В.Д. Шпунт

Вестник связи, №1, 2007

О защите оборудования от электромагнитных помех

Как показывает практика, в условиях эксплуатации наиболее опасными по степени влияния и частоте воздействия на оборудование связи являются так называемые перенапряжения и избыточные токи, наводимые в проводных линиях, регламентированные действующими нормативными документами с учетом международных рекомендаций и представляющие собой:

• импульсные высоковольтные напряжения, возникающие при грозовых разрядах (случаи прямого попадания молнии в линейно-кабельные сооружения в стандартах и рекомендаци­ях МСЭ -Т не рассматриваются);

• кратковременные переменные напряжения, возникающие при коротких замыканиях в ЛЭП или контактных сетях электрифицированных железных дорог;

• длительно воздействующие переменные напряжения, возникающие при непосредственном электрическом контакте проводной линии связи с сетью электропитания 220 В и вызывающие избыточные токи.

 Анализ рынка и публикаций показывает, что устройства защиты поставляются на российский рынок как отечествен­ными, так и зарубежными производителями, зачастую с существенными недостатками, к которым следует отнести:

• недостаточный учет требований к работе оборудования в российских условиях (иногда просто незнание российских стандартов и ОТТ в телефонии);

• высокие расходы на приобретение и эксплуатацию защит­ного оборудования из-за необходимости замены модуля защиты после каждого срабатывания (как правило, защита одноразовая, невосстанавливаемая после аварийных воздействий);

• наличие термоконтактов, защищающих разрядник от перегрева и замыкающих жилы линии с опасным напряжением на землю (так называемой "термозащиты", или fail­safe), что после срабатывания может привести к перегреву и выгоранию кроссировочных проводов и линейных кабелей;

• неуниверсальность защиты по току (защищаются только те станции, во входных цепях абонентских комплектов которых есть низкоомная цепь протекания опасного тока на землю).

Одной из причин такого состояния защитных устройств в отрасли является пренебрежение их разработчиками проведением элементарного допускового анализа характеристик элементов защиты и параметров регламентированных воздействий.

Напомним основные требования отечественных нормативных документов.

Межгосударственным стандартом ГОСТ 13109-97 "Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения" установлены (в п. 5.2.1) предельно допустимые значения установившегося отклонения напряжения ± 10 % от номинального (220 Вэфф). Этот допуск определяет диапазон напряжений низковольтной сети электропитания (198  - 242) Вэфф, что соответствует амплитудному значению (279 - 341) Ва.

Согласно действующим "Общим техническим требованиям к АТС" максимальное напряжение вызывного сигнала от АТС к абоненту составляет 95 Вэфф, что соответствует амплитудному значению 134 Ва. Напряжение станционной батареи составляет 60 В + 20+/-10 %, т. е. максимальное напряжение питания составляет 72 В. Оно является для вызывного сигнала напряжением смещения, увеличивающим его максимальную амплитуду до значения 206 Ва (134+72) В. (В случае 48-вольтового питания это смещение равно 57,6 В и максимальное значение амплитуды вызывного сигнала составит 191,6 Ва).

Выбор разрядника

При выборе разрядника по величине пробивного напряжения необходимо учитывать соответствие диапазона этих напряжений диапазону действующих напряжений в линии (как аварийных — в сторону станции, так и рабочих — от станции к абоненту).

Допустимые отклонения амплитуды пробивного статического напряжения газонаполненных разрядников (почти всех известных производителей), используемых в устройствах защиты от перенапряжений, составляют +/- 20 %, что соответствует следующим интервалам возможных значений для разрядников с различным номинальным пробивным напряжением:

230 В - от 184 до276В;

250 В - от 200 до 300 В;

350 В - от 280 до 420 В;

420 В - от 336 до 504 В;

450 В - от 360 до 540 В.

Все основные схемы электрической комплексной защиты АТС от посторонних воздействий по абонентским линиям, предлагаемые отечественными и зарубежными изготовителями и использующие разрядники, варисторы и керамические терморезисторы с положительным температурным коэффициентом, можно условно разделить на две основные группы:

• схемы с "традиционным" (так называемым "прямым") включением элементов защиты. В этих схемах на линейном входе модуля защиты между жилами и "землей" устанавливаются элементы защиты по напряжению (разрядники, варисторы), а на станционном выходе в жилы последовательно включаются элементы токовой защиты (терморезисторы, плавкие вставки), например, как показано на рис. 1 и 4;

• схемы с обратным, так называемым "инверсным", включением элементов защиты. В схемах этого типа на линейном входе модуля защиты в жилы последовательно включаются элементы токовой защиты {терморезисторы), а на станционном выходе модуля защиты между жилами и "землей" устанавливаются элементы защиты по напряжению (разрядники), например, как показано на рис. 2 и 3.

В схемах как с "прямым", так и с "инверсным" включением разрядника, рассчитанных на его гарантированное срабатывание от напряжения (279 — 341) Ва, не может быть использован разрядник на 250 В, применение которого ошибочно рекомендуется, так как он не сработает при минимальном напряжении сети (279 Ва).

В этих схемах может быть использован только разрядник на 230 В с предельным нижним отклонением пробивного напряжения минус 10 % (207 В). Разрядник на 230 В с допуском минус 20 % (184 В) сработает при максимальном напряжении вызывного сигнала (206 Ва) и ограничит или срежет его.

В схемах с "прямым" включением разрядника, рассчитанных на его гарантированное несрабатывание от напряжения (279 — 341) Ва, может быть использован только разрядник на 450 В.

Разрядники на 350 В-20 % и даже 420 В-20 %, использование которых ошибочно рекомендуется в некоторых публикациях, сработает при максимальном напряжении сети 341 Вампл.

Выбор терморезистора

В настоящее время в России действует много фирм и представительств, поставляющих на рынок терморезисторы с положительным температурным коэффициентом для устройств защиты телекоммуникационного оборудования от перегрузок по току.

Однако анализ технических характеристик большей части поставляемых терморезисторов и результатов испытаний приводит к выводу о несоответствии этих элементов требованиям к первичной защите в кроссе.

Максимальный рабочий ток (номинальный, ток несрабатывания) в течение длительного времени для большинства АТС должен быть не менее 55 мА во всем рабочем температурном диапазоне станций (от +5 до +40 °С). Чем ближе ток срабатывания ("опрокидывания") к току несрабатывания, тем лучше защищена станция (не только от больших токов, но и от малых). Есть тенденция (для защиты устаревших отечественных станций — координатных и квазиэлектронных) уменьшения тока срабатывания с 120 до 70 — 80 мА, так как катушки абонентских комплектов не выдерживают ток 100 мА и более длительное время.

Достижение предельной близости этих токов друг к другу (желательный промежуток между ними — 20 мА, т.е. на уровне 30 — 35 % от номинального тока, вместо существующих 100%) затрудняется не только производственными причинами (в том числе разбросом характеристик материалов и технологическими допусками), но и желанием производителя уменьшить собственные риски.

По этой причине модули защиты на базе терморезисторов, поставляемые на отечественный рынок до настоящего времени как отечественными, так и зарубежными производителями, не справляются с указанной задачей.

Также надо учитывать стремление производителей АТС устанавливать терморезисторы защиты по току непосредственно в абонентские комплекты.

В разделе 5 Рекомендации К.30 МСЭ-Т "Самовосстанавливаемые токоограничивающие устройства защиты" указано, что "в этой ситуации терморезистор, используемый в кроссе, должен сработать первым. Это потребует очень осторожной оценки рабочих характеристик обоих терморезисторов, принимая во внимание рабочие характеристики при различных температурах. Эта оценка должна быть сделана и сетевым оператором и производителем системы", что налагает еще более жесткие ограничения на допуск и "ступенчатость" величины тока опрокидывания при одном и том же значении номинального тока.

Перед производителями терморезисторов для защиты от малых токов была поставлена задача (и уже успешно выполняется) выпуска терморезисторов с малым зазором (промежутком) между токами несрабатывания и опрокидывания.

Время перехода ("опрокидывания") при токах, больших рабочего на 15 — 20 мА, имеет меньшее значение, чем при высоких токах, установленных рекомендациями К.20 и К. 44 (от 0,3 до 15 А), здесь же главное — защитить АТС от малых токов.

Время срабатывания защиты по току при контакте с низковольтной сетью электропитания должно проверяться при начальных токах перегрузки от 0,32 до 15 А, которые терморезистор должен выдерживать без деградации свойств (в том числе, изменения сопротивления после возврата в холодное состояние).

В рекомендациях МСЭ-Т эти токи не заданы прямо, однако эти значения определяются сетевым напряжением (с учетом допусков на него) и величинами регламентированных согласованных сопротивлений. Напряжение 220 В (с допусками по российским стандартам — от 198 до 242 Вэфф) подается на терморезистор в режиме "короткого замыкания" через согласованное сопротивление (от 10 до 600 Ом согласно ОСТ и рекомендациям); собственное начальное сопротивление полимерного терморезистора — минимально 6 Ом, керамического — 25 Ом. Токи этим уже определены: при напряжении 242 Вэфф и резисторе 10 Ом начальный ток через полимерный терморезистор (Polyswitch) равен 15 А; при напряжении 198 Вэфф и резисторе 600 Ом ток через керамический терморезистор равен 0,32 А.

Все остальные значения токов перегрузки при контакте с низковольтной сетью электропитания лежат внутри этого диапазона.

В схемах с "прямым" включением разрядника, рассчитанных на его гарантированное несрабатывание от напряжения (279 — 341) В, максимальный ток через терморезистор в режиме КЗ (имитирующем низкоомную входную цепь абонентского комплекта) может достигать 7 — 15 А {242 В: (R3кв+Rptc)}, где R3кв -10 Ом — минимальное согласованное последовательное сопротивление, эквивалентное сопротивлению жилы от кросса до точки контакта с сетью, a Rptc — номинальное сопротивление полимерного (6 Ом) или керамического (25 Ом) терморезистора.

В схемах с "инверсным" включением разрядника максимальный ток через терморезистор и разрядник (или низкоомную входную цепь абонентского комплекта) может также достигать 7 — 15 А при тех же величинах сопротивлений.

Надо отметить, что в спецификациях на отечественные и импортные терморезисторы с диаметром диска 5 — 7 мм, обычно применяемые в модулях защиты, максимальный начальный ток ограничен значением 1 А, и тем не менее в тех же спецификациях эти терморезисторы рекомендуются в качестве элементов защиты от сверхтоков в соответствии с рекомендациями МСЭ-Т.

С другой стороны, согласно этим спецификациям терморезисторы рассчитаны на максимальное напряжение 240 — 265 Вэфф и выдерживают прямое включение в сеть с напряжением, при котором начальный ток составляет 10 — 40 А.

Контакт с сетью электропитания является очень жестким воздействием, требования к устойчивости оборудования без установленной в кроссе первичной защиты в рекомендациях отсутствуют. Это препятствует определению степени необходимого ограничения этого воздействия в устройстве защиты.

Отсутствие в рекомендациях каких бы то ни было требований к остаточным (после первичной защиты) воздействиям (величина остаточного тока и время срабатывания защиты), которые должно выдерживать оборудование, заставляет создателей и поставщиков средств защиты самостоятельно разрабатывать эти требования с учетом национальных стандартов и типов защищаемого оборудования.

К сожалению, время срабатывания терморезистора нормируется изготовителями при токе не более 1 А и разработчикам устройств защиты приходится подменять изготовителей и самим испытывать терморезисторы при начальных токах, регламентированных рекомендациями МСЭ-Т. Время срабатывания (перехода из низкоомного в высокоомное состояние) должно быть минимальным и на основе проведенных нами испытаний должно быть не более 7 с при токе 0,3 А и 0,1 с при токе 7 А. (Большая часть испытанных керамических позисторов показывают вдвое лучшие результаты).

Установившийся ток после срабатывания защиты не дол­жен превышать 10 мА при согласованном сопротивлении от 10 до 600 Ом. (Типичное значение 5 мА).

Количество циклов срабатывания (воздействие — 1 мин., интервал — 1 мин.) — 500 при Uмакс - 242 Вэфф и начальном токе Iмакс-15 А — без деградации свойств (в том числе выхода за пределы установленных допусков исходного сопротивления после возврата в холодное состояние).

Устойчивость (время выдержки после срабатывания, т. е. в рабочем высокоомном состоянии) — 48 ч при Uмакс-242 Вэфф — без деградации свойств (в том числе выхода за пределы установленных допусков исходного сопротивления после возврата в холодное состояние).

Терморезистор в соответствии с Рекомендацией К.30 МСЭ-Т {табл. 1.2 и 1.3 Приложения 1) должен также выдерживать воздействие следующих перенапряжений:

• напряжение амплитудой 1000 В при форме импульса 10/1000 мкс и токе 25 А в режиме КЗ — 30 воздействий без отказа терморезистора;

• переменное напряжение 650 Вэфф при начальном токе 1,1 А в течение 2 с — 10 воздействий без отказа терморезистора.

Спецификации на керамические терморезисторы в лучшем случае ограничивают воздействие на уровне 400 Вэфф, а на полимерные этот параметр вообще отсутствует.

Выполнение этих требований особенно важно в "инверсных" схемах включения разрядника.

Все выводы этой статьи сделаны из расчета худшего случая сложения допусков (методом "максимум-минимум"), но он более правомочен по сравнению со статистическим подходом по следующим причинам. Здесь мы позволим себе процитировать автора  публикации, одного из наиболее квалифицированных разработчиков в отрасли:

"Очевидно, что широкое применение защитных устройств, которые с вероятностью, например, 99 % не допустят повреждения оборудования, сбоев в его работе и возникновения пожара, экономически нецелесообразно из-за высокой их стоимости.

Кроме того, существует еще одно соображение. Предположим, на кроссе установлены элементы защиты, которые при попадании сетевого напряжения в абонентскую линию защитят оборудование с вероятностью 99 %. Во время пожара в подъезде одновременно на провода а и b всех 50 пар поступает напряжение 220 В относительно земли. Безусловно, корреляция между событиями своевременного срабатывания различных модулей существует. Так как оценить ее без проведения большого количества экспериментов и обработки их результатов невозможно, попытаемся опреде­лить вероятность своевременного срабатывания 50 модулей, используя формулу умножения вероятностей.

Произведя вычисления, получаем следующие результаты:

0,605 при вероятности срабатывания одного модуля 0,99;

0,077 при вероятности срабатывания одного модуля 0,95.

Можно привести и другие доводы, доказывающие, что при стечении обстоятельств даже самые лучшие защитные элементы не смогут предотвратить выход из строя оборудо­вания при протекании опасных токов".

С этими выводами мы категорически не согласны. Все "форс-мажорные" воздействия (в том числе пожары, прямое попадание в абонентские линии молнии и пр.) вынесены в ОСТ и рекомендациях МСЭ-Т за пределы допустимых критериев "А" и "В" приемки результатов испытаний, хотя совершенно ясно, что реальные воздействия на объект могут значительно превышать по уровню требования нормативной документации.

Автор методом "умножения вероятностей" (кстати, неправомочным при высоком коэффициенте корреляции и преобладании систематических погрешностей над случайными) фактически пытается доказать "без проведения большого количества экспериментов и обработки их результатов" ненужность, бесполезность создания надежных средств защиты.

Ссылки на высокую стоимость надежных защитных устройств и максимальную вероятность (0,99) их надежного срабатывания опровергнуты нами именно в результате про­ведения большого количества экспериментов и обработки их результатов. Российский рынок весьма интересен для производителей терморезисторов и разрядников для устройств защиты, и четкие, жесткие требования, тесное сотрудничество позволяют создать надежную защиту на традиционных принципиальных схемах без использования дорогих полупроводниковых элементов, изощренных схем и как следствие — повышения цены защиты.

Разработаны, сертифицированы, производятся модули защиты, обеспечивающие:

• независимость (т. е. универсальность применения) действия первичной защиты от структуры входных цепей оборудования АТС при непосредственном контакте або­нентской линии с низковольтной сетью электропитания 220 В;

• защиту от кратковременных высоковольтных воздей­ствий как с амплитудой импульсов до 1 кВ (УПАТС и город­ские АТС), так и с максимальной амплитудой 4 кВ (сельские АТС), а также защиту от наводок при авариях на ЛЭП и кон­тактных железнодорожных сетях питания;

• местную сигнализацию токовых перегрузок в линии, воз­никающих при контакте абонентских линий с низковольтной сетью электропитания (модули МЗК-4 и МЗК-6).

Модули не содержат в своем составе устройств термозащиты ("fail-safe"), благодаря чему:

• при контакте с сетью электропитания по кабелям и кроссировочным проводам не протекают опасные токи до 15 А (при варианте термозащиты, замыкающей линию на землю);

• модули являются необслуживаемыми и имеют высокий ресурс работы элементов (до 1000 срабатываний защиты по току и напряжению.