Schutz von Systemen zur Kommunikation über Stromversorgungsleitungen (PLC): Zwei Technologien, die man kennen sollte

Entwickler intelligenter Energieinfrastrukturen, wie z. B. intelligenter Netze, intelligenter Zähler und intelligenter Straßenbeleuchtung, benötigen eine zuverlässige, preiswerte und sichere Kommunikation. Drahtlose Technologien können zwar eine Rolle spielen, aber ihre Anfälligkeit, ihre Kosten und ihre begrenzte Reichweite stellen erhebliche Herausforderungen dar. Die PLC-Technologie (Power Line Communication), die die Datenübertragung über bestehende Stromleitungen ermöglicht, ist eine gute Basistechnologie für kritische Kommunikation.

Obwohl PLC gut definiert und weit verbreitet ist, gibt es einige Probleme, die beachtet werden müssen und die die Kommunikation stören können, wie z. B. Signaldämpfung, Rauschen und Spannungsspitzen. Die Bewältigung dieser Probleme erfordert praktische und effiziente Lösungen, um eine optimale Performance zu gewährleisten. Zwei dieser Lösungen sind PLC-Übertrager und GMOV-Komponenten gegen Überspannungen.

PLC-Übertrager sind für minimale Einfügungsdämpfung in Schmalbandanwendungen (NB) optimiert. Außerdem verringern sie die galvanische Trennung und elektromagnetische Störungen (EMI) und verbessern so die Signalqualität und Zuverlässigkeit. Ein GMOV ist ein hybrides Überspannungsschutzbauteil, das eine Gasentladungsröhre (GDT) und einen Metalloxidvaristor (MOV) kombiniert. Er wurde entwickelt, um die Einschränkungen und Ausfallprobleme von Standard-MOVs zu überwinden, die in rauen und unkontrollierten Umgebungen anfällig für Degradation und thermisches Durchgehen sind.

Dieser Artikel gibt einen kurzen Überblick darüber, wie eine PLC-Komponente funktioniert und warum sie für intelligente Infrastrukturen geeignet ist. Anschließend werden Beispiele für PLC-Übertrager und GMOV-Schutzeinrichtungen von Bourns vorgestellt, ihre Funktionsweise erläutert und einige Faktoren dargelegt, die bei der Auswahl und Anwendung zu berücksichtigen sind.

PLC-Betrieb, Anwendungen und Herausforderungen

In einem PLC-System werden die zu übertragenden Daten auf ein Trägersignal moduliert und in die Stromleitung eingespeist. Die Details sind je nach Anwendung sehr unterschiedlich, aber IEEE 1901.2 ist der weltweite Standard für Stromnetze. Die Norm spezifiziert Niederfrequenz-NB-Kommunikation (≤500 Kilohertz (kHz)) mit bis zu 500 Kilobit pro Sekunde (Kbit/s) und eignet sich für Anwendungen wie intelligente Netze, intelligente Zähler und intelligente Straßenbeleuchtung.

Die PLC-Technologie hat sich zwar als nützliche Lösung für die Entwicklung intelligenter Energieinfrastrukturen erwiesen, ist aber nicht ohne Probleme. Zu den Design-Hürden gehören Signaldämpfung, Rauschen und Spannungsspitzen, die die Qualität und Zuverlässigkeit der Kommunikation erheblich beeinträchtigen können. Im Einzelnen:

• Signaldämpfung ist ein Problem, da PLC-Signale Leitungen verwenden, die für die Stromversorgung und nicht für Daten ausgelegt sind. Diese Leitungen haben eine Impedanzcharakteristik, die insbesondere bei großen Entfernungen eine erhebliche Dämpfung bewirken kann. Die daraus resultierende Abschwächung der Signalstärke kann die effektive Reichweite verringern und möglicherweise zu Datenverlusten oder Fehlern führen.
• Rauschen kann von verschiedenen Quellen stammen, z. B. von elektronischen Geräten, die an die Stromleitungen angeschlossen sind, von Schwankungen der Stromversorgung und von externen EMI. Die relativ hohe Frequenz von PLC-Datensignalen macht sie besonders anfällig für diese Störquellen innerhalb des ungeschirmten Stromnetzes.
• Spannungstransienten können durch Blitzeinschläge oder das Schalten von induktiven Lasten auftreten. Solche Transienten können hohe Spannungen auf der Stromleitung induzieren, die die PLC-Modems beschädigen können.

Bei der Bewältigung der Herausforderungen, mit denen PLC-Systeme konfrontiert sind, stehen zwei Schlüsseltechnologien zur Verfügung: PLC-Übertrager und GMOV-Schutzbausteine. Beide Komponenten spielen eine entscheidende Rolle bei der Gewährleistung der Zuverlässigkeit, Performance und Sicherheit von PLC-Systemen.

Design: PLC-Übertrager und GMOVs in der Kopplungsschaltung

Zur Veranschaulichung der Probleme, die PLC-Übertrager und GMOVs lösen können, betrachten wir die in Abbildung 1 dargestellte Kopplungsschaltung. Diese Schaltung muss das PLC-Modem (Z_Module) von der Netzleitung (Z_Line) isolieren und gleichzeitig einen Pfad für das Datensignal bereitstellen. Dabei muss die Kopplungsschaltung sowohl hochfrequente Kommunikation mit geringer Leistung als auch niederfrequenten Wechselstrom mit hoher Leistung verarbeiten.

Abbildung 1: Dargestellt ist eine vereinfachte Koppelschaltung mit Überspannungsschutz, die das PLC-Modem (Z_Module) von der Netzleitung (Z_Line) trennt und gleichzeitig einen Pfad für das Datensignal bereitstellt. (Bildquelle: Bourns)

Der PLC-Übertrager (T1) sorgt für eine galvanische Trennung zwischen dem PLC-Modem und der Stromleitung und hilft, die PLC-Komponente vom Wechselstromnetz zu trennen. Ein wesentliches Merkmal dieser Übertrager ist ihre minimale Einfügungsdämpfung, die Signalverzerrungen und -dämpfungen reduziert. Abbildung 2 zeigt zum Beispiel die Leistung der PLC-Übertrager der PFB-Serie von Bourns, die für NB-Anwendungen unter 500 kHz optimiert sind. Darüber hinaus trägt die Fähigkeit eines PLC-Übertragers, EMI zu unterdrücken, zur Verringerung des Rauschens und damit zu einer zuverlässigeren und effizienteren Kommunikation bei.

Abbildung 2: Das Diagramm zeigt die Einfügedämpfung in Abhängigkeit von der Frequenz für die PLC-Übertrager der Serie PFB, die für NB-Anwendungen unter 500 kHz geeignet sind. (Bildquelle: Bourns)

In Abbildung 1 werden Spannungstransienten durch den GMOV-Schutz gehandhabt (Abbildung 3). Bei diesem neuartigen Bauelement handelt es sich um ein hybrides Überspannungsschutzbauteil, das die schnelle Reaktion eines MOV und die hohe Stoßstrombelastbarkeit eines GDT vereint. Diese Kombination bietet einen robusten Schutz gegen Spannungstransienten, die durch Blitzeinschläge oder Schaltvorgänge verursacht werden und elektronische Schaltungen in PLC-Systemen beschädigen können.

Bei einem GMOV sind die MOV- und GDT-Bauteile kapazitiv in Reihe geschaltet. Unter niederfrequenten Bedingungen ist die Spannungsbegrenzung des GMOV-Bauteils gleich der Summe der Spannungsbegrenzung der MOV- und GDT-Bauteile.

Abbildung 3: Der GMOV kombiniert die schnelle Reaktion eines MOV mit der hohen Stoßstrombelastbarkeit eines GDT. (Bildquelle: Bourns)

Im Gegensatz zu Standard-MOVs, die anfällig für Degradation und thermisches Durchgehen sind, ist der GMOV-Schutz so konzipiert, dass er rauen und unkontrollierten Umgebungen standhält. Das MOV-Bauteil begrenzt übermäßige Spannungen auf ein sicheres Niveau, während der GDT bei extremen Überspannungen als Ausfallsicherung fungiert. Diese Funktion leitet überschüssige Energie vom MOV ab, wodurch dessen Lebensdauer verlängert und die Wahrscheinlichkeit eines Systemausfalls verringert wird.

Konstruktionsüberlegungen für PLC-Übertrager und GMOV-Schutzkomponenten

Der Entwurf einer Leitungskopplungsschaltung für ein PLC-System erfordert eine sorgfältige Berücksichtigung der wichtigsten Komponenten und ihrer Wechselwirkungen. Hier sind einige Punkte, die bei der Entwicklung zu berücksichtigen sind.

Anforderungen an das PLC-System: Bevor Sie mit dem Entwicklungsprozess beginnen, sollten Sie die Anforderungen an das PLC-System genau kennen. Dazu gehören die erforderliche Datenrate, der Betriebsbereich, die Art der Stromleitungen und die Umgebungsbedingungen, denen das System ausgesetzt sein wird.

Sicherheit und Konformität: Die Sicherheit ist von besonderer Bedeutung für Konstruktionen, zu denen Benutzer oder Wartungspersonal Zugang haben können. Je nach Anwendung kann es erforderlich sein, die Norm EN 62368-1 (IT und audiovisuelle Geräte) oder EN 61885 (Kommunikationsnetze und Automatisierung von Energieversorgungsanlagen) zu erfüllen.

Aus kommunikationstechnischer Sicht müssen die Entwürfe in der Regel der europäischen Norm CENELEC EN 50065-1 entsprechen, in der die maximalen Signalpegel sowie die zulässigen Trägerfrequenzbänder festgelegt sind.

Auswahl eines PLC-Übertragers: Prüfen Sie, ob der Übertrager die Anforderungen an Betriebsfrequenz, Spannung und Impedanz erfüllt. Die bereits erwähnte PFB-Serie von Bourns ist beispielsweise für NB-PLC-Anwendungen (NB-PLC) optimiert und eignet sich daher für den Betrieb über große Entfernungen. Durch die Unterstützung von Nieder- und Mittelspannungsbereichen kann die PFB-Serie sowohl im Innen- als auch im Außenbereich eingesetzt werden.

Achten Sie darauf, dass Sie einen Transformator mit einem Windungsverhältnis wählen, das es ermöglicht, die Impedanz des PLC-Modems an die Impedanz der Stromleitung anzupassen. In vielen Fällen kann die Impedanz des Modems nicht geändert werden, so dass der Übertrager sorgfältig ausgewählt werden muss, um eine Impedanzanpassung für eine effiziente Signalübertragung zu erreichen.

Berücksichtigen Sie auch die Anwendungsumgebung. So ist die PFB-Serie sowohl in einer Standard- als auch in einer verlängerten Form erhältlich. Das Standardmodell PFBR45-ST13150S ist für den Einsatz in gesicherten Gehäusen vorgesehen, während das verlängerte Modell PFB45-SP13150S zusätzliche Sicherheitsmerkmale für den Einsatz in Bereichen aufweist, in denen Wartungspersonal oder Benutzer Zugang dazu haben könnten. Die verstärkte Isolierung des letztgenannten Modells schützt vor Stromschlägen und isoliert den Endbenutzer von gefährlichen Eingangsspannungen. Abbildung 4 veranschaulicht die wichtigsten Merkmale der beiden Modelle.

Abbildung 4: Der längliche PLC-Übertrager PFB45-SP13150S verfügt im Vergleich zum PFBR45-ST13150S über robustere Sicherheitsmerkmale. (Bildquelle: Bourns)

Auswahl eines GMOV-Schutzbausteins: Berücksichtigen Sie bei der Auswahl eines geeigneten Schutzbausteins, welchen Arten von Überspannungen und Spannungstransienten das System ausgesetzt sein könnte. Bourns bietet beispielsweise 14-Millimeter-GMOV-Schutzbausteine wie den GMOV-14D301K an, der Stoßströme von 6 Kiloampere (kA) unterstützen kann, sowie 20-Millimeter-Varianten wie den GMOV-20D151K, der Stoßströme von 10 kA unterstützen kann. Sowohl die 14- als auch die 20-mm-Variante sind in Größe und Footprint mit Standard-MOVs kompatibel. Abbildung 5 zeigt die vollständige Liste der für diese Geräte verfügbaren Konfigurationen.

Abbildung 5: GMOV-Schutzbausteine gibt es in 14mm- und 20mm-Varianten, wobei letztere höhere Stoßströme verkraften. (Bildquelle: Bourns)

Es ist auch wichtig, die Kapazität und den Leckstrom im Auge zu behalten. Eine hohe Kapazität kann die Datenübertragung in PLC-Systemen behindern. Die geringe Kapazität von weniger als 2 Picofarad (pF) des GMOV-Schutzbausteins von Bourns minimiert die Signalverzerrung, so dass die Datenübertragung über die Stromleitungen nicht wesentlich beeinträchtigt wird.

Die GMOV-Schutzbausteine von Bourns weisen außerdem einen Leckstrom von weniger als 1 Mikroampere (µA) auf. Auch wenn Leckströme auf den ersten Blick trivial erscheinen mögen, so summieren sie sich doch bei Anwendungen im städtischen Maßstab. Bei einer Straßenbeleuchtung mit einem Leckstrom von 10 Mikroampere zum Beispiel, multipliziert mit einer Million Straßenlaternen in einem typischen städtischen Gebiet, wird der Energieverlust durch Leckstrom erheblich.

Fazit

Das Aufkommen einer intelligenten Energieinfrastruktur, die durch intelligente Netze, intelligente Zähler und intelligente Straßenbeleuchtung gekennzeichnet ist, hat den Bedarf an zuverlässigen, kostengünstigen und effizienten Kommunikationssystemen in den Vordergrund gerückt. Wie gezeigt, ist PLC eine geeignete Option, insbesondere wenn sie durch spezielle PLC-Übertrager und GMOV-Schutzbausteine unterstützt wird, um die Signalqualität und -zuverlässigkeit zu gewährleisten und vor Transienten oder Überspannungen zu schützen und gleichzeitig den Leckstrom zu minimieren.