Como proteger os sistemas de comunicação por linha de energia (PLC): duas tecnologias a serem conhecidas

Os projetistas de infraestrutura de energia inteligente, como redes inteligentes, medidores inteligentes e iluminação pública inteligente, precisam de comunicações confiáveis, econômicas e seguras. Embora as tecnologias sem fio tenham um papel a desempenhar, suas vulnerabilidades, custos e limitações de cobertura apresentam desafios significativos. A tecnologia de comunicação por linha de energia (PLC), que permite a transferência de dados por meio das redes elétricas existentes, apresenta uma boa tecnologia de base para fundamentar as comunicações críticas.

Embora a PLC seja bem definida e amplamente utilizada, há alguns problemas que os projetistas precisam conhecer e que podem interromper a comunicação, como atenuação de sinal, ruído e transientes de tensão. Para resolver esses problemas, são necessárias soluções práticas e eficientes para garantir o desempenho ideal. Duas dessas soluções são os transformadores PLC e os protetores contra sobretensão GMOV.

Os transformadores PLC são otimizados para uma perda mínima de inserção em aplicações de banda estreita (NB). Eles também reduzem a isolação galvânica e a interferência eletromagnética (EMI), melhorando a qualidade e a confiabilidade do sinal. O GMOV é um componente híbrido de proteção contra sobretensão que combina um centelhador a gás (GDT) e um varistor de óxido metálico (MOV). Ele foi projetado para superar as limitações e os problemas de falha dos MOVs padrões, que são suscetíveis à degradação e à fuga térmica em ambientes adversos e não controlados.

Este artigo analisa brevemente o funcionamento de um PLC e por que ele é adequado para a infraestrutura inteligente. Em seguida, apresenta exemplos de transformadores PLC e protetores GMOV da Bourns, mostra como eles funcionam e apresenta alguns fatores a serem considerados ao escolhê-los e aplicá-los.

Operação, aplicações e desafios do PLC

Em um sistema PLC, os dados a serem transmitidos são modulados em um sinal de portadora e injetados na linha de energia. Os detalhes variam muito entre as aplicações, mas a IEEE 1901.2 é o padrão global para redes de energia. Ela especifica comunicações NB de baixa frequência (≤ 500 quilohertz (kHz) até 500 quilobits por segundo (Kbits/s) e é adequada para aplicações como redes inteligentes, medidores inteligentes e iluminação pública inteligente.

Embora a tecnologia PLC tenha se mostrada uma solução útil para os projetistas de infraestrutura de energia inteligente, ela não está isenta de desafios. Os obstáculos de projeto incluem atenuação de sinal, ruído e transientes de tensão, que podem degradar significativamente a qualidade e a confiabilidade da comunicação. Especificamente:

• A atenuação do sinal é um problema porque os sinais PLC usam linhas que foram projetadas para energia, não para dados. Essas linhas têm características de impedância que podem impor uma atenuação considerável, principalmente em longas distâncias. A queda resultante na intensidade do sinal pode reduzir o alcance efetivo e potencialmente levar à perda de dados ou a erros.
• O ruído pode ser introduzido por várias fontes, como aparelhos eletrônicos conectados às linhas de energia, variações no fornecimento de energia e EMI externa. A natureza de frequência relativamente alta dos sinais de dados PLC os torna particularmente suscetíveis a essas fontes de ruído dentro da rede elétrica não blindada.
• Os transientes de tensão podem ocorrer devido à queda de raios ou ao chaveamento de cargas indutivas. Esses transientes podem induzir altas tensões na linha de energia, o que pode danificar os modems PLC.

Ao lidar com os desafios enfrentados pelos sistemas PLC, os projetistas têm duas tecnologias principais que podem ser aplicadas: transformadores PLC e protetores GMOV. Ambos os componentes desempenham funções cruciais para garantir a confiabilidade, o desempenho e a segurança dos sistemas PLC.

Revisão de projeto: transformadores PLC e GMOVs no circuito de acoplamento

Para ilustrar os problemas que os transformadores PLC e os GMOVs podem resolver, considere o circuito de acoplamento ilustrado na Figura 1. Esse circuito deve isolar o modem PLC (Z_Module) da rede elétrica (Z_Line) e, ao mesmo tempo, fornecer um caminho para o sinal de dados. Ao fazer isso, o circuito de acoplamento deve lidar tanto com comunicações de alta frequência e baixa potência quanto com CA de baixa frequência e alta potência.

Figura 1: É mostrado um circuito de acoplamento simplificado com proteção contra surtos que isola o modem PLC (Z_Module) da rede elétrica (Z_Line) e, ao mesmo tempo, fornece um caminho para o sinal de dados. (Fonte da imagem: Bourns)

O transformador PLC (T1) fornece isolação galvânica entre o modem PLC e a rede elétrica, ajudando a separar a PLC da linha CA. Uma característica importante desses transformadores é a perda mínima de inserção, que reduz a distorção e a atenuação do sinal. Por exemplo, a Figura 2 mostra o desempenho da série PFB de transformadores PLC da Bourns, que são otimizados para aplicações NB abaixo de 500 kHz. Além disso, a capacidade de um transformador PLC de suprimir a EMI ajuda a reduzir o ruído, contribuindo para uma comunicação mais confiável e eficiente.

Figura 2: É mostrado um gráfico da perda de inserção em relação à frequência para os transformadores PLC da série PFB que são sob medida para aplicações NB abaixo de 500 kHz. (Fonte da imagem: Bourns)

Na Figura 1, novamente, os transientes de tensão são tratados pelo protetor GMOV (Figura 3). Esse novo dispositivo é um componente híbrido de proteção contra sobretensão que integra a resposta rápida de um MOV e a alta capacidade para lidar com a corrente de surto de um GDT. Essa combinação oferece proteção robusta contra transientes de tensão causados por descargas atmosféricas ou eventos de comutação que podem danificar os circuitos eletrônicos em sistemas PLC.

Em um GMOV, os componentes MOV e GDT são acoplados capacitivamente em uma configuração em série. Em condições de baixa frequência, a limitação de tensão do componente GMOV é igual à soma da limitação de tensão dos componentes MOV e GDT.

Figura 3: O GMOV combina a resposta rápida de um MOV com a alta capacidade para lidar com a corrente de surto de um GDT. (Fonte da imagem: Bourns)

Ao contrário dos MOVs padrões, que são propensos à degradação e à fuga térmica, o protetor GMOV foi projetado para resistir a ambientes adversos e não controlados. O componente MOV fixa as tensões excessivas em níveis seguros, enquanto o GDT atua como uma proteção contra falhas durante condições extremas de surto. Essa função redireciona a energia excessiva para longe do MOV, aumentando assim sua vida útil e reduzindo a probabilidade de falha do sistema.

Considerações de projeto para transformadores PLC e protetores GMOV

O projeto de um circuito de acoplamento de linha para um sistema PLC exige uma consideração cuidadosa dos principais componentes e de suas interações. Aqui estão alguns dos problemas que devem ser considerados no projeto.

Requisitos do sistema PLC: antes de iniciar o processo de projeto, tenha uma compreensão clara dos requisitos do sistema PLC. Isso inclui a taxa de dados necessária, a faixa de operação, o tipo de linhas de energia em que será operado e as condições ambientais às quais será exposto.

Segurança e conformidade: a segurança é uma preocupação especial para projetos aos quais os usuários ou trabalhadores de manutenção podem ter acesso. Dependendo da aplicação, o projeto pode exigir a conformidade com a norma EN 62368-1 (equipamentos de TI e audiovisuais) ou EN 61885 (redes de comunicação e automação de serviços de energia).

Do ponto de vista das comunicações, os projetos normalmente precisam estar em conformidade com o padrão europeu CENELEC EN 50065-1, que define os níveis máximos de sinal, bem como as faixas de frequência de portadora permitidas.

Seleção de um transformador PLC: verifique se o transformador atende aos requisitos de frequência operacional, tensão e impedância. Por exemplo, a série PFB da Bourns, mencionada anteriormente, é otimizada para aplicações NB PLC (NB-PLC), o que a torna adequada para operações de longa distância. Com suporte para faixas de tensão baixa e média, a série PFB pode ser usada tanto em ambientes internos quanto externos.

Certifique-se de escolher um transformador com uma relação de espiras que permita que a impedância do modem PLC corresponda à impedância da linha de energia. Muitas vezes, a impedância do modem não pode ser alterada, portanto, o transformador deve ser cuidadosamente selecionado para obter um casamento de impedância para uma transmissão eficiente do sinal.

Além disso, considere o ambiente da aplicação. Por exemplo, a série PFB está disponível tanto no formato padrão quanto no alongado. O modelo padrão PFBR45-ST13150S foi projetado para uso em alojamentos protegidos, enquanto o modelo alongado PFB45-SP13150S acrescenta recursos de segurança para uso em áreas onde os trabalhadores de manutenção ou usuários possam ter acesso a ele. O isolamento reforçado desse último modelo protege contra choques elétricos e isola o usuário final das tensões de entrada perigosas. A Figura 4 ilustra as principais características dos dois modelos.

Figura 4. O transformador PLC alongado PFB45-SP13150S tem recursos de segurança mais robustos em comparação com o PFBR45-ST13150S. (Fonte da imagem: Bourns)

Seleção de um protetor GMOV: considere os tipos de surtos de energia e transientes de tensão que o sistema pode enfrentar ao selecionar um protetor adequado. Por exemplo, a Bourns oferece protetores GMOV de 14 milímetros (mm), como o GMOV-14D301K, que suportam correntes de surto de 6 quiloamperes (kA), bem como variantes de 20 mm, como o GMOV-20D151K, que suportam correntes de surto de 10 kA. Notavelmente, as variantes de 14 e 20 mm são compatíveis com os MOVs padrões em termos de tamanho e pegada na PCI. A Figura 5 apresenta a lista completa de configurações disponíveis para esses dispositivos.

Figura 5: Os protetores GMOV são fornecidos em variantes de 14 e 20 mm, sendo que o último suporta correntes de surto mais altas. (Fonte da imagem: Bourns)

Também é importante ter em mente a capacitância e a corrente de fuga. A alta capacitância pode impedir a transmissão de dados em sistemas PLC. A baixa capacitância do protetor GMOV da Bourns, de menos de 2 picofarads (pF), minimiza a distorção do sinal, o que significa que não afeta significativamente a transmissão de dados pelas linhas de energia.

Os protetores GMOV da Bourns também apresentam menos de 1 microampere (µA) de corrente de fuga. Embora a fuga possa parecer uma questão trivial, ela se acumula em aplicações em escala urbana. Por exemplo, em uma aplicação de iluminação pública com uma corrente de fuga de 10 microamperes, multiplicando esse valor por um milhão de lâmpadas públicas em uma área urbana típica, a perda de energia devido à fuga se torna significativa.

Conclusão

O advento da infraestrutura de energia inteligente — caracterizada por redes inteligentes, medidores inteligentes e iluminação pública inteligente — trouxe à tona a necessidade de sistemas de comunicação confiáveis, econômicos e eficientes. Conforme mostrado, a PLC é uma opção adequada, especialmente quando apoiada por transformadores PLC especializados e protetores GMOV para garantir a qualidade e a confiabilidade do sinal e para proteger contra transientes ou surtos, minimizando a corrente de fuga.