PROFESJONALNA OCHRONA ODGROMOWA I PRZED PRZEPIĘCIAMI

Poradniki, normy,
artykuły techniczne

Wymagania normy PN-EN 61643-21 dla ograniczników przepięć przeznaczonych do systemów niskosygnałowych

pdfPobierz w wersji pdf552.61 KB 

1. Wstęp

    Urządzenia stosowane w systemach niskosygnałowych, na przykład: teleinformatycznych, kontrolno-pomiarowych, automatyki, alarmu, włamania i napadu, nagłośnienia, czy sterowania, charakteryzują się zazwyczaj niskimi poziomami odporności elektromagnetycznej od strony ich interfejsów sygnałowych. Jest to związane przede wszystkim ze stosowaniem w takich systemach coraz większej liczby wrażliwych układów elektronicznych podatnych na zakłócenia elektromagnetyczne. W szczególności niebezpieczne dla takich urządzeń są przepięcia powstające wskutek oddziaływania wyładowań atmosferycznych lub powodowane zakłóceniami w sieci zasilania energetycznego. Mogą one prowadzić do uszkodzenia lub nawet całkowitego zniszczenia urządzeń elektronicznych. Związane z tym straty nie ograniczają się wyłącznie do sfery materialnej (konieczność naprawy lub wymiany urządzeń), ale zazwyczaj wiążą się z dodatkowymi kosztami wynikającymi z utraty funkcjonalności systemu, w którego skład wchodzi uszkodzony moduł lub całe urządzenie oraz utraty prestiżu firmy, z powodu przerwy w jego działaniu.

   Dla zapewnienia wysokiej niezawodności wszelkiego rodzaju systemów niskosygnałowych pracujących w środowisku charakteryzującym się znacznymi poziomami zaburzeń elektromagnetycznych konieczne jest stosowanie układów ograniczających przepięcia (SPD ang. surge protecting device) dobranych odpowiednio do standardu chronionego interfejsu. Układy SPD powinny ograniczać napięcia do poziomów bezpiecznych, wytrzymywanych przed chronione urządzenie bez naruszenia normalnych cech funkcjonalnych systemu. Aktualne wymagania odnoszące się do ograniczników przepięć przeznaczonych do ochrony linii sygnałowych zawarte są w normie PN-EN 61643-21 [1].

2. Wymagania oraz metody badań wg normy PN-EN 61643-21

   Celem normy PN-EN 61643-21 jest określenie wymagań oraz metod badań dla ograniczników przepięć przeznaczonych do zastosowań w liniach sygnałowych. W normie zamieszczono cztery główne grupy wymagań normatywnych: wymagania ogólne, wymagania elektryczne, wymagania mechaniczne i wymagania środowiskowe.

   Grupą wymagań, które odnoszą się do wszystkich typów ograniczników linii sygnałowych są wymagania ogólne oraz wymagania mechaniczne.Zakres wymagań elektrycznych i środowiskowych dobierany jest odpowiednio do typu badanego SPD i środowiska jego pracy. Dodatkowe wymagania stawiane są układom SPD przeznaczonym do stosowania w torach transmisji danych oraz w nienormalnych warunkach pracy.

2.1 Wymagania ogólne
   Wymagania ogólne dotyczą identyfikacji oraz dokumentacji ograniczników przepięć. Na korpusie obudowy producent powinien zamieścić informacje dotyczące:
  • nazwy wytwórcy lub znaku fabrycznego,
  • czasu produkcji,
  • numeru modelu,
  • największego napięcia trwałej pracy.
   Oznakowanie powinno być wyraźne oraz odporne na ścieranie i działanie rozpuszczalników Przykład oznakowania ogranicznika przepięć przedstawiono na rysunku 1. Pozostałe informacje, takie jak:
  • warunki pracy,
  • prąd znamionowy,
  • napięciowy poziom ochrony Up,
  • reset udarowy (jeśli jest badany),
  • odporność na prąd przemienny,
  • odporność na udary,
  • rodzaj uszkodzenia przy przeciążeniu,
  • charakterystyki transmisji,
  • rezystancje szeregowe,
  • informacje dodatkowe
mogą być także zamieszczone na obudowie SPD lub zawarte w dołączonej dokumentacji, bądź też zamieszczone na opakowaniu.
 
rys.1 
 Rys. 1. Przykład oznakowania ogranicznika przepięć DataPro 2x24V (prod. LEUTRON)

 

2.2 Wymagania mechaniczne

   Wymagania mechaniczne mają na celu sprawdzenie jakości wykonania układu SPD i zastosowanych materiałów. Ocenie poddane powinny być zaciski i złącza, pod kątem jakości kontaktu elektrycznego oraz wytrzymałości na siły ciągnące. Ogranicznik powinien być odporny na narażenia mechaniczne, wnikanie ciał stałych i wody (weryfikacja kodu IP) oraz powinien wykazywać się odpornością na ogień stosownie do jego przeznaczenia i warunków pracy. Dla SPD dostępnych (dostępność części czynnych), dla których najwyższe napięcie pracy jest większe niż 50 V wartości skutecznej napięcia przemiennego lub 71 V napięcia stałego, próby powinny dotyczyć także ochrony przed dotykiem bezpośrednim w celu sprawdzenia możliwości dotyku części czynnych. Nie dotyczy to SPD sklasyfikowanych jako niedostępne.

2.3 Wymagania elektryczne

    Próby elektryczne mają na celu określenie podstawowych parametrów ogranicznika przepięć, istotnych ze względu na jego przeznaczenie. Parametry deklarowane przez producenta powinny uzyskać potwierdzenie w wynikach badań przeprowadzonych zgodnie z normatywnymi próbami szczegółowo opisanymi w normie [1].

   Ze względu na specyfikę obszaru zastosowań przy określaniu parametrów ograniczników przepięć największe znaczenie mają próby udarowe. W tablicy 1. przedstawiono wszystkie kategorie prób stosowane w trakcie badań ograniczników przepięć dla linii sygnałowych, różniące się parametrami udarów prądowych i napięciowych. Badania te mają na celu określenie napięciowego poziomu ochrony Up i wytrzymałości udarowej ograniczników przepięć. Testowy impuls udarowy (napięciowy lub prądowy) opisuje się wartością szczytową, czasem trwania czoła (t1) i czasem do półszczytu (t2). Graficzna interpretacja parametrów udaru przedstawiona została na rysunku 2.

  

rys.2 
 Rys. 2. Definicja parametrów impulsu udarowego

 

   Sklasyfikowano następujące typy prób udarowych opisane w tablicy 1:
-    bardzo wolny czas narastania,
-    prąd przemienny,
-    wolny czas narastania,
-    szybki czas narastania,
-    duża energia.
   W przypadku, gdy producent deklaruje, że dany układ SPD spełnia wymagania jednej z kategorii testowania wymienionych w tablicy 1., to powinien podać informacje o wartościach szczytowych udarów, na jakie badany był ogranicznik. Wytwórca powinien także określić wartość prądu udarowego (np. 8/20 µs) oraz wartość prądu przemiennego, które mogą doprowadzić do uszkodzenia ogranicznika.
   Najczęściej parametry udarowe ograniczników określane są dla prób kategorii C. Zastosowanie w tym przypadku udarów prądowych o kształcie 8/20 µs ma na celu symulację przepięć indukowanych w liniach sygnałowych na skutek oddziaływania piorunowych impulsów pola elektromagnetycznego (LEMP ang. lightning electromagnetic pulse). Z kolei udary o dużej energii (kategoria D) symulują oddziaływanie przepływu przez linie sygnałowe częściowego prądu pioruna, którego przebieg opisuje się kształtem impulsu 10/350 µs [3]. Przepięcia indukowane pojawiają się w sieci sygnałowej znacznie częściej, stąd - według wymagań prób typu - ogranicznik musi wytrzymać 300 narażeń o wartości szczytowej do 1 kV (kategoria testowania C1), lub 10 narażeń udarem o wartości szczytowej powyżej 1 kV (kategoria testowania C2). Częstotliwość występowania bezpośrednich wyładowań atmosferycznych jest znacznie mniejsza - stąd dla kategorii D1 wymagane jest jedynie doprowadzenie do układu SPD tylko dwóch udarów.

 

Tablica. 1. Parametry udarów prądowych i napięciowych stosowanych w badaniach
ograniczników przepięć dla linii sygnałowych

Kategoria

Typ próby

Napięcie obwodu otwartego

Prąd obwodu zwartego

Minimalna liczba udarów

A1

Bardzo wolny czas narastania

≥ 1 kV
t1: 0,1 ÷ 100 kV/s

10 A
t1: 0,1 ÷ 2 A/µs

-

A2

Prąd przemienny

(AC)

0,1 ÷ 20 Arms (48 – 62 Hz)
typowo: czas trwania 1 s, liczba doprowadzeń prądu 5

Jeden cykl

B1

Wolny czas
narastania

1 kV
10/1000 µs

100 A
10/1000 µs

300

B2

1 kV lub 4 kV
10/700 µs

25 A lub 100 A
5/300 µs

300

B3

≥ 1 kV
100 V/µs

10 A, 25 A lub 100 A
10/1000 µs

300

C1

Szybki czas
narastania

0,5 kV lub 1 kV
1,2/50 µs

0,25 kA lub 0,5 kA
8/20 µs

300

C2

2 kV, 4 kV lub 10 kV
1,2/50 µs

1 kA, 2 kA lub 5 kA
8/20 µs

10

C3

≥ 1 kV
1 kV/µs

10 A, 25 A lub 100 A
10/1000 µs

300

D1

Duża energia

≥ 1 kV

0,5 kA, 1 kA lub 2,5 kA,
10/350 µs

2

D2

≥ 1 kV

1 kA lub 2,5 kA
 10/250 µs

5

   Spełnienie wymagań pozostałych kategorii prób udarowych jest rzadziej deklarowane przez producentów. Prawdopodobnie jest to związane z koniecznością kosztownej rozbudowy stanowisk laboratoryjnych w celu uzyskania udarów o takich kształtach. Większość laboratoryjnych generatorów udarowych projektowana jest na udary kombinowane (napięciowy 1,2/50 µs, prądowy 8/20 µs). Testowanie udarem napięciowym o kształcie 10/700 µs lub 10/1000 µs wymaga zastosowania do badań kosztownych modułów dodatkowych lub zakupu oddzielnych generatorów. Warto dla przykładu dodać, że w rozporządzeniu dotyczącym obiektów telekomunikacyjnych [2] impuls napięciowy 5 kV 10/700 µs jest wymieniany w wymaganiach odnośnie zabezpieczenia telekomunikacyjnych linii napowietrznych.
   Poza próbami udarowymi, ograniczniki powinny być poddawane testom pozwalającym na określenie między innymi następujących parametrów:
-    największego napięcia trwałej pracy Uc,
-    rezystancji izolacji,
-    rezystancji szeregowej,
-    odporności na prąd przemienny,
-    prądu znamionowego.
Jeżeli ogranicznik przeznaczony jest do zastosowań w torach transmisji danych należy dodatkowo określić jego:
-    pojemność,
-    tłumienność wtrąceniową (ang. insertion loss),
-    tłumienność odbiciową (RL ang. reflection loss),
-    tłumienność wzdłużną,
-    bitową stopę błędu (BER ang. bit error rate),
-    przesłuch zbliżny (NEXT ang. near end crosstalk).
   W torach radiowych parametry transmisyjne powinny być określane dla deklarowanego przez producenta zakresu częstotliwości roboczych, zgodnego z przeznaczeniem ogranicznika do ochrony konkretnego systemu niskosygnałowego. Najistotniejsze w tych zastosowaniach są wartości tłumienności wzdłużnej i odbiciowej, które powinny być jak najmniejsze, aby nie pogorszyć parametrów toru transmisyjnego. W danych katalogowych, często, zamiast tłumienności odbiciowej, podawana jest wartość współczynnika fali stojącej WFS (SWR ang. standing wave ratio), który jest powiązany ze współczynnikiem odbicia i może być przeliczony na wartość tłumienności.
   Parametr BER określany jest dla cyfrowej transmisji danych. Ograniczniki przeznaczone dla cyfrowej transmisji nie powinny ograniczać maksymalnej przepustowości systemu z zachowaniem odpowiednio niskiej stopy błędu.
 
2.4 Wymagania środowiskowe

   Ograniczniki przepięć, które przeznaczone są do pracy w niekontrolowanych warunkach środowiskowych powinny być poddane dodatkowym próbom. Układy takie powinny być badane z wykorzystaniem komory klimatycznej na odporność na wysoką temperaturę (80°C) i wilgotność (90%). Próby środowiskowe przeprowadzać należy według opisanych cykli. Przeprowadza się także badania naprzemiennego cyklicznego oddziaływania warunków środowiskowych i prądów udarowych lub impulsów prądu przemiennego.

 

 3.Przykładowe rozwiązania ograniczników w zastosowaniach niskosygnałowych
3.1 Ochrona systemów kontrolno-pomiarowych

   Obecnie na rynku dostępna jest szeroka gama ograniczników przepięć przeznaczonych do ochrony systemów kontrolno-pomiarowych. Ograniczniki dla takich systemów powinny być dobierane przede wszystkim z uwzględnieniem znamionowych napięć i prądów tych systemów, napięciowego poziomu ochrony oraz zakładanej wytrzymałości udarowej.

 

rys.3arys.3b 
 Rys. 3. Układ ogranicznika firmy LEUTRON typu MP 1x2 GDT+24V-Ad-Ad-ST 

 

 

Tablica. 2. Parametry ogranicznika przepięć typu
MP 1x2 GDT+24V-Ad-Ad ST

Kategoria wg. PN-EN 61643-21

 

D1 / C2 / C1 / C3

Napięcie znamionowe

UN

24 V

Największe napięcie trwałej pracy (DC/AC)

Uc

33/23 V

Prąd znamionowy

IN

0,5 A

D1 prąd piorunowy (10/350 μs) na 1 linię

Iimp

2,5 kA

C2 znam. prąd wyładowczy (8/20 μs) na układ

In

20 kA

C2 znam. prąd wyładowczy (8/20 μs) na linię

In

10 kA

Poziom ochrony: linia-linia    przy Iimp D1

Up

≤ 52 V

Poziom ochrony: linia-PG       przy Iimp D1

Up

≤ 550 V

Poziom ochrony: linia-linia    przy 1 kV/μs C3

Up

≤ 45 V

Poziom ochrony: linia-PG       przy 1 kV/μs C3

Up

≤ 500 V

Rezystancja szeregowa na 1 linię

 

2,2 Ω

Maksymalna częstotliwość pracy (3 dB)

fG

6,0 MHz

Zakres temperatury pracy

TU

-40 … +80 °C

Klasa łatwopalności zgodnie z UL 94

 

V0

Stopień ochrony obudowy (IEC EN 60529)

 

IP 20

   Jako przykład może być przedstawiona nowa seria ograniczników MP 1x2 GDT/Ad-Ad ST firmy LEUTRON zaprojektowana do ochrony pojedynczej pary linii asymetrycznej w zakresie napięć znamionowych od 5 V do 180 V i o prądzie znamionowym do 0,5 A. Przykładowe parametry układu z tej serii na napięcie znamionowe 24 V przedstawiono w tablicy 2. Ograniczniki te zostały przebadane próbami kategorii udarowych D1/C2/C1/C3 zgodnie z wymaganiami PN-EN 61643-21. Kategoria D1 świadczy o wytrzymałości elementu na częściowy prąd piorunowy, dzięki czemu może być on stosowany na granicy strefy LPZ 0A. Układ składa się z dwóch kaskad ochronnych: zgrubnej (opartej na odgromniku) - odprowadzającej dużą energię oraz ochrony dokładnej (elementy sprzęgające i diody) - zapewniającej ograniczenie napięcia do zaprojektowanej wartości. Ograniczniki serii MP - to elementy z wymiennymi modułami, pozwalającymi na łatwe wymontowanie wkładki ogranicznika na czas wykonywania czynności serwisowych lub pomiarów bez zmiany impedancji linii oraz poziomów sygnałów w systemie. W zależności od typu wybranej podstawy możliwe jest także bezpośrednie lub pośrednie (poprzez odgromnik) uziemienie ekranu.

 

 

3.2 Ochrona systemów informatycznych

   Na rysunku 4. przedstawiono przykład ogranicznika przepięć do ochrony urządzeń wewnętrznych sieci informatycznych. Przy doborze ograniczników przepięć do ochrony systemów informatycznych szczególną uwagę należy zwrócić na zagwarantowanie właściwego poziomu przepustowości transmisji danych.

 

rys.4a

                rys.4b 

 Rys. 4. Układ ogranicznika typu DP RJ45 f/f (prod. LEUTRON)

 

 

 

Tablica. 3. Parametry ogranicznika przepięć typu
DP RJ45 f/f

Kategoria wg. PN-EN 61643-21

 

C2 / C1 / C3

Napięcie znamionowe (DC)

UN

6 V

Największe napięcie trwałej pracy (DC)

Uc

8 V

C2 znam. prąd wyładowczy (8/20 μs)

In

2,5 kA

Poziom ochrony przy In (8/20 μs)

Up

35 V

Maksymalna częstotliwość pracy

fG

100 MHz

Maksymalna przepustowość

 

100 Mbit/s

Tłumienność wtrąceniowa

 

0,4 dB

Zakres temperatury pracy

TU

-40 … +80 °C

Interfejs we/wy

 

RJ45, ekranowany

Stopień ochrony obudowy (IEC EN 60529)

 

IP 20

Materiał obudowy

 

metal

   Ogranicznik typu DataPro RJ45 f/f spełnia wymagania kategorii C2/C1/C3. Jest to układ chroniący przed przepięciami indukowanymi i przeznaczony do stosowania na granicy stref LPZ 0B i wyższych. Zapewnia jednoczesną ochronę wszystkich 4 par sygnałowych. Układ przystosowany jest do sieci kategorii 5 (klasa D) według specyfikacji EIA/TIA. Przy wyborze układów do ochrony sieci informatycznych należy zwracać uwagę na standardy przesyłu danych, z jakimi dany układ jest kompatybilny. Prezentowany ogranicznik spełnia wymagania standardów 10Base T i 100Base T (Ethernet o przepustowości 10 Mbit/s i 100 Mbit/s ).

 

3.3 Ochrona torów radiowych

   Urządzenia nadawczo-odbiorcze systemów radiokomunikacyjnych są szczególnie narażone na oddziaływanie wyładowań atmosferycznych ze względu na umieszczane na zewnątrz budynków anteny. W tym przypadku, przy doborze układów ochronnych, w pierwszej kolejności należy zwracać uwagę na robocze pasmo częstotliwości, na jakie zaprojektowany został ogranicznik. Jednym z podstawowych parametrów ograniczników przeznaczonych dla torów transmisyjnych według wymagań normy PN-EN 61643-21 powinna być tłumienność odbiciowa. W praktyce większość producentów podaje jednak wartość współczynnika fali stojącej WFS (ang. VSWR), który jest łatwiejszy do interpretacji. Wartości te są powiązane i tłumienność odbiciową RL można wyznaczyć w łatwy sposób z zależności:

wzor.

 

Tablica. 4. Parametry ogranicznika przepięć typu
AL-LSXM

Kategoria wg. PN-EN 61643-21

 

C2 / C1 / C3

Pasmo częstotliwości

 

2,0 GHz … 6,0 GHz

Współczynnik fali stojącej

WFS

≤ 1,2 do 1

Tłumienność odbiciowa

RL

≥ 20,8 dB

Moc

 

10 W

Tłumienność wtrąceniowa (typowo/maksymalnie)

 

≤ 0,1 dB / ≤ 0,2 dB

Znamionowy prąd wyładowczy (8/20 μs)

In

10 kA

Poziom ochrony (przy 3 kA 8/20 μs)

Up

≤ ±3 V

Przepuszczana energia (przy 3 kA 8/20 μs)

 

≤ 0,5 μJ

Zakres temperatury pracy

TU

-40 … +85 °C

Typ złącza

 

N Female

Stopień ochrony obudowy (IEC EN 60529)

 

IP 65

Materiał obudowy

 

metal

   Renomowane firmy specjalizujące się w produkcji układów ochrony przed przepięciami dla zastosowań w radiokomunikacji, takie jak: PolyPhaser, czy ostatnio również Times Microwave, oferują obecnie produkty charakteryzujące się doskonałymi - niskimi wartościami tłumienności wtrąceniowej (na poziomie 0,1 dB) i równie doskonałym dopasowaniem w paśmie częstotliwości roboczych (WFS na poziomie 1,1).

   Przykładowe rozwiązanie SPD dla zastosowań w radiokomunikacji - ogranicznik AL-LSXM serii SX produkcji firmy PolyPhaser - przedstawiono na rysunku 5. Jest to element przeznaczony do pracy w zakresie częstotliwości od 2 do 6 GHz, dzięki czemu ma zastosowanie w popularnych obecnie systemach bezprzewodowej sieci lokalnej WLAN. Często, oprócz napięciowego poziomu ochrony, podaje się maksymalną energię, jaka może być przeniesiona przez ogranicznik na stronę chronioną przy wystąpieniu udaru danego typu. Dodatkowym, istotnym parametrem, jaki jest zazwyczaj podawany w kartach katalogowych urządzeń SPD, a który nie jest wymieniony w normie [1], jest moc układu nadawczego, przy jakiej może pracować ogranicznik.

 

 

 

rys.5 
 Rys. 5. Ogranicznik typu AL-LSXM

 

4.Podsumowanie

   W dobie powszechnego stosowania układów mikroprocesorowych ochrona przed przepięciami jest niezbędna dla niezawodnej pracy wszelkiego rodzaju instalacji niskosygnałowych, a w tym m.in. : systemów automatyki, kontroli, pomiarów i sterowania, systemów informatycznych, systemów alarmu, włamania i napadu, czy wykorzystujących kable koncentryczne systemów radiokomunikacji. Dla zagwarantowania odpowiednio wysokiej jakości zabezpieczeń przed przepięciami układy ochronne w zastosowaniach niskosygnałowych powinny spełniać wymagania zawarte w aktualnych normach. Wprowadzone w normie PN-EN 61643-21 kategorie testowania ograniczników przepięć pozwalają na odpowiedni dobór prób testowania do rzeczywistych warunków środowiskowych oraz właściwą ocenę poziomu odporności chronionego systemu po zastosowaniu prawidłowo dobranych ograniczników przepięć.

Literatura
  1. PN-EN 61643-21 Niskonapięciowe urządzenia ograniczające przepięcia. Część 21: Urządzenia do ograniczania przepięć w sieciach telekomunikacyjnych i sygnalizacyjnych. Wymagania eksploatacyjne i metody badań.
  2. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 26 października 2005 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać telekomunikacyjne obiekty budowlane i ich usytuowanie.
  3. PN-EN 62305-1 Ochrona odgromowa. Część 1: Zasady ogólne

 

   Autorzy: dr inż. Tomasz Maksimowicz, dr inż. Mirosław Zielenkiewicz

Do góry strony

Kontakt

ul. Myśliwska 2
15-569 Białystok, Polska
tel.  +48 85 741 08 40
tel.  +48 85 741 08 80
fax. +48 85 741 09 69
Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie w przeglądarce obsługi JavaScript.

Napisz do nas

Newsletter

Zapisz się na bezpłatny newsletter

Bez wysiłku, prosto na Twoją skrzynkę:
  • nowości techniczne i promocje cenowe
  • praktyczne porady naszych ekspertów

obserwuj na

Rss

© 2012 WSZYSTKIE PRAWA ZASTRZEŻONE RST sp.j. | Realizacja: SENSORAMA.PL