Обеспечение надежной работы электронного оборудования – защита от воздействия молнии и перенапряжения

В последнее время мы все чаще сталкиваемся с таким парадоксом — оборудование становится все сложнее и «интеллектуальнее», а комплексы и системы, собранные на базе этого оборудования, все труднее заставить работать без сбоев. Эта проблема вызвана не столько новизной и неотработанностью технологий применяемых в современных комплексах, сколько тем, что с повышением «интеллектуальности» отдельных компонентов резко возрастают требования к качеству электропитания, к качеству линий передачи данных и к защищенности оборудования от различных помех. Прогресс в развитии бытового и промышленного электронного оборудования существенно опережает темпы развития качественных электросетей и линий передачи данных. Особенно это заметно в наших российских условиях, когда новейшие образцы импортной электронной техники (пусть даже «адаптированной к российским условиям», как это утверждают производители) пытаются подключить к непредсказуемым отечественным электросетям. Если обратиться к зарубежному опыту, то мы увидим, что там на законодательном уровне регламентировано не только «качество электроэнергии» (на эти параметры у нас тоже есть соответствующий ГОСТ), но и комплекс требований и нормативов по обеспечению защиты оборудования от помех извне и защиты «внешней среды» от возможных помех от этого оборудования. Все эти нормативы и меры известны под общим названием «требования на электромагнитную совместимость оборудования». Попытка принять в 1999 году в России федеральный закон «О государственном регулировании в области обеспечения электромагнитной совместимости технических средств», к сожалению, не удалась, и в настоящее время из нормативной базы мы имеем только отдельные (чаще всего отраслевые) стандарты, закрывающие только часть проблемы. В связи с этим в данной статье нам придется, в основном, опираться на международные стандарты и опыт зарубежных разработчиков. Для начала рассмотрим возможные причины разрушения оборудования и источники помех. Расположим их в убывающей последовательности по степени «разрушительности». 1. прямое попадание молнии. Вероятность такого явления, конечно, не очень высока, но, если представить себе возможные последствия, то необходимость защиты от него ни у кого не вызовет сомнений. Это, так называемое, «первичное воздействие тока молнии». 2. Грозовые перенапряжения — короткие по длительности (десятки и сотни микросекунд), но большие по амплитуде (до сотен киловольт) импульсы, возникающие как в сети электропитания, так и в линиях передачи данных (телефонные линии, системы охранной и пожарной сигнализации и т.п.). Это, так называемое, «вторичное воздействие тока молнии». Причем вероятность такого воздействия существенно выше, потому, что эти импульсы распространяются (и электромагнитным путем, и по линиям передачи электроэнергии и данных, и даже по линиям технических коммуникаций, например — по водопроводным и газовым трубам) на расстояние нескольких километров от места удара молнии. Кроме того, даже существенно ослабленные расстоянием, эти импульсы способны, если не разрушить оборудование, то привести к сбоям в работе и ложным срабатываниям или наоборот, не срабатываниям и «зависаниям» различных систем. 3. Коммутационные перенапряжения возникают в результате коммутационных процессов (включение и выключение мощных потребителей электроэнергии (например, систем кондиционирования), работа оборудования с большим уровнем помех передаваемых в питающую сеть (например, электросварка) и т.п.). Амплитуда этих импульсов перенапряжения достигает нескольких киловольт. По данным немецких страховых компаний, на долю грозовых и коммутационных перенапряжений, приходится около 30% всех сбоев и разрушений в электрооборудовании (выше процент только на некомпетентную эксплуатацию оборудования). 4. Длительные повышения и падения напряжения. «Длительными» мы их называем только сравнительно с импульсами перенапряжения, длительность таких повышений напряжения может быть от нескольких секунд, до десятков минут, и напряжение (чаще всего) не выше 300–340В (если речь идет о сети 220В). Вызваны такие повышения низким качеством электросети, просчетами при ее проектировании и различными поломками (наиболее частая поломка — «обрыв нуля» на подстанции). 5. Высокочастотные помехи чаще всего возникают вследствие работы промышленного высокочастотного оборудования (даже достаточно удаленного), а также в случае различных неисправностей в «местном» оборудовании (например, искрящие щетки электродвигателя). Для надежной работы оборудования и защиты от подобных разрушений и помех необходимо качественно выполнить комплекс защитных мер: 1. Установка надежной системы молниезащиты. Все системы молниезащиты можно условно поделить на два больших класса:

• Пассивные — вертикальные штыри-молниеприемники, тросы и сетки натянутые над защищаемым зданием и уложенные на его крышу и комбинации этих типов защит.
• Активные — из всего многообразия экспериментальных активных молниеприемников широкое распространение получили только системы с «опережающей эмиссией стримера» или как их еще называют — «искровые». Эти молниеприемники не требуют внешнего источника питания (используют энергию молнии), кроме того, при достаточной простоте проектирования и монтажа, обеспечивают впечатляющие результаты (при подъеме активной головки PREVECTRON S 6.60 на высоту 5 метров, радиус защищенной зоны составляет 80 метров).

2. Качественный заземлитель необходим для всех без исключения типов систем молниезащиты. Кроме того, без него не будут эффективными и остальные защитные меры. 3. Обеспечение уравнивания потенциалов всех токопроводящих элементов здания. Принцип достаточно прост. Различные разрушения в элементах оборудования и поражения людей электрическим током возможны только в случае наличия разности потенциалов. Если обеспечить равенство потенциала для ВСЕХ (!) токопроводящих элементов (начиная от арматуры в стенах и заканчивая корпусами приборов), то никаких разрушений не будет. Для обеспечения этого требования все токопроводящие элементы должны иметь надежный электрический контакт с шиной уравнивания потенциала, которая, в свою очередь, подключается к заземлителю и РЕ проводнику питающей сети. 4. Построение комплексной системы защиты от перенапряжения. При решении вопроса уравнивания потенциалов мы сталкиваемся с одной проблемой — уравнивание потенциалов проводников сетей электропитания и сетей передачи данных. Присоединить их напрямую к шине уравнивания потенциалов мы не можем (это будет короткое замыкание), и оставить их вне системы уравнивания потенциала тоже нельзя (система теряет смысл). Для этого случая применяют специальные модули — устройства защиты от перенапряжения (УЗП). Это вентильные устройства, имеющие бесконечно большое сопротивление при нормальных условиях и резко уменьшающееся почти до нуля в том случае, если разность потенциалов превышает заданный порог срабатывания. В цепи электропитания УЗП устанавливаются по трехступенчатому принципу. Если не углубляться в тонкости, то система строится следующим образом:

• ступень I — грозозащитный разрядник — способен отвести ток молнии при прямом попадании прямо в электросеть на входе в здание устанавливается на вводе в здание (главный распределительный щит)
• ступень II — устанавливается во вторичный (например, поэтажный) распределительный щит
• ступень III — устанавливается около защищаемого оборудования (например, встраивается в розетку).

Большинство модулей предназначены для установки на стандартную ДИН рейку. В цепях передачи данных для каждого интерфейса используются свои специализированные УЗП. Благодаря этому можно подобрать УЗП для любого формата передачи данных. 5. Стабилизация напряжения применяется для защиты от длительного повышения или понижения ниже приемлемого уровня амплитуды напряжения в сети. Используется для защиты оборудования, которое должно обеспечивать бесперебойную работу различных систем. К этой же категории можно отнести и различные источники бесперебойного питания. Для большинства типов систем можно обойтись более дешевым решением — реле контроля напряжения. Это реле не обеспечит постоянство напряжения в сети, но, в случае выхода величины напряжения за границы заданного диапазона (как вверх, так и вниз) отключит оборудование от сети и тем самым защитит его от разрушения. 6. Фильтрация напряжения. Достаточно простая, но эффективная мера по защите приборов от высокочастотных помех поступающих из сети питания. Рекомендуется применять для всех типов электронной аппаратуры (многие из них, например, компьютеры, имеют собственные фильтры в блоках питания). Наиболее распространены фильтры, встроенные в удлинители (получившие в народе название «пилот» по названию одного из брэндов), но есть и более серьезные и сложные устройства, построенные на многоступенчатых фильтрах. Конечно, стоимость такого комплекса защитных мер может оказаться весьма немалой, но не забывайте, что соотносить ее нужно не только со стоимостью защищаемого оборудования, но и со стоимостью возможных последствий от выхода из строя этого оборудования. Например, выход из строя датчика или контроллера системы сигнализации или пожаротушения может привести к тому, что убытки от его «нерабочего» состояния на несколько порядков превысят его стоимость. Качественно выполнив все перечисленные меры, можно спокойно, не боясь за свою жизнь и сохранность всей своей сложной и «интеллектуальной» современной бытовой электронной техники, наблюдать в окно за грозным и величественным явлением природы — молнией.