Pobierz najnowszy numer

Newsletter

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

Jesteś tutaj

Badania jakości ograniczników przepięć do ochrony systemów CCTV

Printer Friendly and PDF

Do stosowania środków ochrony przed przepięciami w rozbudowanych instalacjach, jakimi są systemy telewizji dozorowej, nikogo nie trzeba przekonywać. Doświadczenia związane z eksploatacją oraz koszty naprawy instalacji i wymiany uszkodzonych kamer przemawiają za zabezpieczaniem urządzeń przed skutkami wyładowań atmosferycznych najlepiej. Na rynku pojawia się coraz więcej produktów przeznaczonych do tego celu. Niestety niektóre spośród nich nie stanowią skutecznego zabezpieczenia przed przepięciami. W wielu przypadkach faktyczne parametry techniczne tych urządzeń nie odpowiadają deklarowanym, a zatem klient otrzymuje towar o jakości niższej niż oczekiwana.

Aby podkreślić powagę problemu, przeprowadzono badania najpopularniejszych spośród dostępnych ograniczników przepięć (SPD, ang. surge protecting device) przeznaczonych do ochrony instalacji CCTV. Zbadano urządzenia sześciu różnych producentów i dostawców, których produkty są obecnie najczęściej stosowane. Testy przeprowadzono łącznie na 25 typach urządzeń przeznaczonych do ochrony torów transmisyjnych sygnałów wizyjnych, magistral transmisyjnych w standardzie RS485, obwodów zasilania 24 V oraz ograniczników do kamer IP zasilanych metodą PoE. Wszystkie ograniczniki przepięć były nowe i zakupione na potrzeby badań.

Zakres badań obejmował analizę parametrów technicznych podawanych przez producentów, pomiary podstawowych parametrów elektrycznych oraz próby weryfikacji deklarowanej odporności udarowej. W niniejszym artykule opisano jedynie wyniki prób udarowych.


Celem badań jest ukazanie rzeczywistej jakości ograniczników przepięć dostępnych na polskim rynku. Intencją autora jest udzielenie projektantom i inwestorom pomocy w doborze prawidłowych środków ochrony, a nie walka z konkurencją, dlatego nie ujawniono nazw badanych urządzeń ani producentów.

Rys. 1. Prawidłowe oznaczenie „CE” (a) oraz znak spotykany na produktach importowanych z krajów azjatyckich (b) – za mały odstęp między znakami C i E

 

Wprowadzenie wyrobu do obrotu

Każdy wprowadzany do obrotu wyrób elektryczny musi spełniać wymagania zawarte w odpowiednich dyrektywach i musi być oznakowany znakiem CE (rys. 1a). Ograniczniki przepięć stosowane w obwodach sygnałowych jako wyrób elektryczny powinny spełniać wymagania dyrektywy niskonapięciowej (LVD) 2014/35/UE (dawniej 2006/95/WE) w zakresie, którego dotyczy norma zharmonizowana PN-EN 61643-21 Niskonapięciowe urządzenia ograniczające przepięcia -- Część 21: Urządzenia do ograniczania przepięć w sieciach telekomunikacyjnych i sygnalizacyjnych -- Wymagania eksploatacyjne i metody badań.


Przeprowadzenie badań według powyższej normy jest jedyną możliwością określenia rzeczywistych parametrów ogranicznika przepięć. Norma ta definiuje podstawowe wymagania odnoszące się do prawidłowego oznakowania urządzeń i niezbędnych prób elektrycznych, w tym prób udarowych. Parametry deklarowane przez producenta powinny być zatem potwierdzone stosownymi badaniami, których zakres jest zależny od konfiguracji i funkcji ogranicznika przepięć.

Dla zakupionych na potrzeby badań ograniczników przepięć deklaracje zgodności z normą PN-EN 61643-21 uzyskano dla 20 spośród 25 urządzeń. Wystawienie deklaracji zgodności przez producenta powinno być jednoznaczne z potwierdzeniem przeprowadzenia badań urządzenia. Otrzymane wyniki mogą jednak świadczyć o tym, że nie przeprowadzono takich badań.

Weryfikacja odporności udarowej

Jedną z prób, jakim poddano testowane ograniczniki przepięć, stanowiła weryfikacja deklarowanych parametrów dotyczących odporności na udary. Do badań wykorzystano generator udaru kombinowanego umożliwiający narażenie badanych urządzeń na udar prądowy o kształcie 8/20 µs i wartości szczytowej do 5 kA. Taki generator może być wykorzystywany do prób udarowych kategorii C1 i C2 według normy PN-EN 61643-21. Każdy SPD był narażony na udary o wartościach deklarowanych przez producenta (maksymalnie 5 kA 8/20 µs) i w konfiguracjach zgodnych z informacjami podanymi w instrukcjach lub kartach katalogowych. W żadnym przypadku ogranicznik nie był narażony na udar o wartości wyższej niż podane w dokumentacji parametry znamionowe lub maksymalne. W czasie prób rejestrowano jednocześnie przebiegi prądu udarowego oraz napięcia na zaciskach wyjściowych SPD po stronie chronionej. Przykładowe przebiegi zarejestrowane w czasie badań przedstawiono na rysunku 2.

Rys. 2. Przykładowy przebieg udaru prądowego 8/20 µs (kolor zielony) i napięcia zmierzonego na zaciskach wyjściowych ogranicznika przepięć (kolor pomarańczowy) zarejestrowane w czasie badań porównawczych

 

Wyniki przeprowadzonych prób należy uznać za zatrważające. W przypadku produktów czterech z sześciu producentów, których ograniczniki poddano próbom, co najmniej jedno urządzenie nie przeszło prób z wynikiem pozytywnym. Łącznie dziewięć spośród 25 testowanych ograniczników przepięć (dziewięć spośród 17, jeżeli uwzględni się tylko producentów, których SPD nie spełniały deklarowanych parametrów) uległo uszkodzeniu w czasie prób odporności na udary. Uszkodzeniom uległy badane SPD każdego rodzaju, przeznaczone zarówno do ochrony torów transmisji sygnałów wizji, linii zasilających, magistral RS485 oraz sieci IP z zasilaniem PoE. Należy podkreślić, że dla ośmiu z dziewięciu uszkodzonych urządzeń wystawione były przez producentów deklaracje zgodności z normą PN-EN 61643-21.

Najczęstszym typem uszkodzenia, jaki wystąpił w siedmiu z dziewięciu przypadków, było przerwanie ścieżek na laminatach PCB. Uszkodzone zostały ograniczniki trzech typów jednego z producentów przeznaczone do ochrony torów transmisji sygnałów wizyjnych, dla których w danych technicznych zamieszczono zapisy:

Zabezpieczenie antyprzepięciowe: 3 - Iskrownik, Ochronnik gazowy, Transil,
Ochrona linia-ziemia: Ochronnik gazowy: 90 V, 2x10 kA @ 8/20 µS
Maksymalny poziom przepięcia: 4 kV

Taki zapis jest niejednoznaczny i wprowadza użytkownika w błąd. Informacja „Ochronnik gazowy: 90 V, 2x10 kA @ 8/20 µS” sugeruje, że SPD wytrzymuje dwukrotne narażenie na udar 10 kA 8/20 µs. Z kolei wartość przepięcia „4 kV” nie daje żadnych praktycznych informacji dotyczących odporności ogranicznika przepięć. Przykładowo, jeżeli dotyczy to udaru kombinowanego, to wartości 4 kV odpowiada prąd o wartości maksymalnej 2 kA, natomiast w przypadku generatorów udarów prądowych o kształcie 8/20 µs przy napięciu 4 kV wartość szczytowa prądu może wynosić nawet dziesiątki kA. W czasie badań przetestowano jedynie trzy typy takich ograniczników spośród kilkunastu o podobnej konstrukcji, jakie producent posiada w swojej ofercie. Urządzenia wytrzymały narażenie na udar kombinowany 4 kV/2 kA, natomiast przy udarach o wartości szczytowej 5 kA, czyli o połowie wartości podanej w specyfikacji technicznej, we wszystkich ogranicznikach całkowitemu zniszczeniu uległy ścieżki na laminacie PCB na drodze przepływu prądu udarowego od narażonej linii do miejsca przyłączenia przewodu uziemiającego (rys. 3). Przykład ten doskonale pokazuje, dlaczego parametry SPD należy określać na podstawie przeprowadzonych badań całej konstrukcji ogranicznika, a nie na podstawie danych katalogowych zastosowanych elementów.

Rys. 3. Uszkodzony ogranicznik przepięć oraz laminat PCB przed narażeniem urządzenia na udar 5 kV 8/20 µs i po próbie udarowej

 

W przypadku produktów innego producenta uszkodzenia ścieżek wystąpiły w trzech z pięciu badanych urządzeń przy udarach o wartości maksymalnej równej znamionowemu prądowi wyładowczemu (5 kA 8/20 µs). W tym przypadku należy zwrócić uwagę na fakt, że producent ten zarówno wystawia deklaracje zgodności z normą PN-EN 61643-21, jak i w prawidłowy sposób podaje parametry dotyczące odporności na udary i napięciowego poziomu ochrony, np.:

Poziom protekcji Up linia-linia: ≤16 V – 1 kV/µs, C3
Poziom protekcji Up linia-uziem.: ≤1000 V – 1,2/50 µs, C2
Znamionowy prąd wyładowczy in linia-linia: 25 A – 10/1000 µs, C3
Znamionowy prąd wyładowczy in linia-uziem.: 5 kA – 8/20 µs, C2

Podanie znamionowej wartości prądu wyładowczego oznacza, że SPD powinien wytrzymać taki udar wielokrotnie, a w tym przypadku już pierwsza próba okazała się niszczącą (rys. 4a).

Ostatni z przypadków uszkodzenia ścieżek na laminacie PCB dotyczył ogranicznika przepięć przeznaczonego do ochrony obwodu zasilania. W danych katalogowych podano „Maksymalny prąd wyładowczy: 10 kA (8/20µs)”. Uszkodzenie nastąpiło już przy wartości około 5 kA (rys. 4b).

Rys. 4. Ograniczniki przepięć podczas próby udarowej z wykorzystaniem znamionowego prądu wyładowczego

 

Kolejny rodzaj uszkodzenia jednego z ograniczników, jakie nastąpiło w wyniku przeprowadzanych prób, polegał na uszkodzeniu diod stanowiących drugi stopień ochrony. W katalogu podano poniższe informacje:

Nominalny prąd wyładowczy (8/20µs): 5 kA
Maksymalny prąd wyładowczy (8/20µs):10 kA

Urządzenie powinno mieć więc stosunkowo wysoką odporność. Niestety nie było możliwości sprawdzenia, jak urządzenie zachowa się przy deklarowanej wartości nominalnego prądu wyładowczego (5 kA 8/20 µs), ponieważ uległo uszkodzeniu już przy wstępnych próbach z zastosowaniem udaru 1 kV/0,5 kA. W wyniku braku koordynacji między elementami ogranicznika, przy doprowadzonym przepięciu odgromnik nie zadziałał odpowiednio wcześnie, aby przejąć energię udaru. W konsekwencji dioda była narażona na oddziaływanie całej energii zaburzenia, która przekraczała jej graniczną wytrzymałość, przez co nastąpiło uszkodzenie elementu i zwarcie diody. Gdyby producent przeprowadził pełne badania ogranicznika, uwzględniające próbę martwej strefy, problem ten zostałby wykryty przed wprowadzeniem elementu do sprzedaży. Próba martwej strefy ma na celu sprawdzenie koordynacji ograniczników dwustopniowych w celu zbadania, czy urządzenie wytrzymuje udary w zakresie przepięć, które nie powodują zadziałania ochrony zgrubnej pierwszego stopnia. Należy podkreślić, że konstrukcja ogranicznika była dosyć złożona – zawierał on odgromnik trójelektrodowy, warystory, szeregowe elementy indukcyjne oraz diody. Tak więc złożoność ogranicznika nie zawsze idzie w parze z jego jakością. Warto dodać, że na obudowie urządzenia zamieszczono nieprawidłowy znak CE oraz napis „Made in China”.

Ostatni rodzaj uszkodzenia miał miejsce w przypadku ogranicznika przepięć do sieci IP. Ogranicznik ten wyróżniał się deklarowaną odpornością udarową wynoszącą aż 10 kA 8/20 µs (oznaczoną błędnie jako Iimp, które to oznaczenie jest przypisane odporności na udary o kształcie 10/350 µs): 

Prąd wyładowczy C2 (8/20µS, linia-ziemia ) Iimp 10 kA.

W przypadku pozostałych ograniczników z grupy zabezpieczeń IP deklarowane były wartości 2 kA–2,5 kA.

Ogranicznik ten, podobnie jak wszystkie pozostałe, wytrzymał udar o wartości szczytowej 2 kA. W jego przypadku próby przeprowadzono jednak również dla wyższych wartości ze względu na deklarowane parametry. Maksymalna wartość udaru prądowego, jaki kilkukrotnie jest w stanie wytrzymać złącze typu RJ45, wynosi około 2,5 kA 8/20 µs. Przy udarach o wyższych wartościach najczęściej uszkodzeniom ulegają nie elementy wewnętrzne SPD, ale złącza RJ45. Nawet jeżeli nie nastąpi przerwanie pinów gniazda RJ45 lub wtyczki, to w wyniku przepływu prądu udarowego następuje zespawanie pinów, a spaw ulega przerwaniu przy pierwszym wyjęciu wtyczki. Podobnie było w analizowanym przypadku. Przy udarze o wartości 5 kA nastąpiło uszkodzenie zarówno gniazda, jak i wtyczki RJ45 powodujące przerwanie ciągłości linii (rys. 5). W opinii autora deklarowanie wytrzymałości wyższej niż
2,5 kA w przypadku takich ograniczników jest bezpodstawne ze względu na ograniczenia związane z fizycznymi właściwościami złącz RJ45.

Rys. 5. Uszkodzenia złącz RJ45 na skutek oddziaływania udarów prądowych

 

Podsumowanie

Wyniki przeprowadzonych badań świadczą jednoznacznie o złym stanie większości oferowanych na polskim rynku ograniczników przepięć przeznaczonych do ochrony systemów telewizji dozorowej. Jedynie w przypadku dwóch spośród sześciu producentów wszystkie testowane ograniczniki przepięć przeszły badania z wynikiem pozytywnym. Analizując 17 urządzeń czterech producentów, których urządzenia nie spełniały wymagań, w dziewięciu stwierdzono uszkodzenia na skutek narażenia na udary o deklarowanych wartościach, a w dwóch kolejnych stwierdzono niezgodność w zakresie deklarowanych prądów roboczych (ograniczenie prądu przy niższej wartości niż deklarowana). Ponadto parametry techniczne podawane w instrukcjach i kartach katalogowych są często niejasne i błędne. Otrzymane wyniki wskazują na to, że niektórzy producenci wydają deklaracje zgodności bezpodstawnie, nie przeprowadziwszy wymaganych badań w celu potwierdzenia deklarowanych parametrów. Na początku jakość urządzenia ocenia się na podstawie parametrów podawanych przez producenta w kartach katalogowych – im bardziej są szczegółowe i zgodne z wymaganiami normy PN-EN 61643-21, tym większe jest prawdopodobieństwo, że produkt został rzeczywiście przebadany. Nie jest to jednak regułą, o czym świadczy przypadek jednego z producentów – pomimo prawidłowo podanych danych trzy z pięciu ograniczników uległy uszkodzeniu przy próbach udarowych. W przypadku przebadanych urządzeń właściwym kryterium oceny jakości okazała się cena. Urządzenia dwóch producentów, które przeszły badania bez zastrzeżeń, były nawet kilkukrotnie droższe od produktów pozostałych firm, które można nabyć po cenach rynkowych (uwzględniających rabaty) wynoszących od 30 do 70 zł netto. Koszty przeprowadzenia rzetelnych badań zgodnie z normą PN-EN 61643-21 uniemożliwiają oferowanie produktów w tak niskich cenach. Projektanci i inwestorzy nie powinni zatem kierować się jak najniższą ceną przy doborze ograniczników przepięć. W celu zapewnienia skutecznej ochrony instalacji przed skutkami wyładowań atmosferycznych należy stosować produkty dobrej jakości, najlepiej firm specjalizujących się w produkcji odpowiednich urządzeń.

dr inż. Tomasz Maksimowicz

 

Zabezpieczenia 5/2017

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