Защита систем видеонаблюдения от перенапряжений и перегрузок

Основные причины выхода из строя оборудования видеонаблюдения

Выход из строя оборудования систем видеонаблюдения достаточно распространенное явление, доставляющее «головную боль» как эксплуатационным, так и монтажным организациям. В данной статье мы не будем рассматривать случаи отказов, связанные с проблемами изготовителей видеооборудования (низкое качество, надежность аппаратуры и т. д.), а так же с неправильной эксплуатацией систем видеонаблюдения (ошибки монтажа, несоблюдение требований эксплуатационной документации), поскольку такие отказы носят единичный, случайный характер и укладываются в допустимый процент техотхода.

Другое дело, если смонтированное оборудование достаточно долгое время нормально функционировало, условия эксплуатации соблюдались, но в какое-то время неожиданно произошел массовый выход из строя аппаратуры на объекте. Что явилось причиной массового отказа, почему это произошло и как предотвратить подобные случаи? На эти вопросы мы и попытаемся ответить.

Анализ отказов видеооборудования показывает, что основными “поражающими факторами” для аппаратуры являются разряды молнии, коммутационные импульсные помехи и перенапряжения в сетях питания. Например, для уличных видеокамер статистика отказов из-за помех следующая:

– до 50 % отказов: повреждение или полное разрушение блоков питания видеокамер и цепей, связанных с линиями передачи видеосигнала или телеметрии в результате воздействия разрядов молнии и коммутационных импульсных помех. Типичными последствиями являются повреждение изоляции, выгорание проводников печатных плат, разрушение радиоэлементов.

– До 45 % отказов: повреждение блоков питания видеокамер в результате перенапряжений в сети питания.

Помехи от разрядов молнии. Разряды молнии индуцируют на линиях связи и линиях подачи электропитания высоковольтные импульсы напряжения. Разряд молнии характеризуется громадной разницей потенциалов, который может достигать несколько сотен тысяч вольт и амплитуды токов > 200 кА поэтому, при прямом или близком (десятки - сотни метров) разряде молнии речь может идти только о выходе электронного оборудования из строя, а не о помехах.

Для центральных регионов России интенсивность воздействия грозы составляет приблизительно 50 часов в год, при этом молния воздействует в среднем 2 раза в год на 1 км² местности. Для северных регионов России молния воздействует на 1 км² местности 1 раз в год, для южных – до 5 раз в год. Поэтому, для средней полосы, на линиях связи или линиях электропитания следует ожидать опасные помехи в виде импульсов напряжения 10 кВ один раз в год и до 50 раз в год – импульсы около 1 кВ. Для южных районов с повышенной грозовой активностью частота появления опасных напряжений соответственно увеличивается в 5 раз.

Системы защиты, включающие в свой состав молниеотводы и заземления, предназначены для защиты зданий и людей от поражения электрическим током, но не для защиты электронного оборудования и линий связи [4, 5].

Типичной ошибкой при монтаже видеооборудования “в полевых условиях” является установка видеокамер недалеко от опоры молниеотвода. В таком случае при прямом ударе молнии в молниеотвод все видеооборудование и линия связи будут полностью выведены из строя. О защите от разряда молнии можно говорить только в том случае, если расстояние от места разряда до линии связи видеооборудования составляет хотя бы сотни метров.

Практически в любых импортных и отечественных видеосистемах отсутствуют элементы способные выдержать энергию мощных импульсных помех 10 кВ индуцированных разрядами молнии по цепям сигнала и сети [2, 3].

Коммутационные импульсные помехи. Основным источником возникновения коммутационных импульсных помех являются переходные процессы при следующих операциях в электросети:

– Включение и отключение потребителей электроэнергии (трансформаторы, пускатели, электродвигатели, лампы накаливания и дневного света, и др. аппаратура).

– Аварийные короткие замыкания в сетях высокого и низкого напряжения и их последующее отключение защитными устройствами.

– Источником импульсных помех является городской электрифицированный транспорт, включая метро, а также электрифицированные железные дороги.

Данный тип помех, как правило, представляет собой одиночные импульсы с амплитудой до нескольких киловольт. В соответствии с [1] считается нормой наличие в сети 220 В импульсов коммутационных помех амплитудой до 4,5 кВ длительностью до 5 мкс. Для систем видеонаблюдения помехи с амплитудой свыше 1 кВ являются опасными

Например, при подаче высокого напряжения (10 кВ) на трансформаторную подстанцию (ТП) в низковольтных обмотках из-за емкостной связи возникает импульс амплитудой до 3 кВ. Причем следует отметить, что значительно чаще повреждаются импульсные блоки питания, реже – линейные.

Перенапряжения и провалы напряжения в сети питания. Причины возникновения перенапряжений в сетях питания обусловлены, прежде всего, низким качеством электросетей и невысокой культурой энергопотребления. Поэтому подчеркнем лишь наиболее типичные проблемы электроснабжения. Максимумы напряжения питающей сети, как правило, связаны с минимальной нагрузкой энергосистемы и наблюдаются в ночное время. Наибольшие колебания напряжения в электросети приходятся на начало и конец рабочего дня. Реально на промышленных объектах возможны периодические (день – ночь) колебания электросети 220 В от 160 В до 260 В с кратковременными повышениями до 300 В. Перенапряжения в электросети выводят из строя импульсные и линейные блоки питания.

Отдельно можно выделить две распространенные монтажные ошибки, приводящие к перенапряжениям:

– Перекос фаз сети электропитания из-за перегрузки одной фазы потребителями электроэнергии.

– Перегрузка нейтрали электросети из-за меньшего сечения проводника у нейтрали, чем у фазы.

Любая система видеонаблюдения в соответствии с требованиями безопасности, предъявляемыми к электромонтажу оборудования, аппаратура должна быть заземлена и должна иметь только одну точку заземления, предпочтительно на приемном конце.

Экранирование с обязательным заземлением ослабляет помеху в среднем в 100 раз. При воздействии атмосферных разрядов (при ударе молнии в землю на расстоянии 1000 м от системы видеонаблюдения) в линии связи может навестись опасное напряжение с амплитудой свыше 10 кВ. В данном случае экранирование ослабит помеху до 100 В, что может спасти аппаратуру.

Реально, особенно в многоканальных системах установщики видеооборудования по тем или иным причинам не выполняют или просто игнорируют правило заземления аппаратуры в одной точке. Часто это требование нельзя выполнить по очень простой причине: в недорогой зарубежной и отечественной аппаратуре входные и выходные разъемы BNC не изолированы от корпуса, корпус выведен на заземляющий контакт питающей вилки, который в свою очередь соединен с клеммой зануления сети 220 В, т. е. в качестве земляной шины используется ноль электрической сети. В системе образуются несколько точек зануления и, соответственно, присутствие «блуждающих токов заземления», что приводит к разнице потенциалов между двумя любыми точками зануления. Для удаленных объектов и, соответственно, для протяженных линий связи при грозовых разрядах разница потенциалов может достигать десятки киловольт за счет протекания через образованные паразитные контуры.

Цепи стекания заряда должны быть обязательно заземлены (а не занулены), иначе эффективной грозозащиты не будет.

Определить наличие паразитных контуров заземления можно, измерив вольтметром напряжение между корпусом приемного оборудования и не подсоединенным кабельным разъемом линии связи. Наличие напряжения переменного тока говорит о том, что при подсоединении кабеля к приемной аппаратуре возникнет паразитный контур заземления, который, скорее всего, приведёт к неисправностям системы видеонаблюдения. Устранение данной ситуации возможно при грамотном монтаже системы видеонаблюдения, а именно обязательном заземлении всей системы в одной точке, лучше на приемной стороне системы. Если, по каким-либо причинам, это невозможно, то необходимо принимать специальные меры для защиты видеооборудования. Самым эффективным решением в данном случае является гальваническая развязка передающего и приемного видеооборудования (изолирующие трансформаторы, оптоэлектронные приборы и т.п.). Приборы гальванической развязки включаются в разрыв кабельной линии связи и тем самым разрывают паразитный контур заземления.

При правильно выполненной схеме построения системы при воздействии электромагнитных импульсов высоких энергий на проводные трассы (грозовые явления, коммутационные искрения сильноточной аппаратуры и т.п.) не происходит выхода аппаратуры из строя в связи с тем, что потенциал земли во всей системе поднимается одновременно на время стекания наведенного заряда.

При анализе отказов систем видеонаблюдения, как правило, выявляются:

– отсутствие каких-либо специальных средств защиты от импульсных помех, грозовых разрядов и перенапряжений по цепям питания;

– отсутствие специальной аппаратуры защиты от грозовых разрядов по цепям передачи видеосигнала и телеметрии;

– недостаточное экранирование линий передачи видеосигнала, телеметрии и питания (экран коаксиального кабеля не является серьезным препятствием для повреждения аппаратуры грозовыми разрядами);

– конструктивные недостатки видеосистем, приводящие к возникновению «блуждающих» токов заземления;

– не квалифицированный монтаж видеооборудования (монтаж рядом с молниеотводами и прокладка длинных сигнальных цепей параллельно высоковольтным линиям, отсутствие защитных средств, и т. д.).

Элементы защиты (см. статью «Применение устройств защиты систем видеонаблюдения»), способные "сливать" энергию грозовых разрядов на землю выпускаются отдельно и устанавливаются на вводе линий связи и электросети в здания, а для уличных камер – на вводе в термокожух.

В статье использовались ссылки на следующие стандарты:

1. ГОСТ 13109-97 Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.

2. ГОСТ Р МЭК 60065-2002 Аудио-, видео- и аналогичная электронная аппаратура. Требования безопасности.

3. ГОСТ Р 50009-2000 Технические средства охранной сигнализации. Требования и методы испытаний.

4. РД 34.21.122-87 Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений.

5. ГОСТ 12.1.019-79 Система стандартов безопасности труда. Электробезопасность. Общие требования и номенклатура видов защиты.

По материалам сайта http://www.sinf.ru/