Молниезащита. Противомпульсная защита сетей передачи данных. Часть 4

В этой заключительной четвертой части изложения защиты от молнии и переходных напряжений речь пойдет о информационный сети. В отличие от силовых сетей, с напряжением преимущественно 220 В, 50 Гц, информационные сети имеют намного более широкий диапазон напряжений и частот. К этому добавляется разнообразие видов кабелей (говорится, конечно, о гальванических) и разъемов, с помощью которых выполняется соединение элементов. Эти обстоятельства привели к появлению широкой гаммы аппаратных воплощений ограничителей перенапряжений (ОПН), предназначенных для защиты информационных сетей. Но сформулировать типовые технические решения по их применению оказалось сложно еще и учитывая быстрый прогресс во внедрении каждый раз более новых технологий и аппаратных средств передачи данных.

Во внешних магистралях можно успешно использовать оптические кабели, применять развязки и эффективные средства экранирования. Но в помещениях, где с «гальваническими» сетями имеет дело «универсал» (кое телефонист, IT-шник и энергетик в одном лице), полагаться можно либо на рекомендации «внешнего» специалиста, или готовые решения, заложенные при проектировании и подсказки комплектующих. Кстати, после нескольких лет посещения специализированных выставок автор этих строк убедился, что национальные поставщики продукции и услуг быстро догоняют зарубежных коллег в понимании необходимости противодействия импульсным перенапряжениям. Услышав вопрос об этом, зовут специалиста, который умело показывает ОПН в силовых щитах или шкафах или поворачивает соответствующим боком сетевой прибор, демонстрируя оптопары, газовые разрядники, варисторы и диодные сборки, смонтированы на плате входных линий.

Впрочем, начинать следует не с установки ОПН, а с минимизации электромагнитных воздействий на кабельную сеть (не путать с минимизацией затрат на системы прокладки кабелей. Вот практический пример того, как это сделано на одном из объектов (рис. 28). Как видим, информационные (зеленые) кабели проложены в неперфорированных закрытых стальных лотках, отдельно от силовых (серых) кабелей. Вся кабельная сеть размещена в кабельных каналах, заранее забетонированных в пол будущего цеха.

Рис. 28. Прокладка сигнальных кабелей в обособленных экранирующей конструкциях

То есть, при определении трасс информационных линий следует учитывать такие источники сильных электромагнитных полей, как силовые кабели, провода выравнивания потенциалов, токоотводы, системы внешнего молниезащиты т.д. Также и привлечение «естественных» элементов объекта к системе выравнивания потенциалов целесообразно не только с экономической стороны, но и учитывая их экранирующей действие. Классический пример - металлическая обшивка внутри аппаратной, первоначальное назначение которой - уменьшение пылеобразования. Подключите ее к главной шине выравнивания потенциалов (ГШВП) - получите дополнительный экран.

Рис. 29. Индуцирование опасных перенапряжений и сверхтоков в контурах со значительной площадью S

По наблюдениям специалистов, наиболее уязвимым является оборудование, присоединенное одновременно в несколько различных сетей. Здесь следует избегать образования крупных контуров (рис. 29), в которых будут индуцироваться опасные перенапряжения и сверхтоки от прямых или близких ударов молнии.

Следует избегать образования крупных контуров, в которых будут индуцироваться опасные перенапряжения и сверхтоки от прямых или близких ударов молнии.

Рис. 30. Сдвоенный кабель-канал с отдельными крышками

Без дополнительных затрат можем существенно уменьшить площадь S такой петли, проложив силовую и телефонную линии рядом. На рынке предлагается много моделей сдвоенных настенных кабель-каналов с отдельными крышками (рис. 30), разработчики которых уже поработали над оптимизацией взаимного расположения информационных и силовых проводов. Небольшие дополнительные капитальные затраты станут залогом высокой помехоустойчивости информационной сети.

Дополнительную опасность для информационных линий таит в себе применение так называемых «активных» или ESE-молниеприемников, которые пропагандируются неосведомленными (или недобросовестными) специалистами. О «изобретение» и не упоминается в новейших нормах МЭК [6, 13-15]. Более того, председатель ТС81 МЭК (Молниезащита) профессор Христиан Букенье в своем докладе в сентябре 2006 г. в очередной раз предостерег, что нет достоверных доказательств особой эффективности ESE-устройств. К тому же сомнительная возможность ограничитваеться лишь двумя токоотводами («чтобы не исказить фасады», по мнению сторонников ESE) на самом деле приводит к образованию мощных электромагнитных импульсов вследствие концентрированного протекания тока молнии (вместо того, чтобы безопасно перенести его в землю сетью многочисленных «естественных» и искусственных токоотводов.

Учитывая то, что вопросом выравнивания потенциалов уже уделялось достаточно внимания в предыдущей 3-й части, рассмотрим основные виды сетей передачи данных на типичных примерах. Стоит, однако, осознавать, что это изложение не охватит всего разнообразия технических решений и реальных ситуациям.

Телефонные сети

Рассмотрим применение ОПН прежде всего на примере кроссового оборудования - сам пункт, где жили входных кабелей становятся доступными для присоединения защитных устройств.

Рис. 31. Набор компонентов для защиты телефонных линий

Плинт с соединенными (такими, которые не размыкаются) контактами (поз. 1 на рис. 31) позволяют параллельное подключение контрольных цепей или ОПН. Для присоединения 10 внешних пар кабеля, предназначенный кабель (верхний) сторона плинта. Нижний (станционный) способен принять 10 двухжильных кросировочних проводов или пар станционного кабеля. Для защиты телефонных линий от перенапряжений сконструирован ОПН магазинного типа (поз. 2 на рис. 31), состоящий из 10-ти ячеек. Каждая из них содержит два газовых разрядники, которые одним из своих электродов прикасаются центральной шины. Ламели этой шины, при вставлении магазина в плинт, входят в контакт с монтажной скобой (поз. 3 на рис 31). Увеличенное изображение места этого контакта должен убедить скептиков в необходимости надежного соединения скобы с защитным проводом (РЕ). Один магазинный ОПН способен защитить сразу все 10 линий - как с внешней, так и со станционной стороны плинта (рис. 32а).

Рис. 32. Защита информлиний от перенапряжений и сверхтоков с использованием разъемов LSA-PLUS: а - защита от перенапряжений (трехточечный) б - защита от перенапряжений и сверхтоков (Пятиточечный. ComProtect 2 / 1 CP HCB 180 A1 фирмы KRONE ADC

Вставить и снять защитное устройство можно без всяких инструментов. Защитный уровень ОПН не превышает 700 В при условии протекания импульсного тока в 1000 А. Газовые разрядники рассчитаны на многократное срабатывание без необходимости их замены. На случай перегрузки любого из них (от чего он может взорваться или загореться) каждый разрядник зашунтированный воздушным промежутком - их блестящие ламели выделяются на фоне малиновой керамики корпусов. На всякий случай магазинный разрядник может комплектоваться еще и крышкой.

Вместо этого для обеспечения защиты линий также и от сверхтоков, применяются пятиточечные схемы (рис. 32б). Для их установки предоставляются плинты с размыкающимеся контактами (нормально замкнутыми) (поз. 4 на рис 31). Они допускают разрыв цепи соединения и контроль сети как в прямом, так и в обратном направлениях. Это дает возможность не только включать в разрыв элементы ограничения сверхтоков, но и обеспечить двухступенчатый защиту от перенапряжений. Грубый - на внешней (кабельной) стороне и тонкий - на станционной. То есть, гальванические кабели внешних магистралей могут заводиться сразу в аппаратную, если она совмещена с кроссовым объектом. Защитный прибор (поз. 5 на рис. 31) имеет штекерную конструкцию и монтируется обязательно в паре с шиной заземления (поз. 6 на рис. 31), которая обеспечивает стекания импульсного тока до защитного провода РЕ, имея такой же контакт с монтажной скобой, что и плинт.

Котла должны соответствовать «электроэнергетического» правила, согласно которому входные линии всегда подводятся сверху коммутирующего устройства. Именно с кабельного стороны (откуда следует ожидать опасных импульсов) на плинт устанавливается вышеупомянутая шина заземления.

Учитывая высокую степень защиты, Штекерные ОПН выпускаются на два уровня номинального напряжения - 180 В и 24 В постоянного тока с защитным уровнем 300 В и 90 В, соответственно, при условии протекания импульсного тока в 500 А. Устройство также имеет защитные воздушные разрядники, которые шунтируют поврежденные вследствие перегрузки нелинейные элементы.

Наконец, плинт заземления (поз. 7 на рис. 31) служит для заземления нерабочих жил кабелей. Это нужно для того, чтобы предотвратить занесения опасных перенапряжений. К такому же к плинту присоединяются также экраны кабеля и те жили, предназначенные для выполнения повторного заземления. Учитывая необходимость отвода значительных токов в защитный провод РЕ, плинт заземления оборудован для этого специальным проводником.

Важно обратить внимание на то, что у плинта заземления нет другого электрического контакта с монтажной скобой, чем штатный провод (на рисунке он зелено-желтого цвета).

Рис. 33. Защита сетей ISDN

Рекомендации по защите аналоговых телефонных линий потребителей здесь не приводятся ввиду очевидной сегодня нецелесообразности. Сосредоточимся на сетях ISDN, в которых рекомендуется ограничивать импульсы перенапряжений с самого ввода линий к потребителю, не допуская их распространения внутренними линиями (рис. 33). ОПН-1 защищает всю ISDNапаратуру, но прежде сетевое окончание (NTBA). Этот аппарат может принадлежать как телефонной компании, так и абоненту. В первом случае именно она является заинтересованным в установлении ОПН-1. Если нет, то абоненту следует позаботиться о своей аппаратуре, которая присоединена к шине S0, прежде всего о модеме и ПК (ОПН-2). Ведь вряд ли кто проверял, защитит NTBA дальнейшую сеть «ценой собственной жизни», когда «поймает» смертельный импульс. Если речь идет о квартире или небольшом офисе, этим можно ограничиться.

У предприятий с разветвленной сетью (два этажа, гараж, склад, пункт охраны) длина линий от автоответчика к телефону / факсу может превышать 5 м, что в неэкранированном помещении потребует установки ОПН-4 или ОПН-5 (может, и обоих). Длинную линию от NTBA «прикрывает» ОПН-3. Следует проследить, не выходит ли какая-то линия за пределы экранированной зоны, подбирая соответствующие ОПН. В 3-й части публикации было предоставлено объяснение ЗЗБ (зона молниезащиты) по [6]. Чем больше номер ЗЗБ, тем меньше в ней электромагнитные помехи вследствие экранирования и установки ОПН на границах зон. Например, ОПН-1 устанавливают на линию, которая вошла с ЗЗБ 0, в которой электромагнитное поле импульса молнии ничем не экранировано, тогда как ОПН-2 защищает линию между ЗЗБ 2 и ЗЗБ 3. Напоследок не забудьте о защите линии питания NTBA!

Конструктивное исполнение ОПН выбирается в зависимости от условий в месте их монтажа. При наличии кроссово-внешних магистралей целесообразно применять такие ОПН-1, которые можно установить на 35-миллиметровую профильшину (DIN-рейку). Выполнение типа «соединительная коробка IP54 с сальниками» (рис. 23б в ч. 3,« Сиб », 2006, № 5 (30), стр. 37), предназначенные для сложных условий (накуренность, влажность, характерные для места непосредственного ввода кабеля связи к зданию). Даже если согласиться с мнением автора одной о том, что xDSL имеет лучшие перспективы по сравнению с ISDN, вышеприведенные принципы построения противоимпульсной защиты вполне подходят и к DSL-систем. Конечно, в тщательной защите нуждаются xDSL-модемы операторов, ведь именно для них потеря возможности предоставлять услуги весьма ощутима. Правда, невозможность для абонента потреблять услугу через повреждения его аппаратуры также «зацепит» ее поставщика в том случае, когда оплата осуществляется за объем услуги. Следует учитывать, что сейчас стоимость абонентского DSLмодема сопоставима с ценой качественного ОПН. Эти факторы приходится учитывать, предлагая услуги защиты от импульсных перенапряжений.

Кабельные системы распределения телевизионных сигналов

Защита систем эфирного приема, обработки и последующем распределении телевизионных сигналов кабельными линиями показано на примере (рис. 34). Здесь вместе с параболической (спутниковой) антенной (2) установлено еще одна (1), типа «волновой канал», настроенная на наземную телестанцию. Стойки обеих антенн отдельным проводом (9) присоединены к заземлителю (7) для отвода тока молнии при этом следует выносить антенны вне зоны защиты молниеотводов - то есть в ЗЗБ 0А. Экраны коаксиальных кабелей подключены к локальной шине (3) выравнивания потенциалов (ШВП), которая размещена в непосредственной близости к антеннам. Это позволяет установить на всех кабелях ОПН коаксиального типа, обеспечив короткий путь отвода импульсного тока к локальной ШВП, которая присоединена к стайкам проводами (10). К этой ШВП присоединяются «землённые» провода ОПН коаксиального типа, защищающие от импульсов коммутаторы и приемники.

Рис. 34. Защита системы приема телевизионных сигналов: 1, 2 - антенны приема сигналов спутниковой и наземной станции, соответственно, 3, 4 - локальная ШВП; 5 - защитный провод РЕ; 6 - ГШВП; 7 - заземляющее устройство; 8, 10 - провод системы выравнивания потенциалов ; 9 - заземляющий проводник

Если абонент хочет иметь независимый выбор канала не с одного, а с нескольких телевизоров (многоканальный конвертор, несколько приемников), экономически целесообразно применять интегрированный ОПН (рис. 35). Он предназначен для защиты до 4-х линий спутникового сигнала да еще линии сигнала от наземной станции. Длина кабелей «приемник - телевизор» ограничена размерами помещения и в наших условиях защищать их дополнительными ОПН нерационально.

Рис. 35. Интегрированный ограничитель перенапряжения «4+1»

Несколько проще с кабельным телевидением. Поставщик сигнала защитит разве что «свой» домовой усилитель коаксиальными ОПН - на входе и выходе и еще по линии питания. Позаботиться о защите телевизоров принадлежит абонентам, установив розеточные комбинированные ОПН (сеть питания + сигнал). Для этого нужна розетка с третьим контактом, присоединенным к защитному проводу РЕ. Скептикам предлагаем прислушаться к мнению жителей верхних этажей современных «высоток».

Компьютерные сети

Поскольку наибольшую жизнеспособность среди топологий компьютерных сетей показала «звезда» (рис. 36), размещение ОПН проиллюстрирован именно на этом примере.

Рис. 36. Защита сети Ethernet 100BaseT топологии «звезда» (показано только защиту информлиний; линии питания предстоит защитить отдельно)

Любая линия рассматривается как возможная скважина, сквозь которую может просочиться опасность. ОПН-2 и ОПН-3 монтируются в разрыв информлинии непосредственно перед защищаемым устройством: разветвители или рабочая станция. На входном конце ОПН есть розетка RJ-45, куда вставляется штекер патч-корда. Выход ОПН представляет собой кабель 15-20 см длиной с разъемом RJ-45. Обычно он механически закрепляется на корпусе защищаемого устройства, к которому электрически присоединяется и «земляной» провод ОПН. Защитных устройств набирается немало, поэтому их суммарная стоимость заставляет задуматься. Сэкономить здесь можно, разве что отказавшись от защиты сплиттера, лелея призрачную надежду, что повреждение (или сбой) на одной из линий не коснется остальных.

Особое внимание следует уделить защите сервера и тех рабочих станций, линии к которым проходят в неблагоприятных условиях. Подбирать ОПН принадлежит по их категории, которая обозначается в технических характеристиках как LPZ (Lightning Protection Zone), т.е. ЗЗБ (табл. 10).

Таблица 10. Категории ОПН

Уважая отечественных производителей разнообразных устройств защиты от импульсных перенапряжений, трудно удержаться от доброго совета: «Купите в Фонде стандартов текст IEC 62305 и указывайте ЗЗБ (LPZ) в технических данных ваших изделий» Это значительно облегчит пользователям выбор нужного защитного устройства. Однажды коннект, месседжи, джеки (и много такого) прижилось, а вот с LPZ до сих пор проблемы.

Среди ОПН локальных вычислительных сетей нет нормированного (как это сделано для ОПН защиты питания) разделения на три типа, предназначенных для установки на границах раздела ЗЗБ. Однако некоторые производители также разделяют их на три группы, выделяя цветом корпусов или меток (рис. 36). Это позволяет выстраивать «глубоко эшелонированную оборону», как привыкли выражаться военные. Красные - грубая защита (предыдущий, «первой линии»). Они должны защищать входные линии и контуры от мощных импульсов: фронт 10 мс, полуспад 350 мс (в технических характеристиках ОПН указывается, как 10/350 - «полный грозовой импульс»). Синие - стандарт (средние, основная защита), предназначенны для дальнейшего снижения энергии импульса, до приемлемого, безопасного уровня. Зеленые - тонкий (чувствительный, дополнительный), рассчитанны для защиты конечных приборов от незначительных наводок на соединительных линиях. Две последние группы ОПН испытывают так называемым вторичным (или приведенным) импульсом 8 / 20. Обратите внимание: заземлённый провод ОПН «тонкой» защиты следует присоединять к корпусу защищаемого аппарата (сервер, коммутатор, рабочая станция), а не к удаленной ШВП.

Предельная частота, свыше которой ОПН начинает влиять на передачу данных составляет от 70 до 160 МГц. И тут нет выхода! «Молниеносная» скорость с которой работаю сети сводится к пачке сигналов подобных к импульсам от удара молнии.

Контрольно-измерительная техника и автоматика (КИПиА)

В системах КИПиА часто имеем дело с передачей результатов измерения физических параметров током напряжением или частотой в ответ на сигналы управления, которые формируются на основании полученных данных. Импульс перенапряжения, приведенный на линии, может повредить управляющее устройство или датчик (а они порой весьма ценные), спровоцировать формирование ложной команды или исказить ее на пути к исполняющемуастности относительно предприятий тяжелой промышленности, насыщенных мощными силовыми установками. Из материалов конференции и разговоров в кулуарах ясно вытекала необходимость учитывать устойчивость систем КИПиА против импульсов, возникающих в силовых сетях мощных технологических агрегатов вследствие коммутаций. Наверное, насыщенность предприятий электроникой за это время лишь повысилась.

Рис. 37. Защита автоматики холодильной установки системы кондиционирования воздуха

Например, элементарный контроль температуры воздуха холодильной установки системы кондиционирования (рис. 37) не обходится без электронного устройства. На платиновый термометр сопротивления (скажем, Pt1000) подается стабилизированный ток в 1 мА от источника, размещенного в панели управления. Вследствие изменения удельного сопротивления платины падение напряжения на нем является линейной функцией температуры.

Рис. 38. Последовательное включение согласующего элемента между газовым разрядником и варисторов в ОПН

Итак, защищаем линию «Pt1000 - Панель управления» ОПН-1 с номинальным напряжением 5 В. Обычно в таких ОПН (рис. 38) применяются газовый разрядник (Р) и варистор (В), слаженная работа которых требует последовательного включения согласующего элемента (В , который обтекаемой рабочим током.

Если его электрическое сопротивление имеет резистивный характер, ток в системе описывается выражением:

I = Uсистемы / Rсистемы,

где

Rсистемы = RУ + RPt1000

Таким образом, сопротивление RУ вносит погрешность в результат измерений, и в этом случае принадлежит выбирать ОПН с индуктивным согласовательных элементом. Но если сигнал передается не напряжением, а частотой (BUS-система), то согласующий элемент должен быть резистивным.

Напоследок напомним о необходимости защиты других чувствительных к импульсам элементов холодильной установки по линии силового питания 0,4 кВ с помощью ОПН-2. Это актуально еще и учитывая тенденцию выноса климатического оборудования на крышу здания, отчасти даже в ЗЗБ 0А, в которой не только импульсное электромагнитное поле ничем не экранированные, но и существует опасность непосредственного контакта с каналом разряда молнии.

Базовые станции мобильной связи

Усиление конкуренции в сфере предоставления услуг мобильной связи заставляет операторов уделять больше внимания надежности работы базовых станций. Учитывая необходимость установления антенных систем на высоких точках сооружений и местности, эффективная защита их от импульсных перенапряжений является важной предпосылкой успешной работы сети.

Рис. 39. Базовая станция мобильной связи на крыше дома

Сопротивления антенны (рис. 39) лучше выполнить электрически отделенной от молниеотвода изолированными держателями (стеклопластик) на расстояние S, определяемая индуктивностью пути к заземлителю, и защищает от перескока напряжения от молниеотвода на фидерные линии или антенну. Верхушка молниеприемника формируется таким образом, чтобы обеспечить прикрытие антенны от прямых поражений молнии. Это проверяется по методу катящегося шара (КЩК). Коаксиальные ОПН защищают приемо-передатчик, фидер и антенну от приведенных в ЗЗБ 0В импульсов. Аппаратура связи работает в значительно комфортных электромагнитных условиях ЗЗБ 1, поскольку:

• импульсное электромагнитное поле экранируется металлом сооружения;
• все металлические элементы присоединен к ШВП;
• в месте ввода питания установлен ОПН типа 1 (класс «В»);
• оптопара на вводе линии предотвращает прохождению вредных импульсов.

Молниезащита в Украине - на международный уровень!

Это последняя статья из нашего цикла публикаций о молнии, разрушительные импульсы различной природы и методы защиты людей и животных, сооружений, электрических и электронных устройств в них. Почти полгода мы общались с читателями. В этот период, в течение которого готовились материалы, страны-члены МЭК активно внедряли новую норму по молниезащите - задел технического комитета МЭК ТС81 (Молниезащита), последняя, 4-я часть которой [6] касается именно защиты электрических и электронных устройств, систем и сооружений. Соседняя Польша, на правах члена ЕЭС, признала эту норму за национальную, напечатав ее на английском (польская только обложка). Но уже найдены средства, завершается перевод и необходимые нормализационные процедуры. А в «национальн- сознательной» Эстонии, вообще, признается возможным использование международных норм без обязательного их перевода. Текст IEC 62305 на английском / французском доступен в Украине уже сегодня. Можете приобрести его за гривны в Фонде стандартов Госстандарта или непосредственно через сайт МЭК http://webstore.iec.ch - правда, за швейцарские франки. Внедрение этого нового, значительно более совершенного, стандарта в Украине требует выполнения определенных требований, в частности квалифицированного и достоверного перевода и прохождения процедур согласования в соответствующих министерствах и ведомствах.

Не забывайте при этом о своих правах. Заглянув на сайт Госстандарта, можете убедиться, что там предусмотрено учет мнения общественности, то есть нас с вами. Конечно, это потребует определенных усилий и времени, но постараемся сравнить его с бессмысленными потерями вследствие отсутствия или недостатка норм действующих стандартов, с чем приходится сталкиваться значительно чаще, чем нам того хотелось бы.

Многие из вас имеют возможность обмениваться мнениями со специалистами тех ведомств, которые непременно будут привлечены к согласованию новой нормы: Госстандарт, Минэнерго, Госкомсвязи, МЧС, Госстрой, Госпотребстандарт, соответствующие научные и проектные учреждения. В отличие от коллег из других стран, они часто лишены не только возможности участия в международных технических комитетах, но и в информации о результатах их работы. Помогите им лучше узнать об этом, услышать ваше квалифицированное мнение, подкрепленное практическим опытом.

Наконец, разрешите выразить благодарность всем тем, кто помог автору в работе над этим последним, самым тяжелым для изложения разделом, тематика которого одновременно полнее соответствует профилю издания. Будьте уверены, ваши замечания, вопросы и дополнения, которые вы можете присылать на мой адрес barannyk.ievgen @ obo.com.ua, будут внимательно изучены и восприняты с благодарностью. Ведь, как наставляют садгаку - практикующего йога: «Никто тебе не друг, никто тебе не враг, но каждый человек тебе - учитель».

Евгений Баранник,
ведущий специалист по молниезащите
и электромагнитной совместимости
ООО «ОБО Беттерманн Украина»