Грозозащита
Сети Ethernet, со времён своего изобретения, обрели небывалую популярность, и по ходу развития сетевой инфраструктуры, было разработано и внедрено множество стандартов физического уровня для передачи данных, начиная коаксиальным кабелем и заканчивая оптоволокном. Свою нишу среди них, со всеми своими преимуществами и недостатками, вполне оправданно заняла, так называемая, «витая пара». И даже если для прокладки внешних сетей повсеместно используется оптоволоконный кабель, то с ростом разновидностей телекоммуникационного оборудования возникла необходимость применения медных кабелей («витой пары») как внутри, так и вне зданий.
Данная тенденция повлекла за собой целый ряд проблем, связанных с такими явлениями, как индустриальные электромагнитные помехи и атмосферное электричество. В определенных условиях, из-за роста напряженности ЭМ-поля, порты устройств, подключенных к сети Ethernet, неминуемо выходят из строя. Для решения этой проблемы были разработаны и широко применяются устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП), в простонародье называемые «грозозащита».
Название «грозозащита» не совсем уместно в данном случае, так как никакое УЗИП не сможет защитить оборудование от прямого попадания молнии. Для защиты от грозового разряда применяют совсем другие методы. Молнию «приманивают», молниеотводами создают «привлекательные» для разряда места, то есть создают кратчайший путь для протекания тока разряда.
Согласно исследованиям, проводимым для седьмого издания ПУЭ, в центральных регионах России грозовая интенсивность составляет 50 часов в год, при этом молния воздействует на 1 Км² местности 2 раза в год, а для южных регионов на 1 км² — 5 раз в год.
Рис.1 Карта районирования территории РФ по среднегодовой продолжительности гроз в часах
В предгрозовой период, в атмосфере увеличивается напряжённость электрического поля. В этом случае, образовавшиеся заряды неизбежно индуцируются на все воздушные линии связи, в результате чего разница потенциалов между сигнальными проводами и оборудованием может составлять несколько тысяч вольт. Это напряжение неизбежно приводит к пробою изоляции разделительных трансформаторов Ethernet-портов, и далее распространяется по схеме оборудования.
Рис.2
Также статический заряд может накапливаться в результате трения о кабель молекул воздуха и прочих проявлениях стихии. Гораздо хуже выглядит ситуация при удалённом грозовом разряде. В этом случае электромагнитный импульс, неся огромную энергию и индуцируясь на линии связи, не видит препятствия, проходя через паразитную ёмкость разделительных трансформаторов или пробивая их изоляцию, а при растекании тока молнии по поверхности земли, между разнесёнными на расстояние объектами, разница потенциалов может составлять тысячи вольт.
Рис.3
Стоит отметить, что атмосферные явления могут быть не единственным источником возникновения перенапряжений. Также, зачастую, их источником могут являться коммутационные помехи при включении/отключении силового оборудования, при расположении кабельного сегмента в непосредственной близости от электротранспорта, частотно регулируемыми приводами электродвигателей и т.д. Нередко происходят случаи нарушения правил монтажа как слаботочных, так и силовых кабелей, в результате чего на сигнальные линии также наводится опасное для оборудования напряжение. От перечисленных выше явлений как раз и предназначены защищать УЗИП. Несмотря на то, что принцип работы всех УЗИП одинаков, и основан на отведении с линии передачи данных, наведённого электрического заряда, в систему заземления, рынок УЗИП изобилует разновидностями данных устройств и схемотехническими решениями при их проектировании.
Выбирая техническое решение при разработке УЗИП, пришлось отталкиваться не только от качества защиты оборудования, но также брать в расчёт суровые экономические реалии нашей страны, так как мало желающих покупать УЗИП ценой выше, чем стоимость ремонта защищаемого порта, а с учётом того, что оригинальные решения стоили бы на порядок дороже, и лишь на очень малую долю улучшали характеристики защиты, выбор был остановлен на классических решениях. Для большего понимания ситуации, ниже будет дано общее представление о том, как работают УЗИП, но для этого необходимо немного погрузиться в теорию и разобраться в схемотехнике подобных устройств.
Помехи на лини передачи бывают двух видов: дифференциальные и синфазные (см. рис.4). Дифференциальная помеха – разность потенциалов между проводниками в линии. При возникновении синфазного перенапряжения устройство работает следующим образом: если напряжение между проводниками превышает порог срабатывания супрессора VD3, его сопротивление резко падает, и по цепочке VD1-VD3-VD5 или VD2-VD3-VD4 (рис. 4, синяя стрелка) замыкает линию, ограничивая импульс на безопасном уровне, и выделяя излишки энергии в виде тепла. Синфазная помеха – разность потенциалов между проводниками линии и оборудованием. Для борьбы с этой помехой в схеме используется газоразрядник FV1, принцип работы которого аналогичен работе супрессора, только здесь энергия импульса, протекая через VD1(VD2)-FV1 или FV1- VD4(VD5) (рис. 4, красная стрелка) уравнивает потенциалы с системой защитного заземления.
Рис.4
Примерами реализации подобной схемы являются «Грозозащита Ethernet SNR-SP-1.0» или «Грозозащита Ethernet SNR-SP-2.0». Разница между ними лишь в том, что первая является оконечным устройством, а вторую можно подключить в разрыв линии передачи данных. Также, в линейке присутствует «Грозозащита Ethernet Nag-APC», которая имеет конструкцию для установки в шасси для стандартной 19 дюймовой стойки. Данные грозозащиты можно применить на портах Ethernet 10/100/1000Base.
Грозозащита Ethernet SNR-SP-1.0 Грозозащита Ethernet SNR-SP-2.0
Грозозащита Ethernet Nag-APC
Шасси APC PRM24 для защит NAG-APC
Если защищаемый Ethernet-порт не поддерживает передачу данных на скорости в 1 Гбит/с, то в данном случае вполне может подойти и «Грозозащита Ethernet Nag-клон», рассчитанная на защиту одного порта, или «Грозозащита Ethernet Nag-клон-4», защищающая 4 Ethernet-порта.
Грозозащита Ethernet Nag-клон Грозозащита Ethernet Nag-клон-4
Случаются ситуации, когда защищаемое устройство необходимо запитать по технологии PoE. Примером могут служить такие устройства, как IP-видеокамеры, маршрутизаторы, точки доступа и т.д. В данной ситуации также можно использовать рассмотренную конструкцию УЗИП, изменив некоторые номиналы деталей, так как разница потенциалов в сигнальных линиях согласно стандарту PoE, может составлять до 57 Вольт.
Рис.4
Изменение номинала приведёт к небольшому уменьшению скорости срабатывания схемы, но обеспечит необходимую защиту для оборудования. Примером подобного решения является «Универсальная грозозащита Дрозд». Она работает на портах Ethernet 10/100/1000Base. «Грозозащита Nag-1.1 POE» применяется только на портах Ethernet 10/100Base, как и «Грозозащита PoE Nag-1P». Её можно использовать только совместно с устройствами, питание которых осуществляется по зарезервированным парам проводов (4;5 и 7;8). Подача питания по сигнальным проводам в данном устройстве не поддерживается.
Универсальная грозозащита Дрозд Грозозащита Nag-1.1POE
Грозозащита PoE Nag-1P
Также, для предотвращения влияния неблагоприятных внешних условий, УЗИП серии «Дрозд» может устанавливаться в корпусы с необходимой степенью защиты от климатических и механических воздействий.
В случае, когда линия передачи данных оказывается в зоне действия разнообразных индустриальных помех, актуальным будет применение УЗИП с дополнительными индуктивно-ёмкостными фильтрами, которые исключат составляющую помехи, не препятствуя прохождению полезного сигнала. Примеры данного решения, это «Грозозащита Ethernet Nag-1.2» и «Грозозащита Ethernet Nag-4.2». Разница между ними в количестве защищаемых портов, 1 и 4 порта соответственно. В силу конструктивных особенностей, эти УЗИП нельзя использовать совместно с устройствами, питаемыми по технологии POE, так как постоянное напряжение не сможет преодолеть преграду из индуктивно-ёмкостных фильтров. Эти устройства могут работать на портах Ethernet 10/100Base.
Грозозащита Ethernet Nag-1.2 Грозозащита Ethernet Nag-4.2
Кроме устройств защиты Ethernet-портов, в линейке есть также «Грозозащита Nag-DSL», применяемая для защиты устройств подключаемых к телефонной линии, таких как телефонные аппараты или DSL-модемы.
Грозозащита Nag-DSL
Зачастую, в линии напряжения питания (~220В) также могут происходить скачки напряжения, приводящие к отказу питаемого оборудования. На этот случай можно воспользоваться устройством «Грозозащита NAG-E1.0», которое работает на том же принципе, что и все выше перечисленные УЗИП, с одной лишь разницей: в этом устройстве дополнительно установлены предохранители, сгорающие при скачке напряжения, поэтому после срабатывания защиты, предохранители нужно заменить.
Грозозащита NAG-E1.0
С подробными характеристиками перечисленных устройств, а также с их стоимостью вы всегда можете ознакомиться на нашем сайте.
Защита ОПС от импульсных грозовых и коммутационных перенапряжений
- Статьи
- Обслуживание и ремонт систем безопасности
- Защита ОПС от импульсных грозовых и коммутационных перенапряжений
В настоящей статье будут рассмотрены вопросы защиты от импульсных грозовых и коммутационных перенапряжений аппаратуры охранно-пожарной сигнализации. Статья предназначена для технических специалистов, занимающихся монтажом и эксплуатацией аппаратуры ОПС.
Обмен опытом с другими производителями, а также представителями монтажных и эксплуатационных организаций подтверждает, что выход из строя аппаратуры по причине грозовых разрядов является достаточно распространенным явлением. И дело здесь не только в качестве аппаратуры, ошибках монтажа или нарушении правил эксплуатации. Одна и та же аппаратура может годами исправно работать на одних объектах и регулярно выходить из строя на других. Неприятные последствия импульсных перенапряжений проявляются не только в выходе аппаратуры из строя. Не менее опасны и сбои в работе. Например, известны случаи ложных пусков систем автоматического пожаротушения: при этом аппаратура исправна, защита пусковых цепей срабатывает, защищая выходные электронные ключи от разрушения. Однако пиропатрон активизируется, поскольку наведенного помехой тока достаточно для его подрыва.
Попытки применения каких-то дополнительных устройств защиты удорожают затраты на оборудование и монтаж, но также не дают заметного результата. Итак, почему выходит из строя надежная аппаратура и как с этим бороться?
Источники опасных импульсных перенапряжений
1. Грозовой разряд является наиболее мощным источником импульсных перенапряжений. Во время разряда молнии в ее стволе возникают огромные токи, при протекании которых возникают опасные потенциалы напряжений. Системы молниезащиты, включающие в свой состав молниеотводы и заземления, предназначены для защиты зданий и людей от поражения электрическим током, но не для защиты электронного оборудования и линий связи. Поэтому прямое попадание молнии в здание практически всегда приводит к выходу из строя электронной аппаратуры. О реальной защите от разряда молнии можно говорить в случае, если расстояние до него составляет хотя бы сотни метров. К счастью, прямое попадание молнии – достаточно редкое явление. Поэтому наиболее вероятным следует считать воздействие на аппаратуру ОПС электромагнитного импульса, возникающего между тучами, и удаленный удар молнии в землю. Для центральных регионов России интенсивность воздействия грозы составляет приблизительно 50 часов в год, при этом молния воздействует в среднем два раза в год на 1 км2 местности. Для северных регионов России молния воздействует на 1 км2 местности один раз в год, для южных – до пяти раз в год. Поэтому для средней полосы на линиях связи или линиях электропитания следует ожидать опасные помехи в виде импульсов напряжения 10 кВ один раз в год и до 50 раз в год – импульсы около 1 кВ. Для южных районов с повышенной грозовой активностью частота появления опасных напряжений, соответственно, увеличивается в пять раз. Необходимо заметить, что гроза является не единственным источником перенапряжений, которые могут выводить электронное оборудование из строя, имеются и другие причины, которые могут создавать достаточно мощные импульсы. К ним относятся еще три большие группы.
2. Коммутационные импульсные помехи. Основным источником возникновения коммутационных импульсных помех являются переходные процессы при следующих операциях в электросети:
• Включение и отключение потребителей электроэнергии (электродвигатели, лампы накаливания и дневного света, компьютеры и др. аппаратура).
• Включение и отключение цепей с большой индуктивностью (трансформаторы, пускатели и т. д.).
• Аварийные короткие замыкания в сети низкого напряжения и их последующее отключение защитными устройствами.
• Аварийные короткие замыкания в сети высокого напряжения и их последующее отключение защитными устройствами.
• Включение и отключение электросварочных установок.
Источником импульсных помех является городской электрифицированный транспорт, включая метро, а также электрифицированные железные дороги. Эта группа помех, как правило, представляет собой одиночные импульсы с амплитудой до нескольких киловольт. В соответствии с ГОСТ [1] считается допустимым наличие в сети 220 В импульсов коммутационных помех амплитудой до 4,5 кВ длительностью до 5 мс. Реально частота возникновения одиночных импульсных помех амплитудой до 300 В составляет в среднем для промышленных предприятий 20 помех в час, для жилых домов – 0,5 помехи в час. Наиболее опасные помехи амплитудой от 1 до 10 кВ составляют до 0,1% от общего числа импульсных помех. Таким образом, в офисе, расположенном на территории промышленного предприятия, электронное оборудование в среднем подвергается воздействию мощной помехи три раза в неделю, а в жилом доме – до четырех раз в год. Кроме одиночных импульсных помех по цепям питания возникают периодические импульсные помехи, связанные с работой люминесцентных ламп, преобразователей блоков питания и т. д. Данный тип помех [2,3] достигает амплитуды до 1 кВ, отличается более широким спектром и приводит как к сбоям, так и к повреждению аппаратуры. Коммутационные импульсные помехи различной длительности по цепям питания 220 В большинства оборудования ОПС при нормальных условиях эксплуатации способны вывести его из строя только в том случае, если амплитуда помех превышает 1 кВ. Вероятность повреждения аппаратуры по цепям питания многократно возрастает в условиях повышенной влажности или в условиях повышенной запыленности, что характерно для промышленных объектов. Повреждения блоков питания оборудования ОПС являются следствием воздействия импульсных помех по электросети. Причем следует отметить, что значительно чаще повреждаются импульсные блоки питания и реже – линейные [5].
3. Перенапряжения и провалы напряжения в сети питания
Причины возникновения перенапряжений в сетях питания обусловлены прежде всего низким качеством электросетей и невысокой культурой энергопотребления. Поэтому подчеркнем лишь наиболее типичные проблемы электроснабжения. Максимумы напряжения питающей сети, как правило, связаны с минимальной нагрузкой энергосистемы и наблюдаются в ночное время. Наибольшие колебания напряжения в электросети приходятся на начало и конец рабочего дня. Реально на промышленных объектах возможны периодические («день-ночь») колебания электросети 220 В от 160 В до 260 В с кратковременными повышениями до 300 В. Перенапряжения в электросети выводят из строя стандартные простые схемы защиты от импульсных помех (варисторы и т. д.), импульсные блоки питания. Отдельно можно выделить две распространенные монтажные ошибки, приводящие к перенапряжениям:
• перекос фаз сети электропитания из-за перегрузки одной фазы потребителями электроэнергии;
• перегрузка нейтрали электросети из-за меньшего сечения проводника у нейтрали, чем у фазы.
4. Электростатический заряд, накапливающийся при работе технологического оборудования, интересен тем, что хоть и имеет небольшую энергию, но разряжается в непредсказуемом месте.
Пути проникновения импульсных перенапряжений в аппаратуру ОПС
Вне зависимости от источника возникновения импульсного перенапряжения пути проникновения импульсных перенапряжений сходны. Главным условием проникновения, кроме источника перенапряжений, является наличие длинной линии, в которой и происходят наводки.
Такими линиями являются: 1. Кабели соединений с компьютером RS-232. 2. Шлейфы аналоговой пороговой сигнализации. 3. Провода низковольтного (12 В) питания блоков. 4. Провода высоковольтного (220 В) питания блоков. 5. Соединительные провода электронных ключей с нагрузкой. 6. Шлейфы цифровой адресной пожарной сигнализации. 7. Соединительные провода оптоэлектронных реле с нагрузкой. 8. Соединительные провода электромеханических реле с нагрузкой. 9. Пусковые цепи автоматического пожаротушения. 10. Кабели аналогового видеоизображения. 11. Кабели межблочной ЛВС. 12. Кабели межблочной CAN-сети;
Данный список ранжирован по степени устойчивости к перенапряжениям. Из приведенного списка следует преимущество распределенных систем на основе CAN-интерфейса. Рассмотрим подробнее механизмы воздействия высоковольтных импульсных помех на соединительные линии. При попадании молнии в предметы, расположенные в непосредственной близости от мест прокладки сети, вследствие растекания токов молнии потенциал здания и ПК может повыситься до значительной величины. Распределение потенциалов по земной поверхности при этом будет зависеть от расстояния до эпицентра удара молнии и мощности грозового разряда. В приведенном примере (рис. 1) показано распределение потенциала в глиняной почве (удельное сопротивление р = 60 Ом*м) в зависимости от расстояния до места удара молнии. Ток молнии равен 20 кА. Из рисунка следует, что при ударе такой молнии между зданиями образуется разность потенциалов 6,4 КВ, что приведет к выходу оборудования, соединенного UTP-кабелем. Применение разрядников в данном случае помогает существенно снизить опасный потенциал.
Рис. 1. Распределение потенциалов при попадании молнии в землю. Электроснабжение производится от двух различных подстанций
Итак, внешние электромагнитные импульсы независимо от источника их образовавшего приводят к образованию на протяженной линии связи разницы потенциалов. Значение разницы потенциалов зависит от напряженности внешнего электромагнитного поля, скорости его изменения, протяженности линии связи и может достигать при определенных неблагоприятных условиях десятки киловольт.
Защита от импульсных перенапряжений
Чтобы защитить объект от воздействия любого вида перенапряжений, в первую очередь необходимо создать эффективную систему заземления и уравнивания потенциалов. При этом желателен переход на системы питания TN-S TN-C с разделенными нулевыми и защитными проводниками. На рисунке справа нарисована схема такого 3-проводного соединения. Третий провод РЕ используется для заземления аппаратуры и соединяется с физической землей в одной точке с нулевом проводом N. Нулевой и фазный провода имеют защиту. Избыточный потенциал «стекает» в землю по проводу РЕ. Объединение проводов РЕ и N ухудшает защиту. Основные принципы применения устройств защиты от импульсных перенапряжений рассмотрены в [3].
Рис. 2. Основные пути проникновения перенапряжений в здания и сооружения объектов охраны.
Эффективным способом защиты является зонное разделение объекта. В объекте, разделенном на зоны, при переходе из одной зоны в другую происходит ограничение пиковых величин перенапряжений до уровней, допустимых в данной зоне. Чем выше номер зоны, тем ниже значения допустимых уровней импульсных помех.
В качестве отводящих устройств первой ступени защиты применяются разрядники – газоразрядные приборы, имеющие определенное напряжение пробоя, при котором резко снижается его сопротивление. После прохождения через 1-ю ступень (разрядник) потенциал в линии ограничивается на уровне потенциала пробоя, который обычно составляет ~ 350–500 В для коротких импульсов; для длительных процессов пробоя оно составляет около 90 В (случаи попадания опасных напряжений от других источников, например, при падении силового провода на линию). Отметим, что применение плавких предохранителей не даст результата, поскольку время их реакции на импульс значительно превышает время самого перенапряжения.
Для дальнейшего ограничения опасного напряжения выполняется вторая ступень защиты. От первой ступени защиты она отделяется ограничивающими ток элементами (дроссели, резисторы). Строится обычно вторая ступень на стабилитронах или супрессорах. На них происходит дальнейшее ограничение напряжения с 350–500 В до 6–7 В; пропускаемая мощность составляет до 1,5 кВт. Во многих случаях этого достаточно для предотвращения отказов аппаратуры.
Практика эксплуатации аппаратуры показывает, что далеко не все объекты, где установлена ОПС, имеют зонную защиту от импульсных перенапряжений. В некоторых случаях на объектах отсутствуют даже заземления. И их создание не всегда в компетенции проектных и монтажных организаций ОПС потому, что это дорогостоящие инженерно-технические сооружения и во многих случаях заказчик не готов идти на подобные затраты. При отсутствии или недостаточности мер защиты в условиях сложной грозовой обстановки (или иных источников перенапряжений) можно использовать дополнительные электронные изделия: «устройств защиты от импульсных перенапряжений» (УЗИП) в виде отдельных приборов, которые позволяют усилить степень защиты. Общий принцип работы всех УЗИПов заключается в снижении опасного потенциала и его своевременного отвода на заземление. При этом в УЗИПах используются многоступенчатые комбинации защитных элементов, имеющих разные характеристики:
Изделия данного вида широко применяются для защиты бытовой и профессиональной аппаратуры и выпускаются различными производителями. При выборе УЗИПа следует руководствоваться его назначением:
• защита цепей питания;
• защита линий передачи данных;
• защита видео и т. д., а также требуемой степенью обеспечиваемой защиты.
При использовании УЗИПа обязательное его заземление и соблюдение правил соединения защищаемых цепей, рекомендуемых изготовителем. Возникает вопрос: почему производители аппаратуры ОПС не встраивают все эти элементы в свои изделия? Во-первых, применение этой защиты не дает 100%-ной гарантии. Во-вторых, встраивание компонентов защиты в серийную аппаратуру существенно повышает ее стоимость.
Что можно предложить в этой связи? Очень эффективными являются применение распределенных систем. Рассмотрим пример, в котором 8 охранных извещателей находятся в 1,5 км от пульта. В традиционной централизованной системе необходимо проложить 8 двухпроводных линий шлейфов и одну двухпроводную линию питания извещателей по 1,5 км каждая. Легко представить помеховую уязвимость таких длинных линий и их стоимость. В распределенной системе удаленные шлейфы сигнализации можно подключить не к пульту, а к удаленному от него блоку. Пульт и блок соединяются одной витой парой CAN-сети. Приемопередатчики этой сети имеют достаточно мощную защиту, обеспечивающую исправность при ударах молнии. А собственно шлейфы сигнализации имеют небольшую длину и поэтому более низкую восприимчивость к перенапряжениям. И плюс существенная экономия в кабельной продукции. Наиболее ответственным мероприятием в системе защиты от импульсных перенапряжений является устройство заземления. Напомним некоторые термины и общие правила в устройстве заземлений: Заземление – физическое соединение с грунтом земли. Защитное заземление – заземление в целях обеспечения защиты персонала от поражения электрическим током. Защитное заземление зачастую ухудшает помеховую обстановку для систем автоматики за счет протекания по его цепям больших промышленных токов. Общий провод – проводник, относительно которого проводится измерение электрического потенциала. При этом общий провод может быть у цепей с разными величинами токов: силовыми (амперы и более) и сигнальными. Силовые и сигнальные цепи должны быть гальванически развязаны, иначе силовые цепи будут оказывать влияние на работу сигнальных цепей. Сигнальное заземление – соединение общего провода сигнальных цепей с землей. Сигнальное заземление может быть экранным и базовым. К экранному заземлению подсоединяются экраны (оплетки) кабелей, экраны блоков, корпуса приборов и служат для защиты цепей от паразитных наводок. Базовое сигнальное заземление используется для привязки потенциалов разных блоков распределенной системы к одной общей величине. В противном случае в удаленных друг от друга блоках под воздействием различных причин (грозовые разряды, промышленные наводки, статика и т. д.) могут возникать высокие потенциалы разной величины, что приводит к пробою компонентов и сбоям в работе. Кроме того, незаземленный экран кабеля усиливает воздействие наводок, выступая в качестве антенны. Сигнальное заземление следует выполнять в одной точке. В противном случае в общий сигнальный провод могут попасть большие токи силовых цепей, что приведет к сбоям и авариям. Точку подключения желательно выбрать возле источника питания ОПС, расположенного вблизи электрораспределительного щитка, который имеет надежное заземление.
Выводы и рекомендации:
1. Гроза является не единственным источником импульсных перенапряжений. На каждом конкретном объекте специалисты должны оценивать помеховую обстановку, достаточность мер защиты, чтобы учитывать риски при проектировании, монтаже и эксплуатации ОПС
2. Для обеспечения устойчивой работы аппаратуры ОПС в условиях длинных линий и сложной помеховой обстановки пользователям рекомендуется принимать дополнительные меры защиты.
3. Понятие грозозащиты не может быть сведено до уровня какого-то отдельного устройства, а являет собой сложный комплекс технических мероприятий. Реализация защитных мероприятий должна выполняться подготовленными специалистами. Неправильно выполненная защита может ухудшить ситуацию.
4. Распределенные системы ОПС более устойчивы к импульсным перенапряжениям в условиях длинных соединительных линий.
5. Более надежные способы защиты от импульсных перенапряжений потребуют и более серьезных дополнительных проектно-монтажных работ, материальных и денежных затрат. Эти вопросы следует обсуждать с заказчиком при заключении договоров, выделяя их в отдельные пункты, чтобы в дальнейшем предметно оговаривать взаимные претензии.
Источник: Журнал ТЗ № 5 2009
Устройства защиты электросети от перенапряжения, В электрических распределительных сетях возникает целый ряд нежелательных событий, одним из которых можно назвать «перенапряжение»
Устройства защиты электросети от перенапряжения
13.03.2014
Что такое TOV и что такое Swells
В электрических распределительных сетях возникает целый ряд нежелательных событий, одним из которых можно назвать «перенапряжение» — временное повышение напряжения значительно выше номинального. Предотвратить это распространённое явление очень трудно, если вообще возможно. Так или иначе, перенапряжения являются постоянными спутниками действующих электросетей. Частота наступления этого события, а также уровень превышения номинального напряжения в каждом конкретном случае определяется конфигурацией оборудования электросетевого хозяйства. Это событие и называется в англоязычных источниках TOV, и определяется как достаточно длительное по времени превышение верхней границы допустимого диапазона сетевого напряжения, ставшее следствием аварии или неисправности оборудования. Не следует путать это явление с короткими и резкими всплесками напряжения, имеющими импульсный характер, также часто встречающимися в электрических сетях.
Кратковременные перенапряжения в электросетях (длительностью порядка нескольких десятков миллисекунд) принято называть Swells (см. рис.1), просто для того, чтобы иметь термин, позволяющий обозначать этот подкласс перенапряжения и отличать его от более длительного (см. рис.2) по времени события. Как правило, в случае возникновения Swell, система самостоятельно возвращается в нормальное состояние без какого-либо постороннего вмешательства, в то время как возникновение TOV (более длительного перенапряжения), обычно сопровождается срабатыванием защитных устройств, обеспечивающих обесточивание соответствующих цепей. С другой стороны, традиционные устройства защиты от перенапряжения (УЗИП), как правило, ведут себя одинаково при возникновении TOV и Swells, и поэтому неспособны правильно отработать некритичные кратковременные броски напряжения: защита срабатывает в обоих случаях, в то время, как её реакция желательна лишь для более-менее длительных перенапряжений. По этой причине, при выборе УЗИП (с конкретным напряжением срабатывания) приходится принимать во внимание целый ряд трудно прогнозируемых факторов, таких, как вероятность возникновения перенапряжения, его величину и длительность, причём делать это необходимо для каждого частного случая применения защитного устройства.
| Рис.1 Swell — короткий бросок напряжения (обычно более чем 110% номинала), как правило вызванный отключением мощной нагрузки, длительностью более одного периода. | Рис.2 TOV – гораздо более сильное и длительное повышение напряжения (до 173% номинала, длительностью от нескольких секунд), вызванное, например, пробоем изоляции фазного провода. |
Влияние TOV на защитную аппаратуру
В том случае, когда максимальное рабочее напряжение УЗИП Uc установлено ниже напряжения, потенциально способного появиться в сети при пробое изоляции или обрыве одного из питающих проводов, в условиях возникновения аварийной ситуации ток через УЗИП очень быстро нарастает, как следствие, лавинообразно повышается и температура устройства, что приводит к его разрушению. Во избежание проявления этого деструктивного эффекта классические УЗИП оснащаются встроенными системами тепловой защиты (см. рис.3), которые отключают устройство при критическом перегреве, что, в дальнейшем, приводит к тому, что электрооборудование остаётся без какой-либо защиты совсем. Следует, однако, признать, что надёжность традиционных систем защиты от перенапряжения достаточно высока, при выборе максимального рабочего напряжения Uc УЗИП равным или несколько большим, чем 1,45 от Uo для систем с заземлением типа TN и равным или несколько большим Uo для систем с заземлением типа TT. Сказанное, в свою очередь, не относится к оборудованию, заземлённому по схеме IT. УЗИП с высоким напряжением Uc (U1mA — имеется ввиду напряжение на варисторе, при протекающем через него токе, равном 1 мА) будет нормально работать и защищать оборудование в большинстве случаев возникновения перенапряжения, однако, оборотной стороной этого решения является полная нечувствительность аппаратуры к импульсным скачкам напряжения, именно вследствие смещения вверх напряжения защиты (Up) УЗИП. Защитная аппаратура с установленным низким рабочим напряжением Uc (низкое напряжение на варисторе U1mA) будет иметь, соответственно, пониженное Up, и, вдобавок, находиться под риском термического разрушения при перенапряжении в электросети.
Рис.3 Система термозащиты классического УЗИП
Существуют ли решения, снижающие пагубное влияние высокого напряжения на УЗИП?
Как показано выше, основной тактикой, применяемой в создании конкурентоспособных УЗИП, устойчивых к перенапряжениям, является метод сдвига вверх их рабочего напряжения, однако, при этом загрубляется их чувствительность из-за соответствующего подъёма уровня Up – напряжения защиты.
Компания Iskra Zaščite d. o. o. является разработчиком новой линейки УЗИП, семейства SAFETEC® (Рис.4) , где применены инновационные решения, позволяющие защитным устройствам оставаться в строю при превышении рабочего напряжения Uс до полутора раз. Устройства семейства SAFETEC® имеют сниженный уровень Up напряжения защиты, при этом, в случае перенапряжения в электросети (и превышения Uс) они не будут разрушены, как традиционные УЗИП!
Рис.4 УЗИП семейства SAFETEC® — инновационные технологии, патентованные решения
Как работает SAFETEC® при перенапряжении
В том случае, когда сетевое напряжение превышает рабочее напряжение УЗИП (Uc), в цепь включается ограничитель тока (обозначен ТС на рис.5), который снижает ток, протекающий через варистор (MOV) до безопасного уровня 10 мА. Значение 10 мА укладывается в рабочий диапазон токов варистора, поэтому ток этой величины неспособен повредить его. Это означает, что после устранения перенапряжения варистор остаётся полностью работоспособным (нет необходимости заменять УЗИП после аварии!).
Применённые конструктивные решения позволяют ограничивать ток, текущий через варистор, несколькими миллиамперами уже при развитии перенапряжения, таким образом, если при аварии срабатывает также и тепловая защита, то электрическая дуга, появляющаяся при расцеплении контактов, будет либо очень слабой, либо не сможет образоваться вовсе. Система тепловой защиты срабатывает в случаях перегрузки или в случае превышения лимита текущего через варистор тока. Эта система имеет запатентованную, чисто механическую конструкцию, обеспечивающую эффективное гашение возникающего при её срабатывании дугового разряда и последующее разнесение токоведущих частей на максимальное расстояние друг от друга. После срабатывания системы тепловой защиты цепь остаётся постоянно разомкнутой.
Рис.5 Блок-схема устройств семейства SAFETEC®
Реакция различных типов УЗИП на перенапряжение
В нашей лаборатории были проведены сравнительные испытания УЗИП, соответствующие требованиям стандарта IEC 61643-11:2011. Каждый из протестированных образцов включался под нагрузку при максимально допустимом стандартами напряжении сети: 230В + допустимая добавка 10%, итоговое напряжение переменного тока составило 253В (среднеквадратичное значение), см. Рис.6.
Через 10 секунд работы в этом режиме имитировалась ситуация пробоя изоляции на землю, и напряжение повышалось до 438В, путём переключения источника питания (с учётом смоделированного ранее перенапряжения). Оба источника питания, использовавшихся в тестовых испытаниях, обладали способностью обеспечивать ток короткого замыкания порядка 100А. Интервал между отключением первого источника питания и подключением второго, обеспечивающего условия перенапряжения, составлял не более 100мс. Во время всего теста производился замер тока, протекающего через испытуемое устройство, посредством токовых клещей, а также измерением падения напряжения на его клеммах.
Рис.6 Схема испытательного стенда
Образцы для сравнительных испытаний были приобретены в открытых источниках, и представляют типичный рыночный ассортимент на сентябрь 2012 года. Отобранные устройства предназначены для монтажа на стандартную рейку 1TE DIN, имеют в качестве защитного элемента варистор, оборудованы тепловой защитой, и рассчитаны на максимальное рабочее напряжение Uc, близкое к 275В (см. Табл.1).
Таблица 1 Сравнение заявленных характеристик УЗИП SAFETEC® и четырёх конкурирующих устройств от независимых производителей
| Образец | Рабочее напряжение в сети | Максимальное продолжительное рабочее напряжение УЗИП (UC) переменного тока | Номинальный ток разряда In 8/20 мкс | Максимальный ток разряда Imax 8/20 мкс | Защита от высокого напряжения по уровню Up |
| №1 | 230/400 В | 275В | 20 кА | 65 кА | < 1,25 кВ |
| №2 | 230/400 В | 255В | 20 кА | 40 кА | < 1,25 кВ |
| №3 | 230/400 В | 280В | 20 кА | 40 кА | < 1,3 кВ |
| №4 | 230/400 В | 335В | 20 кА | 40 кА | < 1,6 кВ |
| SAFETEC® | 230/400 В | 275В | 20 кА | 40 кА | < 1,6 кВ |
Образец №4 имеет повышенное рабочее напряжение UC и высокий уровень защиты от высокого напряжения Up – в силу высокого значения параметра U1mA применённого варистора. УЗИП SAFETEC® при рабочем напряжении UC, равном 275В, также имеет высокий уровень защиты от высокого напряжения Up, однако это определяется не параметром U1mA варистора. Параметр (U1mA) был измерен для каждого протестированного образца перед проведением испытаний (см. Табл.2).
Таблица 2. Сравнительные результаты тестов УЗИП SAFETEC® и четырёх конкурирующих устройств от независимых производителей
| Образец | Напряжение на варисторе, измеренное при протекании через него тока силой 1 мА (U1mA) | Ток через УЗИП при напряжении сети 253В (замкнут Вк1) | Ток через УЗИП при напряжении сети 438В (замкнут Вк2) | Результаты тестирования |
| №1 | 425 В | Отсутствует | Высокий | Возгорание и взрыв |
| №2 | 430 В | Отсутствует | Высокий | Возгорание и взрыв |
| №3 | 455 В | Отсутствует | Высокий | Возгорание и взрыв |
| №4 | 530 В | Отсутствует | Низкий | Повреждён, нуждается в замене |
| SAFETEC® | 469 В | Отсутствует | Низкий, с тенденцией к дальнейшему уменьшению | Прошёл тест, оставшись исправным. Необходимости замены нет. |
Устройства были протестированы в соответствии с требованиями стандарта IEC 61643-11:2011, который предполагает возможность возникновения перенапряжения в электросети, в том числе и вследствие пробоя изоляции одного из фазных проводов на землю. Как можно видеть, реальные условия эксплуатации могут привести к разрушению и возгоранию УЗИП, что и наблюдается в моделях, обозначенных №1, №2 и №3 – иллюстрация на Рис.7.
Рис.7 Результат воздействия напряжения 438В на УЗИП №3 – возгорание и взрыв (корпус устройства на фотографии заретуширован)
Образец №4 (с высоким напряжением на варисторе U1mA) продемонстрировал внутренний обрыв после нескольких секунд воздействия на него напряжения 438В, что стало результатом протекания через него тока, губительного для варистора (см. Рис.8).
Рис.8 Осциллограмма, демонстрирующая протекание тока через УЗИП №4 при прикладывании к нему напряжения 438В.
На Рис.9 приведена осциллограмма работы УЗИП семейства SAFETEC®. Хорошо видно, что при подаче напряжения 438В (начальный пик тока 446 мА) срабатывает система ограничения (ТС), которая плавно снижает ток через варистор: через 120 секунд после подачи высокого напряжения ток равен 48 мА, с последующим снижением до безопасного для варистора значения 10 мА. После снятия высокого напряжения устройство осталось полностью работоспособным и не требует замены!
Рис.9 Осциллограмма, демонстрирующая поведение УЗИП SAFETEC® при подаче на него напряжения 438В.
Выводы:
Все испытанные УЗИП, кроме УЗИП SAFETEC® при перенапряжении в электросети пропустили через себя значительные количества энергии, обусловленные, в первую очередь, возможностью источника питания (осторожно, подобные эксперименты небезопасны!).
Протекание тока через УЗИП вызвало их повреждения: внутренний обрыв и разрушение системы термозащиты образца №4, и взрыв и возгорание образцов №1, №2 и №3 (требуется их замена, кроме того, они сами являются источниками повышенной опасности!).
Ничего из вышеперечисленного не произошло с УЗИП семейства SAFETEC®, см Рис.10.
Реальный тест УЗИП
Образец №1 — U1mA – 425В – возгорание и взрыв
Образец №2 — U1mA – 430В – возгорание и взрыв
Образец №3 — U1mA – 455В – возгорание и взрыв
Образец №4 — U1mA – 530В – внутренний обрыв, необходимость замены
Образец№5 SAFETEC® — U1mA – 469В – исправен, необходимости замены нет)
Рис.10 Фотографии УЗИП, использованных в сравнительных испытаниях. До и после. Корпуса УЗИП заретушированы.
Автор: Алеш Штагой, ведущий инженер ИскраЗащиты.
© Контрактные Системы, копирование только с разрешения ООО «Контрактные Системы»
Как подключить УЗИП?Грозозащита Ubiquiti. Рекомендации по подключению устройств без заземляющего винта на корпусе
Оборудование Ubiquiti , пожалуй, наиболее распространенное и доступное решение радиодоступа в России. О проектировании каналов на этом оборудовании написано уже многое, есть даже альтернативные линейки программного обеспечения — однако не так широко, как хотелось бы, освещена тема заземления. А ведь при некорректном заземлении даже самая правильно спроектированная сеть принесет лишь разочарования и убытки.
Сегодня наш материал как раз о приземленном, а именно о заземлении. Благо, к нам прибыла новая продукция Ubiquiti — всепогодная грозозащита.
Итак, мы рады представить всепогодную гигабитную грозозащиту ETH-SP.
Устройство компактно и может крепиться к мачте той же стяжкой, что и активное оборудование:
Контакт заземления производитель рекомендует прикручивать прямо в мачту (он не запрещает прикрутить кабель с обычной клеммой, однако винт с гайкой для такого крепления даже не положили в коробку):
Внутреннее устройство системы довольно простое: экраны кабеля подключены к контакту заземления, защита от перенапряжения реализуется разрядниками — причем они установлены для каждой линии, что позволяет использовать как любую из допустимых по 802.3af/at схем питания, так и пассивное PoE, применяемое на «млaдших» устройствах Ubiquiti.
Установленные в устройстве разрядники позволяют осуществить отсечку импульсов напряжения выше номинала срабатывания, например, при близком разряде молнии.
Ранее, при отсутствии всепогодных грозозащит, рекомендовалась следующая схема подключения:
Данная схема обеспечивает единую точку заземления и защиту кабеля от наведенных импульсов. Однако сейчас мы можем предложить более надежную схему, с использованием двух грозозащит:
При такой схеме в десятки раз снижается длина кабельного спуска до ближайшей точки заземления и, соответственно, улучшаются условия отвода перенапряжения. По сути, установка двух грозозащит в такой конфигурации эмулирует устройство с металлическим корпусом.
Так как заземление оборудования теперь происходит в двух точках (мачта и шина заземления внизу), при инсталляции по возможности проверяется разница потенциалов между точками 1 и 2. Для проверки используется кабель не менее 18 AWG (0,82 кв. мм). Мультиметр (лучше использовать true RMS) должен показывать разницу потенциалов менее 10 mV DC и менее 300mV АС напряжения, сопротивление менее 5 Ом. При бóльших значениях возможны повреждения вследствие ESD (ElectroStatic Discharge — необязательно при грозе), что является негарантийным случаем. В случае превышения данных значений рекомендуется проверить шины заземления зданий/сооружений. Для соединения устройств используйте качественную медную витую пару и коннекторы. Для соединения экранированных кабелей рекомендуются к использованию коннекторы «с ушком».
Обратите внимание, что производитель требует использования только экранированных кабелей и подключения экрана на протяжении всей трассы от устройства.
Таким образом, применение грозозащит, осуществляющих разрыв экрана, является недопустимым с точки зрения производителя и невозможности осуществления гарантийного ремонта:
The above warranty does not apply if the Product:
(I)
has been modified and/or altered, or an addition made thereto, except by Ubiquiti Networks, or Ubiquiti Networks’ authorized representatives, or as approved by Ubiquiti Networks in writing;
(II)
has been painted, rebranded or physically modified in any way;
(III)
has been damaged due to errors or defects in cabling;
(IV)
has been subjected to misuse, abuse, negligence, abnormal physical, electromagnetic or electrical stress, including lightning strikes, or accident;
(цитата из Quick Start Guide для оборудования Ubiquiti NanoStation M, раздел Warranty Conditions — доступен по адресу http://dl.ubnt.com/guides/NanoStation_M/NanoStation_M_Loco_M_QSG.pdf на сайте производителя).
Типичная схема грозозащиты с разрывом экрана — прямое нарушение рекомендаций производителя:
Выводы:
- Компактная и недорогая всепогодная грозозащита Ubiquiti может эффективно применятся для оборудования как с Gigabit Ethernet, так и с Fast Ethernet портом;
- При установке двух грозозащит возникает схема с двумя защитными заземлениями, требующая эквивалентности их потенциалов;
- Применение экранированного кабеля и металлизированных разъемов обязательно при любой схеме заземления.
И в завершение: стоимость новой грозозащиты Ubiquiti в CompTek — 12 долларов США.
1.7. Грозозащита
Грозозащита. Термин серьёзный, так называются устройства, защищающие оборудование от воздействия наведенных на линии связи высоких напряжений, угрожающих целостности электронных компонентов. Наводки от молний, например.
Используются несколько типов защитных элементов:
— варисторы — переменный резистор, резко уменьшающий своё сопротивление при возрастании приложенного напряжения выше заданного уровня;
— супрессоры — ограничительные стабилитроны, открывающиеся при превышении приложенного напряжения выше заданного порога;
— газонаполненные разрядники — принцип тот же, при превышении определённого значения напряжения в керамическом баллончике с инертным газом происходит разряд и сопротивление падает до долей Ома;
— плавкие предохранители — ну предохранители они и есть, перегорают при превышении определенного значения тока.
Эти элементы в различных комбинациях встречаются в устройствах грозозащиты. Не вдаваясь в подробности внутренней схемотехники можно сказать, что принцип работы одинаков — при появлении опасного напряжения в проводной линии (как информационной, так и силовой — без разницы), эти устройства закорачивают линию на землю, тем самым снижают вероятность выгорания приборов, подключенных к этой линии. Поскольку ток при этом бывает очень большим, то элемент защиты может быстро перегреться и сгореть. За это время успеет нагреться и перегореть более инерционный плавкий предохранитель, включенный в линию последовательно. Это крайний случай, обычно они успешно гасят пиковые наводки и живут долго и счастливо. До близкого удара молнии. Ну тут уж как повезёт.
Не буду рисовать схем — и так всё понятно, кроме того, схемки эти нарисованы в главе «Защитное заземление в системах видеонаблюдения». Устройства грозозащиты включаются разрыв линии и через отдельный провод подключаются к ближайшей «земле». Причём земля эта должна быть как можно более надёжна — импульсный ток может быть очень велик и сопротивление проводника должно быть минимально.
Вот пример устройства грозозащиты для коаксиального кабеля тайваньского по-моему брэнда SC&T (мышь рядом исключительно для масштаба):
Отчётливо видны входной и выходной разъёмы, причём на том, который в линию, надпись CABLE (кабель), с другой стороны написано что-то вроде EQUIPMENT (оборудование, короче). Ну и земляной провод торчит с клеммой. Ничего сверхъестественного. Ставить эти разряднички следует с обеих сторон линии — камеры и регистратора.
Вот разрядник грозозащиты марки OSNOVO для линии Ethernet, мы их для уличных IP-камер ставим, да и для компьютерных сетей подойдут, если вы додумаетесь тащить линию воздушкой по улице.
Здесь IN -это вход со стороны линии, там и земляная «сопелька» рядом.
С этими конкретными разрядниками неувязочка вышла — камеры были с «поевским» питанием (глава «Вот оно какое PoE»), т.е. до 57В, а напряжение отсечки разрядника — 20В. Проектировщик проворонил, за что ему было обозначено большое человеческое «мерси» и объявлена клизма. Пришлось демонтировать и менять.
Вот на такие:
У них отсечка на 60 вольтах, питание нормально доходит до камер. Обратите внимание — линия, уходящая на улицу, экранированная и контактный проводок от экрана так же заземлён. Землить экран нужно всегда, причём со стороны центрального оборудования.
Насчёт экрана. Любое грамотное экранирование так же значительно снижает вероятность поражения наведенными напряжениями. Если вы тянете «воздушку» и не разорились на грозозащиту, то постарайтесь хотя бы провести её в экранированном кабеле или заземлённом металлорукаве.
Ну и ещё. Разряд молнии несёт чудовищную энергию в импульсе, поэтому последствия могут быть самыми непредсказуемыми. В большинстве случаев разрядники хорошо себя показывают, но говорить о гарантиях целостности аппаратуры не приходится. О значительном снижении аварийности — да, но не более того. На одной базе отдыха в Горном Алтае выгорело по-моему 8 камер разом, это до установки грозозащиты. После — ну 1,5 года молчат, что дальше будет не знаю. На эту тему вспоминается мрачный армейский юмор незабвенного майора Феонова с институтской военной кафедры: «ПВО — это как волосы на интимных местах, — прикрывают, но не факт, что защищают». В полной мере это можно отнести к устройствам грозозащиты.
Кроме того, следует помнить, что устройства эти недёшевы (1-2 тыс. руб). Поэтому ставить их на всё подряд совсем не обязательно. Если ваши уличные камеры расположены на стенах того же здания, где стоит регистратор, то защищать их совсем не обязательно. Защита нужна при удалённом размещении камер и особенно открытой прокладке кабеля — воздушке.
Кстати, как-то спешно выезжал на удалённый объект, а разрядников не успели закупить. Короче, купил полкармана супрессоров с порогом 6 и 20В и собирал на них разрядники по сигналу и питанию прямо на месте. Получилось раз в 5 дешевле, а результат, по моему, тот же, что от фирменных, хотя, конечно в случае близкого разряда они могут и послабее оказаться. Ну вроде жалоб не было, а грозы в тех местах сильные.
Вот, собственно, всё на этом. Комментируйте, подписывайтесь — форма внизу.
На главную в начало к оглавлению
p.s. Раскопал в столе ещё одну железяку из этой же серии:
Уже знакомый SC&T, но в данном исполнении он защищает не только видеосигнал, а ещё и оба провода электропитания +/- 12В.
Не удержался, расковырял железину. Вот она со всеми своими потрохами:
Лень было искать обозначения элементов для графического редактора, от руки схемку накорябал. Схема простенькая. Все провода, питание и видео, нагружены супрессорами, которые в случае наведения напряжения выше порогового «содят» провод на землю. В линии питания кроме того включен простенький НЧ-фильтр, создающий некоторое препятствие для высокочастотных наводок. В цепь видеосигнала такой фильтр не засунешь — сигнал посадит, поэтому там ограничились установкой дополнительных супрессоров между сигналом и сигнальной землёй (это на случай, если на провода разные напряжения наведутся) и двумя очень маленькими емкостишками, образованными «змейкой» из печатных проводников — на фото видно, если присмотреться.
Вот и вся схема. Я же на объекте, когда сочинял самопальные разрядники, просто ставил одни супрессоры. Ну и емкостишки по питанию добавлял. Брал клеммную колодку на 12 контактов , набивал прямо туда элементы, подводил провода, лишние клеммы откусывал. Всё это в коробку рядом с камерой засовывал и «типа опа». Вроде работает. И стоило рублёв 150-200 по тем временам против больше 1000 за «тайваньский аналог» 🙂
Здесь ещё следует обратить внимание на катушки НЧ-фильтра. Провод тонкий, это на одну камеру рассчитано. Дополнительных нагрузок на эту игрушку желательно не довешивать.
А на мою можно. Вот так вот.
Теперь точно всё.
До связи.