Принципы построения модулей грозозащиты локальных сетей на UTP кабеле

[fatman]

следуя просьбам, поступившим мне в ЛС по мотивам некоего спора, возникшего в некой теме - привожу тут сабж.

Введение:
В период грозовой активности на электрические локальные сети (ЭЛС) оказывают свое влияние электростатические поля, поля незавершенных облачных разрядов, электромагнитные наводки, связанные с током канала молнии и ее ответвлений, токи, растекающиеся в земле через систему заземлений и попадающие в цепи локальных сетей. Помехоустойчивость существующих электрических сетей недостаточная, а переход к оптическим сетям сдерживается экономическими причинами. Поэтому требуются дополнительные устройства защиты ЭЛС.

Основными видами воздействий грозовых импульсов на сетевое оборудование локальных сетей являются:

• электростатическое - связано с влиянием электростатических полей предгрозового периода и незавершенного облачного грозового разряда.
• электромагнитное - связано с индукционным влиянием канала молнии на сетевые кабели при расстояниях, соизмеримыми с длиной канала.
• гальваническое - связано с растеканием в земле токов молнии и частичным их ответвлением в цепи локальных сетей через систему заземления.
• ток молнии - связано с прямым попаданием молнии в кабель.

Действие наведенного электростатического потенциала
(cлучай приближения грозового облака)

Рис 1. Устройство грозозащиты с разрядниками


Рис 2. Случай заземления несущей траверсы или применение STP-кабеля

В предгрозовой период грозовое облако над сегментами локальной сети приводит к появлению электростатического поля. Его средняя напряженность в пространстве между облаком и землей обычно не превышает 10 кВ/м. Если между облаком и землей оказываются изолированные от земли предметы (в нашем случае это кабель), то наведенное напряжение будет зависеть от напряженности электрического поля Еср и высоты расположения hо. U2=Ecр*hо
Кабель локальной сети расположенный на высоте 10 м (даже при учете экранирования окружающими предметами) может оказаться под электростатическим потенциалом около 10 - 100 кВ. На практике, наведенный электростатический потенциал может быть меньше. Во-первых, по причине наличия сопротивления изоляции UTP- кабеля, которое зависит от влажности воздуха, условий прокладки, загрязненности защитного покрытия - это способствует стеканию части заряда и уменьшает потенциал незаземленного кабеля. Во-вторых, кабель локальной сети в большей или меньшей степени экранируется зданиями, расположенными поблизости. Тем не менее, наблюдалось достаточное количество отказов оборудования в предгрозовой период. Просмотреть видеоролик "Действие электростатического электричества".

Действие электромагнитного импульса

1. Противофазная помеха

Применение UTP кабеля необходимо для передачи сигнала с минимальными потерями. Для этого каждая пара проводов скручена между собой, причем, шаг скрутки одной пары отличен от шага скрутки другой пары. В пространстве пары переплетаются между собой. При воздействии грозового электромагнитного импульса, на каждую ячейку наводится небольшое напряжение, около 50 мВ.


В случае, равномерного шага скрутки площади ячеек одинаковы и наведенные ЭДС на соседних ячейках имеют равную амплитуду, но противоположны по знаку, поэтому и взаимокомпенсируются. Реально же площади различных ячеек скрутки несколько различаются, особенно в местах изгиба кабеля с радиусом скругления менее R=10 см. Поэтому на длинных сегментах взаимной компенсации наведенных ЭДС наблюдаться не будет и амплитуда наведенного во время грозовой активности электрического импульса между проводниками витой пары может достигать значения 300 В, что приведет к выходу из строя приемо-передающего тракта сетевой платы.


Помехи такого вида можно классифицировать как противофазные. Устройство грозозащиты ограничивает до безопасной величины напряжение помехи, наведенной между проводниками кабеля, а информационный сигнал не подавляет. Напряжение ограничения должно находиться в пределах 7-12 В. Амплитудное значение максимально допустимого тока должно быть не менее 15 А. Просмотреть видеоролик "Действие противофазной помехи".

2. Синфазная помеха
Во время межоблачного разряда молнии, и на траверсе (если она есть) и на каждом проводнике сетевого кабеля индуцируется электрический импульс, амплитуда которого зависит от величины разрядного тока молнии, удаленности ее канала от сегмента локальной сети.

Проводящий канал молнии со средним током 20 кА можно представить в виде первичной обмотки воздушного трансформатора, а сетевой кабель со всеми входящими в него проводниками - набором вторичных обмоток. Корпуса персональных компьютеров (ПК) имеют гальваническую связь с землей через третий отдельный нетоковедущий проводник штепсельной вилки, подключенный к щитку электропитания. Поэтому наведенный электрический импульс будет приложен между сетевыми платами двух различных ПК. В случае незаземленного ПК электрическая цепь будет замкнута через суммарную емкость корпуса ПК на близко расположенные заземленные объекты и паразитные емкости элементов блока питания ПК на сетевой кабель электроснабжения. Так действие импульса синфазной помехи может привести к пробою импульсного трансформатора сетевой платы, а затем к выходу из строя приемо-передающего модуля.

Гальваническое воздействие (cлучай попадания молнии в близко расположенные предметы)

При попадании молнии в предметы, расположенные в непосредственной близости от мест прокладки сети, вследствие растекания токов молнии, потенциал здания и ПК может повысится до значительной величины.
Распределение потенциала в глиняной почве (удельное сопротивление р=60 Ом*м) в зависимости от расстояния до места удара молнии изображено на рисунке 5. Ток молнии равен 20кА.

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

Просмотреть видеоролик "Действие токов растекания молнии".
Предположим, что два клиента локальной сети питаются от различных комплектно-трасформаторных подстанций (КТП). Тогда при ударе молнии разность потенциалов Е между ПК-1 и ПК-2, находящихся в зоне растекания тока будет зависеть от тока молнии и от расстояния до эпицентра. Между сетевыми картами ПК будет приложено напряжение Е, что может вызвать их повреждение.

Модуль грозозащиты (ГЗ) ограничивает амплитуду воздействующего импульса и тем самым предотвращает в большинстве случаев выход из строя сетевого оборудования.

Многие производители устройств грозозащиты для подавления импульса синфазной помехи используют искровые разрядники, снижая тем самым себестоимость продукции. Однако при этом снижается надежность работы оборудования локальных сетей. Причины следующие:

• напряжение срабатывания разрядника зависит от длительности приложенного к нему напряжения. Чем короче импульс, тем выше пробивное напряжение разрядника. Разница между напряжением срабатывания разрядника на постоянном и импульсном токе может превышать 300%;
• время срабатывания разрядника сравнимо с фронтом грозового импульса, следовательно, при срабатывании разрядника, на оборудование проходит короткий импульс, длительностью порядка одной микросекунды;
• наблюдается временная нестабильность разрядных характеристик в ходе эксплуатации разрядников вследствие эрозии электродов, частичной потери вакуума;
• при срабатывании разрядников возникают значительные перенапряжения в расположенных поблизости индуктивных элементах (согласующих трансформаторах, дросселях, пр.);
• срабатывание разрядников может вызвать сопровождающий ток. Т.е. импульсный пробой разрядника может перерасти в устойчивую дугу, горение которой будет поддерживаться в течение длительного времени (50мс-1с) за счет наводок от линий электропередач или блуждающих токов от городского электротранспорта. В таком случае, на остальных полупроводниковых компонентах грозозащиты рассеивается чрезмерное количество энергии, приводящее к их тепловому разрушению.

--------------------------------------------------------
Исходя из всего этого, наиболее целесообразным является использование устройства грозозащиты на основе полупроводникового нелинейного элемента на основе оксида цинка - варистора, который обладает высоким быстродействием (скорость срабатывания - 25нс), стабильностью напряжения срабатывания в процессе эксплуатации и отсутствием сопровождающего тока. Использование варистора с классификационным напряжением Uk = 560 - 680В, позволяет не только надежно защитить оборудование, но и продлить его ресурс работы вследствие исключения воздействия коротких импульсов напряжения на изоляцию, приводящие к преждевременному ее старению. Применение же варисторов с меньшим Uk представляется нецелесообразным, так как повышается число ложных срабатываний грозозащиты.
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
материалы статьи взяты мною отсюда
я ее внимательно прочитал - огрехов не замечено.
вопросы - в развитие темы. Дам пояснения, обьяснения, разъяснения

[Alexey_C]

to fatman
Полезная информация.
Я это правда уже читал, но для массы народа (по моим наблюдениям) понятие грозозащиты остаётся чем-то неведомым.
Судя же некоему спору, возникшему в некоторой ветке и по нервной реакции на него некоторых лиц , можно заключить что и для некоторых провайдеров эта тема является не особенно любимой.

[QA Engineer]

Я думаю, что было бы лучше это описать проще, на пальцах, без привлечения расчетов, физических терминов, типа напряженность поля, эектромагнитная индукция, и т.д. Для многих эти понятия являются чемто из области фантастики.
По поводу варистора. С одной староны это куда лучше обычных предохранителей, благодаря свой быстроте реакции, и воопще принципу работы. Он просто не пропустит даже теоритически напряжение большее чем нужно. Но, после него плату отчищать не самое увлекательное занятие

[maxx™]

Первый раз слышу, что пары перевивают для защиты от молнии. Все эти компенсации конечно красиво нарисованы, но предназначены они изначально для устранения помех пары на пару и внешних помех на пару (в термины углубляться не будем). С точки зрения молнии эти все переплетения до одного места. Потому как контур образованный из водопроводных труб, проводки внутри здания, этой самой витой пары и много другого металла - рассматривает эту витую пару не как какие-то маленькие контура, а просто как многожильный провод. Кто видел нормальную витую пару - в ней идет тоненький металлический проводок - вот именно он и предназначен для целей защиты.

[QA Engineer]

На самом деле я вам скажу, все эти заземления и прочее, никого не спасут. Из курса физики, кто помнит как работает грозоотвод? Он ведь заземлен . А почему в него молния попадает? Так и тут. Заземляй, не заземляй, да уменьшится конечно заряд сконцентрированный на проводе во время грозы, но все равно он будет, потому как на самой земле он скапливается, когда над ней туча находится. и не дай бог провод окажется самой высокой точкой - не спасет ничего. Лучшая грозозащита это ложить под землей кабель и все.

[fatman]

Кто видел нормальную витую пару - в ней идет тоненький металлический проводок - вот именно он и предназначен для целей защиты.

в статье идет речь про витуху UTP, не путать ее пожалуйста с FTP и STP.
UTP - неэкранированная витая пара в полиэтиленовой (дял наружных работ) или поливинилхлоридной (для внутренних работ) изоляции.
металический же проводочек имеет электрический контакт с экранной оплеткой в витухах FTP и STP.
Повив витых пар определяет их устойчивость противофазным помехам. Помеха, наведенная в одной проводе в паре - противофазна помехе, наведенной в другом проводе пары : в результате взаимокомпенсация помехи на всей длине повива. Всем известно, наверно, что витые пары разделяются на 6 базовых классов. По критерию полосы пропускания частот. Популярная витуха 5 категории - до 100 Мгц.
Теперь пару слов насчет самой природы молнии.
выражение

на самой земле он скапливается, когда над ней туча находится

неверно, так как на земле разряд не накапливается. Заряд накапливается в грозовом облаке. земля же имеет нулевой потенциал относительно облака. Когда напряженность электрическогго поля между облаком и землей достигает значения пробивной напряженности (воздух, как и любой диэлектрик, имеет тн диэлектрическую постоянную и некую константу пробивного напряжения), тогда заряд через лавинный туннель проводимости между облаком и землей, образованный "пробитым" диэлектриком - уходит в землю. А вот уже в земле есть зоны растекания заряда. Кривая зависимости представлена выше.
Сродни этому тн "шаговое напряжение", определение которого очень хорошо дано в ПУЭ (Правила Устройства Электроустановок).
Шаговое напряжение - это напряжение, возникающее в зоне растекания тока на расстоянии, равном одному шагу
ОТкуда оно берется? а потому что напряжение есмь разность потенциалов. Согласно кривой распределения две точки, находящиеся на расстоянии друг от друга - имеют разный электрический потенциал, а значит между ними присутсвует напряжение U=f2-f1, где f2 и f1 - значения потенциалов двух точек.
Теперь насчет того, почему используются громоотводы, представляющие собой металические стержни. расположенные высоко над землей. потому что электрический ток всегда действует в сторону наименьшего сопротивления (наибольшей проводимости). Согласно уже выщесказанному мной - столб воздушного диэлектрика между облаком и землей и между тем же облаком и громоотводом различны. А значит пробивной порог напряженности во втором случае будет меньше, и пробойный заряд для случая громоотвода будет меньше. а значит туда он и стрельнет.
А теперь вспоминаем описанный выше случай протяжки заземленной витухи по крышам дома с заземлением на концах. Класический громоотвод.
поздемные прокладки тоже требуют некоторых мер. В качестве иллюстрации могу привести один пример : на колонтаевской есть 9этажка на углу садиковской, в которой ювелирка Кристалл. В бытность свою работы там в жилкомунхозе я помню - этот дом всегда был проблемный в отношении целостности водопровода. В подвале всегда было затопление. Трубы как будто сверлом тройкой просверливали. Что это было? это были свищи, которые получались при множестевнном проезде пятого трамвая по улице, то есть влияние растекающихся токов от рельсовой колеи трамвая. Расстояние там порядка 20 метров (можете посмотреть, когда будете). А вы говорите - подземка =)
Мнение, что водопровод явялется качественным заземлителем - в корне неверное. Качетсвенный заземлитель должен иметь сопротивление относительно грунта не более 4 ОМ (это опять таки описано в ПУЭ), иначе он не заземлитель. Водопровод - не есть заземлитель
UPD:

1.7.101. Сопротивление заземляющего устройства, к которому присоединены нейтрали генератора или трансформатора или выводы источника однофазного тока, в любое время года должно быть не более 2, 4 и 8 Ом соответственно при линейных напряжениях 660, 380 и 220 В источника трехфазного тока или 380, 220 и 127 В источника однофазного тока. Это сопротивление должно быть обеспечено с учетом использования естественных заземлителей, а также заземлителей повторных заземлений PEN- или PE-проводника ВЛ напряжением до 1 кВ при количестве отходящих линий не менее двух. Сопротивление заземлителя, расположенного в непосредственной близости от нейтрали генератора или трансформатора или вывода источника однофазного тока, должно быть не более 15, 30 и 60 Ом соответственно при линейных напряжениях 660, 380 и 220 В источника трехфазного тока или 380, 220 и 127 В источника однофазного тока.

[QA Engineer]

Из курса все той же физики. Я не знаю рассказывали вам или нет что во время гроза нельзя передвигаться большими шагами, потому что в разных точках разный потенциал и если разность потенциалов междк правой и левой ногой достигнет определенного значеня, будет вам между ногами разряд....это к тому, что земля имеет нулевой потенциал. Просто я не хочу приводить теорию по электродимике, дабы не грузить никого. но вкратце : земля имеет заряд, он ноеднороден, во время грозы потенциал меняется в некоторых точках ( там где гроза). То что потенциал принят за 0 это условность не более. Потому как она - это один большой конденсатор, и может поглощать и поглощать. Но, вы не задумавылись что не могут же заряды бесконечно перетекать в землю? как на счет законов сохранения? в общем если над головой большая и черная туча, а вы находитесь в чистом поле, где самая высокая точка - это вы. Вам не повезло.

[fatman]

столько слов, и все противоречивы
начнем с конца. Фраза

в общем если над головой большая и черная туча, а вы находитесь в чистом поле, где самая высокая точка - это вы. Вам не повезло.

под собой имеет вышеприведенное обьяснение о толщине диэлектрического слоя между носителем заряда (тучей) и телом с меньшим электрическим потенциалом (вами или землей).

она - это один большой конденсатор

это не более чем условность. Условно за единицу емкости (Фарад, F) принята емкость Земли (как планеты, в смысле конденсатора такого размера, с аналогичными диэлектрическими и проводящими характеристиками).

Земля имеет заряд

- см. выше. Еще можно добавить, что заряд (а это кстати, неверное применение термина, правильнее было бы сказать - электростатическое поле) определяется законами Максвелла-Фарадея. В силу наличия природного магнитного поля у планеты Земля при его возмущениях, вызванных сторонними силами - согласно законам - индуцируется электростатическое поле (тн. электромагнитные явления).

в разных точках разный потенциал и если разность потенциалов междк правой и левой ногой достигнет определенного значеня, будет вам между ногами разряд

А если разность потенциалов наоборот, между левой и правой? Что тогда?
Вы невнимательно читали выше (многа букф? ) . Я описывал это явление под названием "шаговое напряжение", как оно названо официально в ПУЭ и всяческой литературе по технике безопасности. Я тоже не хочу глубоко вдаваться в пояснения теорий и механизмов возникновения такого явления, как шаговое напряжение, но поверьте мне - под влиянием природного электростатического поля Земли, как бы широко вы не шагали - между вашими ногами никогда не возникнет напряжение сколь-нибудь ощутимое для вас

[QA Engineer]

Что вас смутило в человеке в поле? Представим ситуацию: Чисто поле, человек, и тучи над голой. На тучах начинается скапливаться заряд ( т.е. туча приобритает определнный потенциал, отличный от земного). Далее. Человек идет по земле, значит его потенциал равен потенциалу земли? согласитесь с этим? Далее, так как голова человека имеет намного меньшую площадь чем площадь земли, то напряженнность поле вокруг головы человека будет намного больше поля земли. По этой причине (взаимодействие полей) молния попадет в человека ( ну и расстояние тоже является немаловажным фактором). На этом и основан принцип действия грозоотвода, он расположен выше всех строений в округе, и заземлен для того чтобы иметь потенциал равный с землей, но при этом за счет напряженности поля и получается что молния попадает именно в него.

[fatman]

любезный, вы вообще удосуживались читать мои сообщения, с которыми спорите? зачем сейчас вы своими словами повторяете то, что описано мною выше? где конструктив?
мне наша дискуссия напоминает "спор" из разряда
-масло желтое
-ну откуда вы взяли что масло желтое??? нет, оно желтое, а вы говорите- желтое!!

[maxx™]

Вы тут концентрируетесь на молниетоводах и шаговом напряжении - не забывайте - электрический разряд молнии порождает электромагнитный импульс, он наводит в контурах, образованный в т.ч. витой парой, ЭДС которая может вывести из строй оборудования, несмотря на то, что молния вроде и где-то далеко была.

[fatman]

я на вышеупомянутых явлениях не концентрируюсь
о ЭМИ написано во второй части статьи, являющейся первым постом топика, но диалога пока не наблюдаю.
да и зачем? статья на самом деле образовательная, а не вызывающая на дисскусию. Оппонирующие личности несогласны, я так понял, в мелких деталях, но в общем- повторяют материалы статьи

[screjet]

Это да.. Именно ЭМИ сжигает оборудование. Грозозащитники защищают оборудование (если толковые), но вредят сигналу, т.е. связь глючит, даже без грозы. Видимо, в плохо-натянутой воздушке генерируется ЭДС от магнитного поля планеты, статика от ветра, что конкретно - это к физикам. Т.е когда срабатывает защитник, за время рассасывания защитного элемента, сетевое оборудование "успевает" обнаружить отсутствие коннекта.

[bolivarov]

"Распределение потенциала в глиняной почве (удельное сопротивление р=60 Ом*м) "

Статья вроде неплохая, написано доходчиво. Вот интересно у кого то есть данные по удельному сопротивлению грунта в Одессе или инженерно-геодезическая карта грунтов? Если предоставите, буду очень признателен.

А глючит и сжигает оборудование скорее всего отсутствие заземления, не того, которое в домовых щитках, а которое положено - хотя бы 4 Ома с соблюдением схем соединения и заземления всех проводников.