Home News

Модули грозозащиты локальных сетей: принципы действия

17.10.2018

видео Модули грозозащиты локальных сетей: принципы действия

Как сделать правильную грозозащиту для Ethernet RJ45

В периоды грозовой активности на ЭЛС (электрические локальные сети) влияют электростатические поля; поля незавершенных облачных разрядов; электромагнитные наводки (связанные с током канала молнии и ее ответвлений), а также токи, растекающиеся в почве через систему заземлений и попадающие в цепи локальных сетей.


Грозозащита роутера и свича

Грозовые импульсы оказывают на сетевое оборудование ЭЛС следующие виды воздействия:

электростатическое воздействие, связанное с электростатическими полями предгрозового периода, а также незавершенными облачными грозовыми разрядами; электромагнитное воздействие, обусловленное индукционным влиянием канала молнии на сетевые кабели; гальваническое воздействие , связанное с растеканием в земле токов молнии, а также их частичным ответвлением через систему заземления; ток молнии – в случае прямого попадания молнии в кабель.

При этом помехоустойчивость электрических сетей зачастую является недостаточной, а переход к оптическим сетям требует значительных финансовых затрат. Поэтому для обеспечения безопасности и нормального функционирования локальных электросетей во время грозы при проектировании системы электроснабжения требуется предусмотреть дополнительные устройства грозозащиты, защищающие оборудование путем отвода излишков статического напряжения.


Грозозащита и система охлаждения — как работают энергоподстанции летом

Воздействие электростатического поля

Появление грозового облака над сегментами ЭЛС в предгрозовой период влечет за собой возникновение электростатического поля, средняя напряженность которого в пространстве между облаком и землей в большинстве случаев не превышает 10 кВ/м. В случае, если между землей и облаком оказывается кабель (или другие изолированные от земли предметы), наведенное напряжение (U2) будет напрямую зависеть от напряженности электрического поля (Еср) и высоты расположения кабеля (hо). Напряженность можно рассчитать по формуле U2=Ecр*hо.

При расположении кабеля ЭЛС на высоте 10 м электростатический потенциал может составить около 10 — 100 кВ. В реальности, как правило, на уменьшение электростатического потенциала влияют расположенные поблизости здания, оказывающие экранирующее воздействие, а также наличие сопротивления изоляции UTP- кабеля, величина которого зависит от целого ряда условий: влажности воздуха, условий прокладки, а также загрязненности защитного покрытия. Это способствует стеканию части заряда, уменьшая тем самым потенциал незаземленного кабеля. Но, несмотря на это, в предгрозовой период наблюдается нестабильность работы системы электроснабжения и достаточно большое количество отказов электрооборудования.

 

 

Снизить электростатический потенциал кабеля локальной сети можно при помощи устройства грозозащиты с разрядниками (см. рисунок 1). Еще один вариант — заземление несущей траверсы или применение STP-кабеля (см. рисунок 2).

 

Воздействие электромагнитного импульса

1. Противофазные помехи

Для того, чтобы передавать сигнал с минимальными потерями, используется UTP- кабель, где каждая пара проводов скручена между собой. При этом шаг скрутки одной пары проводов отличается от шага скрутки другой, а пары между собой. В случае, если на кабель воздействует грозовой электромагнитный импульс, на каждой ячейке возникает незначительное напряжение (около 50 мВ)

В случае, если шаг скрутки равномерен, площадь ячеек аналогична, и наведенная электродвижущая сила (ЭДС) на соседствующих ячейках имеет равную амплитуду. При этом ЭДС на соседствующих ячейках противоположны по знаку, вследствие чего происходит взаимокомпенсация.

В реальности же площади различных ячеек скрутки могут несколько отличаться друг от друга. Особенно эта разница существенная в местах изгиба кабеля с радиусом скругления менее R=10 см. Вследствие этого на длинных сегментах кабеля компенсация наведенных во время грозовой активности ЭДС не происходит. В результате амплитуда наведенного электроимпульса между проводниками витой пары может достигать 300 В, что в итоге приводит к выходу из строя приемо-передающий тракта сетевой платы.

Устройство модулей грозозащиты призвано ограничивать помехи, наведенные между проводниками кабеля, до безопасной величины, не подавляя при этом информационный сигнал. Напряжение ограничения в таких случаях должно находиться в пределах 7-12 В, а амплитудное значение максимально допустимого тока – не менее 15 А.

2. Синфазные помехи

Если происходит межоблачный разряд молнии, электрический импульс индуцируется на траверсе и на всех проводниках сетевого кабеля. Его амплитуда при этом зависит от величины разрядного тока молнии, а также ее удаленности от сегмента локальной сети.

Представим проводящий канал молнии со средним током 20 кА в виде первичной обмотки воздушного трансформатора, а сетевой кабель и входящие в него проводники – в виде набора вторичных обмоток. Корпус персонального компьютера имеет гальваническую связь с землей (через отдельный нетоковедущий проводник штепсельной вилки), в результате чего возникший электрический импульс будет приложен между сетевыми платами двух различных компьютеров. В случае, если компьютер не заземлен, электрическая цепь через суммарную емкость корпуса будет замкнута на близко расположенные заземленные объекты, а также паразитные емкости элементов блока питания и на сетевой кабель. Это, в конечном счете, может привести к пробою импульсного трансформатора сетевой платы и выходу приемо-передающего модуля из строя.

Гальваническое воздействие

Если молния попадает в предметы, находящиеся рядом с местами прокладки сети, вследствие растекания токов потенциал здания и персональных компьютеров может значительно увеличиться.

Рассмотрим ситуацию на примере. На рисунке 5 можно увидеть, как распределяется потенциал в глиняной почве (удельное сопротивление р=60 Ом*м) в зависимости от расстояния до места удара молнии, ток которой равен 20кА.

Рис.5 Распределение потенциалов при попадании молнии в землю и их воздействие на клиентов сети. Электроснабжение осуществляется от двух различных подстанций  

 

Допустим, что два компьютера (ПК-1 и ПК-2) локальной сети запитаны от различных комплектно-трасформаторных подстанций и находятся в зоне растекания тока. В таком случае при ударе молнии разность потенциалов (Е) будет зависеть от тока молнии и от расстояния до эпицентра. В результате между сетевыми картами ПК-1 и ПК-2 будет приложено напряжение Е, что может вызвать повреждение оборудования.

Использование модулей грозозащиты позволяет ограничить амплитуду воздействующего импульса. В подавляющем большинстве случаев это позволяет избежать выхода из строя сетевого оборудования.

Достаточно часто при производстве устройств грозозащиты для подавления импульса синфазной помехи используют искровые разрядники. Это снижает себестоимость модулей грозозащиты для системы электроснабжения, но при этом также снижается и уровень надежности работы оборудования. Чем это обусловлено?

Во-первых, напряжение срабатывания искрового разрядника зависит от длительности приложенного напряжения: чем короче импульс, тем выше пробивное напряжение. В результате на постоянном и импульсном токе разница между напряжением срабатывания разрядника может превышать 300%. Во-вторых, время срабатывания разрядника сопоставимо с фронтом грозового импульса, в результате при срабатывании разрядника на оборудование проходит импульс длительностью около одной микросекунды. В третьих, вследствие эрозии электродов и частичной потери вакуума, в ходе эксплуатации искровых разрядников часто отмечается временная нестабильность разрядных характеристик. Кроме того, при срабатывании устройства в расположенных поблизости индуктивных элементах (таких, как дросселя, согласующие трансформаторы и т.д. ) возникают значительные перенапряжения. И наконец, срабатывание таких разрядников может вызвать сопровождающий ток. Иными словами, импульсный пробой может перерасти в устойчивую дугу, горение которой за счет наводок от линий электропередач будет поддерживаться на протяжении довольно длительного времени (50мс-1с). В такой ситуации на прочих полупроводниковых компонентах модуля грозозащиты рассеивается избыточное количество энергии, что может привести к их тепловому разрушению.

Все эти недостатки можно устранить, используя устройства грозозащиты, в которых применяется нелинейный полупроводниковый элемент на основе оксида цинка – варистора. Использование варистора обеспечивает быстродействие (скорость срабатывания устройств грозозащиты — 25нс), отсутствие сопровождающего тока, а также стабильность напряжения срабатывания. Оптимально использовать для построения модулей грозозащиты варисторов с классификационным напряжением Uk = 560 — 680В, что исключает воздействие на изоляцию коротких импульсов напряжения, продлевая тем самым срок ее эксплуатации. Применение варисторов с меньшим классификационным напряжением не целесообразно, поскольку в этом случае число ложных срабатываний грозозащиты значительно повышается.

Copyright © ООО «Брат». Все права защищены. Тел.: 8 (495) 664-32-75
rss