Идем на грозу... Защита сигнальных линий от опасных напряжений.[Алгоритм безопасности №1, 2002]

© [Алгоритм безопасности №1, 2002, www.algoritm.org]

 

В предыдущем номере журнала мы говорили о системных отказах, вызванных ошибками в построении схем заземления или отсутствием такового.

Продолжая тему защиты линий, остановимся на том, как существенно снизить количество потенциальных отказов от внешних электромагнитных импульсов высокой энергии, и, как следствие, возникновения опасных напряжений в линии.

Полагаем, немало фирм сталкивалось с ситуацией, когда массовый отказ системы совпадал по времени со сварочными работами на объекте. И уж точно, во время «…грозы в начале мая…» любой инсталлятор больших внешних разветвленных сетей далек от поэтических настроений, а думает о том, сколько завтра раздастся звонков об отказе установленного оборудования.

Тема, на самом деле, неисчерпаемая. Ей посвящены, сотни (если, не тысячи) научных работ. Желающих более детально изучить эту тему можно направить, например, к книге Н.Н.Волкова «Защита от опасных напряжений транзисторных усилителей в многоканальных системах связи». Наша задача - дать общее представление о проблеме и пути ее решения для того, чтобы инсталлятор в каждом конкретном случае смог самостоятельно оценить потенциальные риски и принять обоснованное решение. Возможно, если эта статья попадет в руки заказчика, это поможет быстрее найти взаимопонимание по данному вопросу между инсталлятором и заказчиком, что в конечном итоге - самое главное, ибо денежные расходы нести последнему.

На рынке существуют различные устройства защиты линий от электромагнитных импульсов, называемые устройствами «грозозащиты». Причем, такое определение встречается не только в рекламных материалах, но и в технических паспортах изделий.

Хотя с точки зрения логики спорить об истинности и ложности определений бессмысленно («…хоть горшком назови, только в печь не сажай…»), нам такое определение кажется не совсем корректным по следующим причинам.

Во-первых, понятие грозозащиты не может быть сведено до уровня какого-то отдельного устройства, а являет собой сложный комплекс технических мероприятий, включающий грамотную прокладку кабельных трасс, многоступенчатую установку аппаратуры защиты, устройство, если необходимо, громоотводов, специальное экранирование, корректное защитное и сигнальное заземления, необходимую гальваническую развязку устройств в линии и т.п. На практике вряд ли найдется на нашем рынке фирма, сделавшая полноценную грозозащиту хотя бы на одном своем объекте для установленной ей системы.

Во-вторых, от прямого попадания молнии в линию (или аппаратуру линии) никакое защитное устройство не спасет.

И, в-третьих, если у Вас на объекте в принципе отсутствует вероятность каких-либо атмосферных разрядов, это отнюдь не означает, что отсутствует вероятность возникновения опасных напряжений в линиях; существует масса других возможных источников, с которыми приходится сталкиваться практически постоянно, и устройство защиты от которых полностью оправдано. Просто грозовые явления - вещь весьма наглядная. Не заметить невозможно. А о других причинах, которые в глаза не бросаются, мы зачастую и не задумываемся. А по вероятности системных выходов из строя как раз они и занимают лидирующее положение.

Поэтому для полноты понимания вопроса опустим термин «грозозащита» и будем далее говорить об устройствах защиты линий (УЗЛ) от наведенных опасных напряжений.

Итак! Основными источниками опасных напряжений могут являться:

  • высоковольтные линии передачи, расположенные параллельно линиям связи;
  • контактные сети электрифицированных железных дорог;
  • сети городского электротранспорта;
  • электросварочные установки;
  • близко расположенные радиотехнические передающие, локационные и другие установки;
  • атмосферные (грозовые) разряды.

Естественно, в наибольшей степени защита актуальна для длинных линий. При передачи видеосигнала на большие расстояния по оптоволокну все эти проблемы Вас касаться не будут (кстати, это одно из мощнейших достоинств оптоволоконных линий). Передавать видеосигнал по коаксиальным линиям на большие расстояния будет еще проблематичнее, чем бороться с наведенным напряжением; до защиты может вообще дело не дойти. Поэтому имеет предметный смысл говорить о линиях передачи видеосигнала по витой паре.

Кратко остановимся на физике процесса.

Внешнее переменное электромагнитное поле наводит в линии связи ЭДС (электро-движущая сила), вызывающую прохождение тока в линии, что приводит к возникновению разности потенциалов на ее концах. Величина этой разности потенциалов Uопасн. зависит от протяженности участка воздействия и напряженности (E) электромагнитного поля от внешнего источника. Так влияние расположенных параллельно линиям связи высковольтных линий характеризуется большой протяженностью участка воздействия, хотя напряженность поля может быть сравнительно невысокой; для атмосферных разрядов картина противоположная - очень высокая напряженность при относительно малом участке воздействия.

Кроме того, от растекающегося по земле заряда, привнесенного, например, молнией, возникает статический потенциал, защитой от которого является экранирование линии связи, прокладываемой в земле (экран кабеля, прокладка трассы в металлических трубах).

ЭДС, наводимая в проводнике, является функцией скорости нарастания электромагнитного поля. Так длительность разряда молнии составляет 50 мкс. Количество повторений - до 3-х с интервалами до 0,5 с. Наведенная ЭДС от грозового разряда (наведенная, а не от попадания молнии в линию) в среднем достигает 5 000 В (5КВ); в течение 50 мкс.

Понятно, что установкой предохранителей проблему решить невозможно, ибо ни один предохранитель за 50 мкс даже «не чихнет».

Задача любого устройства защиты линии (УЗЛ) - понизить это наведенное опасное напряжение до уровня, допустимого для аппаратуры линии, при этом, не мешая передаче основного сигнала. Т.е. для полезного сигнала система защиты должна как бы отсутствовать.

Достигается это созданием многоступенчатой системы защиты, снижающей потенциал до приемлемой величины от точки наведения до точки подключения линии к аппаратуре. Высокий потенциал отводится при этом на землю.

В качестве отводящих устройств первой ступени защиты применяются «разрядники» - газоразрядные приборы, имеющие определенное напряжение пробоя, при котором резко снижается его сопротивление. См. рис.1

Рис.1. Первая ступень защиты линии
Рис.1. Первая ступень защиты линии

Таким образом 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).

Для нашего случая ограничения в 350 В явно недостаточно. Для дальнейшего ограничения опасного напряжения выполняется вторая ступень защиты. От первой ступени защиты она отделяется ограничивающими ток элементами (дроссели, резисторы). См.рис.2

Рис.2. Вторая ступень защиты линии
Рис.2. Вторая ступень защиты линии

Строится обычно вторая ступень на стабилитронах или диодах TRISIL. 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 уже достаточно, отказа аппаратуры линии не происходит. Во всяком случае, для аппаратуры передачи видеосигнала по витой паре АПВС эти значения абсолютно приемлемы.

При необходимости дальнейшего снижения напряжения устанавливается 3-я ступень, опять же с ограничительными резисторами, которая строится обычно на стабилитронах (в Internet нам встретилось объявление: «Куплю диоды TRISIL на 3 В.». Вряд ли товарищу удастся их отыскать; давно мог бы установить защиту на стабилитронах).

Рис.3 (изображение открывается в новом окне)

Рис.3.

Если представить работу защиты графически, это будет выглядеть следующим образом. (Рис.3)

Очень важной характеристикой УЗЛ является время срабатывания всей системы, т.е. минимальный интервал, в течение которого фронт опасного напряжения будет полностью погашен. В реальности эта величина составляет порядка десятка наносекунд (нс). Большее быстродействие для длинных линий не актуально, так как линия имеет индуктивность, и за время прохождения тока в линии импульс удлиняется.

Следует отдельно заметить, что при близком расположении входных (с линии) клемм защитного устройства и клемм аппаратуры остается опасность воздушного пробоя между ними при достаточно высоком опасном напряжении в линии, что приведет к выходу аппаратуры из строя. Поэтому очень желательно, чтобы эти элементы системы были разнесены на безопасное расстояние.

Наиболее актуальные характеристики при выборе того или иного защитного устройства следующие:

  • максимальное возможное напряжение на клеммах аппаратуры линии;
  • в какой мере тракт защиты влияет на прохождение полезного сигнала (в частности, активное, емкостное, индуктивное сопротивления тракта.)

Для нашего случая передачи видеосигнала, имеющего диапазон 50 Гц - 6МГц, эти характеристики существенно влияют на качество «картинки» и могут привести к большим искажениям.

Как явствует из схемы построения УЗЛ, опасный потенциал уходит на землю. Значит, землю надо в любом случае обеспечить; «в воздухе» систему не подвесишь.

Организуя землю, следует руководствоваться правилами заземления разветвленных сетей, о которых мы говорили в №1/2001 «Алгоритма безопасности».

Напомним один из основополагающих принципов: «В соответствии с общими требованиями разводки сигнальных цепей вся система должна иметь только одну точку заземления, предпочтительно на приемном конце.»

Аппаратуру защиты мы не можем гальванически «отвязать» от сигнальных линий системы. Значит, заземлять УЗЛ необходимо в общей схеме заземления системы сигнальных линий в одной точке. Этот момент нередко ошибочно трактуется даже в печати - предлагается отдельно заземлять все защитные устройства. Заметим, что аппаратура линии в этом варианте будет защищена от опасных напряжений, выхода ее из строя не произойдет. Но за счет разности потенциалов на одном защитном устройстве между потенциалом собственной земли и земли удаленного другого защитного устройства в непосредственно аппаратуре линии неизбежно возникнут блуждающие токи, вызывающие помехи на полезном сигнале, причем, весьма значительные. Вполне возможно, что всевозможные линии и сетки на изображении - результат такого «индивидуального» заземления.

Вкратце о том, почему верхний предел опасных напряжений имеет ограниченную величину 3 - 5 кВ, и почему от прямого попадания молнии защита не спасает.

Разряднику, по большому счету, «все равно». Опасное напряжение выше напряжения пробоя разрядника будет отведено на землю, но потенциал земли в этой точке станет таким огромным, что начнутся процессы типа коронных разрядов, пробоев изоляции и т.п. При прямом попадании молнии до разрядника дело вообще, скорее всего, не дойдет. Произойдет пробой изоляции и массовые замыкания в линии (или аппаратуре).

Теперь рассмотрим реализацию защиты от опасных напряжений в линиях передачи видеосигнала по витой паре (защиту аппаратуры АПВС).

Схемотехнические решения аппаратуры передачи достаточно просты, их структурные схемы представлены на рис.4, 5

Рис.4. Кодер с УЗЛ
Рис.4. Кодер с УЗЛ

Рис.5. Декодер с УЗЛ (изображение открывается в новом окне)

Рис.5. Декодер с УЗЛ

Кодер АПВС представляет собой усилитель с входным сопротивлением 75 Ом и симметричным выходом, согласованным с волновым сопротивлением линии связи, равным 124 Ом на частотах видеосигнала.

Декодер имеет на входе дифференциальный усилитель с большим коэффициентом подавления синфазного сигнала и входным сопротивлением 124 Ом. На выходе его включен частотный корректор и выходной усилитель с выходным сопротивлением 75 Ом для согласования с коаксиальным кабелем.

На выходе кодера и на входе декодера в цепях соединения с линией устанавливаются схемы двухступенчатой защиты аппаратуры.

Первая ступень защиты, обеспечивающая снижение уровня опасного напряжения в линии до 90-350В, построена на разряднике типа Т83-А90Х. Разрядник отводит на землю импульсный ток до 10 кА.

Вторая ступень построена на основе диода 1,5КЕ6,2 , обеспечивающего вместе с последовательными диодами дальнейшее снижение уровня напряжения до величины, безопасной для собственно аппаратуры линии, и равной 7,5В. Ток этой ступени защиты ограничен резисторами R=20 Ом и может составлять 18А.

Точкой стекания опасных потенциалов обеих ступеней защиты является общий провод кодера и декодера, который выведен на контакт «G» (Ground) АПВС и соединен с общим проводом коаксиального разъема.

Как видим, никаких особых сложностей организация такой защиты не представляет. Хотя, конечно, потребует дополнительных финансовых затрат.

 

Подводя итог.

Все вышеизложенное - отнюдь не призыв всем инсталляторам кинуться устанавливать в каждую линию защитные устройства. Что действительно необходимо делать всегда, так это оценивать каждый свой конкретный объект с точки зрения вероятности угрозы возникновения опасных напряжений в линиях, и, как следствие, возможности выхода аппаратуры из строя. И, конечно, довести свои выводы до заказчика для принятия совместного с ним решения (платить- то ему, хозяин системы - он). Главное - договориться с заказчиком об общих «правилах игры», дабы в последствии рабочие моменты не превратились в потоки взаимных претензий.

Готовя коммерческие предложения, особенно для ценовых тендеров, разумно выделять защитные системы, системы заземления отдельными пунктами с теоретическими обоснованиями, чтобы у заказчика не складывалось впечатление о преднамеренном завышении цены договора.

Вполне возможно, что преднамеренный отказ от защитных устройств тоже имеет под собой законные основания. Так, если с учетом вероятности отказов за расчетный срок службы суммарные затраты на восстановление ниже стоимости системы защиты, вполне логично отказаться от заведомой переплаты.

И еще два важных момента, которые не только должен представлять себе инсталлятор, но и постараться довести их до понимания заказчиком.

 

Первое.

Всякое защитное устройство, к какой бы теме оно не относилось, предназначено для защиты от какого-то конкретного воздействия, имеющего конкретные параметры. Например, говорят, что данная модель бронежилета защищает от выстрела из ПМ с расстояния 5м и более, а такая-то модель - от АКМ с расстояния свыше 10 м. Но при этом всем очевидно, что существуют средства, способные пробить лобовую броню танка.

УЗЛ, устанавливаемое в линию, тоже защищает систему от воздействий с конкретными предельными параметрами. Превышение предельно допустимых параметров воздействия следует рассматривать как действие исключительных обстоятельств (как стихия); расходы распределяются по взаимной договоренности сторон.

 

Второе.

Любая защита (впрочем, как и любая безопасность) носит всегда некий вероятностный характер, это - всегда компромисс. Установив защиту от опасных напряжений сигнальных линий, защиту линий питания, организовав корректное заземление, мы вовсе не застраховали на 100% свою систему от возможных бед.

Всегда можно отыскать еще тысячу и одну потенциальную угрозу с разной степенью вероятности. Защита от всех потенциальных опасных воздействий - дело абсурдное. (Например, наш «любимый» ГОСТ по системам охранным телевизионным, ни слова не говоря о защите от опасных напряжений, призывает защитить боксы камер и поворотные устройства от колюще-рубящего удара. И, ведь, не равна нулю вероятность того, что найдется ненормальный, который с шашкой наголо будет атаковать видеокамеры, как Дон Кихот мельницы). Ни одна авиакомпания никогда не даст стопроцентной гарантии безопасности Вашего полета. И мы летаем, фактически, каждый раз рискуя собственной жизнью. Но если опасность очевидна и достаточно просто устранима, почему бы ее не ликвидировать.

В общем, чтобы обезопасить свою жизнь на 100%, нужно не рождаться. Но коли уж родились и живем, то, переходя улицу, не грех посмотреть и налево, и направо.

В.В. Самсонов
А.Л. Попов


Предупреждаем!
Публикация является интеллектуальной собственностью. Полная или частичная перепечатка материалов публикации возможна исключительно с официального согласия авторов и владельцев авторских прав.