如何保护电力线通信 (PLC) 系统：需要了解的两项技术

来源：DigiKey
作者：Kenton Williston

像智能电网、智能电表和智能路灯这样的智能能源基础设施装置都需要可靠、经济、安全的通信。虽然无线技术可以发挥作用，但其脆弱性、成本和覆盖范围的限制带来了巨大挑战。电力线通信 (PLC) 技术可通过现有的电力线进行数据传输，是实现关键通信的良好基础技术。

尽管 PLC 的定义明确且应用广泛，但设计人员仍需注意一些可能破坏通信的问题，如信号衰减、噪声和瞬态电压。要解决这些问题，就需要切实有效的解决方案，以确保最佳性能。PLC 变压器和 GMOV 过压保护器就是其中的两种解决方案。

PLC 变压器经过优化，可将窄带 (NB) 应用中的插损降至最低。它们还能减少电隔离和电磁干扰 (EMI) ，提高信号质量和可靠性。GMOV 是一种混合过压保护元件，结合了气体放电管 (GDT) 和金属氧化物压敏电阻 (MOV)。其设计克服了标准 MOV 的局限性和故障问题，因为标准 MOV 在恶劣和不受控制环境中容易发生降级和热击穿。

本文简要回顾了 PLC 的工作原理及其适合智能基础设施的原因。然后介绍了 Bourns 提供的 PLC 变压器和 GMOV 保护器实例器件，说明它们的工作原理，并介绍对之进行选择和应用时应考虑的一些因素。

PLC 操作、应用和挑战

在 PLC 系统中，所要传输的数据要先调制到载波信号中，然后再注入电力线。不同应用的细节差别很大，但 IEEE 1901.2 是全球电网标准。该标准规定了低频（≤ 500 千赫兹 (kHz)）窄带通信速率最高 500 千比特/秒(Kb/s)，适用于智能电网、智能电表和智能街道照明等应用。

尽管 PLC 技术已被证明是智能能源基础设施设计人员的有用解决方案，但它也并非没有挑战。设计障碍包括信号衰减、噪声和瞬态电压，所有这些都会大大降低通信质量和可靠性。具体而言：

· 信号衰减是一个问题，因为 PLC 信号使用的线路是为输电而设计的，而不是为数据设计的。这些线路的阻抗特性会造成相当大的衰减，尤其是在长距离上。由此造成的信号强度下降会降低有效范围，并可能导致数据丢失或出错。
· 噪声有多种来源，如连接到电力线上的电子设备、供电变化和外部 EMI。PLC 数据信号的频率相对较高，因此特别容易受到非屏蔽电网中这些噪声源的影响。
· 雷击或感性负载开关可能会导致瞬态电压。这种瞬态会在电力线上产生高电压，可能会损坏 PLC 调制解调器。

在应对 PLC 系统面临的挑战时，设计人员可以采用两种关键技术：PLC 变压器和 GMOV 保护器。这两个组件在确保 PLC 系统的可靠性、性能和安全性方面发挥着至关重要的作用。

设计评审：耦合电路中的 PLC 变压器和 GMOV

为了说明 PLC 变压器和 GMOV 可以解决的问题，请参看图 1 所示的耦合电路。该电路必须将 PLC 调制解调器 (ZModule) 与电力线 (ZLine) 隔离，同时为数据信号提供路径。在此过程中，耦合电路必须同时处理高频、低功率通信信号和低频、高功率交流电。


图 1：所示为带浪涌保护功能的简化耦合电路，可将 PLC 调制解调器 (ZModule) 与电力线 (ZLine) 隔离，同时还能为数据信号提供路径。（图片来源：Bourns）

PLC 变压器 (T1) 在 PLC 调制解调器和电力线之间提供电隔离，帮助将 PLC 与交流电网分开。这些变压器有一个重要特征，就是插损极小，因此减少了信号失真和衰减。例如，图 2 显示了 Bourns 的 PFB 系列 PLC 变压器的性能，适用于 500 kHz 以下的窄带应用。此外，PLC 变压器抑制电磁干扰的能力也有助于降低噪音，从而提高通信的可靠性和效率。


图 2：所示为专为 500 kHz 以下窄带应用定制的 PFB 系列 PLC 变压器的插损与频率关系图。（图片来源：Bourns）

在图 1 中，瞬态电压同样由 GMOV 保护器处理（图 3）。这种新型器件是一种混合过压保护元件，集成了 MOV 的快速响应和 GDT 的高浪涌电流处理能力。这种组合可提供强大的保护，防止雷击或开关事件引起的瞬态电压损坏 PLC 系统中的电子电路。

在 GMOV 中，MOV 和 GDT 元件采用串联配置进行容性耦合。在低频条件下，GMOV 元件的电压限制等于 MOV 和 GDT 元件的电压限制之和。


图 3：GMOV 结合了 MOV 的快速响应和 GDT 的高浪涌电流处理能力。（图片来源：Bourns）

与容易降级和热击穿的标准 MOV 不同，GMOV 保护器的设计能够承受恶劣和不受控的环境。MOV 元件可将过高电压箝位到安全水平，而 GDT 则可在极端浪涌条件下起到故障保护作用。这一功能可将过多的能量从 MOV 上引开，从而延长其使用寿命，降低系统故障的可能性。

PLC 变压器和 GMOV 保护器的设计考虑因素

为 PLC 系统设计线路耦合电路需要仔细考虑关键元件及其相互作用。以下是设计中需要考虑的一些问题。

PLC 系统要求：在开始设计流程之前，要清楚地了解 PLC 系统的要求。这包括所需的数据传输速率、工作范围、工作的电力线类型以及所处的环境条件。

安全与合规：对于用户或维护人员可能接触到的设计部分，安全问题尤为重要。根据应用的不同，设计可能需要符合 EN 62368-1（信息技术和视听设备）或 EN 61885（通信网络和电力设施自动化）规范要求。

从通信角度来看，设计通常必须符合欧洲 CENELEC EN 50065-1 标准，该标准规定了最大信号电平和允许的载波频段。

选择 PLC 变压器：检查变压器是否符合工作频率、电压和阻抗要求。例如，前面提到的 Bourns PFB 系列针对 NB PLC (NB-PLC) 应用进行了优化，使其适用于远距离操作。PFB 系列支持低压和中压范围，可用于室内和室外环境。

请务必选择匝数比能使 PLC 调制解调器阻抗与电力线阻抗相匹配的变压器。很多时候，调制解调器的阻抗无法改变，因此必须仔细选择变压器，以实现阻抗匹配，从而有效传输信号。

此外，还要考虑应用环境。例如，PFB 系列有标准型和加长型两种。标准型 PFBR45-ST13150S 专为在安全外壳内使用而设计，而加长型 PFB45-SP13150S 则增加了安全功能，可用于维护工人或用户可能接触到的区域。后一种型号的增强绝缘可防止电击，并将最终用户与危险的输入电压隔离开来。图 4 说明了这两种模式的主要特点。


图 4：与 PFBR45-ST13150S 相比，加长型 PFB45-SP13150S PLC 变压器具有更强的安全功能。（图片来源：Bourns）

选择 GMOV 保护器：在选择合适的保护器时，要考虑系统可能面临的电涌和瞬态电压类型。例如，Bourns 提供 14 毫米 (mm) 的 GMOV 保护器（如 GMOV-14D301K），可支持 6 千安 (kA) 的浪涌电流，以及 20 毫米 (mm) 的变型（如 GMOV-20D151K），可支持 10 千安的浪涌电流。值得注意的是，14 mm 和 20 mm 变型在尺寸和封装上都与标准 MOV 兼容。图 5 提供了这些器件的完整可用配置列表。


图 5：GMOV 保护器有 14 mm 和 20 mm 两种型号，后者可支持更大的浪涌电流。（图片来源：Bourns）

同样重要的是，要注意电容和漏电流。高电容会阻碍 PLC 系统的数据传输。Bourns GMOV 保护器的电容小于 2 皮法 (pF)，可将信号失真降至最低，这意味着它不会对电力线上的数据传输造成明显影响。

Bourns GMOV 保护器的漏电流也小于 1 微安 (µA)。虽然泄漏看似小事一桩，但在城市规模的应用中，泄漏加起来就不容小觑了。例如，在路灯应用中，漏电流为 10 微安，乘以典型城市地区的一百万盏路灯，泄漏造成的能量损失就非常可观。

结语

随着以智能电网、智能电表和智能路灯为特征的智能能源基础设施的出现，可靠、经济、高效的通信系统成为人们关注的需求焦点。综上所述，PLC 就是一个合适的选择，特别是在有专门的 PLC 变压器和 GMOV 保护器的支持下，可确保信号质量和可靠性，防止瞬变或浪涌，同时最大限度地减少漏电流。