PROFESJONALNA OCHRONA ODGROMOWA I PRZED PRZEPIĘCIAMI

Poradniki, normy,
artykuły techniczne

 

zabezpieczenia kamer

Ochrona przed przepięciami systemów nadzoru wizyjnego CCTV

 pdfPobierz w wersji pdf796.22 KB
1. Wstęp

   Systemy telewizji przemysłowej (CCTV ang. closed-circuit television) wykorzystywa-ne są do nadzoru oraz zwiększenia bezpieczeństwa obiektów wewnątrz budynków oraz w ich otoczeniu. W celu ochrony i zapewnienia niezawodności systemów CCTV powinny być one zabezpieczone przed oddziaływaniem wyładowań atmosferycznych, które stanowią istotne zagrożenie dla ich poprawnego funkcjonowania. Szkody wywołane przez bez-pośrednie lub pośrednie (przepięcia indukowane) oddziaływanie prądu pioruna mogą skutkować nie tylko poważnymi stratami finansowymi związanymi z fizycznym uszkodze-niem sprzętu ale przede wszystkim z utratą funkcjonalności systemu zmniejszając bez-pieczeństwo obiektu.


2. Źródła zagrożeń

   Istnieje wiele dróg przeniku przepięć stanowiących zagrożenie dla poszczególnych podzespołów systemu CCTV, w skład którego wchodzą urządzenia w centrum nadzoru wizyjnego oraz punkty kamerowe rozmieszczone często na rozległych przestrzeniach.
   Kamery umieszczane na zewnętrznej konstrukcji budynków lub na słupach w terenie otwartym narażone są na bezpośrednie oddziaływanie prądu piorunowego. Energia jaką niesie impuls pioruna może spowodować zniszczenie nie tylko sprzętu znajdującego się na zewnątrz budynku, ale może także przeniknąć poprzez linie zasilające i sygnałowe do jego wnętrza powodując jeszcze poważniejsze straty w centrum nadzoru wizyjnego. O ile uszkodzenie pojedynczej kamery powoduje jedynie częściową utratę usług to awaria urządzeń w centrum systemu może spowodować całkowitą przerwę w jego funkcjonowa-niu a także utratę ważnych danych. W związku z tym wszelkie elementy zewnętrzne sys-temu powinny znajdować się w strefie ochronnej instalacji odgromowej (LPS ang. li-ghtning protection system) zgodnie z obowiązującymi normami serii PN-EN 62305 [1].
Istotne źródło zagrożenia stanowią przepięcia pochodzące z zewnętrznych linii zasila-jących obiekt. Przy bezpośrednim wyładowaniu w linie energetyczne prąd pioruna przy braku odpowiednich zabezpieczeń zagraża wszystkim podzespołom wymagającym zasila-nia. Ze względu na często znaczne długości tras kablowych zagrożenie dla systemu sta-nowią także przepięcia indukowane. W tym przypadku zagrożone są nie tylko połączenia z punktami kamerowymi na zewnątrz budynku, ale także w jego wnętrzu. Na przepięcia narażone są zarówno linie zasilające (AC lub DC), jak i sygnałowe (tory wizji i sterowania kamer). Poziomy odporności zdefiniowane w normach dotyczących systemów alarmo-wych, w tym systemów CCTV, opisano w PN-EN 50130-4 [2]. Wartości szczytowe udarów stosowane w badaniach kompatybilności urządzeń (maksymalnie do 2 kV udar 1,2/50 µs) oraz maksymalne napięcia wytrzymywane przez te urządzenia są znacznie mniejsze od wartości przepięć jakie mogą pojawić się w okablowaniu wskutek wyładowań atmosfe-rycznych w związku z czym konieczne jest stosowanie środków ochrony przed przepię-ciami.
   Niestety praktyka pokazuje, że sami projektanci i wykonawcy systemów CCTV zwięk-szają zagrożenie nie tylko dla samego systemu ale także dla życia ludzkiego poprzez złe rozmieszczanie punktów kamerowych i błędne prowadzenie tras kablowych. Wynika to przede wszystkim z braku podstawowej wiedzy z zakresu ochrony odgromowej. W przy-padku instalowania podzespołów systemu CCTV na istniejących budynkach rzadko zwraca się uwagę na zachowanie bezpiecznych odstępów izolacyjnych pomiędzy kamerami a zwodami lub przewodami odprowadzającymi instalacji odgromowych. Przykłady często popełnianych błędów montażowych przedstawiono na rysunku 1. W przypadku bezpo-średniego wyładowania pioruna w budynek, przy przepływie prądu przez przewody od-prowadzające LPS może nastąpić przeskok iskry do umieszczonych zbyt blisko instalacji (kamer lub przewodów). Prowadzenie kabli wzdłuż przewodów odprowadzających stwarza możliwość przeniku częściowego prądu pioruna do wewnętrznych instalacji systemu po-wodując nie tylko zniszczenia urządzeń elektronicznych ale także stwarzając zagrożenie porażenia istot żywych.

 

 rys1

Rys. 1. Błędy przy montażu kamer systemu CCTV: niezachowanie bezpiecznych odstępów izolacyjnych 
i prowadzenie kabli wzdłuż przewodu odprowadzającego instalacji odgromowej 

 

3. Ochrona odgromowa

   Koncepcja ochrony przedstawiona w serii norm PN-EN 62305 zakłada podział obiektu na strefy ochrony odgromowej (LPZ, ang. lightning protection zone), które można zdefi-niować jako:

  • LPZ 0A – strefa na zewnątrz budynku, w której występuje zagrożenie wyładowania bez-pośredniego oraz oddziaływanie całkowitego prądu pioruna i całkowitego pola magne-tycznego;
  • LPZ 0B – strefa na zewnątrz budynku, w której nie występuje zagrożenie wyładowania bezpośredniego ale możliwe jest oddziaływanie częściowego prądu pioruna lub prądów indukowanych oraz całkowitego pola magnetycznego;
  • LPZ 1…N – strefy wewnątrz obiektu, w których nie występuje zagrożenie wyładowania bezpośredniego, ale możliwe jest oddziaływanie ograniczonego prądu pioruna lub prą-dów indukowanych oraz całkowitego lub stłumionego pola magnetycznego.

   Wszystkie kamery umieszczane na zewnętrznych ścianach lub dachu budynku oraz na słupach kamerowych, powinny znajdować się w strefie LPZ 0B tworzonej przez kon-strukcję budynku lub układ zwodów pionowych i poziomych instalacji odgromowej. Strefę 0B wyznacza się metodą wirtualnej kuli toczonej po powierzchni obiektu (metoda bardziej dokładna) lub na podstawie kąta osłonowego α w przypadku zwodów pionowych. W części trzeciej serii norm PN-EN 62305 zdefiniowano cztery klasy LPS, odpowiadające po-szczególnym poziomom ochrony odgromowej (LPL ang. lightning protection level). Dla każdej z klas zdefiniowano między innymi wymagania dotyczące minimalnych odstępów między zwodami i przewodami odprowadzającymi instalacji odgromowej, promienia to-czonej kuli r oraz wartości kątów osłonowych α dla zwodów pionowych (Tablica 1).

 

 rys2
Rys. 2. Zależność kąta osłonowego α od wysokości H zwodu pionowego
względem płaszczyzny odniesienia i poziomu ochrony odgromowej LPL
 

 

   Kamery umieszczane na słupach także powinny znajdować się w strefie osłonowej tworzonej przez zwody pionowe. Zwody te powinny być połączone z uziomem obiektu.
   Przy projektowaniu rozmieszczenia kamer i tras kabli na budynku należy uwzględnić możliwość przeskoków iskrowych z elementów LPS przewodzących prąd pioruna. Wszelkie instalacje powinny znajdować się w bezpiecznych odstępach izolacyjnych od zwodów i przewodów odprowadzających, które nie powinny być mniejsze niż:

wzorgdzie:

ki – współczynnik zależny od wybranej klasy LPS: 0,08, 0,06 lub 0,04 odpowiednio dla LPS klasy I, II lub III i IV
km – współczynnik zależny od materiału izolacji, przyjmujący wartości 1 dla powietrza lub 0,5 dla betonu, cegieł lub drewna
kc – współczynnik zależny od rozpływu prądu w elementach LPS
l – długość (w m) wzdłuż przewodu LPS od punktu w którym rozpatrywany jest odstęp s do punktu najbliższego połączenia wyrównawczego

W pierwszej edycji norm PN-EN 62305 (przywołanej w Rozporządzeniu Ministra In-frastruktury) wartość współczynnika kc wyznaczana była w zależności od liczby przewo-dów odprowadzających oraz od typu uziemienia (uziom poziomy/pionowy typu A lub uziom otokowy typu B). W drugiej edycji norm przedstawiono natomiast metodę uproszczoną oraz metodę dokładną. Metoda uproszczona zakłada wartości kc równe 1, 0,66 lub 0,44 w zależności od liczby przewodów odprowadzających odpowiednio dla 1, 2 lub 3 i więcej przewodów. Metoda dokładna pozwala na oszacowanie czy możliwe są mniejsze odstępy s jednak wymaga głębszej analizy rozpływu prądu pioruna w instalacji LPS. W niektórych przypadkach możliwe jest także wybranie wartości kc na podstawie przedstawionych w normie przykładów.

4. Ochrona przed przepięciami

   Ochrona przed przepięciami powinna być projektowana zgodnie ze strefową koncep-cją ochrony opisaną w serii norm PN-EN 62305. Poza opisanymi wcześniej strefami ze-wnętrznymi LPZ 0A i LPZ 0B w ogólnym przypadku analizy systemów CCTV można zdefi-niować także dwie strefy wewnętrzne:

  • LPZ 1 – wnętrze budynku;
  • LPZ 2 – pomieszczenie centrum nadzoru wizyjnego (LPZ 2 zawiera się w LPZ 1).

   W przypadku niewielkich budynków może nie występować potrzeba określania strefy LPZ 2. Strefowa koncepcja ochrony zakłada stosowanie układów do ograniczania przepięć na granicach poszczególnych stref. Chronione powinny być wszelkie linie zasilające oraz sygnałowe, do których zalicza się tory wizji i sterowania kamer. Wewnątrz budynku układy ochronne powinny być stosowane na wejściu wszystkich linii do pomieszczenia centrum nadzoru wizyjnego (granica LPZ 1/2) co pozwala na zabezpieczenie znajdujących się tam urządzeń do których zaliczyć można monitory, rejestratory, krosownice czy pulpity sterownicze. Poszczególne punkty kamerowe znajdujące się wewnątrz budynku wymagają także dodatkowego zabezpieczenia gdy długość tras kablowych od strefy LPZ 2 jest więk-sza niż kilkanaście metrów ze względu na możliwe przepięcia indukowane. Kamery umieszczane na zewnętrznej konstrukcji budynku i słupach wymagają także zabezpiecze-nia. W przypadku gdy kamera jest umieszczana na ścianie budynku wszelkie linie zasila-jące i sygnałowe powinny być wprowadzone do wnętrza jak najkrótsza drogą. Linie z ka-mer znajdujących się w terenie zaleca się wprowadzać do budynku i zabezpieczać w jed-nym punkcie (granica LPZ 0/1). Koncepcja strefowej ochrony przed przepięciami systemu CCTV przedstawiona została na rysunku 3.

 rys3
 Rys. 3. Koncepcja strefowej ochrony przed przepięciami systemu CCTV

 

Ochrona zasilania

   Ograniczniki przepięć stosowane w liniach zasilających powinny spełniać wymagania zwarte w PN-EN 61643-11 [5] gdzie opisano metody badań takich układów. Zdefiniowano trzy typy ograniczników opisane w tablicy 1.

 

Tablica. 1. Typy ograniczników przepięć dla sieci rozdzielczych niskiego napięcia
Typ I ochrona przed bezpośrednim prądem pioruna, badane prądem udarowym o kształcie 10/350 µs, stosowane w rozdzielnicach głównych
Typ II ochrona przed przepięciami indukowanymi i napięciami „resztkowymi” z ograniczników typu I, badane prądem udarowym o kształcie 8/20 µs, stosowane w rozdzielnicach lokalnych
Typ III ochrona przed przepięciami indukowanymi, badane prądem udarowym o kształcie 8/20 µs, charakteryzujące się niskimi poziomami napięć ochronnych, stosowane w rozdzielnicach lokalnych lub bezpośrednio przy urządzeniach
 

 

 rys4
Rys. 4. Przykład stosowania ograniczników różnego typu w sieci zasilającej typu TN-C-S 

 

   Ochrona od strony zasilania energetycznego powinna być zapewniona już w rozdziel-nicy głównej na wejściu linii zasilającej do budynku (granica stref LPZ 0A/1). Należy sto-sować tam ograniczniki typu I. Obecnie są to najczęściej iskiernikowe ograniczniki przepięć wykonywane w technologii bezwydmuchowej zdolne do odprowadzenia prądu piorunowego o wartości szczytowej nawet do 100 kA impulsu 10/350 µs. Ograniczniki typu I zapewniają zazwyczaj poziom ochrony poniżej 4 kV lub 2,5 kV, stąd niezbędne jest stosowanie drugiego stopnia ochrony w postaci ograniczników typu II w rozdzielnicy lokalnej zasilającej centrum nadzoru wizyjnego (granica stref LPZ 1/2). Ograniczniki przepięć w rozdzielnicy lokalnej powinny zapewnić ograniczenie wartości szczytowych udarów poniżej maksymalnych wartości napięć wytrzymywanych przez znajdujące się tam urządzenia.
   Dopuszcza się także stosowanie ograniczników kombinowanych typu I + II zdolnych do odprowadzenia prądu piorunowego i ograniczających napięcia do niższych poziomów (rys. 5).

 

 rys5

rys5b

Rys. 5. Układ ogranicznika Leutron typu CT-T1+2/3+1-350-FM (ogranicznik typu I + II) 
do zabezpieczenia rozdzielni głównej 

 

   Jeżeli długość linii zasilającej pomiędzy danym urządzeniem w centrum nadzoru lub punktem kamerowym a rozdzielnicą lokalną jest większa niż kilkanaście metrów to bez-pośrednio przy urządzeniu końcowym należy stosować także ograniczniki przepięć typu 3 w celu ochrony przed przepięciami indukowanymi. Ograniczniki przepięć należy dobierać odpowiednio dla napięcia znamionowego zasilania kamer - najczęściej jest to napięcie przemienne 230 V lub 24 V, lub napięcie stałe 12 V. Przy zasilaniu napięciem niższym niż 230 V często bezpośrednio przy kamerach stosowane są przetwornice, w takim przypadku ochrona przed przepięciami powinna być zastosowana na wejściu napięcia zasilającego przetwornicę.

Ochrona torów sygnałowych

   Ograniczniki przepięć stosowane do linii sygnałowych powinny spełniać standardy zgodne z normą PN-EN 61643-21. W kartach katalogowych takich ograniczników można spotkać się z oznaczeniami kategorii C1, C2, C3, D1 lub D2.

 
Tablica. 2. 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
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

 

   Kategorie te definiują poziomy udarów na jaki narażony jest dany typ ogranicznika podczas badań a tym samym określają jego odporność udarową. Obecnie większość układów posiada kategorie C1/C2/C3. Ograniczniki kategorii D1 charakteryzują się wyż-szym poziomem odporności i są w stanie odprowadzić nawet częściowy prąd pioruna. Charakterystykę poszczególnych kategorii przedstawiono w tablicy 2.
   W systemach CCTV do transmisji sygnału wizji oraz sterowania kamerami wykorzy-stywane są najczęściej popularne interfejsy takie jak BNC, RJ45, RS485 czy RS422. Ograniczniki przepięć powinny być dobierane z uwzględnieniem napięć znamionowych i zakresów częstotliwości sygnałów stosowanych w danym systemie. Napięciowy poziom ochrony ogranicznika powinien być mniejszy niż maksymalne napięcie wytrzymywane przez chronione urządzenie. Przykłady ograniczników przepięć dla linii sygnałowych przedstawiono na rysunku 5.

 

 rys6arys6brys6c

            a)                                               b)                                            c)

Rys. 6. Przykłady ograniczników przepięć linii sygnałowych różnych standardów:
 a) linia koncentryczna; b) sieć LAN; c) para żył 



   Obecnie dostępnych jest wiele rozwiązań dedykowanych do ochrony przed przepię-ciami systemów CCTV. Na rysunku 6a przedstawiono układ do ochrony do 9 koncentrycz-nych torów wizyjnych pozwalający na skuteczne zabezpieczenie multipleksera lub reje-stratorów w centrum nadzoru wizyjnego. Rysunek 6b przedstawia z kolei układ do kom-pleksowego zabezpieczenia punktu kamerowego z ochroną przed przepięciami toru wizji, sterowania oraz zasilania kamery w jednej obudowie. Takie rozwiązanie może być stoso-wane bezpośrednio przy kamerze umieszczonej na ścianie na zewnątrz budynku lub słupie kamerowym.

 

 rys7a1rys7b1
rys7a2rys7b2

                                    a)                                                        b) 

Rys. 7. Dedykowane układy do ochrony systemów CCTV:
a) ochrona torów sygnałowych centrum dozoru wizyjnego; 
b) złącze ochrony przed przepięciami punktu kamerowego 

 

5. Podsumowanie

   Ochrona odgromowa i przed przepięciami wykonana zgodnie z obowiązującymi nor-mami pozwala na uniknięcie strat materialnych oraz zwiększa niezawodność systemów nadzoru wizyjnego CCTV. Należy przy tym zwracać szczególną uwagę na rozmieszczenie punktów kamerowych i prowadzenie tras kablowych względem elementów LPS z zacho-waniem bezpiecznych odstępów izolacyjnych. Układy ograniczników przepięć powinny być stosowane nie tylko do ochrony poszczególnych punktów kamerowych ale także do za-bezpieczenia centrum nadzoru wizyjnego.

Literatura
  1. PN-EN 62305-1 Ochrona odgromowa -- Część 1: Zasady ogólne
  2. PN-EN 62305-3 Ochrona odgromowa -- Część 3: Uszkodzenia fizyczne obiektów i zagrożenie życia
  3. PN-EN 62305-4 Ochrona odgromowa -- Część 4: Urządzenia elektryczne i elektroniczne w obiektach
  4. PN-EN 50130-4 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
  5. PN-EN 61643-11 Niskonapięciowe urządzenia do ograniczania przepięć -- Część 11: Urzą-dzenia do ograniczania przepięć w sieciach rozdzielczych niskiego napięcia -- Wymagania i próby
  6. PN-EN 61643-21 Niskonapięciowe urządzenia ograniczające przepięcia -- Część 21: Urzą-dzenia do ograniczania przepięć w sieciach telekomunikacyjnych i sygnalizacyjnych -- Wymagania eksploatacyjne i metody badań


 Autorzy: dr inż. Tomasz Maksimowicz

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