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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Protezione contro i fulmini delle reti locali. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Компьютеры Uno dei problemi che gli sviluppatori di reti di computer locali devono affrontare è garantire la resistenza delle apparecchiature di rete a varie influenze esterne. Un ruolo speciale è assegnato ai dispositivi di protezione contro i fulmini. Con lo sviluppo delle “reti domestiche” questo problema diventa davvero grave, poiché una parte considerevole delle apparecchiature si guasta a causa dell’elettricità statica. Il tema della protezione contro i fulmini è tradizionalmente uno dei più discussi tra radioamatori e professionisti ed è avvolto da vari miti e inesattezze. Questo articolo risponde alla domanda: è possibile resistere agli effetti delle scariche di fulmini troppo potenti per le apparecchiature e identifica modalità e metodi per proteggere le apparecchiature attive. I tentativi di protezione dai fulmini erano noti molto prima della nostra era. Durante gli scavi archeologici in Egitto, furono trovate iscrizioni sui muri dei templi distrutti, da cui ne consegue che gli alberi installati attorno ai templi servivano a proteggersi dal "fuoco celeste". La natura oscillatoria della scarica di un fulmine fu dimostrata ancor prima del lavoro sperimentale di G. Hertz. Si è rivelato importante che, oltre al significativo potenziale elettrostatico causato dal movimento ad alta velocità di gocce d'acqua, particelle di polvere e pezzi di ghiaccio, la scarica di un fulmine agisce come un potente trasmettitore radio, generando forti radiazioni elettromagnetiche. La composizione spettrale di questa radiazione è compresa tra diversi hertz e decine di kilohertz, la cui densità massima è nell'ordine di 5...8 kHz. Per questo motivo l'isolamento tramite trasformatore dei dispositivi dalle linee informazioni realizzate con cavi a doppino intrecciato (TPL) risulta spesso impotente. Enormi interferenze di potenza attraversano il trasformatore di isolamento, senza distruggerlo, ma danneggiando l'elettronica. La ricerca ha dimostrato che la durata di tali impulsi può variare da 1 a 500 μs o più e la tensione può variare da centinaia di volt a decine di kilovolt. Come risultato di studi a lungo termine condotti da vari laboratori in tutto il mondo, sono stati ottenuti i parametri medi degli impulsi di scarica dei fulmini. Sulle linee elettriche e telefoniche lunghe chilometri sono possibili impulsi di tensione fino a 20...25 kV e impulsi di corrente fino a 10 kA. Nelle linee più corte, lunghe centinaia di metri, vengono indotti impulsi di tensione fino a 6 kV e corrente fino a 5 kA, mentre nelle linee che corrono all'interno degli edifici vengono indotti fino a 6 kV e fino a 500 A. Secondo le statistiche pubblicate sul sito , il tasso di sopravvivenza delle apparecchiature collegate a linee aeree realizzate con doppino intrecciato non schermato è solo del 2%. I dati ottenuti dall'autore durante la manutenzione della rete locale di una delle imprese, in generale, confermano pienamente quanto detto. E i guasti alle apparecchiature collegate alle linee dei cavi coassiali non sono rari anche all'interno degli edifici in mattoni. Su tali linee aeree, l'attrezzatura praticamente non "vive" senza speciali misure di protezione. Notiamo subito che non esiste una protezione al XNUMX% contro questo tipo di influenza, ma è senza dubbio possibile minimizzare le perdite sulla base di un ragionevole compromesso tra costo, complessità ed efficienza dei dispositivi di protezione. Certo, è bene utilizzare metodi “classici”: passaggio alla fibra ottica, abbandono delle linee aperte, schermatura del sistema di cavi, ma a volte tutto ciò risulta inaccessibile per reti medie e piccole a causa dei costi elevati e della complessità di installazione. Quindi, considera le principali cause di guasto alle apparecchiature durante un temporale. 1. La formazione di elettricità statica su cavi e apparecchiature a causa dell'influenza delle cariche stazionarie accumulate in una nube temporalesca. Le linee aeree sono più suscettibili alle cariche statiche. Inoltre, una carica significativa può accumularsi anche con tempo asciutto, in inverno durante le nevicate e in estate durante le cosiddette “bufere di sabbia”. Il principale metodo di protezione consiste nel garantire la rimozione dell'elettricità statica mettendo a terra la schermatura e (o) una traversa conduttiva e installando scaricatori su entrambe le estremità del cavo. Qui il primo posto spetta alla correttezza della messa a terra e all'affidabilità degli scaricatori, che sono soggetti a requisiti elevati per la rimozione di una corrente significativa. 2. Induzione di impulsi ad alta tensione nel sistema di cavi, che si verificano a seguito dell'esposizione a un potente campo elettromagnetico generato dalle scariche dei fulmini. Se l'HDL utilizzato non è schermato, a seguito dell'esposizione ad una potente onda elettromagnetica, ad ogni passo di torsione viene indotta una piccola tensione, dell'ordine di pochi millivolt. Se l’HDL è realizzato perfettamente e l’area dei contorni è la stessa, la fem totale indotta è prossima allo zero. In realtà, il passo di torsione è tutt'altro che lo stesso, quindi non si verifica una completa compensazione reciproca della FEM elementare, e più lungo è il cavo, maggiore può essere la tensione tra i conduttori di una coppia a causa dell'impulso elettromagnetico creato da un fulmine. Questa tensione può raggiungere diverse centinaia di volt. Il principale metodo di protezione è la schermatura, ovvero l'installazione di dispositivi di protezione alle estremità del cavo che equalizzano i potenziali, ai quali la tensione massima tra due fili qualsiasi nel cavo non supera 7...10 V. Un potenziale superiore a centinaia di volt rispetto alla terra riduce lo scaricatore. 3. Sbalzi di tensione nella rete. Questo è un motivo abbastanza comune per il guasto dell'intera attrezzatura. In una rete da 220 V si verificano spesso picchi di tensione fino a diverse migliaia di Volt. Le ragioni di ciò sono lo scatto dei fusibili nella sottostazione, un fulmine e l'interferenza di altri potenti consumatori di energia. I metodi tradizionali di protezione includono l'aumento dell'affidabilità degli alimentatori standard, l'utilizzo di gruppi di continuità e dispositivi di protezione contro l'aumento della tensione nella rete. 4. Modifica del potenziale dei dispositivi di messa a terra. Si verifica quando un fulmine cade vicino alla superficie terrestre. Il motivo principale del guasto delle apparecchiature è una grande differenza di potenziale sui bus di messa a terra delle apparecchiature installate a notevole distanza l'una dall'altra. In questo caso attraverso i cavi e i circuiti di ingresso/uscita scorre una corrente di compensazione molto elevata che distrugge l'apparecchiatura elettronica o elettrica. In questo caso, le perdite possono essere ridotte al minimo osservando rigorosamente le regole per l'installazione dei dispositivi di messa a terra. Una delle posizioni leader nelle vendite è occupata dai dispositivi di protezione contro i fulmini (LP) per uso domestico ProtectNet di APC. Tuttavia, nonostante il prezzo molto conveniente e l’attrattiva visiva, questi HC per HDL non sono privi di inconvenienti. I varistori a ossido di metallo utilizzati in essi, sebbene abbiano prestazioni elevate e un prezzo molto basso, non sono in grado di proteggere in modo affidabile le apparecchiature su linee aeree non schermate. La tensione residua su di essi può essere molte volte superiore alla massima consentita per l'apparecchiatura protetta. Ciò è spiegato dalla caratteristica corrente-tensione non ideale dei varistori e dalla dipendenza della tensione dall'ampiezza dell'impulso di corrente che li attraversa. È inoltre necessario tenere conto del fatto che gli elementi di protezione cambiano gradualmente i loro parametri e si degradano se li attraversa una corrente prossima al limite. In questo caso la resistenza interna dei varistori diminuisce ed essi infine chiudono la linea protetta. Dopo quasi un paio d'anni di funzionamento sulle linee aeree, le proprietà protettive dei dispositivi vengono perse e le perdite aumentano, quindi diventa impossibile utilizzarli in reti ad alta velocità su distanze significative. In molti UG di produzione nazionale, come scaricatori vengono utilizzate lampade al neon o "neon" provenienti da dispositivi di avviamento di lampade fluorescenti. Ciò è dovuto principalmente al basso costo di tali elementi protettivi. Secondo l'autore questa soluzione non ha molto successo, poiché le lampade al neon hanno un'elevata resistenza alla rottura e basse prestazioni. Test a lungo termine di una rete HDTV da 100 megabit non schermata con una lunghezza di cento metri, tesa tra gli edifici, hanno dimostrato che il dispositivo, il cui diagramma è mostrato in Fig. 1, fa fronte bene ai suoi compiti. 1. È un ponte a diodi multifase basato su diodi VD16 VD17, la cui diagonale include un diodo protettivo VD8, che limita la tensione tra due conduttori qualsiasi della linea a un livello di circa 1 V. L'uso dei diodi limitatori di Transil è dovuto a differenze significative nei parametri di tali dispositivi rispetto ai diodi zener. Ad esempio, il tempo di risposta del diodo clamp non supera alcuni picosecondi e la dissipazione di potenza di picco (entro 1500 ms) è di XNUMX W.
La linea è collegata al connettore XS1 e l'apparecchiatura di rete è collegata al connettore XS2. Il cavo che collega l'UG all'apparecchiatura di rete deve avere una lunghezza minima. Ciascun conduttore del cavo informazioni è collegato a terra tramite scaricatori a gas F1-F4, che forniscono la rimozione del potenziale di elettricità statica superiore a 90 V. Gli scaricatori specializzati Epcos T83-A90X consentono il passaggio di una corrente impulsiva di 10 kA con una durata di 8/20 μs, caratteristico di una scarica di fulmine. I doppi scaricatori sono stati utilizzati solo per motivi economici, al loro posto è possibile utilizzare quelli che soddisfano i requisiti di cui sopra. Invece dei diodi 1N4007 (VD1-VD16), è possibile utilizzare diodi raddrizzatori simili importati e prodotti in casa con una tensione inversa consentita di almeno 1000 V, in grado di funzionare a frequenze superiori a 10 kHz. L'UG è assemblato su un circuito stampato realizzato in laminato di fibra di vetro a doppia faccia con uno spessore di 1,5 mm. Un disegno del circuito stampato del dispositivo è mostrato in Fig. 2.
La lamina sul pannello lato elemento funge da schermo; viene rimossa solo in prossimità dei perni delle parti, svasando i fori. Il terminale centrale degli scaricatori è saldato direttamente alla pellicola dal lato delle parti. Il conduttore di terra viene inserito in un foro del diametro di 2 mm e saldato su entrambi i lati della scheda. Per ridurre la diafonia, i ponticelli 1 e 2,3, 6 e 4, 5 e 7, 8 e 3 possono essere attorcigliati a coppie con due o tre giri. L'aspetto della scheda UG assemblata è mostrato in Fig. XNUMX.
Il dispositivo è montato in una doppia presa standard RG45B (Fig. 4).
Poiché in questa presa la numerazione dei pin dei connettori XS1 e XS2 è invertita l'una rispetto all'altra, abbiamo dovuto utilizzare dei ponticelli sul circuito stampato. Nel caso di un'altra possibilità di installazione i ponticelli UG possono essere eliminati. I connettori a lama standard vengono rimossi dalla scheda presa e al loro posto vengono saldati pin curvi (Fig. 5), su cui è montata la scheda UG (Fig. 6).
Se non è necessario proteggere tutti gli otto conduttori del cavo, l'UG può essere assemblato secondo lo schema semplificato riportato in Fig. 7. I conduttori non utilizzati sono collegati insieme e collegati a terra tramite lo scaricatore F2 (Epcos N81-A90X).
Per proteggere gli alimentatori da brevi picchi di tensione in una rete a 220 V, viene utilizzato un dispositivo, il cui schema è mostrato in Fig. 8. È collegato a un'interruzione del cavo di rete il più vicino possibile all'alimentatore, ad esempio integrato in una presa di corrente.
Se la lunghezza del circuito di alimentazione a bassa tensione (9...12 V) dell'apparecchiatura è di diversi metri o più, ad esempio l'alimentazione viene fornita tramite coppie libere o cavi non schermati, è necessario installare un'unità di controllo , che viene assemblato secondo lo schema di Fig. 8, caratterizzato dal fatto che invece di due viene utilizzato un solo diodo limitatore 1.5KE18, collegato con il catodo al plus di potenza. Il dispositivo è collegato il più vicino possibile all'apparecchiatura attiva nel circuito aperto del circuito di alimentazione CC a bassa tensione. Tutti i tipi di generatori di gas richiedono un collegamento obbligatorio alla messa a terra o alla messa a terra di protezione; supponiamo che nel nostro caso sia la stessa cosa. In sua assenza, tutte le misure di protezione contro i fulmini sono praticamente ridotte a zero. Soffermiamoci sui punti principali riguardanti il collegamento dell'UG alla messa a terra. Secondo le Regole di Installazione Elettrica (PUE), la rete elettrica negli edifici residenziali è composta da una fase (L), uno zero di lavoro (N) e uno zero di protezione (PE), collegati all'alloggiamento del quadro al pianerottolo e al contatto centrale della presa dell'appartamento. Se la tua casa è stata costruita dopo il 1998, con un alto grado di probabilità si può presumere che uno zero protettivo sia collegato alle prese. Puoi verificarne la presenza collegando una lampada ad incandescenza con una tensione di 220 V relativa alla fase, prima al filo neutro, poi al contatto centrale della presa. In entrambi i casi, la lampada dovrebbe bruciare in modo brillante e uniforme; se, collegando la lampada al contatto centrale, viene attivato il dispositivo di corrente residua (RCD) nel pannello, ciò confermerà solo la presenza di uno zero protettivo Se lo zero protettivo non è installato nella stanza, dovrai installarlo tu stesso. Per fare ciò, avrai bisogno di un filo con una sezione trasversale di almeno 1,5 mm2, più grande è, meglio è. Un'estremità del filo è fissata sotto qualsiasi bullone libero della sbarra collegata all'alloggiamento del quadro, la seconda è collegata al contatto di terra della presa o UG. Non è consentito utilizzare un radiatore di riscaldamento o tubi dell'acqua come messa a terra protettiva. Uno dei motivi è l'elevata resistenza di tale "messa a terra". Inoltre, in alcuni casi, il potenziale della batteria potrebbe essere diverso da zero, ad esempio, se un vicino utilizza i tubi come zero funzionante a causa di un'interruzione del conduttore neutro nel cablaggio, cosa severamente vietata. E anche se in teoria dovrebbe esserci un sistema di perequazione potenziale nel seminterrato di un edificio, in pratica tutto può succedere. Se negli appartamenti urbani tutto è più o meno chiaro, allora non è facile per i proprietari, ad esempio, di case rurali decidere la giusta scelta della messa a terra protettiva. In genere, la tensione di 220 V viene fornita alle case rurali tramite linee elettriche aeree ed è pericoloso utilizzare uno zero funzionante come tensione protettiva. Se si verifica un'emergenza (rottura del filo neutro su una linea elettrica, caduta di un albero su una linea elettrica, ecc.), sul filo neutro può comparire un potenziale diverso da zero, fino alla tensione di fase. In questo caso, i conduttori di terra naturali possono essere utilizzati come dispositivo di messa a terra protettivo. Il paragrafo 1.7.70 del PUE in materia recita: “Si raccomanda di utilizzare come conduttori di terra naturali: l'approvvigionamento idrico e altre condotte metalliche posate nel terreno, ad eccezione delle condotte di liquidi infiammabili, gas e miscele infiammabili ed esplosivi, fognature e riscaldamento centralizzato; tubazioni per rivestimenti di pozzi; strutture metalliche e in cemento armato di edifici e strutture a contatto con il terreno; derivazioni metalliche di strutture idrauliche, condotte idriche, cancelli, ecc.; guaine in piombo di cavi interrati. Guaine per cavi in alluminio non possono essere utilizzati come conduttori di terra naturali. Se le guaine dei cavi sono gli unici conduttori di terra, allora nel calcolo dei dispositivi di messa a terra devono essere prese in considerazione quando il numero di cavi è almeno due; conduttori di terra di alta supporti della linea di tensione (OHV) collegati al dispositivo di messa a terra dell'impianto elettrico mediante un cavo di protezione contro i fulmini della linea aerea, se il cavo non è isolato dai supporti della linea aerea; fili neutri della linea aerea fino a 1 kV con ripetuti interruttori di messa a terra per almeno due linee aeree; binari delle principali ferrovie non elettrificate e strade di accesso in presenza di una disposizione deliberata di ponticelli tra le rotaie." Vorrei inoltre sottolineare che, secondo il PUE, "la combinazione di zero conduttori di lavoro e zero conduttori di protezione di varie linee di gruppo non è consentita...", cioè è necessario mettere a terra (messa a terra) i bracci trasversali conduttivi, cavi di sospensione del cavo e conduttori non utilizzati nel cavo solo da un'estremità. Il fatto è che quando la scarica del fulmine è vicina al suolo, il potenziale dei dispositivi di messa a terra cambia in modo significativo, come accennato in precedenza. Inoltre, la differenza di potenziale tra punti di messa a terra distanti può essere molto ampia e, con una messa a terra “fissa” su entrambe le estremità, una notevole corrente di equalizzazione può fluire attraverso cavi e apparecchiature. Le linee di fornitura e informazione UG, simili a quelle descritte, possono essere utilizzate non solo per proteggere HLVP, ma anche linee telefoniche, linee di allarme antincendio e di sicurezza, sistemi di videosorveglianza e altre linee di informazione e fornitura di apparecchiature attive situate a una distanza superiore a diverse decine di metri, soprattutto quelli operati all'aperto. Autore: D.Malorod, Kovrov, regione di Vladimir
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