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无线电电子与电气工程百科全书 本地网络的防雷保护。 无线电电子电气工程百科全书
本地计算机网络的开发者必须面对的问题之一是确保网络设备对各种外部影响的抵抗力。 防雷装置具有特殊的作用。 随着“家庭网络”的发展，这个问题变得非常严重，因为很大一部分设备由于静电而发生故障。 防雷装置的话题传统上是无线电业余爱好者和专业人士讨论最多的话题之一，并且被各种神话和不准确的内容所笼罩。 所提出的文章回答了这样的问题：设备是否能够承受过于强大的雷电放电的影响，并确定保护有源设备的方式和方法。 早在我们这个时代之前，人们就已经尝试过防止雷电放电。 在埃及的考古发掘中，在被毁坏的寺庙的墙壁上发现了铭文，由此推断，寺庙周围安装的桅杆是为了抵御“天火”。 闪电放电的振荡性质甚至在 G. Hertz 的实验工作之前就已被证明。 事实证明，除了水滴、灰尘颗粒和冰块高速运动产生的显着静电势之外，闪电放电还充当强大的无线电发射器，产生强烈的电磁辐射，这一点很重要。 该辐射的频谱组成在几赫兹到几十千赫兹范围内，其中最高密度在 5...8 kHz 区域。 为此，设备与双绞线（LVVP）制成的信息线路的变压器去耦往往是无能为力的。 巨大的电源干扰穿过隔离变压器，不会破坏它，但会损坏电子设备。 研究表明，这种脉冲的持续时间可以从1到500微秒甚至更长，电压可以从数百伏到数十千伏。 经过世界各个实验室的长期研究，得到了雷电放电脉冲的平均参数。 在长度以公里为单位的电力线和电话上，可能存在高达 20 ... 25 kV 的电压脉冲和高达 10 kA 的电流。 在数百米长的较短线路中，会感应出高达 6 kV 的电压脉冲和高达 5 kA 的电流，而在穿过建筑物内部的线路中，则感应出高达 6 kV 和高达 500 A 的电流。 根据网站公布的统计数据，连接到由非屏蔽双绞线制成的架空线路的设备“存活”百分比只有2%。 笔者在为其中一家企业的本地网络提供服务时获得的数据，作为一个整体，充分证实了上述内容。 即使在砖砌建筑内，连接同轴电缆线路的设备发生故障也并不罕见。 在这种架空线路上，如果没有特殊的保护措施，设备实际上“不带电”。 我们立即注意到，针对此类影响没有绝对的保护措施，但毫无疑问，基于保护装置的成本、复杂性和有效性之间的合理折衷，可以将损失降至最低。 当然，使用“经典”方法很好：改用光缆、放弃明线、屏蔽电缆系统，但有时由于成本高昂且安装复杂，这一切对于中小型网络来说并不适用。 因此，请考虑雷暴期间设备故障的主要原因。 1. 由于雷雨云中积累的固定电荷的影响，电缆和设备上形成静电。 空气管路最容易受到静电荷的影响。 此外，在冬季降雪期间和夏季所谓的“沙尘暴”期间的干燥天气中也会积聚大量电荷。 主要的保护方法是通过将屏蔽层和（或）导电导线接地并在电缆两端安装避雷器来确保消除静电。 在这里，避雷器的正确接地和可靠性对消除大电流提出了很高的要求。 2. 电缆系统中由于暴露于雷电放电产生的强大电磁场而产生高压脉冲。 如果使用的 LVVP 未屏蔽，则由于暴露于强大的电磁波，每个扭转步骤都会感应出一个小电压，在几毫伏之内。 如果 LVVP 做得很完美并且电路面积相同，则总感应电动势接近于零。 实际上，绞合节距远非相同，因此基本电动势不存在完全的相互补偿，并且电缆越长，由于雷电产生的电磁脉冲，一对导体之间的电压就越高。 这个电压可以达到几百伏。 保护的主要方法是屏蔽，在电缆末端安装等电位保护装置，此时电缆中任意两根导线之间的最大电压不超过7 ... 10 V。相对于地超过数百伏的电位会降低避雷器的性能。 3. 电源电压的投掷。 这是设备“完全”失效的一个相当常见的原因。 在220V网络中，经常会出现高达几千伏的电压浪涌。 造成这种情况的原因是变电站熔断器的运行、雷电放电、其他强大能源消耗者的干扰。 传统的保护方法——提高标准电源的可靠性、使用不间断电源和防止网络过压的保护装置。 4.改变接地装置的电位。 当闪电放电接近地球表面时就会发生这种情况。 设备故障的主要原因是安装距离较远的设备接地母线电位差较大。 在这种情况下，电缆线路和I/O电路中流过非常大的均衡电流，从而损坏电子或电气设备。 在这种情况下，严格遵守接地装置的安装规则，可以将损失降到最低。 销售领先地位之一是由ARS生产的家用防雷器（LG）ProtectNet。 然而，凭借非常实惠的价格和外部吸引力，这些 HDL HA 并非没有缺点。 其中使用的金属氧化物压敏电阻虽然速度高且价格非常低，但无法可靠地保护非屏蔽架空线路上的设备。 它们上的残余电压可能比受保护设备允许的最大允许电压高几倍。 这是由于压敏电阻的非理想电流-电压特性以及电压对流过压敏电阻的电流脉冲幅度的依赖性。 还应该考虑到，如果接近极限的电流流过保护元件，保护元件会逐渐改变其参数，从而降低性能。 在这种情况下，压敏电阻的内阻减小，最终闭合受保护线路。 几乎在架空线路上运行几年后，设备的保护性能就会丧失，损耗也会增加，因此不可能在长距离高速网络中使用它们。 在许多国产UG中，要么使用氖灯，要么使用荧光灯启动器的“氖”灯作为避雷器。 这主要是由于此类保护元件的成本较低。 在笔者看来，这样的解决方案并不是很成功，因为霓虹灯的击穿电阻较高，而且速度较低。 对建筑物之间延伸的百米非屏蔽HDTV 100兆网络的长期测试表明，该设备的示意图如图1所示。 1.它是基于VD16 VD17二极管的多相二极管电桥，其对角线包括一个保护二极管VD8，它将任意两个线路导体之间的电压限制在1V左右的水平。使用Transil限流二极管是因为此类器件的参数与齐纳二极管有显着差异。 例如，钳位二极管的响应时间小于几皮秒，峰值功耗（1500毫秒内）为XNUMXW。
线路连接到 XS1 连接器，网络设备连接到 XS2 连接器。 将 UG 连接到网络设备的电缆必须具有最小长度。 信息电缆的每根导线均通过充气避雷器 F1-F4 连接到地面，确保消除超过 90 V 的静电势。专用避雷器 Epcos T83-A90X 允许通过持续时间为 10/8 μs 的 20 kA 脉冲电流，这是雷电放电的特征。 使用双避雷器只是出于经济考虑，您可以使用符合上述要求的任何避雷器来代替它们。 可以使用允许反向电压至少为1V、工作频率高于4007kHz的进口和国产同类整流二极管来代替二极管1N16（VD1000-VD10）。 UG 组装在厚度为 1,5 毫米的双面箔玻璃纤维制成的印刷电路板上。 该装置的印刷电路板图如图2所示。 XNUMX.
元件侧面板上的箔片充当屏蔽；仅在部件引线附近去除它，从而埋头孔。 避雷器的中间端子从零件侧面直接焊接到箔片上。 将接地导体插入直径为 2 mm 的孔中并焊接到板的两侧。 为了减少串扰，跳线 1 和 2,3、6 和 4、5 和 7、8 和 3 可以成对绞合两匝或三匝。 组装好的UG板外观如图XNUMX所示。 XNUMX.
该设备安装在标准双插座 RG45B 中（图 4）。
由于该插座中 XS1 和 XS2 连接器引脚的编号彼此相反，因此必须在印刷电路板上使用跳线。 如果是其他安装选项，则可以排除 UG 跳线。 从插座板上拆下常规刀连接器，并焊接弯曲引脚（图 5），并在其上安装 UG 板（图 6）。
如果不需要保护电缆的所有八根导线，UG可以按照图7所示的简化方案进行组装。 2. 未使用的导线连接在一起并通过避雷器 F81 (Epcos N90-AXNUMXX) 连接到地。
为了保护电源免受 220 V 网络中的短时电压冲击，使用了一种装置，其电路如图 8 所示。 XNUMX.它包含在尽可能靠近电源的电源线断点中，例如内置于电源插座中。
如果设备低压（9…12V）供电线路的长度为数米或更长，例如通过自由线对或非屏蔽线供电，则需要安装UG，其按照图8的方案组装。 1.5、其特征在于，不再使用两个，而是仅使用一个18KEXNUMX钳位二极管，通过负极连接到电源正极。 该设备尽可能靠近低压直流电源电路断路时的有源设备连接。 所有类型的 UG 都需要强制连接到接地或保护中性点，我们假设在我们的例子中，这是相同的。 如果没有它，所有防雷措施实际上都为零。 让我们详细讨论有关 UG 接地的要点。 根据电气安装规则（PUE），住宅楼内的电网由一相（L）、工作零线（N）和保护零线（PE）组成，连接到层站的配电盘外壳和公寓插座的中间触点。 如果您的房屋是 1998 年之后建造的，那么很有可能已将保护零线连接到插座。 您可以通过将相对于相位的电压为 220 V 的白炽灯首先连接到中性线，然后连接到插座的中间触点来检查其是否存在。 在这两种情况下，灯都应该明亮且均匀地燃烧，如果当灯连接到中间触点时触发屏蔽中的剩余电流装置（RCD），这只会确认保护零的存在 如果没有将保护零带带入房间，则必须自行携带。 这需要横截面至少为 1,5 mm2 的电线，越大越好。 导线的一端固定在与配电盘外壳相连的母线的任一自由螺栓下方，另一端连接至插座或UG的接地触头。 不允许使用加热电池或水管作为保护零位。 原因之一是这种“接地”的电阻较高。 此外，在某些情况下，电池上的电位可能不为零，例如，如果邻居因接线中的中性导体断裂而使用管道作为工作零，这是严格禁止的。 尽管理论上建筑物的地下室应该有一个电位均衡系统，但实际上什么都没有。 如果城市公寓中的一切都或多或少是清楚的，那么对于农村房屋等业主来说，决定正确选择保护接地就不容易了。 通常，220V电压通过架空电力线提供给农村房屋，使用工作零作为保护零是危险的。 如果发生紧急情况（电源线上的中性线断裂、树木倒在电源线上等），中性线上可能会出现非零电位，最高可达相电压。 此时，可采用自然接地电极作为保护接地装置。 PUE第1.7.70段对此指出：“建议使用以下作为自然接地导体：敷设在地下的水和其他金属管道，但易燃液体、易燃易爆气体和混合物的管道、污水和集中供暖管道除外；井套管；与地面接触的建筑物和构筑物的金属和钢筋混凝土结构；水工建筑物、导管、闸门等的金属分流器；电缆的铅护套；电缆的铝护套不允许用作自然接地导体。如果电缆护套作为唯一的接地导体，则当电缆数量至少为两根时，在计算接地装置时必须将其考虑在内；高压线（VL）支架的接地导体通过防雷线架空线连接到电气装置的接地装置。如果电缆未与架空线支架隔离；1 kV以下的零线架空线，具有多条架空线重复接地开关至少两个； 主要非电气化铁路的铁轨和通路，铁轨之间有意布置跳线。 我还想指出的是，根据PUE，“不允许将各组线路的零工作导体和零保护导体组合在一起……”，即必须仅从一端将导电导线、电缆悬挂电缆和电缆中未使用的导体接地（零）。 事实上，如上所述，当雷电近距离放电到地面时，接地装置的电位会发生显着变化。 此外，远距离接地点之间的电位差可能非常大，并且两端均为“硬”接地，因此会产生大量均衡电流流过电缆和设备。 与所描述的类似，UG供电和信息线不仅可用于保护HDPE，还可用于保护电话、消防和防盗报警线、视频监控系统以及其他远距离数十米以上有源设备的信息和供电线，特别是在室外操作。 作者：D.Malorod，科夫罗夫，弗拉基米尔地区
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