|
|
|
|
|
|
Блискавкозахист Частина 4. Протиімпульсний захист мереж передачі даних
Євген БАРАННИК ____________________________________________________________________________________ Завершальна частина циклу. Початок публікації див.: «Сети и бизнес», 2006, №№ 3, 4, 5. Нумерація ілюстрацій, таблиць, а також посилання на літературу наскрізна, починаючи з першої частини статті.
У цій завершальній четвертій частині викладу щодо захисту від блискавки і перехідних напруг йтиметься про ін формаційні мережі. На відміну від силових, з напругою переважно 220 В, 50 Гц, інформаційні мережі мають набагато ширший діапазон напруг і частот. До цього додається розмаїття видів кабелів (мовиться, звичайно, про гальванічні) та роз’ємів, за допомогою яких виконується з’єднання елементів. Ці обставини спричинили появу широкої гами апаратних втілень обмежувачів перенапруг (ОПН), призначених для захисту інформацiйних мереж. Але сформулювати типові технічні рішення щодо їхнього застосування виявилося складно ще й з огляду на швидкий прогрес у впровадженні щораз новіших технологій та апаратних засобів пересилання даних. У зовнішніх магістралях можна успішно використовувати оптичні кабелі, застосовувати розв’язки і ефективні засоби екранування. Але у приміщеннях, де з «гальванічними » мережами має справу «універсал» (подекуди телефоніст, IT-шник і енергетик в одній особі), покладатися можна або на рекомендації «зовнішнього» фахівця, або на готові рішення, закладені під час проектування і добору комплектуючих. До речі, після кількарічних відвідин спеціалізованих виставок автор цих рядків пересвідчився, що національні постачальники продукції і послуг швидко наздоганяють закордонних колег у розумінні необхідності протидії імпульсним перенапругам. Зачувши запитання про це, кличуть фахівця, який вправно показує ОПН у силових щитах чи шафах або обертає відповідним боком мережевий прилад, демонструючи оптопари, газові розрядники, варистори і діодні збірки, змонтовані на платі вхідних ліній. Утім, починати належить не зі встановлення ОПН, а з мінімізації електромагнітних впливів на кабельну мережу (не плутати з мінімізацією витрат на системи прокладання кабелів). Ось практичний приклад того, як це зроблено на одному з об’єктів (рис. 28).
Рис. 28. Прокладання сигнальних кабелів у відокремлених екранувальних конструк
Як бачимо, інформаційні (зелені) кабелі прокладено у неперфорованих закритих сталевих лотках, окремо від силових (сірих) кабелів. Уся кабельна мережа розміщена в кабельних каналах, заздалегідь забетонованих у підлогу майбутнього цеху. Тобто, при визначенні трас інформаційних ліній слід зважати на такі джерела сильних електромагнітних полів, як силові кабелі, проводи зрівнювання потенціалів, струмовідводи, системи зовнішнього блискавкозахисту тощо. Також і залучення «природних» елементів об’єкта до системи зрівнювання потенціалів доцільно не тільки з економічного боку, але й з огляду на їхню екранувальну дію. Класичний приклад — металева обшивка всередині апаратної, первісне призначення якої — зменшення пилоутворення. Приєднайте її до головної шини зрівнювання потенціалів (ГШЗП) — матимете додатковий екран.
Рис. 29. Індукування небезпечних перенапруг і надструмів у контурах зі значною площею S
За спостереженнями фахівців, найуразливішим є обладнання, приєднане одночасно до кількох різних мереж. Тут слід уникати утворення великих контурів (рис. 29), у яких будуть індукуватися небезпечні перенапруги і надструми від прямих або близьких ударів блискавки. Без додаткових витрат можемо суттєво зменшити площу S такої петлі, проклавши силову і телефонну лінії поряд. На ринку пропонується багато моделей здвоєних настінних кабель-каналів з окремими кришками (рис. 30), розробники яких вже попрацювали над оптимізацією взаємного розташування інформаційних і силових проводів.
Рис. 30. Здвоєний кабель-канал з окремими кришками
Невеликі додаткові капітальні витрати стануть запорукою високої завадостійкості інформаційної мережі.
___________________________________________________ Слід уникати утворення великих контурів, у яких будуть індукуватися небезпечні перенапруги і надструми від прямих або близьких ударів блискавки. ___________________________________________________
Додаткову небезпеку для інформаційних ліній таїть у собі застосування так званих «активних», або ESE-блискавкоприймачів, які пропагуються необізнаними (або недобросовісними) фахівцями. Про цей «винахід» і не згадується у найновіших нормах МЕК [6, 13–15]. Ба більше — голова ТС81 МЕК (Блискавкозахист) професор Християн Букеньє у своїй доповіді у вересні 2006 р. вкотре застеріг, що немає достовірних доказів особливої ефективності ESE-пристроїв. До того ж сумнівна можливість обмежитися лише двома струмовідводами («аби не спотворити вишуканих фасадів», на думку прихильників ESE) насправді призводить до утворення потужних електромагнітних імпульсів унаслідок концентрованого протікання струму блискавки (замість того, щоби безпечно спровадити його у землю мережею численних «природних» і штучних струмовідводів).
Зважаючи на те, що питанням зрівнювання потенціалів вже було приділено досить уваги у попередній 3-й частині, розглянемо основні види мереж передачі даних на типових прикладах. Варто, проте, усвідомлювати, що цей виклад не охопить усієї розмаїтості технічних рішень і реальних ситуацій.
Телефонні мережі Розглянемо застосування ОПН насамперед на прикладі кросового обладнання — найпершому пункті, де жили вхідних кабелів стають доступними для приєднання захисних пристроїв.
Рис. 31. Набір компонентів для захисту телефонних ліній
Плінти зі з’єднаними (такими, що не розмикаються) контактами (поз. 1 на рис. 31) уможливлюють паралельне підключення контрольних ланцюгів або ОПН. Для приєднання 10 зовнішніх пар кабелю призначений кабельний (горішній) бік плінта. Нижній (станційний) здатний прийняти 10 двожильних кросировочних проводів або пар станційного кабелю. Для захисту телефонних ліній від перенапруг сконструйовано ОПН магазинного типу (поз. 2 на рис. 31), що складається з 10-ти комірок. Кожна з них містить два газових розрядники, які одним зі своїх електродів доторкаються центральної шини. Ламелі цієї шини, при вставлянні магазина у плінт, входять у контакт із монтажною скобою (поз. 3 на рис. 31). Збільшене зображення місця цього контакту має переконати скептиків у необхідності надійного з’єднання скоби із захисним проводом (РЕ). Один магазинний ОПН здатний захистити одразу всі 10 ліній — як із зовнішнього, так і станційного боку плінта (рис. 32а).
Рис. 32. Захист інформліній від перенапруг і надструмів з використанням роз’ємів LSA-PLUS: а — захист від перенапруг (триточковий); б — захист від перенапруг і надструмів (п’ятиточковий). ComProtect 2/1 CP HCB 180 A1 фірми KRONE ADC
Вставити і зняти захисний пристрій можна без будь-яких інструментів. Захисний рівень ОПН не перевищує 700 В за умови протікання імпульсного струму в 1000 А. Газові розрядники розраховані на багаторазове спрацьовування без необхідності їхньої заміни. На випадок перевантаження будь-якого з них (від чого він може вибухнути або спричинити пожежу) кожен розрядник зашунтований повітряним проміжком — їхні блискучі ламелі виділяються на тлі малинової кераміки корпусів. Про всяк випадок магазинний розрядник може комплектуватися ще й кришкою. Натомість, для забезпечення захисту ліній також і від надструмів, застосовуються п’ятиточкові схеми (рис. 32б). Для їх установлення надаються плінти з контактами, що розмикаються (нормально замкнутими) (поз. 4 на рис. 31). Вони допускають розрив ланцюга з’єднання і контроль мережі як в прямому, так і в зворотному напрямках. Це дає змогу не тільки включати у розрив елементи обмеження надструмів, але й забезпечити двоступінчатий захист від перенапруг. Грубий — на зовнішньому (кабельному) боці і тонкий — на станційному. Тобто, гальванічні кабелі зовнішніх магістралей можуть заводитися одразу в апаратну, якщо вона суміщена з кросовою об’єкта. Захисний прилад (поз. 5 на рис. 31) має штекерну конструкцію і монтується обов’язково у парі із шиною заземлення (поз. 6 на рис. 31), яка забезпечує стікання імпульсного струму до захисного проводу РЕ, маючи такий самий контакт із монтажною скобою, що й плінти. Тут належить дотримуватися «електроенергетичного» правила, згідно з яким вхідні лінії завжди підводяться згори комутуючого пристрою. Саме з кабельного боку (звідки слід чекати небезпечних імпульсів) на плінт встановлюється вищезгадана шина заземлення. З огляду на високий ступінь захисту, штекерні ОПН випускаються на два рівні номінальної напруги — 180 В і 24 В постійного струму із захисним рівнем 300 В і 90 В, відповідно, за умови протікання імпульсного струму у 500 А. Цей пристрій також має захисні повітряні розрядники, які шунтують пошкоджені внаслідок перевантаження нелінійні елементи. Нарешті, плінт заземлення (поз. 7 на рис. 31) слугує для заземлення неробочих жил кабелів. Це потрібно для того, щоб запобігти занесенню небезпечних перенапруг. До такого плінта приєднуються також екрани кабелю і ті жили, які призначені для виконання повторного заземлення. З огляду на необхідність відведення значних струмів у захисний провід РЕ , плінт заземлення обладнаний для цього спеціальним провідником. Важливо звернути увагу на те, що плінт заземлення не має іншого електричного контакту із монтажною скобою, ніж штатний провідник (на рисунку він зелено-жовтого кольору).Рекомендації щодо захисту аналогових телефонних ліній споживачів тут не наводяться через очевидну на сьогодні недоцільність. Зосередьмося на мережах ISDN, у яких рекомендується обмежувати імпульси перенапруг від самого вводу ліній до споживача, не допускаючи їхнього поширення внутрішніми лініями (рис. 33).
Рис. 33. Захист мереж ISDN
ОПН-1 захищає всю ISDN-апаратуру, але передовсім мережеве закінчення (NTBA). Цей апарат може належати як телефонній компанії, так і абонентові. У першому випадку саме вона є зацікавленою у встановленні ОПН-1. Якщо ні, то абоненту варто подбати про свою апаратуру, приєднану до шини S0, насамперед модем і ПК (ОПН-2). Адже навряд чи хто перевіряв, чи захистить NTBA подальшу мережу «ціною власного життя», коли «спіймає» смертельний імпульс. Якщо йдеться про квартиру або невеликий офіс, цим можна обмежитись. У підприємств із розгалуженою мережею (два поверхи, гараж, склад, пункт охорони) довжина ліній від автовідповідача до телефону/факсу може перевищувати 5 м, що у неекранованому приміщенні потребуватиме встановлення ОПН-4 або ОПН-5 (може, й обох). Довгу лінію від NTBA «прикриває» ОПН-3. Слід простежити, чи не виходить якась лінія за межі екранованої зони, добираючи відповідні ОПН. У 3-й частині публікації було надано пояснення ЗЗБ (зона захисту від блискавки) за [6]. Що більший номер ЗЗБ, то менші у ній електромагнітні завади внаслідок екранування і встановлення ОПН на межах зон. Приміром, ОПН-1 встановлюють на лінію, яка ввійшла із ЗЗБ 0, у якій електромагнітне поле імпульсу блискавки нічим не екрановане, тоді як ОПН-2 захищає лінію між ЗЗБ 2 і ЗЗБ 3. Наостанок не забудьте про захист лінії живлення TBA! Конструктивне виконання ОПН обирається залежно від умов у місці їх монтажу. За наявності кросової зовнішніх магістралей доцільно застосовувати такі ОПН-1, які можна встановити на 35-міліметрову профільшину (DIN-рейку). Виконання типу «з’єднувальна коробка IP54 із сальниками» (див. рис. 23б у ч. 3, «СиБ», 2006, №5 (30), стор. 37), призначені для складних умов (закуреність, вологість), характерні для місця безпосереднього вводу кабелю зв’язку до споруди. Навіть якщо погодитися з думкою автора однієї з публікацій [16] про те, що xDSL має кращі перспективи порівняно з ISDN, вищенаведені принципи побудови протиімпульсного захисту цілком підходять і до DSL-систем. Звичайно, найретельнішого захисту потребують xDSL-модеми операторів, адже саме для них втрата змоги надавати послуги є вельми відчутною. Щоправда, неможливість для абонента споживати послугу через пошкодження його апаратури також «зачепить» її постачальника у тому разі, коли оплата здійснюється за обсяг послуги. Слід зважати на те, що нині вартість абонентського DSL-модема порівнянна з ціною якісного ОПН. Ці фактори доводиться брати до уваги, пропонуючи послуги захисту від імпульсних перенапруг.
Кабельні системи розподілення телевізійних сигналів Захист систем ефірного прийому, обробка і подальший розподіл телевізійних сигналів кабельними лініями зображено на прикладі (рис. 34).
Рис. 36. Захист мережі Ethernet 100BaseT топології «зірка» (показано лише захист інформліній; лінії живлення належить захистити окремо)
Будь-яка лінія розглядається як можлива шпарина, крізь яку може просочитися небезпека. ОПН-2 і ОПН-3 монтуються у розрив інформлінії безпосередньо перед захищуваним пристроєм: розгалужувачем або робочою станцією. На вхідному кінці ОПН є розетка RJ-45, куди вставляється штекер патч-корда. Вихід ОПН являє собою кабель 15—20 см завдовжки зі штекером RJ-45. Зазвичай він механічно закріплюється на корпусі захищуваного пристрою, до якого електрично приєднується й «земляний» провід ОПН. Захисних пристроїв набирається чимало, тож їхня сумарна вартість змушує замислитися. Зекономити тут можна, хіба що відмовившись від захисту розгалужувача, плекаючи примарну надію, що пошкодження (або збій) на одній з ліній не заторкне решти. Особливу увагу належить приділити захисту сервера і тих робочих станцій, лінії до яких проходять у несприятливих умовах. Добирати ОПН належить за їхньою категорійністю, яка позначається у технічних характеристиках як LPZ (Lightning Protection Zone), тобто ЗЗБ (табл. 10).
Таблиця 10. Категорійність ОПН
Поважаючи вітчизняних виробників різноманітних пристроїв захисту від імпульсних перенапруг, важко втриматися від доброї поради: «Придбайте у Фонді стандартів текст IEC 62305 та зазначайте ЗЗБ (LPZ) у технічних даних ваших виробів!» Це значно полегшить користувачам вибір потрібного захисного пристрою. Якось коннекти, месседжі, джеки (і багато такого) прижилося, а от з LPZ досі проблеми. Серед ОПН локальних обчислювальних мереж немає унормованого (як це зроблено для ОПН захисту живлення) поділу на три типи, призначених для встановлення на межах розділу ЗЗБ. Проте деякі виробники також розділяють їх на три групи, вирізняючи кольором корпусів, або позначок (див. рис. 36). Це дає змогу вибудовувати «глибоко ешелоновану оборону», як звикли висловлюватися військові. Червоні — грубий захист (попередній, «першої лінії»). Вони мають захищати вхідні лінії і контури від потужних імпульсів: фронт 10 мс, напівспад 350 мс (у технічних характеристиках ОПН позначається, як 10/350 — «повний грозовий імпульс»). Сині — стандарт (середні, основного захисту), призначені для подальшого зниження енергії імпульса, аж до прийнятного, безпечного рівня. Зелені — тонкий (чутливий, додатковий), розраховані для захисту кінцевих приладів від незначних наводок на з’єднувальних лініях. Дві останні групи ОПН випробовують так званим вторинним (або наведеним) імпульсом 8/20. Зверніть увагу: земляний провід ОПН «тонкого» захисту слід приєднувати до корпусу захищуваного апарата (сервер, комутатор, робоча станція), а не до віддаленої ШЗП. Гранична частота, понад яку ОПН починають впливати на передачу даних, становить від 70 до 160 МГц. Нема ради! «Блискавична» швидкість, з якою, щодалі, працюють комп’ютерні мережі, призводить до того, що корисний сигнал стає аж надто подібним до пачки імпульсів від близького удару блискавки, комутації у невдало прокладеній силовій мережі або розряду електростатичної природи.
Контрольно-вимірювальна техніка і автоматика (КІПіА) У системах КІПіА часто-густо маємо справу з передачею результатів вимірювання фізичних параметрів струмом, напругою або частотою у відповідь на сигнали керування, які формуються на підставі отриманих даних. Імпульс перенапруги, наведений на лінії, може пошкодити керуючий пристрій або датчик (а вони часом доволі коштовні), спровокувати формування хибної команди або спотворити її на шляху до виконуючого пристрою. Восени 2003 року авторові пощастило бути на конференції з тематики КІПіА, зокрема стосовно підприємств важкої промисловості, насичених потужними силовими установками. З матеріалів конференції і розмов у кулуарах ясно випливала необхідність зважати на стійкість систем КІПіА проти імпульсів, які виникають у силових мережах потужних технологічних агрегатів унаслідок комутацій. Напевно, насиченість підприємств електронікою за цей час лише підвищилася. Наприклад, елементарний контроль температури повітря холодильної установки системи кондиціонування (рис. 37) не обходиться без електронного пристрою. На платиновий термометр опору (скажімо, Pt1000) подається стабілізований струм у 1 мА від джерела, розміщеного у панелі керування. Внаслідок зміни питомого опору платини падіння напруги на ньому є лінійною функцією температури.
Рис. 37. Захист автоматики холодильної установки системи кондиціонування повітря
Рис. 38. Послідовне включення узгоджувального елемента між газовим розрядником і варистором у ОПН
Отже, захищаємо лінію «Pt1000 — Панель керування» ОПН-1 з номінальною напругою 5 В. Зазвичай у таких ОПН (рис. 38) застосовуються газовий розрядник (Р) і варистор (В), злагоджена робота яких потребує послідовного включення узгоджувального елемента (У), який обтікається робочим струмом. Якщо його електричний опір має резистивний характер, струм у системі описується виразом: I = Uсистеми/Rсистеми , де Rсистеми = RУ + RPt1000 Таким чином, опір RУ вносить похибку в результат вимірювань, і в такому разі належить обирати ОПН з індуктивним узгоджувальним елементом. Але якщо сигнал передається не напругою, а частотою (BUS-система), то узгоджувальний елемент має бути резистивним. Наостанок нагадаємо про необхідність захисту інших чутливих до імпульсів елементів холодильної установки по лінії силового живлення 0,4 кВ за допомогою ОПН-2. Це є актуальним ще й з огляду на тенденцію виносу кліматизаційного устаткування на дах споруди, почасти навіть у ЗЗБ 0А, у якій не тільки імпульсне електромагнітне поле нічим не екрановане, але й існує небезпека безпосереднього контакту з каналом розряду блискавки.
Базові станції мобільного зв’язку Посилення конкуренції у сфері надання послуг мобільного зв’язку змушує операторів приділяти більше уваги надійності роботи базових станцій. Враховуючи необхідність встановлення антенних систем на високих точках споруд і місцевості, ефективний захист їх від імпульсних перенапруг є важливою передумовою успішної роботи мережі.
Рис. 39. Базова станція мобільного зв’язку на даху будинку
Опору антени (рис. 39) найкраще виконати електрично відокремленою від блискавковідводу ізольованими тримачами (склопластик) на відстань S, яка визначається індуктивністю шляху до заземлювача, і захищає від перескоку напруги від блискавковідводу на фідерну лінію або антену. Вершечок блискавкоприймача формується таким чином, щоб забезпечити прикриття антени від прямих уражень блискавки. Це перевіряється за методом кулі, що котиться (КЩК). Коаксіальні ОПН захищають прийомо-передавач, фідер і антену від наведених у ЗЗБ 0В імпульсів. Апаратура зв’язку працює в значно «електромагнітно комфортніших» умовах ЗЗБ 1, оскільки: • імпульсне електромагнітне поле екранується металом споруди; • всі металеві елементи приєднано до ШЗП; • у місці вводу живлення встановлено ОПН Типу 1 (клас «В»); • оптопара на вводі лінії запобігає проходженню шкідливих імпульсів.
Блискавкозахист в Україні — на міжнародний рівень! Це остання стаття з нашого циклу публікацій про блискавку, руйнівні імпульси різної природи та методи захисту людей і тварин, споруд, електричних і електронних пристроїв у них. Майже півроку ми спілкувалися з читачами. В цей період, протягом якого готувалися матеріали, країни-члени МЕК активно впроваджували нову норму з блискавкозахисту — доробок технічного комітету МЕК ТС81 (Блискавкозахист), остання, 4-та частина якої [6] стосується саме захисту електричних та електронних пристроїв, систем і споруд. Сусідня Польща, на правах члена ЄЕС, визнала цю норму за національну, видрукувавши її англійською (польською лише обкладинка). Але вже знайдено кошти, завершується переклад і необхідні нормалізаційні процедури. А у «національно свідомій» Естонії, взагалі, визнається за можливе використання міжнародних норм без обов’язкового їх перекладу. Текст IEC 62305 англійською/французькою доступний в Україні вже сьогодні. Можете придбати його за гривні у Фонді стандартів Держстандарту або безпосередньо через сайт МЕК http://webstore.iec.ch — щоправда, за швейцарські франки. Впровадження цього нового, значно досконалішого, стандарту в Україні потребує виконання певних вимог, зокрема кваліфікованого і достовірного перекладу і проходження процедур узгодження у відповідних міністерствах і відомствах. Не забуваймо при цьому про свої права. Зазирнувши на сайт Держстандарту, можете пересвідчитися, що там передбачено врахування думки громадськості, тобто нас із вами. Звичайно, це потребуватиме певних зусиль і часу, але спробуймо порівняти його з безглуздими втратами внаслідок відсутності або недолугості норм чинних стандартів, з чим доводиться стикатися значно частіше, ніж нам того хотілося б. Багато хто з вас має змогу обмінюватися думками з фахівцями тих відомств, які неодмінно будуть залучені до узгодження нової норми: Держстандарт, Міненерго, Держкомзв’язку, МНС, Держбуд, Держспоживстандарт, відповідні наукові та проектні установи. На відміну від колег з інших країн, вони часто-густо позбавлені не тільки можливості участі у міжнародних технічних комітетах, але й інформації про результати їхньої роботи. Допоможіть їм краще дізнатися про це, почути вашу кваліфіковану думку, підкріплену практичним досвідом.
Насамкінець дозвольте висловити подяку всім тим, хто допоміг автору в роботі над цим останнім, найважчим для викладу розділом, тематика якого, водночас, найповніше відповідає профілю видання. Будьте певні, ваші зауваження, запитання і доповнення, які ви можете надсилати на мою адресу barannyk.ievgen@obo.com.ua, будуть уважно вивчені і сприйняті зі вдячністю. Адже, як наставляють садгаку — практикуючого йоґина: «Ніхто тобі не друг, ніхто тобі не ворог, але кожна людина тобі — учитель».
Євген БАРАННИК, провідний спеціаліст з блискавкозахисту і електромагнітної сумісності ТОВ «ОБО Беттерманн Україна»,
|
|
