Pobierz najnowszy numer

Newsletter

Zapisz się do naszego Newslettera, aby otrzymywać informacje o nowościach z branży!

Jesteś tutaj

Światłowody a przepięcia

Printer Friendly and PDF

lead.jpgWiększość instalatorów systemów monitoringu wizyjnego zetknęła się z przypadkami zniszczenia urządzeń telewizyjnych na skutek przepięć wywoływanych przez czynniki naturalne, takie jak burzowe wyładowania atmosferyczne, czy przez czynniki sztuczne, takie jak przepięcia komutacyjne w sieciach energetycznych. Wymienione powyżej kategorie zjawisk nie różnią się jakościowo. W obu przypadkach podobne są zarówno kształty przebiegów elektrycznych, jak i ich charakterystyki widmowe.

W pewnych sytuacjach zależności amplitudowe mogą wykazywać także znaczne podobieństwa. Fala udarowa indukująca się w przewodach elektrycznych na skutek odległego wyładowania burzowego może nieść podobną energię, co przepięcie powstałe na skutek iskry, przeskakującej w odłącznikach energetycznych w momencie odłączania obciążeń reaktancyjnych o znacznej mocy.
Dlaczego instalacje telewizyjne są tak podatne na uszkodzenia spowodowane przepięciami? Na czym polega niszcząca siła fali udarowej?

Chcąc odpowiedzieć na te pytania, należy zastanowić się nad dwoma zagadnieniami:

  • Jaki jest kształt impulsów stanowiących falę udarową?
  • Jaki jest rozkład energii w widmie takiej fali?

Odpowiedź na pierwsze z tych pytań jest zawarta w normach, dotyczących zabezpieczeń przeciwprzepięciowych. W wyniku wielu badań oraz pomiarów (przeprowadzonych zarówno w warunkach naturalnych, jak i w wytworzonych sztucznie warunkach laboratoryjnych) przyjęto, że powstająca w wyniku wyładowań iskrowych fala udarowa w zasadniczej swej części ma charakter impulsu stałoprądowego o czasie narastania T1 równym 8 μs, który jest liczony od 10% do 90% wartości maksymalnej, oraz o czasie trwania T2 równym 20 μs liczonym od momentu, gdy narastająca fala osiąga 10% wartości szczytowej do momentu, gdy spada ona do 50% wartości maksymalnej. Trudno dyskutować nad tym, dlaczego przyjęto akurat taką definicję standardowej fali udarowej, dość powiedzieć, że jest ona powszechnie stosowana. Dla ułatwienia standardową falę udarową w wielu publikacjach określa się jako 8 μs/20 μs lub nawet tylko 8/20.

Tyle na temat zależności czasowych. W celu pełnego opisu typowej fali udarowej 8 μs / 20 μs, powstającej w wyniku bezpośredniego uderzenia pioruna, należy jeszcze określić jej parametry amplitudowe. Z badań statystycznych wynika, że połowa wszystkich występujących w przyrodzie wyładowań atmosferycznych osiąga amplitudę przekraczającą 18 kA, dziesięć procent tych wyładowań jest związana z przepływem prądu rzędu 100 kA, maksymalne odnotowane wartości dochodzą do 400 kA, przy czym ze statystycznego punktu widzenia stanowią one margines. W wyniku powyższych analiz jako znormalizowaną falę udarową, generowaną przez statystyczny piorun, przyjęto falę 8 μs / 20 μs o amplitudzie 18 kA.

W tym miejscu należy podkreślić losowy charakter wszelkich, nawet najdoskonalszych, zabezpieczeń przeciwprzepięciowych dostosowanych do „znormalizowanych” fal udarowych o relatywnie niskiej amplitudzie równej 18 kA. Nikt nie jest w stanie zagwarantować bezpieczeństwa instalacji elektrycznej potraktowanej falą udarową o amplitudzie wielu setek tysięcy amperów. Prawdopodobieństwo zaistnienia tego typu zjawiska jest niskie, lecz nie zerowe, niestety przed klasycznym pechem nie ma ucieczki.

W przypadku częstych w naszych szerokościach geograficznych udarów piorunowych fala 8 μs/20 μs powstaje w wyniku przeskoku pierwszej iskry i niesie większą część energii wyładowania. W wyniku wyładowań wtórnych w późniejszym okresie generowane są fale o mniejszej energii, ale o krótszych czasach narastania i opadania, które z niewielkim błędem można określić jako 1 μs/5 μs.
Wyładowania wtórne pomimo swojej mniejszej siły są równie niebezpieczne, gdyż mają inny rozkład widmowy niż wyładowania główne. Szczególnie istotny jest czas narastania przedniego zbocza fali udarowej, który w sprzyjających warunkach może osiągać wartości rzędu 250 ns.

Jak widać, tego typu fale udarowe mimo stałej polaryzacji mają charakter impulsu o krótkim czasie narastania. Neutralizacja skutków przepływu prądu opisanego takimi zależnościami czasowymi nie jest łatwa, gdyż wszelkie próby jego zwarcia bądź odprowadzenia w bezpiecznym kierunku wymagają zastosowania elementów o bardzo szybkim działaniu i o bardzo niskiej indukcyjności. Można nawet powiedzieć, że w pewnej klasie instalacji skutki wyładowań wtórnych, opisywanych jako fale 1 μs/5 μs i niosących relatywnie niższą energię, są groźniejsze od oddziaływania silniejszych, ale wolniejszych fal 8 μs/20 μs.

Innym problemem jest niezakłócanie przebiegów, które są transmitowane w danym torze, co stoi w jawnej sprzeczności z odfiltrowywaniem znacznie od nich silniejszych, ale podobnych w charakterze, bo także zmiennoprądowych fal udarowych. Jak widać, nie jest to proste zagadnienie i nie znajduje ono ostatecznego rozwiązania. Jedyne, co możemy zaproponować, to ograniczenie prawdopodobieństwa przeniknięcia do urządzeń elektronicznych fal udarowych o dużej energii, jednak całkowite wykluczenie tego zjawiska w technologii transmisji przewodowej jest niemożliwe.
Przyjmuje się, że większa część energii fali 8 μs/20 μs jest zawarta w paśmie do 1 MHz, zaś przysłowiowy „ogon” ciągnie się asymptotycznie aż do dalekich mikrofal. Jest to kolejny powód, dla którego fale indukowane w instalacjach słaboprądowych są takie groźne nawet w przypadku bardzo odległych wyładowań atmosferycznych.

Podczas burzy należy liczyć się z możliwością przepływu znacznych prądów o charakterystyce czasowej odpowiadającej fali 8 μs / 20 μs nawet w bardzo starannie wykonanej i dobrze zabezpieczonej instalacji przewodowej. Przyczyną tego stanu rzeczy są zjawiska rezonansowe, które występują w kablach o dużych długościach. Przyjmując, że gęstość widmowa fal elektromagnetycznych emitowanych przez wyładowania piorunowe zachowuje wysokie wartości w zakresie do 1 MHz, odpowiada to falom radiowym o długościach rzędu 300 m oraz większych. Jak wiadomo, jedną z doskonalszych anten odbiorczych skutecznie absorbujących energię fal radiowych z otaczającego nas umownego „eteru” jest dipol półfalowy. W naszym przypadku będzie to przewód o długości około 150 m. Równie dobrą anteną odbiorczą, tym razem wymagającą współpracy z uziemieniem, jest dipol ćwierćfalowy, czyli w naszym przypadku odcinek kabla o długości około 75 m. Kable o innych długościach także będą stanowiły anteny odbiorcze, tyle że mniej skuteczne, ale nie oznacza to, że generowane w nich fale udarowe nie okażą się niszczące dla urządzeń elektronicznych.
Z jakimi długościami kabli mamy do czynienia w realnym systemie monitoringu wizyjnego? Niestety właśnie z takimi, o jakich wspomniano powyżej. Jeśli do tego przewody składające się na instalację CCTV przebiegają w pewnej odległości od ziemi, co ma miejsce w przypadku monitoringu wszystkich wysokich budynków, wówczas tworzą się układy anten, które wykazują mniej lub bardziej przypadkowe właściwości rezonansowe, a przez to bardzo skutecznie absorbują energię fal emitowanych w szerokim widmie przez wyładowania atmosferyczne. Sposobem na eliminację zagrożeń, wynikających z indukowania silnych fal udarowych jest cięcie przewodów stanowiących instalację kamerową na krótsze odcinki i przepuszczanie sygnałów telewizyjnych przez tak zwane izolatory mas. Poprawnie zaprojektowana analogowa instalacja kamerowa wykorzystująca kable miedziane powinna zawierać zarówno izolatory mas, jak i elementy neutralizujące skutki przepięć na obu końcach torów kablowych. Wiąże się to jednak ze sporymi kosztami i z tego powodu bardzo często elementy te są pomijane, jeśli nie przez projektantów, to przynajmniej przez instalatorów.
Nie od rzeczy będzie dodać, że sytuacja ta dotyczy zarówno klasycznych analogowych systemów monitoringu wizyjnego, jak i nowoczesnych systemów IP, wykorzystujących w warstwie fizycznej sieć Ethernet 100Base-TX czy jakąkolwiek jej „miedzianą” odmianę. Sytuację poprawiają nieco urządzenia sieciowe, czyli koncentratory, przełączniki, rutery i inne urządzenia aktywne, które w większości przypadków posiadają co najmniej elementarne zabezpieczenia przeciwprzepięciowe. Ethernet z definicji jest siecią wykorzystującą odcinki kablowe krótsze niż 100 m, co w znacznym stopniu ogranicza niszczące skutki opisanych powyżej efektów antenowych, jednak wszelkie instalacje, w których podstawę stanowią przewody miedziane, są narażone na negatywne skutki przepięć elektrycznych.

Zadajmy sobie kolejne pytanie: czy rezygnacja ze stosowania kabli miedzianych na rzecz połączeń światłowodowych poprawia tę sytuację? Oczywiście tak, ale nie do końca. Światłowody w sensie elektrycznym są izolatorami i pozostają obojętne na skutki emisji fal radiowych, nawet o bardzo dużych energiach. Zakres widmowy, w jakim pracują światłowody, różni się o wiele rzędów wielkości od widma fal udarowych, generowanych przez wyładowania atmosferyczne, co także powoduje brak zakłóceń transmitowanych sygnałów.

W dobie analogowych systemów monitoringu wizyjnego niska popularność kabli światłowodowych związana była głównie z czynnikami ekonomicznymi. Chcąc stosować tego typu połączenia na krótkich odcinkach oraz dla znacznej liczby kamer, należało liczyć się z podwojeniem kosztów całej instalacji.

Inaczej przedstawia się sytuacja w sieciowych systemach monitoringu, wykorzystujących urządzenia IP. Jedną z wielu możliwych do zastosowania, aczkolwiek mało popularnych odmian sieci Ethernet, jest wersja 100Base-FX. Bazuje ona na światłowodowych kablach wielomodowych i używana jest głównie ze względu na wyższy maksymalny zasięg transmisji. Inną odmianą sieci Ethernet, tym razem bardzo popularną, jest Ethernet 1000Base-SX. Wykorzystuje się go do budowy sieci szkieletowych lub tak zwanych „ringów” światłowodowych. Jest to rozwiązanie typowe dla rozległych instalacji IP, układanych w dużych budynkach lub w obiektach otwartych, takich jak stadiony sportowe. Pomijając uwarunkowania wynikające z topologii sieci, zastosowanie światłowodów przyczynia się do znakomitej poprawy odporności całej instalacji na skutki przepięć, głównie tych najsilniejszych, generowanych przez wyładowania atmosferyczne.

Zastosowanie światłowodów nie zwalnia projektantów i instalatorów systemów monitoringu wizyjnego od obowiązku stosowania zabezpieczeń przeciwprzepięciowych w obwodach zasilających, w tym w sieci energetycznej. Zagadnienia te są precyzyjnie określane przez współczesne przepisy budowlane, dlatego można zakładać, że w większości obiektów odpowiednie zabezpieczenia istnieją i działają prawidłowo.

rys1.gif
Rys. 1. Definicja fali udarowej

 

Osobnym zagadnieniem jest zabezpieczenie przeciwprzepięciowe oddalonych punktów kamerowych, np. zainstalowanych na wysokich masztach z dala od budynków. Zastosowanie transmisji obrazów za pomocą światłowodu pozwala zapomnieć o problemach związanych z warstwą słaboprądową, jednakże nie stanowi gwarancji powodzenia. Konieczne jest staranne zabezpieczenie obwodów zasilających. Zagadnienie to jest o tyle łatwiejsze do realizacji, że w obwodach zasilających mamy do czynienia albo z prądem stałym, albo z przebiegami wolnozmiennymi, ponadto dysponujemy szerokim asortymentem dostępnych na rynku elementów zabezpieczających.

Jak widać, zastosowanie światłowodów jako podstawowego medium transmisyjnego w rozległych systemach monitoringu wizyjnego nie zmusza do drastycznych zmian w koncepcji projektowania takich systemów, zaś w przypadku systemów IP stanowi naturalną konsekwencję wyboru pierścieniowej topologii sieci Ethernet, obsługującej rozległe obszary monitoringu. Jedynym problemem, jaki pozostaje do rozwiązania w przypadku systemów monitoringu wizyjnego wykorzystujących kable światłowodowe, jest zabezpieczenie przeciwprzepięciowe obwodów zasilania, co we współczesnych warunkach nie powinno stanowić problemu.

Andrzej Walczyk
ALTRAM

Zabezpieczenia 3/2009

Wszelkie prawa zastrzeżone. Kopiowanie tekstów bez zgody redakcji zabronione / Zasady użytkowania strony