Приложение D (справочное). Дополнительная информация о системных перенапряжениях

Приложение D
(справочное)

Дополнительная информация
о системных перенапряжениях

D.1 Общие вопросы

Электронное оборудование, которое входит в бытовую и деловую среду все больше, часто включает коммуникационный порт так же как обычный порт шнура питания. Типичный пример персональный компьютер (ПК) с модемным соединением. Хотя и питание, и коммуникационные системы могут включать цепи защиты от импульсных перенапряжений, скачки тока в системе, вызывают сдвиг потенциала его контрольной точки, в то время как потенциал другой системной контрольной точки остается неизменным. Различие потенциала между этими двумя контрольными точками появляется между двумя портами ПК. В зависимости от типа ПК/модема и его защищенности, которая часто не определена, это различие потенциала может привести к некоторым нарушениям в работе или повреждениям.

Были предложены различные схемы для уменьшения нарушений в работе или повреждений из-за разности потенциалов. Самым эффективным было бы оптическое разъединение, вставленное в линию связи, но расходы и встройка нежелательны для типового применения в бытовых условиях. Увеличение защищенности системы ПК со стороны изготовителей, учитывая рыночную экономику, вряд ли произойдут, и фактически они не эффективны для некоторых из напряжений, которые могут появиться. Следующий пример, из опыта Северной Америки (в этом примере рассмотрены линии, типичных для телефонии), иллюстрирует проблему, которой, в зависимости от определенных национальных методов, можно встретить в других установках.

Примечание - Для защиты телекоммуникаций и сигнальных линий используют металлические проводники системы молниезащиты, включая системные взаимодействия. Рассматривают следующие линии:

- телекоммуникационные линии, соединяющие коммутатор с сетевым окончанием;

- телекоммуникации или сигнальные линии, соединяющие оборудование, расположенное в различных зданиях, например, линии ISDN или сигнальные линии между компьютерами.

D.2 Пример смещения потенциала ПК/модема

На рисунке D.1 показан ПК, оборудованный модемом, подключенный к сети трехпроводным кабелем, который включает проводник заземления, устанавливающий потенциал шасси равным потенциалу заземляющей шины распредустройства. Модем соединяется с телефонным выходом в комнате и на входе телефонной связи имеется дополнительная защита от перенапряжений, установленная телефонной компанией. Для худшего варианта (часто встречаемого) электрический и телефонный ввод входят в дом с противоположных концов. В этом случае, проводник заземления защиты входа соединяется с самой близкой точкой заземление системы, которая доступна, как показано на рисунке. Этот дополнительный проводник заземления может быть непосредственно подключен к распределительному шкафу.

Рисунок D.1 - Соединение ПК/модема с системой питания и коммуникационной системой

Как приведено ниже эта альтернативная маршрутизация не имеет значения при импульсном воздействии на телефонную связь. Устройство защиты от импульсных перенапряжений со стороны питания ПК на рис. D.1, откуда пользователь ожидает появления возмущений с наибольшей вероятностью, рассматривается как дополнительное. В действительности наличие УЗИП на стороне питания не оказывает никакого эффекта на результат рассматриваемого сценария.

На рисунке D.2 приведен сценарий, при котором импульсное перенапряжение от телефонной сети воздействует на ввод питания при условии, что телефонная компания установила специальный УЗИП, являющийся частью установки. Такое устройство упоминается как Сетевое интерфейсное устройство (NID)*. Импульсное перенапряжение отводится NID через проводник уравнивания потенциалов на заземлитель. В худшем случае, два вода располагаются в противоположных концах дома, поэтому у соединения для уравнивания потенциалов может быть существенная длина. Наличие УЗИП на стороне питания не имеет никакого значения для этого сценария, на рисунке D.2 приведен УЗИП, установленный потребителем, и ограничитель перенапряжения, например, в распредустройстве или шкафе учета.

Рисунок D.2 - Разность потенциалов на ПК/модеме во время импульса тока

Текущий "импульсный ток" на рисунке D.2 течет по трубе, создавая магнитный поток в замкнутом контуре, сформированным трубой и проводниками в верхней части цепи - телефонный провод, соединяющий ПК с NID и ответвления, соединяющего ПК с входом питания. Быстро изменяющийся импульсный ток вызывает напряжение в контуре, которое появляется в точке, где контур разомкнут - изоляция между модемными терминалами и терминалами питания ПК.

Другой способ объяснить вызванную разность потенциалов, основанный на том же самом электромагнитном законе, предполагает, что у длинного канала есть индуктивность L, что приводит к возникновению напряжения L х di/dt, которое возникает вдоль канала и следовательно прикладывается к портам ПК. Однако объяснение, основанное на потокосцеплении, более полезно, потому что оно указывает на влияние геометрии контура, а не только на длину канала. Теоретически, если контур чрезвычайно узкий - прокладка проводов близко к проводнику заземления (что рекомендуется с точки зрения обеспечения ЭМС - см. приложение F), его область была бы незначительной и потокосцепление, значительно уменьшено. В действительности, однако, площадь контура в реальной установке всегда будет существенной.

В приведенной схеме разность потенциалов появляется между любым из двух телефонных проводов на одной стороне ПК и нейтральным проводником N или проводником заземления G с другой стороны ПК, при несрабатывании УЗИП или разрядника, присутствие УЗИП на стороне порта питания ПК не оказывает никакого влияния на результат при этом сценарии импульсного перенапряжения, поступающего от телефонной станции и оказывающем отрицательное воздействие при его отводе нормально функционирующим NID.

Подобным образом импульсное перенапряжение со стороны питания и не отведенное в точке ввода, может достигнуть точки подключения ПК, где благоразумный домовладелец установил УЗИП для защиты от импульсных перенапряжений со стороны линии электропередачи.

Здесь снова возникает тупиковая ситуация, когда ток импульсного воздействия, отведенный УЗИП, возвращается через землю и проводник заземления или/и нейтральный проводник. Этот импульсный ток создает магнитный поток в том же самом контуре, как и в первом сценарии, с тем же самым возможным результатом повреждения или разрушения.

D.3 Пример восстановительных действий

Для демонстрации побочного эффекта от нескоординированной защиты от перенапряжения и преимущество предложенного решения, измерения проводились для копии полномасштабной внутренней электропроводки системы, включая питание, телефон и медную водопроводную трубу, рисунок D.2. Телефонные провода проложены стандартным способом на некотором расстоянии от трубы.

Рисунок D.3 показывает запись, полученную при воздействии стандартного импульса перенапряжения на NID, определенного стандартами по телефонии. Измерение проводилось для разомкнутого контура для импульса с параметрами изменения импульсного тока 75 А/мкс, амплитудой 4,3 кВ. В фактической установке это напряжение появилось бы между двумя портами присоединенного ПК, но в эксперименте они не были соединены, чтобы избежать бесполезного повреждения.

Рисунок D.3 - Напряжение в контрольных точках для ПК во время импульсного перенапряжения

Рассмотрение рисунка D.3 указывает на существенный факт: максимальное напряжение достигается во время прохождения переднего фронта импульсного тока, а не во время достижения максимального значения тока. Таким образом, максимальная амплитуда определяется начальным значением производной, а не максимальным значением самим по себе. Этот индуктивный эффект является другим примером для комментария сделанного несколько раз в этом техническом отчете, что, рассмотрение средней скорости нарастания тока, вычисленной для 10% и 90% точек, может ввести в заблуждение. Этот эффект вероятен даже для медленно возрастающего импульса, потому что газовый разряд в NID не будет возникать прежде, чем импульс достиг высокого напряжения, что приведет к увеличению производной по сравнению с тем, если бы ток начал течь в начале импульсного перенапряжения. Этот пример также показывает как цепь, в которой используется газоразрядная трубка, может действовать как генератор более крутых передних фронтов, чем у исходного импульсного перенапряжения. В этом случае, этот эффект будет смягчен коррекцией напряжений взаимодействия, как описано ниже.

Если контур дополнительно замкнуть кроме как по изоляции между двумя портами ПК, то между ними не появится никакого напряжения, и ПК не будет находиться под угрозой сбоя. Замыкание контура может быть выполнено гибридным многопортовым УЗИП, называемым эквалайзером, и установленный между колодкой питания и телефонной колодкой, в который вставлен шнур питания и телефонный ввод от ПК. На рисунке D.4 изображено такое подключение.

Чтобы иллюстрировать эффективность данного решения, на рисунке D.5 показано уменьшение напряжения полученного для схемы на рисунке D.4, но со вставкой стандартного эквалайзера (продаются во многих магазинах электроники, но не обязательно под этим названием, см. подраздел 3.17) между питанием и телефонной линией в точке соединения ПК.

Универсальная конструкция такого устройства включает розетку на два телефонных провода, две соответствующие газоразрядные трубки, два добавочных резистора, и два кремниевых лавинных диодов, с непосредственной связью или через соответствующий УЗИП, чтобы создать эффект полного или почти полного заземления.

Рисунок D.4 - Установка согласующего эквалайзера в портах ПК/модема

Рисунок D.5 - Уменьшение разности потенциалов между портами согласующим эквалайзером

На рисунке D.5 можно видеть, что за счет действия диодов происходит снижение напряжения до 200 В от 4,3 кВ, показанных на рисунке D.3, сопровождающимся дальнейшим снижением напряжения после срабатывания газоразрядной трубки, которое происходит с задержкой в 5 мкс.

Согласующий эквалайзер будет обладать подобными преимуществами и в случае импульсного перенапряжения со стороны системы питания. Тонкие различия могут быть в том, что в первом сценарии, двухпроводная сбалансированная телефонная цепь эффективно соединяется с системой заземления действием NID, непосредственно создавая проблему. Во втором сценарии, двухпроводная телефонная линия остается гальванически изолированной от системы заземления до возникновения газового разряда в NID, не со стороны телефонной линии. Даже если NID не срабатывает, то существует достаточная емкость между каждым из телефонных проводов и землей, чтобы в начальной стадии импульсного перенапряжения иметь потенциал этих двух проводов равным потенциалу земли и таким образом иметь потенциал отличный относительно порта питания. В результате опасность могла бы быть менее существенной, но все же, когда большие разности потенциалов вызывают искровой разряд NID, согласующий эквалайзер оказывает уравнивающее действие для обоих сценариев.

Меньший замкнутый контур существовал бы, если бы ввод телефона и питания были в одном конце здания, что является практической рекомендацией. При такой конфигурации, как показывают испытания, снижение напряжения составляет до 75%, по сравнению с большими замкнутыми контурами, но все еще имеется потенциальный риск для аппаратных средств, так, что согласующий эквалайзер полезен и в этом случае.