvonalat biztosít az adatjelek számára is (kép: Bourns)

A PLC-transzformátor (T1) galvanikus leválasztást biztosít a PLC-modem és a tápvezeték között, leválasztva a PLC-t a váltakozó áramú hálózatról. E transzformátorok egyik legfontosabb jellemzője a minimális beiktatási veszteség, aminek köszönhetően a jel által elszenvedett torzulás és gyengülés minimális. A 2. ábrán példaként a Bourns 500 kHz alatti keskeny sávú rendszerekben történő használatra optimalizált PFB sorozatú PLC-transzformátorainak jelleggörbéje látható. Egy további előny, hogy a PLC-transzformátorok csillapítják az elektromágneses interferenciát, csökkentve a zajt, ami megbízhatóbb és hatékonyabb kommunikációt biztosít.

2. ábra: Az ábrán az 500 kHz alatti keskeny sávú rendszerekben történő használatra tervezett PFB sorozatú PLC-transzformátorokra jellemző beiktatási veszteség látható a frekvencia függvényében (kép: Bourns)

Visszatérve az 1. ábrára, a feszültség-tranziensek kezeléséért a GMOV túlfeszültség-védő a felelős (3. ábra). Ez az újonnan kifejlesztett eszköz egy hibrid túlfeszültség-védelmi alkatrész, amely túlfeszültségek esetén a MOV-ok gyors reakcióképességét egyesíti a gázkisüléses csövek (GDT-k) nagy áramfelvevő képességével. Ez a kombináció robusztus védelmet nyújt a villámcsapások által okozott, vagy a kapcsolások során keletkező feszültségtranziensek ellen, amelyek károsíthatják a PLC-rendszerek elektronikus áramköreit.

A GMOV-ok úgy vannak kialakítva, hogy soros kapacitív csatolásban tartalmazzák a MOV és a GDT elemeket. Alacsony frekvenciás jeleknél a GMOV-ok által biztosított feszültségkorlátozás megegyezik a MOV és a GDT külön-külön feszültségkorlátozásainak összegével.

3. ábra: A GMOV-oknál az MOV-ok gyors válaszideje ötvöződik a GDT-k nagy áramfelvételi képességével túlfeszültségek esetén (kép: Bourns)

A szabványos MOV-okkal ellentétben, amelyek degradációra és hőmegfutásra hajlamosak, a GMOV védőelemeket úgy tervezték, hogy jól tűrjék az ellenséges és ellenőrizetlen környezeteket. A MOV komponens a túlfeszültségeket biztonságos szintre korlátozza, míg a GDT feladata az, hogy szélsőséges túlfeszültségek esetén, elnyelő komponensként biztosítsa az üzembiztos működést. Ezen tulajdonságának köszönhetően elvezeti a túlzott energiát a MOV-tól, meghosszabbítva annak élettartamát és csökkentve a rendszer meghibásodásának valószínűségét.

Tervezési megfontolások PLC transzformátorok és GMOV túlfeszültség-védők használata esetén

Egy PLC-rendszerhez való vonali csatolóáramkör tervezésekor alaposan kell eljárni a kulcsfontosságú komponensek kiválasztásakor, mérlegelve az alkatrészeknek az áramkörökre és egymásra gyakorolt kölcsönhatását. A következőkben felsorolunk néhány fontos tényezőt, amelyeket figyelembe kell venni a tervezés során.

PLC-rendszer követelményei: A tervezési folyamat megkezdése előtt tisztában kell lenni a PLC-rendszer követelményeivel. Ez alatt többek között a szükséges adatátviteli sebesség, a működési tartomány, a működést biztosító tápvezetékek típusa és a külső környezeti feltételek értendők.

Biztonság és megfelelés: A biztonságra különösen oda kell figyelni azoknál a konstrukcióknál, amelyek érintésvédelmi szempontból nem védettek a felhasználóktól vagy karbantartóktól. Az adott rendszertől függően a kialakítás megkövetelheti az EN 62368-1 (informatikai és audiovizuális berendezések) vagy az EN 61885 (kommunikációs hálózatok és közműautomatizálás) szabványoknak való megfelelést.

Kommunikációs szempontból a kialakításoknak általában meg kell felelniük a CENELEC EN 50065-1 európai szabványnak, amely meghatározza a maximális jelszinteket és a megengedett vivőfrekvencia-sávokat.

PLC transzformátor kiválasztása: Ellenőrizni kell, hogy a transzformátor megfelel-e az üzemi frekvenciára, a feszültségre és az impedanciára vonatkozó követelményeknek. Például a korábban említett Bourns PFB sorozatot keskeny sávú PLC (NB-PLC) rendszerekre optimalizálták, így nagy távolságok lefedésére alkalmasak. Az alacsony és közepes feszültségek támogatásával a PFB sorozat beltéri és kültéri környezetben egyaránt használható.

Olyan menetszámarányú transzformátort kell választani, hogy a PLC-modem impedanciája egyezzen a tápvezeték impedanciájával. Sokszor a modem impedanciája nem változtatható, ezért a transzformátort kell gondosan kiválasztani úgy, hogy az impedancia a hatékony jelátvitelnek megfelelő legyen.

Figyelembe kell venni továbbá, hogy a kialakítás milyen környezetben kerül telepítésre. A PFB sorozat például standard és nyújtott formában is kapható. A standard PFBR45-ST13150S típust érintésvédelmileg biztonságos házakban történő használatra tervezték, míg a PFB45-SP13150S hosszúkás típus kiegészítő biztonsági tulajdonságokkal is rendelkezik olyan területeken történő használatra, ahol a karbantartók vagy a felhasználók hozzáférhetnek a készülékhez. Ez utóbbi típus megerősített szigetelése véd az áramütések ellen, és elszigeteli a végfelhasználót a veszélyes bemeneti feszültségektől. A 4. ábra a két típus főbb jellemzőit szemlélteti.

4. ábra: A hosszúkás PFB45-SP13150S PLC-transzformátor robosztusabb biztonsági képességekkel rendelkezik a PFBR45-ST13150S-hez képest (kép: Bourns)

GMOV túlfeszültség-védő kiválasztása: Megfelelő védőeszköz kiválasztásakor figyelembe kell venni, hogy a rendszer milyen típusú túlfeszültségekkel és feszültség-tranziensekkel szembesülhet. A Bourns kínálatában például szerepelnek 14 mm-es GMOV túlfeszültség-védők, mint például a 6 kA névleges lökőáramú GMOV-14D301K, valamint 20 mm-es változatok is, például a 10 kA névleges lökőáramú GMOV-20D151K. A méreteket és alkatrész lenyomatokat tekintve mind a 14, mind a 20 mm-es változatok kompatibilisek a szabványos MOV-okkal. Az 5. ábrán az ezen eszközök esetében elérhető konfigurációk teljes táblázata látható.

5. ábra: A GMOV túlfeszültség-védők 14 és 20 mm-es változatokban kaphatók; az utóbbiak nagyobb túlfeszültségi áramot bírnak el (kép: Bourns)

Fontos szem előtt tartani a kapacitást és a szivárgási áramot is. A nagy kapacitás akadályozhatja az adatátvitelt a PLC-rendszerekben. A Bourns GMOV túlfeszültség-védő 2 pF alatti kapacitásának köszönhetően a jeltorzulás minimális, ami azt jelenti, hogy ez az eszköz nem befolyásolja jelentősen a tápvezetékeken keresztüli adatátvitelt.

A Bourns GMOV túlfeszültség-védők szivárgási árama 1 µA-en aluli. Bár ez a szivárgás jelentéktelennek tűnhet, nagyvárosi léptékű rendszerekben mégis sokat számíthat. Például, ha egy utcai lámpás szivárgási árama 10 mikroamper, és ha ezt megszorozzuk egy tipikus városi terület egymillió utcai lámpájával, a szivárgás miatti energiaveszteség már jelentős lesz.

Összegzés

Az intelligens energetikai infrastruktúra megjelenése – amely alatt az intelligens hálózatok, az intelligens mérőórák és az intelligens közvilágítás értendő – előtérbe helyezte a megbízható, költséghatékony és hatékony kommunikációs rendszerek iránti igényt. Mint bemutattuk, a PLC-technológiás adatátvitel megfelelő lehetőség lehet, különösen akkor, ha a jelminőséget és a megbízhatóságot, a tranziensek vagy túlfeszültségek elleni védelmet és a szivárgási áram minimalizálását speciális PLC-transzformátorok és GMOV túlfeszültség-védők támogatják.