Elementy elektroniczne, takie jak tranzystory, układy scalone czy mikrokontrolery są coraz powszechniejsze w użyciu, coraz mniejsze, o coraz wyższym stopniu scalenia i przez to coraz bardziej podatne na uszkodzenia spowodowane przez przepięcia. Na początek trzeba jednak wyjaśnić samo zjawisko przepięcia oraz rodzaje wywołanych przez nie sprzężeń.
Podstawowe źródła powstawania
przepięć to skutki wyładowania atmosferycznego
(LEMP), przepięć łączeniowych
(SEMP) i ewentualnie wyładowań
elektrostatycznych (ESD).
W wyniku uderzenia pioruna do instalacji
zasilającej może wniknąć bezpośrednio
prąd udarowy. Dzieje się to w przypadku
uderzenia pioruna bezpośrednio
w przewody zasilające lub w wyniku
odprowadzenia do ziemi wyładowania
atmosferycznego przez instalację
odgromową budynku, co powoduje
wniknięcie przepięcia do instalacji
elektrycznej przez uziemienie do przewodu
N. Ponadto uderzenie pioruna
w ziemię nawet w odległości kilkuset
metrów od budynku powoduje wzrost
napięciowego potencjału gruntu o kilka
kV. Wyładowania atmosferyczne mogą
także powodować niebezpieczne sprzężenia
indukcyjne i pojemnościowe.
Mówimy tu o prądzie wyładowczym
o kształcie fali 8/20 μs. Sprzężenie indukcyjne
powstaje w momencie, gdy
obok przewodu, przez który przepływa
duży prąd udarowy (np. zwód instalacji
odgromowej), na skutek powstałego
pola elektro-magnetycznego indukuje
się prąd w innym przewodzie jak np. w sieci
komputerowej ETHERNET.
Sprzężenia pojemnościowe powstają natomiast
na skutek różnicy potencjałów pola elektrycznego
między miejscem uderzenia pioruna
a przewodami elektrycznymi lub sygnałowymi
– na skutek przepływu ładunków w powietrzu
powstają przepięcia w przewodach nawet
w odległości kilkuset metrów od miejsca wyładowania.
Przepięcia łączeniowe występują w niektórych
sieciach kilka razy częściej niż przepięcia
od wyładowań atmosferycznych. Ich źródłem
są różnego typu zdarzenia: przepalenie się
wkładki topikowej, zwarcie, wyłączenie lub
załączenie transformatora czy silnika, rozładowanie
kondensatora itp. Wyładowania
elektrostatyczne ESD mogą być szkodliwe
w niektórych tylko przypadkach, gdy mamy
do czynienia z delikatną aparaturą (np. medyczną)
lub w niektórych środowiskach jak np.
w strefach zagrożonych wybuchem.
Prawie wszystkie urządzenia w sieciach komputerowych, monitoringu czy sterowania są zasilane z sieci elektrycznej. Dotyczy to też nadajników Wi-Fi czy też urządzeń występujących w sieciach światłowodowych. Temat zabezpieczenia sieci elektroenergetycznych jest ogólnie znany, warto tu jednak zwrócić uwagę na kilka elementów. Po pierwsze, jeżeli z analizy ryzyka wykonanej wg normy PN-EN 62305-02 wynika, że należy zastosować ograniczniki przepięć typu 1, to przede wszystkim należy brać pod uwagę wykonania iskiernikowo- warystorowe. Ograniczniki te, jak np. firmy CITEL typu 1+2+3 wykonane w technologii VG (połączony szeregowo iskiernik gazowy i warystor) odprowadzają dziewięćdziesiąt kilka procent prądu udarowego, podczas gdy tańsze wykonania warystorowe zaledwie siedemdziesiąt kilka procent. Warunkiem poprawnej pracy ogranicznika przepięć jest zgodna z normami długość przewodów łączących SPD z linią i szyną PEN – ich suma nie powinna przekraczać 50 cm (zbyt długi przewód jest najczęstszym błędem instalatorów, 1 metr dodatkowego przewodu PEN podnosi poziom ochrony o ponad 1000 V). Ponadto warto wiedzieć, że od 2007 roku nie ma według obowiązujących norm czegoś takiego jak ogranicznik przepięć typu B+C tylko T1+T2 lub typ 1+2. Kilku importerów nazwało jednak tak swoje ograniczniki typu 2 jako nazwą własną „B+C”, aby bazując na starych przyzwyczajeniach projektantów i instalatorów sprzedawać tanie ograniczniki, które z zasady nie nadają się do odprowadzania prądów udarowych (dla przypomnienia: 1 kA prądu udarowego Iimp o kształcie fali 10/350 μs ma ponad 20 razy większą energię niż 1 kA prądu wyładowczego In o kształcie fali 8/20μs). Instalowanie ograniczników „B+C” oznacza, że instalacja taka jest wykonana niezgodnie z normami, w przypadku uderzenia pioruna taki SPD nie ochroni właściwie urządzeń i czasami dochodzi nawet do pożaru, a w efekcie projektant i instalator będą odpowiadać za wszelkie straty i szkody. Trzecia uwaga ogólna w tym temacie – w projektach musi być zawsze podany prąd udarowy na biegun ogranicznika przepięć, gdyż podanie wyłącznie Typ 1+2 (lub błędnie B+C) nic nie mówi i oznacza najczęściej zakup najtańszego i najsłabszego technicznie produktu. Pewną podpowiedzią jest zapis w specyfikacji CLC/ TS 61643-12: jeżeli w budynku wyposażonym w instalację odgromową nie można wyliczyć, jaki prąd udarowy się pojawi, to należy zastosować ograniczniki przepięć z minimum Iimp=12,5kA na biegun, jak np. DS134VG (typ 1+2+3) firmy CITEL. Zaleca się jednak, aby w przypadku budynków użyteczności publicznej, jak też w przypadku ochrony ważnych lub kosztownych urządzeń zawsze stosować wykonanie z Iimp=25kA na biegun, jak np. ogranicznik DS254VG (typ 1+2+3) firmy CITEL.
Dla zabezpieczania urządzeń w tzw. instalacjach
sygnałowych stworzono bardzo
szeroką grupę ograniczników przepięć wykonanych
wg normy PN-EN 61643-21. Charakterystyczne
dla tej grupy jest kilka elementów:
po pierwsze zakłada się, że zabezpieczać
mają one przed prądami indukowanymi a nie
udarowymi, po drugie muszą być one dostosowane
do stosunkowo małych napięć prądu
stałego, muszą działać bardzo szybko i nie
tłumić przesyłanych sygnałów. Ograniczniki te
są najczęściej instalowane szeregowo w linię
sygnałową a nie równolegle, jak w przypadku
ochrony przed przepięciami od strony zasilania.
Zbudowane są one często z szybkich diod
supresyjnych i iskierników gazowych, a czas
ich zadziałania, jak w przypadku niektórych
produktów CITEL, może być na poziomie
1 nanosekundy, podczas gdy zwykłe warystorowe
ograniczniki przepięć mają czas zadziałania
20-25 ns. Dobierając ograniczniki przepięć
do chronionej linii sygnałowej należy wziąć
pod uwagę miedzy innymi: napięcie pracy
i prąd, protokół przesyłu danych, ilość par
żył i ekranowanie, maksymalną częstotliwość
sygnału, niezbędny poziom ochrony, rodzaj
połączeń.
Bardzo istotne jest miejsce umieszczenia
tych ograniczników przepięć. Przykładowo
zabezpieczając sieć komputerową z przewodową
linią ETHERNET o napięciu 5 V DC
musimy pamiętać, że powstałe w wyniku
indukcji przepięcie może uszkodzić z jednej
strony komputer, a z drugiej strony przewodu
serwer. Dlatego od strony komputera
należy zainstalować ogranicznik
przepięć wyposażony w gniazdo RJ45 np.
MJ8-CAT5 lub CAT6 firmy CITEL, a od strony
serwera specjalną listwę z ogranicznikami
przepięć wyposażoną w 12, 24 czy 48 portów
do montażu w szafach 19”. Ta ochrona jest niezależna
od zwykłego zabezpieczenia komputerów
przed przepięciami w zakresie sieci zasilającej
oraz połączenia internetowego po linii
telefonicznej. Kolejną grupą instalacji, które
wymagają ochrony przed przepięciami indukowanymi
przez wyładowania atmosferyczne,
są systemy alarmowe. Brak ograniczników
przepięć w tych instalacjach, takich jak np.
DLA i DLU firmy CITEL, powoduje awarie
centralek alarmowych, czujników i kamer.
Na uszkodzenia są narażone przede wszystkim
urządzenia, które znajdują się na zewnątrz lub
do których przeprowadzona jest zewnętrzna,
szczególnie napowietrzna linia. Przykładem
mogą być tu kamery monitoringu, które w wyniku
wyładowań atmosferycznych często ulegają
uszkodzeniu, jeśli nie są właściwie chronione.
Należy pamiętać, że w tym przypadku,
podobnie jak w instalacjach alarmowych, nie
chodzi tylko o wartość uszkodzonych urządzeń,
ale o nagły brak monitoringu chronionego
obiektu. Firma CITEL oferuje w tym zakresie
szeroką gamę rozwiązań: są to ograniczniki
przepięć do zastosowań zewnętrznych w obudowach
z IP65 jak np. CMJ8; zintegrowane
ograniczniki MSP-VM do ochrony toru zasilania,
sterowania i sygnału analogowego lub
cyfrowego; ograniczniki dla systemów CATV
i POE (Power over Ethernet A i B); jak też listwy
wieloportowe z ogranicznikami przepięć
do ochrony pulpitów dyspozytorskich. Pewną
ich odmianą są ograniczniki do ochrony sieci
antenowych TV i satelitarnych oraz specjalna
duża grupa produktów dedykowana do zabezpieczania
urządzeń telefonii komórkowej
w systemach GSM, UMTS, Tetra itp. Obecnie
znajdują one także zastosowania w nadajnikach
i koncentratorach połączonych z urządzeniami
IoT czyli tzw. internetu rzeczy.
Oddzielną grupę tworzą ograniczniki przepięć
do ochrony telefonów analogowych,
ISDN, ADSL czy SDSL, które instaluje się
zarówno w centralach telefonicznych, szafkach
przekaźnikowo-rozdzielczych, jak też
w wyjątkowych przypadkach do ochrony pojedynczych
telefonów np. alarmowych. W tej
dziedzinie szczególnie popularne są specjalne
iskierniki gazowe z 2 lub 3 elektrodami,
które CITEL produkuje już od ponad 70 lat
i ma w ofercie ok 1.000 wykonań. Iskierniki
te mogą być instalowane w specjalnych
złączkach zaciskowych.
Bardzo szeroka gama istniejących na rynku
sieci sygnałowych, standardów i urządzeń
spowodowała, że w ofercie francuskiej firmy
CITEL większość z produkowanych ponad
tysiąca typów ograniczników przepięć to właśnie
wykonania do zabezpieczeń różnych sieci
teleinformatycznych, także w strefach Ex zagrożonych
wybuchem.
Zbigniew Błażejewski