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.
взято с (
http://www.rubatech.ru/node/425 )
