Pobierz najnowszy numer

Newsletter

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

Jesteś tutaj

Ochrona przed przepięciami systemów sygnalizacji włamania i napadu

Printer Friendly and PDF

leadSystemy alarmowe mają na celu zabezpieczenie obiektu przed zagrożeniami, takimi jak pożar lub włamanie. Aby taki system był skuteczny i wiarygodny, powinien być niezawodny w każdych warunkach. Jednym z zagrożeń dla prawidłowego funkcjonowania systemów alarmowych są przepięcia wywoływane zakłóceniami w instalacjach zasilania niskim napięciem oraz oddziaływaniem wyładowań atmosferycznych. W niniejszym artykule przedstawione zostanie zagadnienie ochrony przed przepięciami na przykładzie systemów sygnalizacji włamania i napadu (SSWiN).

1. Zasadność stosowania ochrony

Ochrona przed przepięciami jest zagadnieniem często lekceważonym przez projektantów. Ponieważ w większości przetargów główne kryterium wyboru ofert stanowi cena i nie ma ściśle określonych wymagań technicznych, ograniczniki przepięć (SPD – ang. Surge Protecting Device) są traktowane jako źródło dodatkowych kosztów. Potrzeba stosowania ochrony przed przepięciami zauważana jest najczęściej dopiero po wystąpieniu szkód przez nie wywołanych. Jeżeli uszkodzenia będą się pojawiać wielokrotnie w sezonie burzowym, to koszt sumaryczny ich usunięcia w końcu przekroczy koszt całego systemu.

rys1

Rys. 1. Idea strefowej koncepcji ochrony przed przepięciami

Jeżeli koszt ogranicznika przepięć jest porównywalny z kosztem pojedynczego elementu systemu alarmowego, a zwłaszcza wyższy od niego, to ochrona przed przepięciami jest najczęściej uznawana za nieopłacalną. Taniej jest bowiem wymienić urządzenie, niż zainwestować w ograniczniki przepięć. To przekonanie jednak może okazać się złudne, jeżeli urządzenia będą uszkadzane cyklicznie. Gdy natomiast mamy do czynienia z elementami droższymi, takimi jak np. bariery mikrofalowe łatwiej jest przekonać inwestora do stosowania ochrony przed przepięciami.

Awaria systemu lub jego części wskutek wystąpienia przepięć powoduje nie tylko bezpośrednie straty materialne, ale także utratę części lub całości jego funkcji, co może wiązać się z jeszcze większymi kosztami. Dlatego też należy uwzględnić ewentualne możliwe skutki przerwy w pracy systemu i rozważyć zwiększenie jego odporności poprzez stosowanie SPD. W wielu przypadkach przerwa w działaniu systemu lub jego części nie ogranicza się jedynie do czasu potrzebnego na jego naprawę, ale także (w przypadku obiektów państwowych) obejmuje czas potrzebny do przeprowadzenia procedur przetargowych związanych z zakupem nowego sprzętu lub wyborem wykonawcy robót.

2. Odporność systemów alarmowych

Zgodnie z obowiązującą normą PN-EN 50130-4 dotyczącą kompatybilności elektromagnetycznej systemów alarmowych poszczególne elementy powinny charakteryzować się między innymi określoną odpornością na udary przewodzone. Norma wymaga, aby urządzenia były badane kombinowanym udarem napięciowo-prądowym (kształt napięcia obwodu otwartego: 1,2/50 µs, kształt prądu obwodu zwartego: 8/20 µs). Przyjęte w normie probiercze wartości szczytowe napięć udarowych, które powinny być wytrzymywane przez urządzenia systemów alarmowych, wynoszą:

  • dla portów zasilania AC: 1 kV pomiędzy liniami, 2 kV pomiędzy dowolną linią a ziemią;
  • dla portów sygnałowych i zasilania DC: 1 kV pomiędzy dowolną linią a ziemią.
fot1

Fot. 1. Złącze ochrony przed przepięciami centrali alarmowej

Wartościom napięć 1 kV i 2 kV odpowiadają wartości szczytowe prądów zwarcia 0,5 kA i 1 kA. Jak sama norma wskazuje, przyjęte w niej poziomy odporności nie uwzględniają sytuacji krytycznych, do których można zaliczyć oddziaływanie wyładowań atmosferycznych. Wartości prądów udarowych, jakie mogą zostać zaindukowane w liniach sygnałowych wskutek oddziaływania wyładowań atmosferycznych, są znacznie większe. Według informacji podanych w normach odgromowych serii PN-EN 62305 podczas bezpośredniego uderzenia pioruna w budynek w obwodach niskonapięciowych mogą zaindukować się prądy o wartościach szczytowych do 5 kA lub 10 kA, odpowiednio dla założenia IV i I poziomu ochrony odgromowej (LPL – ang. Lightning Protection Level). Ponadto jeżeli część obwodów systemu alarmowego znajduje się na zewnątrz obiektu, to mogą do niego przeniknąć także częściowe prądy pioruna o znacznie dłuższym czasie trwania i przenoszące większą energię; dla takich prądów zakłada się udar o kształcie 10/350 µs.

Konstruowanie urządzeń, które bez dodatkowej zewnętrznej ochrony wytrzymają  udary o tak dużej energii, nie jest rozwiązaniem zalecanym. Mogłoby to stwarzać dodatkowe zagrożenia dla urządzeń. Ścieżki w standardowych laminatach płytek drukowanych PCB nie wytrzymują przepływu tak dużych prądów, a energia przepięć musi być odprowadzona do ziemi, co wymaga osobnego zacisku uziemiającego. Lepszym rozwiązaniem jest ograniczenie przepięć poza urządzeniem za pomocą specjalistycznego układu SPD i bezpieczne odprowadzenie energii do uziemienia.

Zabezpieczenia takich składników systemu jak czujki i centrale alarmowe powinny ograniczać się jedynie do elementów ograniczających przepięcia – zdolnych do ich pochłonięcia – jednak w takim przypadku należy skoordynować ewentualne zabezpieczenia wewnętrzne z dodatkowymi komponentami SPD.

3. Strefowa koncepcja ochrony odgromowej

rys2

Rys. 2. Schemat blokowy przykładowego złącza ochrony przed przepięciami sygnalizatora

Normy odgromowe serii PN-EN 62305 wprowadziły zasady strefowej koncepcji ochrony, która polega na podziale obiektu na strefy ochrony odgromowej (LPZ – ang. Lightning Protection Zone). Idea strefowej koncepcji ochrony przed przepięciami została przedstawiona na rysunku 1. Dla każdej strefy LPZ określa się piorunowe środowisko elektromagnetyczne charakteryzujące się założonymi typami i poziomami zagrożeń. W przypadku systemów alarmowych zaleca się wyznaczenie następujących stref:

  • LPZ 0A – strefa na zewnątrz budynku, w której występuje zagrożenie wyładowaniem bezpośrednim oraz oddziaływanie całkowitego prądu pioruna i całkowitego pola magnetycznego; w tej strefie znajdować się mogą zazwyczaj położone w terenie słupy kamerowe czy też bariery mikrofalowe;
  • LPZ 0B – strefa na zewnątrz budynku, w której nie występuje zagrożenie wyładowaniem bezpośrednim, ale możliwe jest oddziaływanie częściowego prądu pioruna lub prądów indukowanych oraz całkowitego pola magnetycznego; strefa ta określona jest poprzez zwody instalacji odgromowej; w tej strefie umieszczone są (zazwyczaj na elewacji budynku) sygnalizatory, kamery, czujki ruchu, manipulatory itp.;
  • LPZ 1 – strefa obejmująca wnętrze budynku, w której nie występuje zagrożenie oddziaływaniem ograniczonego prądu pioruna, prądów indukowanych oraz całkowitego lub stłumionego pola magnetycznego; w tej strefie znajduje się większość elementów systemu alarmowego, takich jak czujki ruchu, czujki ppoż., manipulatory, ekspandery, kamery itp.;
  • LPZ 2 – strefa w obrębie LPZ 1 obejmująca wydzielone pomieszczenie techniczne, w którym znajduje się centrala alarmowa; poziomy zagrożeń powinny być ograniczone do bezpiecznych wartości.
fot2

Fot. 2. Ograniczniki przepięć serii RST AL do ochrony SSWiN:
a) RST AL 15 DC,
b) RST AL 15 HDC,
c) RST AL RS,
d) RST AL TMP

Ochrona przed przepięciami powinna być stosowana na granicy poszczególnych stref stosownie do spodziewanych poziomów zagrożeń. 

Układy SPD o najwyższej odporności należy stosować na granicy stref LPZ 0/1. Zastosowanie powinny tu mieć jedynie SPD typu 1 wg PN-EN 61643-11 w instalacjach zasilających niskiego napięcia oraz kategorii D1 wg PN-EN 61643-21 w obwodach sygnałowych. Ograniczniki typu 1 i kategorii D1 zapewniają ochronę przed częściowym prądem pioruna, który w strefie LPZ 0 może przeniknąć do instalacji systemu alarmowego. Wszelkie obwody zewnętrzne powinny być w miarę możliwości wprowadzone do wnętrza budynku w jednym miejscu, co pozwala na zabezpieczenie obwodów w jednym punkcie za pomocą złącza ochrony przed przepięciami (ZOP). Jeżeli jest to niemożliwe, obwody do urządzeń umieszczanych na elewacji budynku powinny być zabezpieczone w miejscu wejścia przewodów do budynku.

Zabezpieczenia na granicy stref LPZ 1/2 mają za zadanie zapewnienie ochrony dokładnej przed prądami indukowanymi oraz prądami pioruna ograniczonymi na granicy LPZ 0/1. Dlatego w tym miejscu wystarcza zastosowanie SPD typu 2 i typu 3 w instalacjach zasilających oraz kategorii C2 w obwodach sygnałowych. Zabezpieczenie centrali alarmowej powinno być kompletne, co oznacza, że chronione powinny być wszelkie przyłączone do niej obwody, a nie tylko wybrane, uznane za najbardziej zagrożone.

Oprócz ochrony na granicy poszczególnych stref niekiedy zalecane jest stosowanie ochrony przy wybranych urządzeniach końcowych. Jeżeli długość trasy kablowej wewnątrz budynku między centralą alarmową a danym urządzeniem jest większa niż 30 metrów, to zaleca się zastosowanie ochrony bezpośrednio przy urządzeniu. Związane jest to z możliwym indukowaniem się prądów udarowych w pętlach tworzonych przez rozległe okablowanie systemu.

4. Problematyka ochrony systemów alarmowych

tab1

Tab. 1. Parametry techniczne ograniczników przepięć serii RST AL. * Napięciowy poziom ochrony między zaciskami 1p – GND i 2p – GND

Ochrona przed przepięciem obwodu zasilania niskiego napięcia 230 V w systemach SWiN dotyczy praktycznie jedynie central alarmowych zasilanych poprzez transformator; pozostałe elementy systemu zasilane są napięciem stałym z centrali. Ochrona jest ograniczona zwykle do zastosowania ograniczników typu 1 lub typu 1+2 w rozdzielnicy głównej budynku i ograniczników typu 2 w rozdzielnicy lokalnej, z której jest zasilana centrala alarmowa. Istotną kwestią jest dobór ograniczników typu 1 – zaleca się stosowanie ograniczników wykorzystujących iskierniki, które mają znacznie wyższą odporność niż ograniczniki warystorowe.
Bardziej złożona jest kwestia ochrony obwodów sygnałowych SSWiN, w których wyróżnić należy przede wszystkim:

  • linie dozorowe,
  • linie wyjściowe,
  • magistrale transmisyjne.

Obok wyżej wymienionych typów linii spotkać można jeszcze linie telefoniczne i magistrale danych do komunikacji z komputerem.

Ograniczniki przepięć powinny być dobrane na podstawie takich parametrów linii jak maksymalne wartości prądu i napięcia, częstotliwość itp., tak aby nie zakłócać pracy systemu alarmowego.

fot3

Fot. 3. Złącze ochrony przed przepięciami manipulatora

Linie dozorowe powiązane z wejściami centrali alarmowej przenoszą informacje alarmowe o stanie dozorowanego obiektu lub jego wydzielonej strefy. Obecnie stosowane są linie dozorowe zwykłe, linie parametryczne oraz linie adresowalne. Najpopularniejsze są linie sparametryzowane, które poza informacją o stanie alarmowym czujki mogą jednocześnie przekazać informacje o sabotażu lub zwarciu/rozwarciu linii, co pozwala na uzyskanie bardziej szczegółowych danych przy mniejszej liczbie przewodów. Takie rozwiązanie jest także korzystne z punktu widzenia ochrony przed przepięciami, ponieważ pozwala na ograniczenie liczby SPD. Ograniczniki przepięć są dobierane do napięcia pracy w linii. Typowo napięcie znamionowe w systemach alarmowych wynosi 12 V, ale jego maksymalna wartość może w zależności od producenta wynosić 13,8 V lub nawet 16 V. Maksymalny prąd w liniach dozorowych nie przekracza zwykle wartości kilkudziesięciu miliamperów. Nie ma też wygórowanych wymagań co do pasma częstotliwości.

Linie wyjściowe centrali alarmowej można podzielić na wysokoprądowe i niskoprądowe. Wyjścia niskoprądowe central alarmowych służą do sterowania urządzeniami zewnętrznymi, np. do wyzwolenia sygnalizacji optycznej lub akustycznej. Linie wysokoprądowe odpowiadają z kolei za zasilanie wszelkich urządzeń składowych systemu. Maksymalne obciążenie takich wyjść wynosi 2 A, czasami spotykane są systemy z wyjściami o obciążeniu 3A. Taki prąd jest wystarczający do zasilania sygnalizatorów akustycznych i ewentualnie ładowania umieszczonych w nich baterii akumulatorów. Wyższe wartości prądów nie są spotykane w SSWiN; jeżeli jest potrzeba sterowania przez system w stanie alarmu urządzeniem o wyższym poborze prądu, to odbywa się to za pomocą przekaźników sterowanych z wyjść niskoprądowych.

Magistrale transmisyjne zapewniają komunikację z manipulatorami lub ekspanderami wykorzystywanymi do rozszerzenia możliwości systemu. Wykorzystywane są różne standardy transmisji szeregowej, takie jak RS232, RS422, RS485. Transmisja odbywa się za pomocą trzech żył, oznaczanych w różny sposób przez poszczególnych producentów (np. + , – , GND lub DTM, CKM, COM). Wartości napięć zależą od zastosowanego standardu, ale nie przekraczają zwykle ± 15 V.

fot4

Fot. 4. Złącze ochrony przed przepięciami sygnalizatora

Na fotografii 1 przedstawiono przykładowe rozwiązanie złącza ochrony przed przepięciami, obejmujące ochronę obwodu zasilania 230 V oraz 26 linii dozorowych i wyjściowych.

Istotny problem w przypadku ochrony systemów alarmowych stanowi uziemienie ogranicznika przepięć, pozwalające na bezpieczne odprowadzenie energii do ziemi. Zacisk uziemiający ogranicznika SPD, zainstalowanego przy centrali alarmowej, do której transformatora doprowadzono zasilanie 230 V, dzięki czemu jest dostęp do przewodu ochronnego PE, przyłączamy do tego przewodu. Uziemienie układów chroniących poszczególne komponenty, takie jak czujki czy sygnalizatory, może nastręczać trudności. W nowych obiektach, w których ochrona przed przepięciami została uwzględniona już na etapie projektu, możliwe jest wykonanie instalacji wyrównania potencjałów z punktami uziemiającymi ulokowanymi wszędzie tam, gdzie przewiduje się stosowanie SPD. Sytuacja się komplikuje, gdy ochrona ma być wykonana w obiekcie już istniejącym, np. gdy system alarmowy jest dopiero wykonywany lub gdy właściciel obiektu decyduje się na wstawienie ochrony po zaistnieniu szkód spowodowanych przez przepięcia. Jeżeli w obiekcie nie istnieje instalacja wyrównania potencjałów i nie ma możliwości jej wykonania, do uziemienia ograniczników przepięć należy wykorzystać przewody PE instalacji elektrycznej. Uziemienie należy dołączyć do przewodu PE najbliższej puszki łączeniowej lub gniazda instalacji elektrycznej. Zalecane jest umieszczanie ogranicznika przepięć jak najbliżej chronionego urządzenia.

Kolejną kwestią związaną z zabezpieczeniem systemów alarmowych jest sygnalizacja sabotażu. Złącza ochrony przed przepięciami umożliwiają dostęp do poszczególnych linii dozorowych, dlatego należy je również wyposażyć w sygnalizację nieupoważnionej ingerencji. Styki sabotażowe układów zabezpieczających urządzenia końcowe, umieszczone w obudowie złącza z ogranicznikami przepięć, powinny być włączone w obwód sygnalizacji sabotażu chronionego urządzenia. Sygnalizacja sabotażu złącza zabezpieczającego centralę alarmową może stanowić oddzielny obwód wejściowy, jeżeli złącze jest umieszczone w większej odległości od centrali; można je również powiązać z obwodem sabotażowym obudowy centrali.

Na rysunku 2 przedstawiono schemat blokowy przykładowego układu ochronnego sygnalizatora ze stykiem sabotażowym RST AL TMP włączonym w obwód sygnalizacji sabotażu sygnalizatora.

5. RST AL – ograniczniki przepięć dedykowane do systemów alarmowych

rys3

Rys. 3. Schemat zabezpieczeń przed przepięciami systemu SSWiN

Seria ograniczników przepięć RST AL produkcji RST została zaprojektowana specjalnie z myślą o ochronie systemów alarmowych. Wszystkie ograniczniki serii wykonane są jako miniaturowe moduły przeznaczone do montażu na wydzielonej szynie lub płycie uziemiającej. Wymiary pojedynczego modułu to 10×65 mm, a ich wysokość nie przekracza 15 mm. W porównaniu ze standardowymi ogranicznikami przepięć przeznaczonymi do montażu na szynie TS 35 ograniczniki serii RST AL mogą być umieszczone w znacznie mniejszych obudowach. Dzięki tak małym rozmiarom mogą być montowane w bardziej dyskretnych puszkach łączeniowych zajmujących mniej miejsca.

Podstawowe moduły serii RST AL przeznaczone do ochrony systemów alarmowych to:

  • RST AL 15 DC – SPD do zabezpieczenia linii dozorowych i wyjść niskoprądowych (fot. 2a);
  • RST AL 15 HDC – SPD do zabezpieczenia wyjść wysokoprądowych (fot. 2b);
  • RST AL RS – SPD do zabezpieczenia magistral transmisyjnych (fot. 2c);
  • RST AL TMP – moduł do sygnalizacji sabotażu złącza ochrony przed przepięciami (fot. 2d).

Powyższe ograniczniki charakteryzują się maksymalnym napięciem trwałej pracy UC = 17 V, tak więc obejmują wszystkie typowe standardy sygnałów stosowanych w systemach alarmowych. Dla innych rozwiązań dostępne są również moduły RST AL 24 DC oraz RST AL 24 HDC, przeznaczone do pracy w systemach o znamionowym napięciu stałym 24 V (UC = 30 V). Moduły typu DC i HDC różnią się przede wszystkim znamionowym prądem, który wynosi, odpowiednio, 0,5 A i 2,5 A. Z tego względu ograniczniki RST AL 15 DC i RST AL 24 DC są przeznaczone do ochrony linii dozorowych oraz wyjść niskoprądowych, natomiast ograniczniki typu HDC – do ochrony linii wysokoprądowych. Moduł RST AL RS jest przeznaczony do ochrony trzyżyłowych magistral transmisji szeregowej pomiędzy centralą alarmową a manipulatorami lub ekspanderami. Styk sabotażowy RST AL TMP, dostosowany do danego typu obudowy, umożliwia sygnalizację nieautoryzowanej ingerencji w obwody systemu alarmowego.

Ograniczniki RST AL zostały przebadane zgodnie z wymaganiami normy PN-EN 61643-21 dla kategorii wytrzymałości udarowej C2 i D1. Przy małych wymiarach charakteryzują się wysoką odpornością Imax = 10 kA na udary indukowane o kształcie 8/20 µs oraz Iimp = 2,5 kA na częściowe prądy pioruna o kształcie 10/350 µs. Dzięki kategorii D1 mogą być stosowane także na granicach stref LPZ 0/1. Przy takiej odporności układy te zgodnie z normą odgromową PN-EN 62305-1 mogą być stosowane nawet w obiektach, dla których przyjęto najwyższy pierwszy poziom ochrony LPL I. Dzięki dwustopniowej ochronie opartej na miniaturowych odgromnikach gazowanych i diodach ograniczniki RST AL zapewniają bardzo niski napięciowy poziom ochrony. Podstawowe ich parametry przedstawiono w tabeli 1.

Obudowy dobierane są w zależności od liczby układów i miejsca instalacji złącza ochrony przed przepięciami. Zabezpieczenia pojedynczych urządzeń ograniczają się przeważnie do czterech modułów obejmujących obwód zasilania, linie dozorowe i styk sabotażowy. Przykładowe rozwiązania przedstawiono na fotografiach 3 i 4. Na fotografii 3 przedstawiono przykład zabezpieczenia manipulatora. Układ ochronny składa się z modułu RST AL 15 HDC do zabezpieczenia zasilania urządzenia oraz modułu RST AL RS chroniącego magistralę transmisji danych. Dodatkowo układ wyposażono w moduł RST AL TMP do sygnalizacji sabotażu, włączony do obwodu sygnalizacji sabotażu magistrali. Wszystkie moduły umieszczone są w obudowie o rozmiarze 89×66×30 mm do zastosowań wewnątrz budynku. Na fotografii 4 przedstawiono z kolei przykład zabezpieczenia zewnętrznego sygnalizatora optyczno-akustycznego. Złącze ochrony przed przepięciami składa się w tym przypadku z dwóch modułów RST AL 15 HDC − do ochrony obwodów sygnalizacji akustycznej i sygnalizacji optycznej − oraz jednego modułu RST AL 15 DC, chroniącego obwód sygnalizacji sabotażu sygnalizatora, do którego włączony jest także moduł RST AL TMP. Moduły RST AL umieszczono w tym przypadku w obudowie o wymiarach 98×98×58 mm o podwyższonym stopniu ochrony IP 55 do zastosowań zewnętrznych. Złącza ochrony central alarmowych ze względu na znacznie większą liczbę chronionych linii wymagają już większych obudów. Na fotografii 1 przedstawiono przykładowy układ zabezpieczający centralę zarówno od strony zasilania 230 V, jak i 26 linii SSWiN. Przy tak dużej liczbie chronionych linii zastosowanie serii RST AL pozwala na ograniczenie rozmiarów układu ochronnego. W zależności od złożoności systemu alarmowego obudowa może być dobrana do dowolnej liczby chronionych linii.

6. Podsumowanie

Ochrona przed przepięciami pozwala na zwiększenie niezawodności systemów alarmowych, a tym samym na zwiększenie bezpieczeństwa chronionego obiektu. Prawidłowo zabezpieczony SSWiN zapewnia skuteczną i bezprzerwową pracę nawet w trudnym środowisku elektromagnetycznym. Aby ułatwić instalację i prawidłowe działanie zabezpieczeń przed przepięciami, ochrona powinna być uwzględniana już na etapie projektowania obiektu.


dr inż. Tomasz Maksimowicz
RST Sp.j. M. Zielenkiewicz, W. Nietupski, A. Wojtkowski
ul. Myśliwska 2
15-569 Białystok
www.rst.pl; rst@rst.pl

 

Zabezpieczenia 5/2014

Bibliografia

  1. PN-EN 50130-4:2012 Systemy alarmowe – Część 4: Kompatybilność elektromagnetyczna – Norma dla grupy wyrobów: Wymagania dotyczące odporności urządzeń systemów sygnalizacji pożarowej, sygnalizacji włamania, sygnalizacji napadu, CCTV, kontroli dostępu i osobistych.
  2. PN-EN 62305-1 Ochrona odgromowa – Część 1: Zasady ogólne.
  3. PN-EN 61643-21:2004 Niskonapięciowe urządzenia ograniczające przepięcia – Część 21: Urządzenia do ograniczania przepięć w sieciach telekomunikacyjnych i sygnalizacyjnych – Wymagania eksploatacyjne i metody badań.
  4. PN-EN 61643-11:2006 Niskonapięciowe urządzenia do ograniczania przepięć – Część 11: Urządzenia do ograniczania przepięć w sieciach rozdzielczych niskiego napięcia – Wymagania i próby.

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