Ochrona linii transmisji danych przed stanami nieustalonymi

Ochrona linii
transmisji danych
przed stanami
nieustalonymi
Joseph Seymour
White Paper 85
Streszczenie
Elektryczne stany nieustalone na liniach przesyłu danych mogą zniszczyć sprzęt komputerowy. Wielu użytkowników ma świadomość zagrożeń ze strony przepięć w liniach zasilających, lecz nie zdaje sobie sprawy z ryzyka, jakie niosą zakłócenia w liniach przesyłu danych. W niniejszym dokumencie wyjaśniono powstawanie stanów nieustalonych oraz ich
niszczący wpływ na urządzenia elektryczne; przedstawiono również, jak można się przed
nimi ochronić za pomocą urządzeń tłumiących.
2005 American Power Conversion. Wszelkie prawa zastrzeżone. Żadna część niniejszej publikacji nie może być używana, powielana, kserowana, przesyłana ani przechowywana w jakiegokolwiek rodzaju systemach udostępniających dane, bez pisemnej zgody właściciela praw autorskich. www.apc.com
Wer. 2005-0
2
Wstęp
Zakłócenia elektryczne stanowią poważne zagrożenie dla urządzeń elektrycznych oraz urządzeń przetwarzania danych. Zakłócenia elektryczne określane są w różny sposób: jako skoki, udary i przejściowe napięcia
udarowe. Bez względu na nazwę skutki tych zakłóceń są takie same: przerwy w działaniu urządzeń, ich wadliwe funkcjonowanie i uszkodzenia, co w sposób nieunikniony prowadzi do przestojów. Wraz z rosnąca
popularnością sieci komputerowych wpływ, jaki mają udary na linie komunikacyjne, nabrał jeszcze większej
wagi. Linie komunikacyjne wchodzące do budynku, pod ziemią bądź nad ziemią, mogą przenosić znaczne
stany nieustalone do obiektów mieszkalnych lub służbowych. Udary, powstałe w wyniku różnego rodzaju
sprzężeń (przekazywania energii elektrycznej z jednego układu do drugiego za pośrednictwem pól magnetycznych), mogą powodować poważne zniszczenia w interfejsach komunikacyjnych wewnątrz budynku. Ponieważ udary takie mogą powstawać w różny sposób, pojedyncza warstwa tłumienia przepięć zrealizowana
na liniach wejściowych może być niewystarczająca do ochrony wewnętrznych linii i sprzętu przed skokami
napięcia.
Zapoznając się z omówieniem poszczególnych skutków, jakie udar może wywołać w liniach transmisji danych, ważne jest, aby rozumieć, czym są linie transmisji danych oraz jak przenoszą one dane w postaci sygnałów elektrycznych. Linia transmisji danych to kabel przewodzący prąd o niskim napięciu dla celów komunikacji między połączonymi za jego pomocą urządzeniami. Do transmisji danych służą między innymi: kabel
koncentryczny, kabel CAT5 Ethernet oraz kabel telefoniczny. Dane są przesyłane między urządzeniami liniami transmisji danych w postaci zmieniających się poziomów napięcia od nadajnika do odbiornika na drugim końcu kabla. Urządzenie odbiorcze przetwarza poziomy napięcia, analizując je i konwertując na dane,
które są dla tego urządzenia „zrozumiałe“.
Pomimo że linie transmisji danych zazwyczaj przewodzą tylko niskie napięcia, są jednak wykonane z materiału przewodzącego i tak samo, jak inne linie przewodzące, podlegają działaniu przepięć i wyskoków elektrycznych. Ogólnie rzecz biorąc udar ma charakter krótkotrwałego odchylenia od pożądanego poziomu napięcia (czyli sygnału w przypadku komputerów i urządzeń elektronicznych). To może zakłócić działanie urządzenia, a nawet spowodować jego uszkodzenie. Niektóre urządzenia służące do komunikacji za pośrednictwem linii transmisji danych są przewidziane do pracy jedynie w zakresie bardzo niskich napięć i mogą bardzo łatwo ulec uszkodzeniu, jeśli napięcie przekroczy dozwoloną granicę. Ponadto, udary napięciowe mogą
pochodzić z rozmaitych źródeł, co oznacza, że stany nieustalone mogą wystąpić w przypadku każdej konfiguracji sprzętu.
Rysunek 1 przedstawia wyniki badań przeprowadzonych przez firmę Florida Power. Problemy z jakością
zasilania podzielono na kilka grup. Wykres pokazuje, że z wyładowania atmosferyczne przyczyniają się do
15 % problemów, podstacje energetyczne wprowadzające stany nieustalone na skutek operacji łączeniowych przyczyniają się tylko do 5 %, a stany nieustalone generowane przez sprzęt biurowy powodują 60 %
wszystkich problemów z jakością zasilania.
2005 American Power Conversion. Wszelkie prawa zastrzeżone. Żadna część niniejszej publikacji nie może być używana, powielana, kserowana, przesyłana ani przechowywana w jakiegokolwiek rodzaju systemach udostępniających dane, bez pisemnej zgody właściciela praw autorskich. www.apc.com
Wer. 2005-0
3
Rysunek 1 — Podział problemów z jakością zasilania w miejscu pracy wg badań firmy Florida Power
Wyładowania atmosferyczne
15,0 %
Podstacje energetyczne
5,0 %
Sprzęt biurowy
60,0 %
Sąsiednie
urządzenia
20,0 %
Jak powstają stany nieustalone
Stany nieustalone mogą wystąpić w dowolnych przewodnikach, na przykład w liniach sieci elektroenergetycznej, liniach telefonicznych, liniach transmisji danych oraz liniach sygnałowych. W sieciach lokalnych
(LAN) stosuje się między innymi linie transmisji danych typu RS-232, RS-422, Ethernet i Token Ring. Ponadto takie linie stosuje się w telewizji przemysłowej, obserwacyjnych systemach alarmowych oraz w interfejsach obrabiarek sterowanych numerycznie (CNC).
Skoki, będące typem udaru, to krótkotrwałe przepięcia, mierzone zwykle w milisekundach. Ten niepożądany
nadmiar energii elektrycznej można łatwo wytworzyć w dowolnej linii przewodzącej. Energia zawarta w przebiegach nieustalonych może być ogromna i uszkadzać urządzenia lub powodować ich nieprawidłowe działanie przez podawanie fałszywych sygnałów na skutek niedokładnych poziomów napięcia. Szczególnie podatne na udary napięciowe są urządzenia sterowane przez mikroprocesory i inne układy scalone. Przyczyną
przebiegów nieustalonych w liniach transmisji danych są zazwyczaj sprzężenia indukcyjne, mające rozmaite
źródła.
Sposób powstawania przebiegów nieustalonych bezpośrednio w sieci energetycznej jest stosunkowo dobrze
znany, natomiast mniej powszechna jest wiedza o tym, jak generowane są stany nieustalone powodowane
sprzężeniem indukcyjnym w liniach transmisji danych. Zawsze, gdy prąd elektryczny przepływa przez materiał przewodzący, powstaje pole magnetyczne. Jeśli w polu magnetycznym jednego przewodnika zostanie
umieszczony drugi przewodnik, a przy tym pole to ma charakter strumienia magnetycznego, to na skutek
indukcji w drugim przewodniku popłynie prąd. Indukowanie napięcia i wytwarzanie prądu za pomocą pola
magnetycznego, bez fizycznego połączenia materiałów przewodzących, stanowi podstawę działania transformatorów energetycznych. W uzwojeniu pierwotnym transformatora wytwarzane jest pole magnetyczne,
które indukuje napięcie w uzwojeniu wtórnym. Na tej samej zasadzie przewody biegnące obok siebie w mogą wzajemnie indukować stany nieustalone, jak pokazano na rysunku 2. Takie sprzężenie może być powodowane przez linię zasilania indukującą napięcie w sąsiedniej linii transmisji danych; indukcja może również
zachodzić między dwiema liniami transmisji danych (co zwykle jest określane mianem sprzężenia.
2005 American Power Conversion. Wszelkie prawa zastrzeżone. Żadna część niniejszej publikacji nie może być używana, powielana, kserowana, przesyłana ani przechowywana w jakiegokolwiek rodzaju systemach udostępniających dane, bez pisemnej zgody właściciela praw autorskich. www.apc.com
Wer. 2005-0
4
Rysunek 2 — Sprzężenie indukcyjne
Strumień
magnetyczny
Linia
zasilania
Linia transmisji
danych
Indukuje
przepływ prądu
Wyładowania atmosferyczne mogą wywoływać o wiele silniejsze sprzężenia, tak że pojedyncze wyładowanie
może spowodować natychmiastowe zniszczenie wielu urządzeń. Wyładowaniom atmosferycznym towarzyszą bardzo silne, szybkozmienne, pola magnetyczne. W bardzo podobny sposób do tego, w jaki pole magnetyczne jednego przewodnika indukuje stany nieustalone w przewodnikach, pole magnetyczne pioruna
może indukować napięcie w zewnętrznej linii energetycznej, pomimo że piorun nie uderza w nią bezpośrednio. Co istotniejsze, jeśli piorun uderzy blisko budynku, może indukować stany nieustalone w wewnętrznych
liniach transmisji danych przecinających jego pole magnetyczne. Te stany nieustalone mogą zniekształcić
dane przesyłane tymi liniami, a nawet doprowadzić do uszkodzenia podłączonych do nich urządzeń. Innym
terminem, którym określa się sprzężenie indukcyjne, są zakłócenia elekromagnetyczne (EMI) lub szum.
Rysunek 3 — Pole magnetyczne wytworzone przez piorun
Strumień
magnetyczny
2005 American Power Conversion. Wszelkie prawa zastrzeżone. Żadna część niniejszej publikacji nie może być używana, powielana, kserowana, przesyłana ani przechowywana w jakiegokolwiek rodzaju systemach udostępniających dane, bez pisemnej zgody właściciela praw autorskich. www.apc.com
Wer. 2005-0
5
Sprzężenia występujące między przewodami i te pochodzące od piorunów to dwa źródła stanów nieustalonych w liniach transmisji danych, niemniej istnieją jeszcze inne źródła sprzężeń szkodliwych dla infrastruktury danych w budynku. Podczas planowania lub kontroli układu linii danych w budynku należy wziąć pod uwagę następujące przyczyny sprzężeń indukcyjnych:
•
linie transmisji danych w sąsiedztwie kabli i zasilających;
•
prowadzenie kabli transmisji danych w pobliżu piorunochronu;
•
prowadzenie kabli transmisji danych blisko stalowych elementów konstrukcyjnych budynku;
•
prowadzenie linii transmisji danych zbyt blisko oświetlenia jarzeniowego (emitującego zakłócenia elektromagnetyczne).
Wyżej wymienione okoliczności stanowią jedne z najczęstszych źródeł sprzężeń indukcyjnych w liniach
transmisji danych, niemniej w budynku może występować jeszcze wiele innych źródeł zakłóceń.
Skutki występowania stanów nieustalonych
Wiele urządzeń elektrycznych spotykanych w pracy i w domu zawiera układy scalone, mikroprocesory. Ze
względu na swe cechy mikroprocesory i inne układy scalone urządzenia te są szczególnie wrażliwe na stany
nieustalone w postaci przepięć. Urządzenia mikroprocesorowe i sterowane mikroprocesorowo to m.in. komputery i ich urządzenia peryferyjne, sieci komputerowe i sieci danych (np. LAN), sprzęt telekomunikacyjny,
medyczny sprzęt diagnostyczny, obrabiarki sterowane numerycznie, sprzęt radiowy i telewizyjny, odbiorniki
satelitarne, kasy fiskalne, kserokopiarki, faksy itd. W celach komunikacyjnych wiele spośród tych urządzeń
ma zazwyczaj połączenie z liniami transmisji danych.
Na wrażliwość urządzeń opartych na układach scalonych na stany nieustalone mają wpływ trzy czynniki:
1.
Odstęp między układem scalonym i ścieżkami na płytce obwodu drukowanego
2.
Stosowany zakres napięcia roboczego
3.
Synchronizowanie niektórych operacji cyklem zegarowym (np. w komputerach)
Odstęp między układem scalonym i ścieżkami na płytce obwodu drukowanego
Pierwszym częstym czynnikiem, który sprawia, że sprzęt zbudowany na układach scalonych jest wrażliwy na
stany nieustalone, jest bardzo niewielki odstęp między wewnętrznymi elementami układu scalonego a ścieżkami na płytce obwodu drukowanego. Na płytce drukowanej energia jest przenoszona ścieżkami przewodzącymi. Ścieżki te, wewnętrzne i zewnętrzne układu scalonego oraz na samej płytce drukowanej, mogą się
w pewnych granicach rozszerzać i kurczyć. Ciepło wytwarzane przez prąd przepływający przez elementy
płytki drukowanej powoduje rozszerzanie, natomiast przy braku przepływu prądu następuje kurczenie. Jeśli
przebieg nieustalony dotrze do tych ścieżek, może doprowadzić do ich przegrzania, powodując mikroskopijne pęknięcia w strukturze płytki, co z kolei może sprawić, że normalnie odizolowane od siebie ścieżki zetkną
się. W ten sposób powstanie wewnętrzne zwarcie, wskutek którego urządzenie przestanie działać. Niekiedy
te mikroskopijne pęknięcia nie wywołują natychmiastowych uszkodzeń, lecz powoli się powiększają na sku-
2005 American Power Conversion. Wszelkie prawa zastrzeżone. Żadna część niniejszej publikacji nie może być używana, powielana, kserowana, przesyłana ani przechowywana w jakiegokolwiek rodzaju systemach udostępniających dane, bez pisemnej zgody właściciela praw autorskich. www.apc.com
Wer. 2005-0
6
tek zwyczajnego rozszerzania się i kurczenia elementów lub doprowadzają do kolejnych pęknięć, przez co
urządzenie z czasem działa coraz gorzej, aż w końcu całkowicie przestaje działać.
Stosowany zakres napięcia roboczego
Drugim czynnikiem decydującym o wrażliwości układów scalonych jest stopniowe obniżanie napięcia roboczego, wymaganego do działania urządzeń z układami scalonymi. Ze względu na mniejsze rozmiary i większą wydajność obecnie produkowanych elementów komputerowych oraz w trosce o oszczędność energii
stopniowo obniżano napięcie robocze wymagane do zasilania tych elementów. Napięcie robocze 5 V prądu
stałego powszechnie stosowane do niektórych wewnętrznych urządzeń komputera obniżono do 3,3 V i przypuszczalnie tendencja ta będzie się utrzymywać. Oznacza to, że zakres napięć dopuszczalnych w systemie
opartym na układach scalonych również się zmniejszył. Jeśli przebieg nieustalony spowoduje podniesienie
napięcie do 5 V w systemie zasilanym napięciem 3,3 V, łatwo może dojść do uszkodzenia.
Wykorzystanie cyklu zegarowego
Trzecią przyczyną wrażliwości urządzeń zbudowanych na układach scalonych jest synchronizowanie działań
elementów wewnętrznych za pomocą cyklu zegarowego. Większość operacji komputerowych jest synchronizowana cyklem zegarowym, będącym w istocie napięciem zmieniającym się z określoną częstotliwością.
Zakłócenia elektromagnetyczne mogą czasem przypominać komputerowe cykle zegarowe o pewnych częstotliwościach, przez co komputery interpretują takie fałszywe stany jako rozkazy. Te fałszywe rozkazy mogą
powodować wiele błędów logicznych, które mogą się objawiać w postaci blokady klawiatury, załamania programów lub blokady systemu. Zakłócenia elektromagnetyczne mogą również prowadzić do sytuacji odwrotnej, czyli pominięcia przez komputer właściwych rozkazów, co może powodować podobne problemy.
Najczęstsze uszkodzenia wywoływane przez stany nieustalone
Najczęściej występujące uszkodzenia powodowane przez stany nieustalone w urządzeniach elektronicznych
można podzielić na: zakłóceniowe, rozproszone i destrukcyjne.
SKUTKI ZAKŁÓCENIOWE — zazwyczaj występują wtedy, gdy przebieg nieustalony pojawia się w urządzeniu w wyniku sprzężenia indukcyjnego (powodowanego obecnością linii transmisji danych albo linii zasilania).
Elementy elektroniczne próbują wówczas przetworzyć przebieg nieustalony jako prawidłowy rozkaz logiczny.
Skutkiem tego bywają: blokada systemu, wadliwe działanie, błędne dane wyjściowe, utrata lub uszkodzenie
plików oraz rozmaite inne niepożądane zjawiska.
SKUTKI ROZPROSZONE — są związane z powtarzającymi się przeciążeniami elementów układów scalonych. Materiały, z których wykonane są układy scalone, mogą wytrzymać pewną liczbę powtarzających się
przepięć o określonym poziomie. W wyniku długotrwałej degradacji elementy te ostatecznie przestaną działać.
2005 American Power Conversion. Wszelkie prawa zastrzeżone. Żadna część niniejszej publikacji nie może być używana, powielana, kserowana, przesyłana ani przechowywana w jakiegokolwiek rodzaju systemach udostępniających dane, bez pisemnej zgody właściciela praw autorskich. www.apc.com
Wer. 2005-0
7
SKUTKI DESTRUKCYJNE — obejmują wszystkie sytuacje, w których stany nieustalone o wysokiej energii
powodują natychmiastowe uszkodzenie urządzenia. Uszkodzenia często są wyraźnie widoczne, jako na
przykład spalone lub popękane płytki drukowane lub inne części komputera, stopione części elektroniczne
bądź inne ewidentne szkody.
Ochrona przed przebiegami nieustalonymi oraz ich
tłumienie
Przebieg nieustalony w postaci udaru napięciowego to krótkotrwałe, duże odchylenie od znamionowego napięcia lub sygnału. Im większa amplituda przebiegu nieustalonego, tym większe ryzyko zakłócenia pracy lub
uszkodzenia sprzętu elektronicznego. Jak wcześniej wspomniano, stany nieustalone mogą się pojawić w
dowolnym materiale przewodzącym, więc oddziałują nie tylko na urządzenia podłączone do linii elektroenergetycznych, lecz również na urządzenia podłączone do linii telefonicznych, kabli sieci Ethernet, kabli koncentrycznych, kabli komunikacji szeregowej itp.
Urządzenia do ochrony przeciwprzepięciowej
Urządzenia do ochrony przeciwprzepięciowej (SPD, Surge Protective Device) tłumią amplitudę przepięć w
celu ochrony urządzeń przed ich szkodliwymi skutkami. Niemniej urządzenia takie niekoniecznie redukują
amplitudę udaru do zera. Urządzenia SPD jedynie ograniczają przebieg nieustalony do poziomu, który jest
bezpieczny dla podłączonych do nich urządzeń elektrycznych. Działają tak, ponieważ wartość progowa zapotrzebowania na energię może się w urządzeniu zmieniać i tłumienie napięcia do zera uniemożliwiałoby
ciągłą pracę urządzenia. Zamiast tego tłumią przebieg nieustalony do poziomu dopuszczalnego dla sprzętu,
który mają chronić. Niektóre nowocześniejsze urządzenia do ochrony przeciwprzepięciowej filtrują również
szumy, aby w przebiegu prądu zasilającego ograniczyć zniekształcenia powodowane przez zakłócenia elektromagnetyczne, aby te nie przedostawały się do podłączonych urządzeń.
Najprościej rzecz ujmując, urządzenia SPD uniemożliwiają udarom napięciowym dotarcie do urządzeń, które
chronią. Realizują to zadanie przez pochłanianie nadmiernego napięcia albo przez odprowadzanie go, albo
na obydwa sposoby naraz. SPD pochłaniają energię (i zależnie od tego, na ile dobrze są skonstruowane,
mogą nie przepuścić udaru, jednak ulec uszkodzeniu), albo odprowadzają napięcie do uziemienia. W większości przypadków urządzenia SPD stanowią kombinację urządzeń pochłaniających i odprowadzających
udary.
Stabilizacja poziomu jest to proces, w którym wewnętrzne elementy SPD redukują stany nieustalone do niższego poziomu napięcia, dopuszczalnego w chronionym przez SPD urządzeniu elektrycznym. Napięcie,
które dotrze do tego urządzenia po stłumieniu udaru przez SPD, zwane jest napięciem przepuszczonym.
Większość urządzeń SPD w tym procesie nie obniża napięcia nieustalonego do zera woltów ani poniżej poziomu wymaganego do działania podłączonego urządzenia. Tłumienie przebiegów nieustalonych do zbyt
niskiego poziomu może uszkodzić samo urządzenie SPD.
2005 American Power Conversion. Wszelkie prawa zastrzeżone. Żadna część niniejszej publikacji nie może być używana, powielana, kserowana, przesyłana ani przechowywana w jakiegokolwiek rodzaju systemach udostępniających dane, bez pisemnej zgody właściciela praw autorskich. www.apc.com
Wer. 2005-0
8
Jednymi z najczęściej używanych elementów w urządzeniach do ochrony przeciwprzepięciowej są warystory
metalowo-tlenkowe (MOV, Metal Oxide Varistor). Warystor MOV jest nieliniowym opornikiem o określonych
właściwościach półprzewodnikowych. Warystor MOV pozostaje w stanie nieprzewodzenia, umożliwiając
normalne przenoszenie energii, dopóki w linii nie pojawi się udar. W momencie wzrostu napięcia powyżej
wartości progowej warystor MOV zaczyna przewodzić, odprowadzając nadmiar energii do ziemi.
Warystory MOV często stosowane są razem z bezpiecznikami termicznymi i umieszczane na linii zasilania
chronionego sprzętu, aby odciąć zasilanie w przypadku wystąpienia potencjalnie katastrofalnego udaru. Jeśli
amplituda przebiegu nieustalonego jest duża, a czas trwania dość długi, przebieg może osiągnąć szczytowy
poziom napięcia roboczego warystora MOV. Jeśli zdarzy się taka awaryjna sytuacja, ciepło sprawi, że bezpiecznik termiczny (który często znajduje się blisko warystora MOV lub jest z nim połączony) przerwie dopływ prądu do chronionego sprzętu. Warystory MOV używane są w urządzeniach SPD ze względu na ich
stałe właściwości. Warystor MOV będzie zawsze przepuszczał napięcie tej samej wielkości i będzie zaczynał
przewodzić przy tym samym poziomie przepięcia.
Urządzenia do ochrony przeciwprzepięciowej nie rozwiązują wszystkich problemów z jakością zasilania. Nie
są w stanie zaradzić stanom podnapięciowym (zbyt niskim napięciom) ani długotrwałym przepięciom (zbyt
wysokim napięciom) w liniach zasilających sieci elektroenergetycznej. Nie są w stanie również ograniczyć
harmonicznych wytwarzanych przez nieliniowe obciążenia w postaci silników i komputerowych zasilaczy
impulsowych oraz niektóre systemy oświetlenia jarzeniowego. Jeśli w linii elektroenergetycznej występują
przerwy w dostarczaniu napięcia, można zastosować takie urządzenie, jak zasilacz bezprzerwowy (UPS),
wyposażone w akumulator, który zapewnia zasilanie do czasu, aż zostanie przywrócone zasilanie sieci elektroenergetycznej.
Uziemienie
Jednym z najważniejszych zagadnień dotyczących systemów zasilania, zwłaszcza w odniesieniu do urządzeń do ochrony przeciwprzepięciowej, jest uziemienie.
Uziemienie stanowi niezbędny element każdej sieci zasilającej, sieci sygnałowej lub sieci transmisji danych.
Wszystkie wartości napięcia i poziomy sygnałów określa się w odniesieniu do ziemi (zwanej masą). Do odprowadzania nadmiernego napięcia podczas stanów nieustalonych większość urządzeń SPD wykorzystuje
linie uziemienia znajdujące się w budynku. Bez należytego uziemienia urządzenia te mogą działać nieprawidłowo.
Połączenia uziemiające w budynku powinny prowadzić wyłącznie do głównej szyny wyrównawczej dostępnej
dla serwisu. Takie jednopunktowe podłączenie do ziemi wyklucza powstawanie wielu punktów uziemienia, z
których każdy może mieć inny potencjał względem ziemi, co wywoła niepożądany przepływ prądu w niskonapięciowych liniach transmisji danych. Te niechciane prądy mogą występować w mniej szkodliwej formie,
na przykład jako szum zaburzający transmisję danych, lub jako silne udary niszczące urządzenia i linie
transmisyjne. Rysunek 4 przedstawia przykładową pętlę uziemienia. Każde urządzenie ma niezależne
uziemienie (napięcie w każdym gnieździe zasilania ma inny punkt odniesienia). Problem może wystąpić wtedy, gdy urządzenia zostaną połączone jakąś uziemioną (i przewodzącą) linią transmisji danych. Na rysunku
4 komputer jest połączony z drukarką za pomocą kabla komunikacji równoległej. Jeśli istnieje różnica poten2005 American Power Conversion. Wszelkie prawa zastrzeżone. Żadna część niniejszej publikacji nie może być używana, powielana, kserowana, przesyłana ani przechowywana w jakiegokolwiek rodzaju systemach udostępniających dane, bez pisemnej zgody właściciela praw autorskich. www.apc.com
Wer. 2005-0
9
cjałów między uziemieniami urządzeń, to od jednego urządzenia do drugiego może kablem równoległym
popłynąć prąd. Jest to tak zwana „pętla uziemienia“ i może powodować poważne uszkodzenia sprzętu, który
w normalnych warunkach pracuje w zakresie niewielkich mocy. Na przykładzie pokazano jeden budynek,
niemniej jednak pętle uziemienia mogą także powstawać między wieloma budynkami.
Rysunek 4 — Pętla uziemienia
Gniazdo 1
Komputer jest
uziemiony do
masy 1
Gniazdo 2
Komputer
Drukarka
Drukarka jest
uziemiona do
masy 2
Kabel drukarkowy
Przepływ prądu
wywołany różnicą
potencjałów mas.
Masa 1
Masa 2
Stopniowe rozwiązanie ochrony przed przebiegami nieustalonymi
Dla zapewnienia stopniowej ochrony przed przebiegami nieustalonymi zalecane jest zastosowanie kaskady
urządzeń SPD. Pierwszy stopień służy do ograniczania silnych przepięć przenikających do budynku, na
przykład z sieci elektroenergetycznej. Takie udary mogą być skutkiem wyładowań atmosferycznych. Następny stopień przeciwdziała przebiegom nieustalonym w wewnętrznych liniach zasilania i liniach transmisji danych. Ponieważ większość przepięć powstaje wewnątrz budynku, zrozumienie roli urządzeń do ochrony
przeciwprzepięciowej i ich stosowanie jest warunkiem koniecznym do poprawy jakości zasilania w jakimkolwiek obiekcie.
Rozwiązanie kaskadowe stanowi najskuteczniejszy środek zapobiegający szkodliwym skutkom większości
niebezpiecznych przebiegów nieustalonych. Taki sposób rozwiązania problemu przebiegów nieustalonych
jest ważny w przypadku linii zasilania, jednak równie ważne jest stosowanie tego samego podejścia w odniesieniu do linii transmisji danych. W większości dużych obiektów stosowana jest pierwsza linia obrony przed
silnymi przebiegami nieustalonymi na liniach transmisji danych dochodzących do obiektu. Na przykład w
2005 American Power Conversion. Wszelkie prawa zastrzeżone. Żadna część niniejszej publikacji nie może być używana, powielana, kserowana, przesyłana ani przechowywana w jakiegokolwiek rodzaju systemach udostępniających dane, bez pisemnej zgody właściciela praw autorskich. www.apc.com
Wer. 2005-0
10
wielu domach i obiektach służbowych używane jest urządzenie SPD w postaci iskrownika (w USA często są
zakładane przez firmy telefoniczne), które ma za zadanie ograniczyć silne udary do poziomu dopuszczalnego dla urządzeń telefonicznych (np. telefonów nie wymagających dodatkowego zasilania). Jednak takie
urządzenia SPD pierwszego stopnia często nie tłumią napięcia do poziomu bezpiecznego na tyle, aby zapobiec uszkodzeniu wrażliwego sprzętu elektronicznego, na przykład modemów DSL lub modemów telefonicznych (a nawet komputerów podłączonych do tych modemów). To samo dotyczy innych podobnie wrażliwych
urządzeń elektronicznych podłączonych do linii koncentrycznych, jak np. sprzęt audiowizualny lub modemy
kablowe szerokopasmowe. Z tego względu w celu ochrony poszczególnych urządzeń należy stosować dodatkowe urządzenia SPD, które zapewnią dalsze tłumienie napięcia przepuszczanego przez urządzenia
SPD pierwszego stopnia.
Wnioski
Przeciwdziałanie wpływom stanów nieustalonych w postaci przepięć zwykle obejmuje linie zasilające. Zważywszy jednak na znaczny udział przebiegów nieustalonych powstających w sieci transmisji danych wewnątrz budynku, bezwzględnie konieczne jest objęcie ochroną przeciwprzepięciową także linii transmisji
danych. Każda linia przewodząca jest potencjalnym nośnikiem przebiegów nieustalonych, a w każdym pomieszczeniu obecne są liczne źródła sprzężeń indukcyjnych. Współczesne urządzenia komputerowe działają na coraz niższych poziomach napięcia, więc nie wolno lekceważyć nawet niewielkich zakłóceń elektrycznych, by nie dochodziło do uszkodzenia sprzętu i danych. Przeciwdziałanie udarom z zastosowaniem kilku
stopni jest metodą najlepszą; najpierw ograniczane są zewnętrzne i inne silne udary, które następnie są dalej tłumione, nim ich energia dotrze do wrażliwego sprzętu elektronicznego. Tłumienie przepięć w liniach
transmisji danych jest konieczne, bowiem zabezpiecza przed uszkodzeniem danych we wrażliwym sprzęcie,
zapobiega uszkodzeniu niskonapięciowych linii danych oraz nie dopuszcza, aby udary przedostały się do
sprzętu po otwartych ścieżkach.
O autorze:
Joseph Seymour jest głównym analitykiem ds. roszczeń pracującym dla wydziału likwidacji szkód firmy
APC w West Kingston (Rhode Island). Szacuje i bada szkody spowodowane katastrofalnymi stanami nieustalonymi i orzeka w sprawach roszczeń składanych przez klientów, opierając się na zasadach ochrony
sprzętu określonych przez firmę APC.
2005 American Power Conversion. Wszelkie prawa zastrzeżone. Żadna część niniejszej publikacji nie może być używana, powielana, kserowana, przesyłana ani przechowywana w jakiegokolwiek rodzaju systemach udostępniających dane, bez pisemnej zgody właściciela praw autorskich. www.apc.com
Wer. 2005-0
11