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電力線通信（PLC）システムを保護する方法：知っておくべき2つの技術
DigiKeyの北米担当編集者の提供
2023-08-09
スマートグリッド、スマートメータ、インテリジェント街路灯などのスマートエネルギーインフラの設計者は、信頼性が高く、コスト効率が高く、安全な通信を必要としています。無線技術が果たすべき役割はあるものの、その脆弱性、コスト、カバー範囲の限界は大きな課題となっています。電力線通信（PLC）技術は、既存の電力線を使ったデータ転送を可能にするもので、重要な通信を行うための基盤技術として適しています。
PLCはよく定義され、広く使用されていますが、信号の減衰、ノイズ、電圧過渡現象など、通信を妨害する可能性のあるいくつかの問題に設計者は注意する必要があります。こうした問題に対処するには、最適なパフォーマンスを確保するための実用的かつ効率的なソリューションが必要です。このようなソリューションには、PLCトランスとGMOV過電圧プロテクタがあります。
PLCトランスは、狭帯域（NB）アプリケーションでの挿入損失を最小限に抑えるように最適化されています。また、ガルバニック絶縁と電磁妨害（EMI）を低減し、信号品質と信頼性を高めます。GMOVは、ガス放電管（GDT）と酸化金属バリスタ（MOV）を組み合わせたハイブリッド過電圧保護部品です。過酷で管理が困難な環境下で劣化や熱暴走の影響を受けやすい標準的なMOVの限界や故障の問題を克服するように設計されています。
この記事では、PLCがどのように動作し、なぜスマートインフラに適しているのかを簡単に説明します。その後、 BournsのPLCトランスとGMOVプロテクタの例を紹介し、その機能を示し、それらを選択、適用する際に考慮すべきいくつかの要素を提示します。
PLCの動作、用途、そして課題
PLCシステムでは、伝送されるデータはキャリア信号に変調され、電力線に重畳されます。詳細はアプリケーションによって大きく異なりますが、IEEE 1901.2はパワーグリッドの世界標準です。低周波（500キロヘルツ（kHz）以下）のNB通信を規定し、スマートグリッド、スマートメータ、インテリジェント街路灯などのアプリケーションに適しています。
PLC技術は、スマートエネルギーインフラの設計者にとって有用なソリューションであることが証明されていますが、課題がないわけではありません。設計上のハードルには、信号の減衰、ノイズ、電圧過渡現象などがあり、これらすべてが通信品質と信頼性を著しく低下させます。仕様は、以下のとおりです。
- PLC信号はデータ用ではなく電力用に設計されたラインを使用するため、信号の減衰 が問題になります。これらの線路はインピーダンス特性を持っており、特に長距離ではかなりの減衰が発生します。その結果、信号強度が低下し、有効範囲が狭まり、データの損失やエラーにつながる可能性があります。
- ノイズ は、電力線に接続された電化製品、電源の変動、外部EMIなど、さまざまなソースから混入する可能性があります。PLCのデータ信号は比較的高周波であるため、シールドされていないパワーグリッド内ではこうしたノイズ源の影響を特に受けやすくなります。
- 電圧過渡現象 は、落雷や誘導負荷のスイッチングによって発生する可能性があります。このような過渡現象は電力線に高電圧を誘起し、PLCモデムに損傷を与える可能性があります。
PLCシステムが直面する課題に対処する際、設計者が利用できる2つの主要技術があります。それがPLCトランスと GMOVプロテクタです。どちらの部品も、PLCシステムの信頼性、性能、安全性を確保する上で重要な役割を果たしています。
デザインレビュー：カップリング回路のPLCトランスおよびGMOV
PLCトランスとGMOVが対処できる問題を説明するために、図1に示すカップリング回路を考えてみましょう。この回路は、PLCモデム（ZModule）を主回線（ZLine）から絶縁すると同時に、データ信号の経路を提供する必要があります。その一方で、カップリング回路は高周波の低電力通信と低周波の大電力交流の両方を扱わなければなりません。
図1：PLCモデム（ZModule）を主回線（ZLine）から絶縁すると同時に、データ信号の経路を提供するサージ保護付き簡易カップリング回路を示します。（画像提供：Bourns）
PLCトランス（T1）は、PLCモデムと電力線との間にガルバニック絶縁を提供し、PLCを交流主電源から分離します。これらのトランスの重要な特徴は、信号の歪みと減衰を減少させる最小の挿入損失です。たとえば図2は、500kHz以下のNB用途に最適化されたBournsの PFBシリーズ PLCトランスの性能を示しています。さらに、PLCトランスのEMI抑制能力はノイズの低減に役立ち、より信頼性の高い効率的な通信に貢献します。
図2：500kHz以下のNBアプリケーション用に調整されたPFBシリーズPLCトランスの挿入損失対周波数のグラフを示します。（画像提供：Bourns）
図1でも、電圧過渡現象はGMOVプロテクタ（図3）によって処理されます。この新しいデバイスは、MOVの高速応答とGDTの高サージ電流処理能力を融合したハイブリッド過電圧保護部品です。この組み合わせにより、PLCシステムの電子回路を損傷する可能性のある落雷やスイッチングイベントによって引き起こされる電圧過渡現象に対する堅牢な保護が可能になります。
GMOVでは、MOVおよびGDTコンポーネントは直列構成で容量結合されています。低周波数条件下では、GMOVコンポーネントの電圧制限はMOVおよびGDTコンポーネントの電圧制限の和に等しくなります。
図3：GMOVは、MOVの高速応答性およびGDTの高サージ電流処理能力を兼ね備えています。（画像提供：Bourns）
劣化や熱暴走を起こしやすい標準的なMOVとは異なり、GMOVプロテクタは過酷で管理が困難な環境にも耐えるように設計されています。MOVコンポーネントは過大な電圧を安全なレベルでクランプし、GDTは極端なサージ条件下でフェイルセーフとして機能します。この機能は、過剰なエネルギーをMOVから遠ざけるため、MOVの寿命を延ばし、システム故障の可能性を低減します。
PLCトランスおよびGMOVプロテクタの設計上の考慮事項
PLCシステムのラインカップリング回路を設計するには、主要部品とその相互作用を慎重に検討する必要があります。設計に反映させるべき問題点をいくつか挙げてみましょう。
PLC システムの要件：設計プロセスを開始する前に、PLC システムの要件を明確に理解してください。これには、要求されるデータレート、動作範囲、動作する電力線の種類、さらされる環境条件などが含まれます。
安全性およびコンプライアンス：ユーザーや保守作業員がアクセスする可能性のある設計では、安全性が特に重視されます。アプリケーションによっては、EN 62368-1（ITおよびオーディオビジュアル機器）またはEN 61885（通信ネットワークおよび電力ユーティリティオートメーション）を順守する必要があります。
通信の観点からは、設計は通常、欧州CENELEC EN 50065-1規格に準拠しなければなりません。この規格は、最大信号レベルおよび許容キャリア周波数帯域を定義しています。
PLCトランスの選択：トランスが動作周波数、電圧、インピーダンスの要件を満たしていることを確認してください。たとえば、前述のBourns PFBシリーズは、NB PLC(NB-PLC)アプリケーションに最適化されており、長距離動作に適しています。低電圧から中電圧まで対応するPFBシリーズは、屋内外を問わず使用できます。
必ず、PLCモデムのインピーダンスが電力線インピーダンスと整合するような巻数比のトランスを選択してください。多くの場合、モデムのインピーダンスは変えられないので、トランスは、効率的な信号伝送のためにインピーダンス整合を達成するように慎重に選択されなければなりません。
また、アプリケーションの環境も考慮してください。たとえば、PFBシリーズには標準型と細長型があります。標準モデル PFBR45-ST13150S は、保護されたハウジング内で使用するように設計されており、細長モデル PFB45-SP13150S は、メンテナンス作業員やユーザーがアクセスする可能性のある場所で使用するための安全機能を追加しています。この後者のモデルの強化絶縁は、感電から保護し、エンドユーザーを危険な入力電圧から隔離します。図4は、2つのモデルの主な特徴を示しています。
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図4：細長型PFB45-SP13150S PLCトランスは、PFBR45-ST13150Sに比べてより堅牢な安全機能を備えています。（画像提供：Bourns）
GMOVプロテクタの選択：適切なプロテクタを選択する際には、システムがどのような種類の電力サージや電圧過渡現象に直面する可能性があるかを考慮します。たとえば、Bournsは、6キロアンペア（kA）のサージ電流をサポートする GMOV-14D301K のような14ミリメートル（mm）のGMOVプロテクタや、10kAのサージ電流をサポートする GMOV-20D151K のような20㎜のバリエーションを提供しています。特筆すべきは、14mmおよび20mmの両方のバリエーションが、サイズおよびフットプリントにおいて標準的なMOVと互換性があることです。図5は、これらのデバイスで利用可能な構成の全リストです。
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図5：GMOVプロテクタには14mmと20mmのバリエーションがあり、後者はより高いサージ電流に対応します。（画像提供：Bourns）
キャパシタンスとリーク電流を念頭に置くことも重要です。静電容量が大きいと、PLCシステムのデータ伝送に支障をきたすことがあります。Bourns GMOVプロテクタの2ピコファラド（pF）未満の低キャパシタンスは、信号の歪みを最小限に抑えるため、電力線を利用したデータ伝送に大きな影響を与えません。
Bourns GMOVプロテクタは、リーク電流が1マイクロアンペア（µA）未満であることも特徴です。漏れは些細なことのように思えるかもしれませんが、都市規模での用途では積み重ねられていきます。たとえば、漏れ電流が10マイクロアンペアの街路灯アプリケーションでは、これを一般的な都市部にある100万個の街路灯に掛けると、漏れによるエネルギー損失はかなりのものになります。
まとめ
スマートグリッド、スマートメータ、インテリジェントな街路灯に代表されるスマートエネルギーインフラの出現により、信頼性が高く、費用対効果が高く、効率的な通信システムの必要性が前面に押し出されています。このように、PLCは、特に専用のPLCトランスやGMOVプロテクタによって信号品質と信頼性を確保し、漏れ電流を最小限に抑えながら過渡現象やサージから保護する場合に適したオプションです。
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