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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Proteção contra raios de redes locais. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / informática Um dos problemas que os desenvolvedores de redes locais de computadores enfrentam é garantir a resistência do equipamento de rede a várias influências externas. Uma função especial é atribuída aos dispositivos de proteção contra raios. Com o desenvolvimento das "redes domésticas" este problema torna-se realmente agudo, uma vez que grande parte dos equipamentos falha devido à eletricidade estática. O tema dos dispositivos de proteção contra raios é tradicionalmente um dos mais discutidos entre radioamadores e profissionais e está envolto em vários mitos e imprecisões. O artigo proposto fornece uma resposta à pergunta: é possível suportar os efeitos de descargas atmosféricas muito poderosas para o equipamento e são determinadas formas e métodos para proteger equipamentos ativos. Tentativas de proteção contra descargas atmosféricas eram conhecidas muito antes de nossa era. Durante escavações arqueológicas no Egito, foram encontradas inscrições nas paredes de templos destruídos, do que se conclui que os mastros instalados ao redor dos templos serviam para proteção contra o "fogo celestial". A natureza oscilatória de uma descarga elétrica foi comprovada antes mesmo do trabalho experimental de G. Hertz. Tornou-se importante que, além de um potencial eletrostático significativo causado pelo movimento de gotas de água, partículas de poeira e pedaços de gelo em alta velocidade, uma descarga atmosférica atue como um poderoso transmissor de rádio que gera forte radiação eletromagnética. A composição espectral desta radiação situa-se na faixa de vários hertz a dezenas de kilohertz, cuja maior densidade está na região de 5...8 kHz. Por esta razão, o desacoplamento do transformador de dispositivos de linhas de informação feitas por par trançado (LVVP) é muitas vezes impotente. Uma enorme interferência de energia passa pelo transformador de isolamento sem destruí-lo, mas danificando os componentes eletrônicos. Estudos mostraram que a duração de tais pulsos pode variar de 1 a 500 microssegundos ou mais, e a voltagem pode variar de centenas de volts a dezenas de quilovolts. Como resultado de estudos de longo prazo por vários laboratórios do mundo, foram obtidos parâmetros médios de pulsos de descargas atmosféricas. Em linhas de energia e telefonia com comprimento medido em quilômetros, são possíveis impulsos de tensão de até 20 ... 25 kV e corrente de até 10 kA. Em linhas mais curtas, com centenas de metros de comprimento, são induzidos pulsos de tensão de até 6 kV e corrente de até 5 kA, e em linhas que passam dentro de edifícios - até 6 kV e até 500 A. De acordo com as estatísticas publicadas no site , a porcentagem de "sobrevivência" dos equipamentos conectados a linhas aéreas de par trançado não blindado é de apenas 2%. Os números obtidos pelo autor no atendimento à rede local de uma das empresas, como um todo, confirmam plenamente o que foi dito. E a falha de equipamentos conectados a linhas de cabos coaxiais não é incomum, mesmo dentro de prédios de tijolos. Nessas linhas aéreas, o equipamento praticamente "não vive" sem medidas especiais de proteção. Notamos desde já que não há proteção absoluta contra tais impactos, mas sem dúvida é possível minimizar perdas a partir de um razoável compromisso entre custo, complexidade e eficácia dos dispositivos de proteção. Claro, é bom usar métodos "clássicos": mudar para cabos de fibra ótica, abandonar linhas abertas, blindar o sistema de cabos, mas às vezes tudo isso não está disponível para redes médias e pequenas devido ao alto custo e complexidade da instalação. Portanto, considere as principais causas de falha do equipamento durante uma tempestade. 1. A formação de eletricidade estática em cabos e equipamentos como resultado da influência de cargas estacionárias acumuladas em uma nuvem de tempestade. As linhas aéreas são mais suscetíveis a cargas estáticas. Além disso, uma carga significativa também pode se acumular em clima seco no inverno durante a queda de neve e no verão durante as chamadas "nevascas de areia". O principal método de proteção é garantir a remoção da eletricidade estática aterrando a blindagem e (ou) uma travessa condutora e instalando pára-raios em ambas as extremidades do cabo. Aqui, o aterramento correto e a confiabilidade dos pára-raios, que estão sujeitos a altos requisitos para a remoção de corrente significativa, vêm à tona. 2. Indução no sistema de cabos de pulsos de alta tensão que ocorrem como resultado da exposição a um poderoso campo eletromagnético gerado por descargas atmosféricas. Se o LVVP usado não for blindado, como resultado da exposição a uma poderosa onda eletromagnética, uma pequena tensão é induzida a cada passo de torção, dentro de alguns milivolts. Se o LVVP for feito perfeitamente e a área dos circuitos for a mesma, o EMF induzido total é próximo de zero. Na realidade, o passo de torção está longe de ser o mesmo, portanto não há compensação mútua completa de EMFs elementares e, quanto mais longo o cabo, maior pode ser a tensão entre os condutores de um par como resultado de um pulso eletromagnético criado por um raio. Essa tensão pode atingir várias centenas de volts. O principal método de proteção é a blindagem, instalação de dispositivos de proteção de equalização de potencial nas extremidades do cabo, nas quais a tensão máxima entre quaisquer dois fios do cabo não exceda 7 ... 10 V. Um potencial superior a centenas de volts em relação à terra reduz o pára-raios. 3. Surtos de tensão na rede. Este é um motivo bastante comum para a falha do equipamento "totalmente". Em uma rede de 220 V, ocorrem frequentemente surtos de tensão de até vários milhares de volts. As razões para isso são a operação de fusíveis na subestação, descargas atmosféricas, interferência de outros consumidores de energia poderosos. Métodos tradicionais de proteção - aumentando a confiabilidade das fontes de alimentação padrão, o uso de fontes de alimentação ininterruptas e dispositivos de proteção contra sobretensão na rede. 4. Alteração do potencial dos dispositivos de aterramento. Ocorre quando um raio descarrega perto da superfície terrestre. A principal razão para a falha do equipamento é uma grande diferença de potencial nas barras de aterramento de equipamentos instalados a uma distância considerável um do outro. Nesse caso, uma corrente de equalização muito grande flui pelas linhas de cabo e circuitos de E/S, o que destrói o equipamento eletrônico ou elétrico. Nesse caso, as perdas podem ser minimizadas observando rigorosamente as regras de instalação de dispositivos de aterramento. Uma das posições de liderança em vendas é ocupada pelos dispositivos de proteção contra raios (LG) para uso doméstico ProtectNet da ARS. No entanto, com um preço muito acessível e atratividade externa, esses HDL HAs têm desvantagens. Os varistores de óxido metálico usados neles, embora tenham alta velocidade e preço muito baixo, não são capazes de proteger de maneira confiável equipamentos em linhas aéreas não blindadas. A tensão residual neles pode ser várias vezes maior que o máximo permitido para o equipamento protegido. Isso é explicado pela característica de tensão de corrente não ideal dos varistores e pela dependência da tensão da amplitude do pulso de corrente que flui através deles. Também deve ser levado em consideração que os elementos de proteção mudam gradualmente seus parâmetros, degradam-se se uma corrente próxima ao limite fluir através deles. Neste caso, a resistência interna dos varistores diminui e eles, ao final, fecham a linha protegida. Quase depois de alguns anos de operação em linhas aéreas, as propriedades de proteção dos dispositivos são perdidas e as perdas aumentam, tornando impossível usá-los em redes de alta velocidade em longas distâncias. Em muitos UGs produzidos domesticamente, lâmpadas de neon ou lâmpadas "neon" de iniciadores de lâmpadas fluorescentes são usadas como pára-raios. Isso se deve principalmente ao baixo custo desses elementos de proteção. Na opinião do autor, tal solução não é muito bem-sucedida, pois as lâmpadas de néon têm alta resistência à quebra e baixa velocidade. O teste de longo prazo de uma rede HDTV de 100 megabits não blindada com cem metros de comprimento, estendida entre edifícios, mostrou que o dispositivo, cujo diagrama é mostrado na Fig. 1. É uma ponte de diodo multifásica baseada em diodos VD1 VD16, cuja diagonal inclui um diodo protetor VD17, que limita a tensão entre quaisquer dois condutores de linha em um nível de cerca de 8 V. O uso de diodos limitadores Transil é devido a diferenças significativas nos parâmetros de tais dispositivos de diodos zener. Por exemplo, o tempo de resposta do diodo de fixação é inferior a alguns picossegundos e a dissipação de potência de pico (dentro de 1 ms) é de 1500 W.
Uma linha é conectada ao conector XS1 e o equipamento de rede é conectado ao conector XS2. O cabo que conecta o UG ao equipamento de rede deve ter um comprimento mínimo. Cada condutor do cabo de informação é ligado à terra através de pára-raios a gás F1-F4, que garantem a remoção de potencial de eletricidade estática superior a 90 V. Os pára-raios especializados Epcos T83-A90X permitem a passagem de uma corrente pulsada de 10 kA com um duração de 8/20 μs, característica de uma descarga atmosférica. Os pára-raios duplos são usados apenas com base em considerações econômicas; em vez deles, você pode usar qualquer um que atenda aos requisitos acima. Em vez dos diodos 1N4007 (VD1-VD16), você pode usar qualquer diodo retificador semelhante de produção importada e nacional com uma tensão reversa permitida de pelo menos 1000 V, capaz de operar em frequências acima de 10 kHz. A UG é montada em uma placa de circuito impresso feita de fibra de vidro dupla face com espessura de 1,5 mm. Um desenho da placa de circuito impresso do dispositivo é mostrado na fig. 2.
A folha na placa ao lado dos elementos atua como uma tela; ela é removida apenas perto dos terminais das peças, rebaixando os orifícios. O terminal do meio dos pára-raios é soldado diretamente na folha do lado das peças. O condutor de aterramento é inserido em um orifício com diâmetro de 2 mm e soldado em ambos os lados da placa. Para reduzir o crosstalk, os jumpers 1 e 2,3, 6 e 4, 5 e 7, 8 e 3 podem ser torcidos em pares com duas ou três voltas. A aparência da placa UG montada é mostrada na fig. XNUMX.
O dispositivo é montado em um soquete duplo padrão RG45B (Fig. 4).
Como a numeração dos pinos do conector XS1 e XS2 é invertida entre si neste soquete, foi necessário utilizar jumpers na placa de circuito impresso. No caso de outra opção de montagem, os jumpers UG podem ser excluídos. Os conectores de faca regulares são removidos da placa de soquete e, em vez disso, são soldados pinos curvos (Fig. 5), nos quais a placa UG é montada (Fig. 6).
Caso não haja necessidade de proteger todos os oito condutores do cabo, a UG pode ser montada de acordo com o esquema simplificado mostrado na fig. 7. Condutores não utilizados são conectados entre si e conectados ao terra através do pára-raios F2 (Epcos N81-A90X).
Para proteger as fontes de energia de curtos picos de tensão na rede de 220 V, é utilizado um dispositivo cujo circuito é mostrado na fig. 8. Está incluído na quebra do fio de alimentação o mais próximo possível da fonte de alimentação, por exemplo, é embutido em uma tomada de rede.
Se o comprimento do circuito de alimentação de baixa tensão (9 ... 12 V) do equipamento for de vários metros ou mais, por exemplo, a energia é fornecida por pares livres ou fios não blindados, é necessário instalar um UG, que é montado de acordo com o esquema da Fig. 8, caracterizado pelo fato de que em vez de dois, apenas um diodo de fixação 1.5KE18 é usado, conectado pelo catodo ao power plus. O dispositivo é conectado o mais próximo possível do equipamento ativo em uma interrupção no circuito de alimentação CC de baixa tensão. Todos os tipos de UG requerem uma conexão obrigatória ao aterramento ou neutro de proteção, assumiremos que isso, em nosso caso, é o mesmo. Na sua ausência, todas as medidas de proteção contra raios são praticamente reduzidas a zero. Vamos nos deter nos principais pontos referentes à conexão da UG ao terra. De acordo com as Normas de Instalação Elétrica (PUE), a rede elétrica em edifícios residenciais consiste em uma fase (L), um zero de trabalho (N) e um zero de proteção (PE), conectados ao alojamento do quadro no patamar e ao contato do meio da tomada no apartamento. Se sua casa foi construída depois de 1998, então, com um alto grau de probabilidade, pode-se presumir que um zero de proteção foi conectado aos soquetes. Você pode verificar sua presença conectando uma lâmpada incandescente a uma tensão de 220 V em relação à fase, primeiro ao fio neutro e depois ao contato intermediário da tomada. Em ambos os casos, a lâmpada deve queimar de forma brilhante e uniforme, se o dispositivo de corrente residual (RCD) na blindagem for acionado quando a lâmpada estiver conectada ao contato do meio, isso apenas confirmará a presença de um zero protetor Se o zero de proteção não for trazido para a sala, você mesmo terá que executá-lo. Isso exigirá um fio com seção transversal de pelo menos 1,5 mm2, quanto maior, melhor. Uma extremidade do fio é fixada sob qualquer parafuso livre do barramento conectado à carcaça do quadro, a outra extremidade é conectada ao contato de aterramento do soquete ou UG. Não é permitido usar uma bateria de aquecimento ou canos de água como zero de proteção. Um dos motivos é a alta resistência desse "aterramento". Além disso, em alguns casos, o potencial da bateria pode ser diferente de zero, por exemplo, se um vizinho usar canos como zero de trabalho devido a uma quebra no condutor neutro da fiação, o que é estritamente proibido. E embora no porão de um prédio deva teoricamente haver um sistema de equalização de potencial, na prática não há nada. Se tudo é mais ou menos claro nos apartamentos da cidade, não é fácil para os proprietários, por exemplo, de casas rurais, decidir sobre a escolha certa do aterramento de proteção. Normalmente, a tensão de 220 V é fornecida às casas rurais por linhas aéreas de energia, e é perigoso usar o zero de trabalho como proteção. Em caso de emergência (quebra do fio neutro da linha elétrica, queda de árvore na linha elétrica, etc.), pode ocorrer um potencial diferente de zero no fio neutro, até a tensão de fase. Nesse caso, eletrodos de aterramento naturais podem ser usados como um dispositivo de aterramento de proteção. O parágrafo 1.7.70 da PUE afirma a esse respeito: “Recomenda-se o uso como condutores naturais de aterramento: água e outras tubulações metálicas colocadas no solo, com exceção de tubulações de líquidos inflamáveis, gases e misturas inflamáveis e explosivas, esgoto e aquecimento central; tubos de revestimento de poços; estruturas metálicas e de betão armado de edifícios e estruturas em contacto com o solo, derivações metálicas de estruturas hidráulicas, condutas, portões, etc. não podem ser usados como condutores de aterramento naturais. os únicos condutores de aterramento, então, no cálculo dos dispositivos de aterramento, eles devem ser levados em consideração quando o número de cabos for de pelo menos dois; condutores de aterramento de linhas de alta tensão (VL) suportam conectados ao dispositivo de aterramento da instalação elétrica usando um cabo aéreo de proteção contra raios, se o cabo não estiver isolado dos suportes da linha aérea; fios neutros de linhas aéreas de até 1 kV com aterramento repetido com o número de linhas aéreas de pelo menos dois; trilhos das principais ferrovias não eletrificadas e estradas de acesso na presença de um arranjo deliberado de jumpers entre os trilhos. Também gostaria de observar que, de acordo com o PUE, "não é permitido combinar condutores zero de trabalho e zero de proteção de várias linhas de grupo ...", ou seja, é necessário aterrar (zero) travessias condutivas, cabos de suspensão de cabos e cabos não utilizados condutores no cabo apenas de uma extremidade. O fato é que, com uma descarga elétrica próxima ao solo, o potencial dos dispositivos de aterramento muda significativamente, conforme mencionado acima. Além disso, a diferença de potencial entre pontos de aterramento distantes pode ser muito grande e com um aterramento "duro" em ambas as extremidades, uma corrente de equalização significativa pode fluir pelos cabos e equipamentos. As linhas de abastecimento e informação UG, semelhantes às descritas, podem ser usadas não apenas para proteger o PEAD, mas também linhas telefônicas, de alarme contra incêndio e roubo, sistemas de vigilância por vídeo e outras linhas de informação e abastecimento de equipamentos ativos remotos a uma distância de mais de alguns dezenas de metros, especialmente os operados ao ar livre. Autor: D.Malorod, Kovrov, região de Vladimir
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