Jak prawidłowo chronić elektronikę?

Aby skutecznie ochronić urządzenia elektroniczne w rozległej instalacji, konieczne jest zdobycie szeregu informacji, które pozwolą na odpowiedni dobór urządzeń i właściwe ich zainstalowanie. Należy pamiętać, że każde wyładowanie atmosferyczne jest inne, za każdym razem może stwarzać inne zagrożenia ze względu na zupełnie przypadkowy rozpływ napięć i prądów. W innych artykułach zostały opisane zjawiska które występują podczas uderzenia pioruna i zagrożenia jakie stwarzają dla urządzeń elektronicznych.

Należy przede wszystkim rozróżnić ważność obiektów i charakteru pracy urządzeń. W przypadku urządzeń domowych, które podłączane są okazjonalnie i są łatwe do wyłączenia w czasie burzy można stosować inny system ochrony przeciwprzepięciowej w odróżnieniu od budynków komercyjnych lub przemysłowych. Wyłączenie urządzeń w takich obiektach niejednokrotnie jest niemożliwy ze względów technologicznych a jakakolwiek przerwa w ich pracy stwarza ogromne straty. Ze względu również na inną konstrukcję budynków przemysłowych, będą w nich występować również inne rodzaje zagrożeń oraz inna wartość chronionego sprzętu.

Do projektanta systemu ochrony przeciwprzepięciowej, należy poznanie właściwości obiektu, ocena poziomu i rodzajów występujących zagrożeń, następnie dobranie urządzeń ochronnych w celu spełnienia odpowiednich wymagań.

Poniżej opisane rozwiązania nie stanowią dla siebie wzajemnej alternatywy. Każde z nich eliminuje inny rodzaj zagrożenia i jest uzupełnieniem dla pozostałych. Najlepszą ochronę uzyskuje się przy uwzględnieniu ich jak największej ilości, jeżeli jest to możliwe.

1. Instalacja piorunochronowa

To zespół zwodów pionowych, iglic jonizujących, przewodów o dużej wytrzymałości prądowej i odpowiedniego uziemienia. Ma za zadanie uniemożliwić uderzenie pioruna w przypadkowe elementy budynku, przez sprowadzenie większości energii piorunowej do ziemi. Ogranicza przepływ prądu udarowego przez konstrukcje budynku, co zapobiega pożarom i porażeniom osób wewnątrz budynku w wyniku przeskoków iskrowych. Kontrolowany przepływ głównego udaru ogranicza ryzyko bezpośredniego uderzenia w wystawione na zewnątrz urządzenia elektroniczne, co w większości przypadku spowoduje ich całkowite zniszczenie pomimo zamontowania urządzeń ochronnych SPD. Należy pamiętać, że urządzenia elektroniczne muszą znajdować się poniżej iglic piorunochrona i znajdować się od nich w znacznej odległości, co stanowi naturalną barierę przed przeskokiem iskrowym.

Budynek bez piorunochronu                                                   Budynek z piorunochronem

Podczas sprowadzania ładunku do ziemi przez piorunochron, występuje silny impuls elektromagnetyczny oraz może wystąpić przeskok iskrowy do chronionego urządzenia, jednak są one neutralizowane przez urządzenie ochronne.

2. Ograniczniki przepięć

Wyładowania bezpośrednie statystycznie zdarzają się bardzo rzadko w ramach pojedynczego budynku, jednak ich oddziaływanie bywa skuteczne w promieniu do kilkuset metrów. Występujące silne pole elektryczne powoduje szereg przeskoków iskrowych i indukowania się pola elektromagnetycznego w instalacjach pobliskich budynków. Brak systemów ochrony przeciwprzepięciowych może skutkować uszkodzeniem podłączonych do zasilania urządzeń elektronicznych.

Do ochrony takich instalacji przeznaczone są ograniczniki przepięć (SPD), dedykowane do poszczególnych rodzajów instalacji. Skuteczny ogranicznik przepięć, musi chronić urządzenie elektroniczne przed energią pochodzącą z przeskoku iskrowego (kilka kA) oraz potencjałów wytworzonych pomiędzy przewodami (do kilkuset amperów). Wymienione wymagania spełniają jedynie ograniczniki kombinowane dobierane w taki sposób, aby napięcie zadziałania było najbliższe napięciom znamionowym, występującym w określonym rodzaju instalacji. Więcej informacji o zasadach doboru ograniczników przepięć opisano w oddzielnym artykule.

Zasada działania kombinowanego ogranicznika przepięć

3. Wyrównywanie potencjałów

Każda rozległa instalacja systemu elektronicznego, poszczególne urządzenia ma zamontowane w znacznej odległości od siebie. Mogą być one zamontowane na konstrukcjach metalowych, lokalnie zasilanie i uziemione lub podłączone do innych elementów lokalnie uziemionych. Stwarza to ryzyko powstania potencjałów pomiędzy nimi, które są wyrównywane poprzez przewody transmisyjne, co może stwarzać zakłócenia transmisji danych oraz uszkodzenia interfejsów komunikacyjnych w wyniku przeciążenia prądowego. Szczególne zagrożenie powstaje podczas wyładowania atmosferycznego w pobliżu, co stwarza chwilowe bardzo wysokie potencjały i powoduje przepływ dużych prądów wyrównawczych. Podobne zagrożenie może powstać podczas uruchamiania agregatów prądotwórczych lub zasilaczy awaryjnych UPS. Szczególnie narażone są obiekty przemysłowe, gdzie występują hale metalowe oraz urządzenia impulsowo pobierające dużą ilość energii elektrycznej.

Bardzo skuteczną metodą wyeliminowania wymienionych zagrożeń, jest zamontowanie uziemionej instalacji wyrównawczej PE i połączenie do niej wszelkich elementów metalowych oraz zacisków uziemiających poszczególnych urządzeń.

4. Separacja galwaniczna

Wiele rozległych instalacji elektronicznych montowanych jest w momencie, gdy obiekty są już wybudowane i wykończone wraz z drogami i ścieżkami. Na wielu z nich nie ma możliwości ułożenia linii wyrównawczych PE pomiędzy każdym zainstalowanym urządzeniem, dlatego pożądanym uzupełnieniem jest separacja galwaniczna. Może ona być zrealizowana w przy użyciu różnych technologii:

- Transformatory separujące - wykorzystywane w transmisji analogowej i cyfrowej, mają niską cenę, nie wymagają zasilania i posiadają szerokie pasmo przenoszenia.

- Separatory optyczne - Wykorzystywane zazwyczaj do transmisji cyfrowej, regenerują sygnał cyfrowy, posiadają bardzo niskie straty dzięki wbudowanej kompensacji

- Światłowody - wszelkie urządzenia łączone za pomocą światłowodów pozbawione są ryzyka wystąpienia różnic potencjałów i uszkodzeń przez nie wywołanych

Separatory muszą posiadać wiele zgodnych parametrów, aby zapewnić poprawne działanie urządzeń i zazwyczaj dedykowane są do określonych typów sygnałów. Wiele urządzeń przemysłowych oraz sieć LAN posiadają z złożenia wbudowaną separację poszczególnych portów komunikacyjnych.

Oprócz długich połączeń światłowodowych, wszelkie inne separatory posiadają ograniczone napięcie przebicia izolacji. W przypadku separatorów pasywnych napięcie przebicie wynosi 600-800V, natomiast separatory aktywne zależnie od użytych komponentów 1-10kV. Zapewnia to poprawną ochronę w przypadku odległych wyładowań (kilkaset metrów) od zainstalowanych urządzeń. W przypadku wyładowań występujących w niedużej odległości, napięcia pomiędzy punktem uziemienia mogą być dużo wyższe co prowadzi do przebicia separatora. Rozwiązaniem skuteczniejszym jest połączenie separacji i kombinowanych ograniczników przepięć.

5. Uziemienie metalowych konstrukcji oraz ochrona innych instalacji

Wszelkie konstrukcje metalowe, takie jak rury gazowe, instalacja CO, metalowe wkłady kominowe, ciągi wentylacyjne, klimatyzacja, itp. stanowią istotne zagrożenie sprowadzenia ładunku udarowego do wnętrza budynku i rozprzestrzenienia go na urządzenia elektroniczne przez przeskok iskry. Wszelkie niezabezpieczone przeciwprzepięciowo instalacje elektryczne i elektroniczne wystawione na zewnątrz budynku, stanowią takie same zagrożenie. Należą do nich linie telefoniczne, sieć energetyczna, instalacje antenowe a nawet lampy oświetleniowe zainstalowane na zewnątrz.

Wszelka treść zawarta w artykułach wraz ze zdjęciami stanowi własność firmy Ewimar Sp. z o.o. i jest chroniona prawnie. Zakaz kopiowania i udostępniania we fragmentach lub w całości, zakaz wykorzystywania w publikacjach i prezentacjach publicznych.