如何保護電力線通訊 (PLC) 系統：需瞭解的兩項技術

作者：Kenton Williston

資料提供者：DigiKey 北美編輯群

2023-08-09

智慧電網、智慧儀表和智慧街道照明等智慧能源基礎設施的設計人員，需要可靠、符合成本效益且安全的通訊。儘管無線技術有其發揮之處，但其本身的漏洞、成本和覆蓋範圍限制，依舊是重大挑戰。電力線通訊 (PLC) 技術可在既有的電力線上傳輸數據，是達到基礎關鍵通訊的良好基礎技術。

儘管 PLC 定義明確且廣泛使用，但設計人員仍需注意一些問題，以免導致通訊中斷，例如訊號衰減、雜訊和電壓瞬變。要解決這些問題，需要切實可行和有效的解決方案，以確保達到最佳效能。有兩種解決方案，分別是 PLC 變壓器和 GMOV 過壓保護器。

PLC 變壓器經過最佳化，可在窄頻 (NB) 應用中達到最小的插入損耗。還可減少電流隔離和電磁干擾 (EMI)，進而提高訊號品質和可靠性。GMOV 是一種混合式過壓保護元件，結合了氣體放電管 (GDT) 和金氧變阻器 (MOV)。此設計能克服標準 MOV 的侷限性和故障問題，否則 MOV 在惡劣和不受控制的環境中，容易受到衰退和熱失控的影響。

本文簡要介紹 PLC 如何運作，以及為何適用於智慧基礎設施。接著會介紹 Bourns 的 PLC 變壓器和 GMOV 保護器範例，展示其運作方式，並說明在挑選和應用時應考量的一些因素。

PLC 的運作、應用和挑戰

在 PLC 系統中，要傳輸的數據會調變成載波訊號，然後注入到電力線。不同應用間的細節差異很大，但 IEEE 1901.2 是電網的全球標準。規定低頻率(≤500 kHz) 的窄頻通訊，最高可達 500 Kbits/s，適用於智慧電網、智慧儀表和智慧街道照明等應用。

儘管 PLC 技術已證實，是對智慧能源基礎設施設計人員有用的解決方案，但並非不會遇到難題。設計上的阻礙包括訊號衰減、雜訊和電壓瞬變，這些都會大幅降低通訊品質和可靠性。具體而言：

訊號衰減是問題之一，因為 PLC 訊號使用的是專為電力設計的線路，而非數據。這些線路具有阻抗特性，會施加相當大的衰減，特別是在長距離時。訊號強度的下降會縮減有效範圍，且有可能導致數據遺失或錯誤。
雜訊可能來自各種來源，例如連接到電力線的電器、電源變化和外部 EMI。PLC 數據訊號具有相對較高頻率的本質，因此特別容易受到非屏蔽電網內這些雜訊來源的影響。
電壓瞬變可能是由雷擊或電感性負載切換而造成。這種瞬變可能會在電力線上引起高電壓，有可能會破壞 PLC 數據機。

在因應 PLC 系統面臨的挑戰時，設計人員有兩種關鍵技術可以運用：PLC 變壓器和 GMOV 保護器。這兩個元件在確保 PLC 系統的可靠性、效能和安全性上，可發揮至關重要的作用。

設計審查：耦合電路中的 PLC 變壓器和 GMOV

為了說明 PLC 變壓器和 GMOV 可以解決的問題，請參考圖 1 所示的耦合電路。此電路必須將 PLC 數據機 (Z_Module) 與主線路 (Z_Line) 隔離，同時還要提供數據訊號的路徑。在執行此操作時，耦合電路必須同時處理高頻、低功率的通訊，以及低頻、高功率的交流電。

具突波保護的簡化耦合電路示意圖 圖 1：在此顯示帶有突波保護的簡化耦合電路，可將 PLC 數據機 (Z_Module) 與主線路 (Z_Line) 隔離，同時還可提供數據訊號的路徑。(圖片來源：Bourns)

PLC 變壓器 (T1) 可在 PLC 數據機和電力線之間提供電流隔離，有助於將 PLC 與交流電源區隔。這些變壓器有個關鍵特性，就是具有最小的插入損耗，因此可減少訊號失真和衰減。例如，圖 2 指出 Bourns PFB 系列 PLC 變壓器的效能，就有針對低於 500 kHz 的窄頻應用進行最佳化。此外，PLC 變壓器抑制 EMI 的能力有助於減少雜訊，進而促成更可靠且更高效的通訊。

圖 2：在此顯示 PFB 系列 PLC 變壓器的插入損耗與頻率關係；此變壓器專為低於 500 kHz 的窄頻應用而打造。(圖片來源：Bourns)

在圖 1 中，電壓瞬變同樣由 GMOV 保護器處理 (圖3)。這款新型裝置屬於混合式過壓保護產品，整合了 MOV 的快速反應，以及 GDT 的高突波電流處理能力。此組合可提供強大的保護，避免因雷擊或切換事件而引發的電壓瞬變，以免 PLC 系統中的電路受損。

在 GMOV 中，MOV 和 GDT 元件會以串聯配置進行電容耦合。在低頻條件下，GMOV 元件的電壓限制等於 MOV 和 GDT 元件的電壓限制總和。

圖 3：GMOV 將 MOV 的快速反應與 GDT 的高突波電流處理能力結合。(圖片來源：Bourns)

不同於標準 MOV 容易發生衰退和熱失控的情況，GMOV 保護器的設計可承受惡劣和不受控制的環境。MOV 元件可將過多電壓箝制在安全位準，而 GDT 則可在極端突波情況下當作故障保護。此功能可將過多的能量重新導向，遠離 MOV，進而延長壽命並降低系統故障的可能性。

PLC 變壓器和 GMOV 保護器的設計考量事項

設計 PLC 系統用的線路耦合電路，要仔細考慮關鍵元件及其相互作用。以下是設計時要考慮的一些問題。

PLC 系統要求：在開始設計流程之前，請清楚瞭解 PLC 系統的要求。包括所需的數據傳輸率、運作範圍、將採用的電力線類型，以及會暴露的環境條件。

安全和合規性：若使用者或維護人員會接觸到設計，就必須特別注意安全性。根據應用的不同，設計可能需要符合 EN 62368-1 (IT 和影音設備) 或 EN 61885 (通訊網路和電力公用事業自動化)。

從通訊層面來看，設計通常必須符合歐洲 CENELEC EN 50065-1 標準，其有規定最大訊號位準以及許可的載波頻段。

挑選 PLC 變壓器：檢查變壓器是否符合工作頻率、電壓和阻抗要求。例如，前面提到的 Bourns PFB 系列就有針對窄頻 PLC (NB-PLC) 應用進行最佳化，適合遠距操作。PFB 系列支援中低電壓範圍，可用於室內和戶外情境。

請務必選擇具有匝數比的變壓器，以便 PLC 數據機的阻抗與電力線的阻抗匹配。很多時候，數據機的阻抗無法改變，因此務必慎選變壓器，才能達到阻抗匹配，以便有效傳輸訊號。

另外，也要將應用環境納入考量。例如，PFB 系列提供標準和加長型兩種形式。標準型號 PFBR45-ST13150S 的設計可用於固定外殼內，而加長型號 PFB45-SP13150S 則添加安全功能，可用於維護人員或使用者會加以接觸的區域。加長型號具有強化絕緣層，可避免觸電，並將使用者與危險輸入電壓隔離。圖 4 說明這兩個型號的關鍵特性。

Bourns 零件編號	在100 kHz / 1 V 時的一次電感		100 kHz / 1 V 時的漏電電感 (所有二次引腳短路)		匝數比		最大 DCR		50 kHz 時的繞組間電容量		Hi-Pot 1 秒 / 1 mA
PFBR45-ST13150S	(1-4)	1 mH、+35%、-30%	(1-4)	典型 1.5 μH (最大 2 μH)	(1-4):(7-5)	2:1 ±3%	(1-4)	215 mΩ	(1、4-5、6、7、8)	最大 30 pF	(1-8) 與短路時 (6、7)	2,000 V_AC
					(1-4):(7-5)	2:1 ±3%	(1-4):(8-6)	2:1 ±3%
					(7-5)	115 mΩ	(8-6)	105 mΩ
PFBR45-SP13150S	(9-6)	1.15 mH、+3%	(9-6)	最大 1.3 μH	(9-6):(1-4)	2:1 ±3%	(9-6)	500 mΩ	(9、6-1、2、4、5)	最大 30 pF	(9-1) 與短路時 (2、4)	4,500 V_AC
PFBR45-SP13150S	(9-6)	1.15 mH、+3%	(9-6)	最大 1.3 μH	(9-6):(2-5)	2:1 ±3%	(1-5) 與短路時 (2、4)	350 mΩ	(9、6-1、2、4、5)	最大 30 pF	(1-5)	625 V_AC

圖 4：與 PFBR45-ST13150S 相比，加長型 PFB45-SP13150S PLC 變壓器具有更強大的安全功能。(圖片來源：Bourns)

挑選 GMOV 保護器：挑選適合的保護器時，應考量系統可能會面臨哪些類型的突波和電壓瞬變。例如，Bourns 提供 14 mm 的 GMOV保護器，如 GMOV-14D301K，可耐受 6 kA 的突波電流；20 mm 的款式，如 GMOV-20D151K，則可耐受 10 kA 突波電流。值得注意的是，14 和 20 mm 款式皆可在尺寸和覆蓋區上與標準 MOV 相容。圖 5 列出這些裝置可用的所有配置。


Bourns 零件編號	工作				防護
	最大連續工作電壓 (MCOV)		在 MCOV 下的最大漏電流	最大電容量	I_nom UL 1449/4th.	I_max	振鈴突波 IEEE 62.41	防護位準電流等級 IEC 61051-1		箝位過渡時間	能量
	V_RMS	V_DC	A_RMS	1 MHz	15 次操作	1 次操作	200 A	最大	典型	箝位過渡時間	8/20 μs
	V	V	μA	pF	A	A	操作	V_FP	V_C	μs	J
GMOV-14D450K	45	56	<1	4	3,000	6,000	±250	900	150	0.3	24
GMOV-14D500K	50	65	<1	4	3,000	6,000	±250	800	150	0.3	27
GMOV-14D650K	65	85	<1	4	3,000	6,000	±250	800	185	0.3	33
GMOV-14D950K	95	125	<1	4	3,000	6,000	±250	800	270	0.3	53
GMOV-14D111K	115	150	<1	4	3,000	6,000	±250	800	320	0.3	60
GMOV-14D131K	130	170	<1	4	3,000	6,000	±250	800	360	0.3	70
GMOV-14D141K	140	180	<1	4	3,000	6,000	±250	950	380	0.3	78
GMOV-14D151	150	200	<1	4	3,000	6,000	±250	950	420	0.3	84
GMOV-14D171K	175	225	<1	4	3,000	6,000	±250	950	470	0.3	99
GMOV-14D231K	230	300	<1	4	3,000	6,000	±250	1,300	620	0.3	130
GMOV-14D251K	250	320	<1	4	3,000	6,000	±250	1,300	675	0.3	140
GMOV-14D271K	275	350	<1	4	3,000	6,000	±250	1,300	730	0.3	155
GMOV-14D301K	300	385	<1	4	3,000	6,000	±250	1,300	800	0.3	175
GMOV-14D321K	320	145	<1	4	3,000	6,000	±250	1,300	875	0.3	180
GMOV-20D450K	45	56	<1	4	5,000	10,000	±250	950	150	0.3	49
GMOV-20D500K	50	65	<1	4	5,000	10,000	±250	900	150	0.3	56
GMOV-20D650K	65	85	<1	4	5,000	10,000	±250	900	185	0.3	70
GMOV-20D950K	95	125	<1	4	5,000	10,000	±250	900	270	0.3	106
GMOV-20D111K	115	150	<1	4	5,000	10,000	±250	950	320	0.3	130
GMOV-20D131K	130	170	<1	4	5,000	10,000	±250	950	360	0.3	140
GMOV-20D141K	140	180	<1	4	5,000	10,000	±250	950	380	0.3	155
GMOV-20D151K	150	200	<1	4	5,000	10,000	±250	950	420	0.3	168
GMOV-20D171K	175	225	<1	4	5,000	10,000	±250	950	470	0.3	190
GMOV-20D231K	230	300	<1	4	5,000	10,000	±250	1,300	620	0.3	255
GMOV-20D251K	250	320	<1	4	5,000	10,000	±250	1,300	675	0.3	275
GMOV-20D271K	275	350	<1	4	5,000	10,000	±250	1,300	730	0.3	305
GMOV-20D301K	300	385	<1	4	5,000	10,000	±250	1,300	800	0.3
GMOV-20D321K	320	415	<1	4	5,000	10,000	±250	1,300	875	0.3	360