Google+

Zarówno w instalacjach elektrycznych, jak i w torach sygnałowych zdarzają się szkodliwe przepięcia, które mogą uszkodzić urządzenia elektroniczne.

Fot. 1. Ogranicznik przepięć MSP-VM do
zabezpieczania kamer monitoringu Fot. 1. Ogranicznik przepięć MSP-VM do zabezpieczania kamer monitoringu

Elementy elektroniczne, takie jak tranzystory, układy scalone czy mikrokontrolery są coraz powszechniejsze w użyciu, coraz mniejsze, o coraz wyższym stopniu scalenia i przez to coraz bardziej podatne na uszkodzenia spowodowane przez przepięcia. Na początek trzeba jednak wyjaśnić samo zjawisko przepięcia oraz rodzaje wywołanych przez nie sprzężeń.

Powstawanie przepięć i rodzaje sprzężeń

Podstawowe źródła powstawania przepięć to skutki wyładowania atmosferycznego (LEMP), przepięć łączeniowych (SEMP) i ewentualnie wyładowań elektrostatycznych (ESD). W wyniku uderzenia pioruna do instalacji zasilającej może wniknąć bezpośrednio prąd udarowy. Dzieje się to w przypadku uderzenia pioruna bezpośrednio w przewody zasilające lub w wyniku odprowadzenia do ziemi wyładowania atmosferycznego przez instalację odgromową budynku, co powoduje wniknięcie przepięcia do instalacji elektrycznej przez uziemienie do przewodu N. Ponadto uderzenie pioruna w ziemię nawet w odległości kilkuset metrów od budynku powoduje wzrost napięciowego potencjału gruntu o kilka kV. Wyładowania atmosferyczne mogą także powodować niebezpieczne sprzężenia indukcyjne i pojemnościowe. Mówimy tu o prądzie wyładowczym o kształcie fali 8/20 μs. Sprzężenie indukcyjne powstaje w momencie, gdy obok przewodu, przez który przepływa duży prąd udarowy (np. zwód instalacji odgromowej), na skutek powstałego pola elektro-magnetycznego indukuje się prąd w innym przewodzie jak np. w sieci komputerowej ETHERNET.
Sprzężenia pojemnościowe powstają natomiast na skutek różnicy potencjałów pola elektrycznego między miejscem uderzenia pioruna a przewodami elektrycznymi lub sygnałowymi – na skutek przepływu ładunków w powietrzu powstają przepięcia w przewodach nawet w odległości kilkuset metrów od miejsca wyładowania.
Przepięcia łączeniowe występują w niektórych sieciach kilka razy częściej niż przepięcia od wyładowań atmosferycznych. Ich źródłem są różnego typu zdarzenia: przepalenie się wkładki topikowej, zwarcie, wyłączenie lub załączenie transformatora czy silnika, rozładowanie kondensatora itp. Wyładowania elektrostatyczne ESD mogą być szkodliwe w niektórych tylko przypadkach, gdy mamy do czynienia z delikatną aparaturą (np. medyczną) lub w niektórych środowiskach jak np. w strefach zagrożonych wybuchem.

Zabezpieczenie instalacji zasilającej

Ogranicznik przepięć DLA Fot. 2. Ogranicznik przepięć DLA

Prawie wszystkie urządzenia w sieciach komputerowych, monitoringu czy sterowania są zasilane z sieci elektrycznej. Dotyczy to też nadajników Wi-Fi czy też urządzeń występujących w sieciach światłowodowych. Temat zabezpieczenia sieci elektroenergetycznych jest ogólnie znany, warto tu jednak zwrócić uwagę na kilka elementów. Po pierwsze, jeżeli z analizy ryzyka wykonanej wg normy PN-EN 62305-02 wynika, że należy zastosować ograniczniki przepięć typu 1, to przede wszystkim należy brać pod uwagę wykonania iskiernikowo- warystorowe. Ograniczniki te, jak np. firmy CITEL typu 1+2+3 wykonane w technologii VG (połączony szeregowo iskiernik gazowy i warystor) odprowadzają dziewięćdziesiąt kilka procent prądu udarowego, podczas gdy tańsze wykonania warystorowe zaledwie siedemdziesiąt kilka procent. Warunkiem poprawnej pracy ogranicznika przepięć jest zgodna z normami długość przewodów łączących SPD z linią i szyną PEN – ich suma nie powinna przekraczać 50 cm (zbyt długi przewód jest najczęstszym błędem instalatorów, 1 metr dodatkowego przewodu PEN podnosi poziom ochrony o ponad 1000 V). Ponadto warto wiedzieć, że od 2007 roku nie ma według obowiązujących norm czegoś takiego jak ogranicznik przepięć typu B+C tylko T1+T2 lub typ 1+2. Kilku importerów nazwało jednak tak swoje ograniczniki typu 2 jako nazwą własną „B+C”, aby bazując na starych przyzwyczajeniach projektantów i instalatorów sprzedawać tanie ograniczniki, które z zasady nie nadają się do odprowadzania prądów udarowych (dla przypomnienia: 1 kA prądu udarowego Iimp o kształcie fali 10/350 μs ma ponad 20 razy większą energię niż 1 kA prądu wyładowczego In o kształcie fali 8/20μs). Instalowanie ograniczników „B+C” oznacza, że instalacja taka jest wykonana niezgodnie z normami, w przypadku uderzenia pioruna taki SPD nie ochroni właściwie urządzeń i czasami dochodzi nawet do pożaru, a w efekcie projektant i instalator będą odpowiadać za wszelkie straty i szkody. Trzecia uwaga ogólna w tym temacie – w projektach musi być zawsze podany prąd udarowy na biegun ogranicznika przepięć, gdyż podanie wyłącznie Typ 1+2 (lub błędnie B+C) nic nie mówi i oznacza najczęściej zakup najtańszego i najsłabszego technicznie produktu. Pewną podpowiedzią jest zapis w specyfikacji CLC/ TS 61643-12: jeżeli w budynku wyposażonym w instalację odgromową nie można wyliczyć, jaki prąd udarowy się pojawi, to należy zastosować ograniczniki przepięć z minimum Iimp=12,5kA na biegun, jak np. DS134VG (typ 1+2+3) firmy CITEL. Zaleca się jednak, aby w przypadku budynków użyteczności publicznej, jak też w przypadku ochrony ważnych lub kosztownych urządzeń zawsze stosować wykonanie z Iimp=25kA na biegun, jak np. ogranicznik DS254VG (typ 1+2+3) firmy CITEL.

Ochrona instalacji komputerowych, telefonicznych, alarmowych i monitoringu

Dla zabezpieczania urządzeń w tzw. instalacjach sygnałowych stworzono bardzo szeroką grupę ograniczników przepięć wykonanych wg normy PN-EN 61643-21. Charakterystyczne dla tej grupy jest kilka elementów: po pierwsze zakłada się, że zabezpieczać mają one przed prądami indukowanymi a nie udarowymi, po drugie muszą być one dostosowane do stosunkowo małych napięć prądu stałego, muszą działać bardzo szybko i nie tłumić przesyłanych sygnałów. Ograniczniki te są najczęściej instalowane szeregowo w linię sygnałową a nie równolegle, jak w przypadku ochrony przed przepięciami od strony zasilania. Zbudowane są one często z szybkich diod supresyjnych i iskierników gazowych, a czas ich zadziałania, jak w przypadku niektórych produktów CITEL, może być na poziomie 1 nanosekundy, podczas gdy zwykłe warystorowe ograniczniki przepięć mają czas zadziałania 20-25 ns. Dobierając ograniczniki przepięć do chronionej linii sygnałowej należy wziąć pod uwagę miedzy innymi: napięcie pracy i prąd, protokół przesyłu danych, ilość par żył i ekranowanie, maksymalną częstotliwość sygnału, niezbędny poziom ochrony, rodzaj połączeń.
Bardzo istotne jest miejsce umieszczenia tych ograniczników przepięć. Przykładowo zabezpieczając sieć komputerową z przewodową linią ETHERNET o napięciu 5 V DC musimy pamiętać, że powstałe w wyniku indukcji przepięcie może uszkodzić z jednej strony komputer, a z drugiej strony przewodu serwer. Dlatego od strony komputera należy zainstalować ogranicznik przepięć wyposażony w gniazdo RJ45 np. MJ8-CAT5 lub CAT6 firmy CITEL, a od strony serwera specjalną listwę z ogranicznikami przepięć wyposażoną w 12, 24 czy 48 portów do montażu w szafach 19”. Ta ochrona jest niezależna od zwykłego zabezpieczenia komputerów przed przepięciami w zakresie sieci zasilającej oraz połączenia internetowego po linii telefonicznej. Kolejną grupą instalacji, które wymagają ochrony przed przepięciami indukowanymi przez wyładowania atmosferyczne, są systemy alarmowe. Brak ograniczników przepięć w tych instalacjach, takich jak np. DLA i DLU firmy CITEL, powoduje awarie centralek alarmowych, czujników i kamer.

Ogranicznik CNP do ochrony anten
telewizyjnych i satelitarnych Fot. 3. Ogranicznik CNP do ochrony anten telewizyjnych i satelitarnych

Na uszkodzenia są narażone przede wszystkim urządzenia, które znajdują się na zewnątrz lub do których przeprowadzona jest zewnętrzna, szczególnie napowietrzna linia. Przykładem mogą być tu kamery monitoringu, które w wyniku wyładowań atmosferycznych często ulegają uszkodzeniu, jeśli nie są właściwie chronione. Należy pamiętać, że w tym przypadku, podobnie jak w instalacjach alarmowych, nie chodzi tylko o wartość uszkodzonych urządzeń, ale o nagły brak monitoringu chronionego obiektu. Firma CITEL oferuje w tym zakresie szeroką gamę rozwiązań: są to ograniczniki przepięć do zastosowań zewnętrznych w obudowach z IP65 jak np. CMJ8; zintegrowane ograniczniki MSP-VM do ochrony toru zasilania, sterowania i sygnału analogowego lub cyfrowego; ograniczniki dla systemów CATV i POE (Power over Ethernet A i B); jak też listwy wieloportowe z ogranicznikami przepięć do ochrony pulpitów dyspozytorskich. Pewną ich odmianą są ograniczniki do ochrony sieci antenowych TV i satelitarnych oraz specjalna duża grupa produktów dedykowana do zabezpieczania urządzeń telefonii komórkowej w systemach GSM, UMTS, Tetra itp. Obecnie znajdują one także zastosowania w nadajnikach i koncentratorach połączonych z urządzeniami IoT czyli tzw. internetu rzeczy.
Oddzielną grupę tworzą ograniczniki przepięć do ochrony telefonów analogowych, ISDN, ADSL czy SDSL, które instaluje się zarówno w centralach telefonicznych, szafkach przekaźnikowo-rozdzielczych, jak też w wyjątkowych przypadkach do ochrony pojedynczych telefonów np. alarmowych. W tej dziedzinie szczególnie popularne są specjalne iskierniki gazowe z 2 lub 3 elektrodami, które CITEL produkuje już od ponad 70 lat i ma w ofercie ok 1.000 wykonań. Iskierniki te mogą być instalowane w specjalnych złączkach zaciskowych.
Bardzo szeroka gama istniejących na rynku sieci sygnałowych, standardów i urządzeń spowodowała, że w ofercie francuskiej firmy CITEL większość z produkowanych ponad tysiąca typów ograniczników przepięć to właśnie wykonania do zabezpieczeń różnych sieci teleinformatycznych, także w strefach Ex zagrożonych wybuchem.

Zbigniew Błażejewski

www.jeanmueller.pl