Pomoshnichkov.ru
Средства и способы защиты от сетевых возмущений
Вредное воздействие помех
Напряжение питания, действующее в электрической сети, в идеальном случае должно иметь в течение длительного периода времени синусоидальную форму, амплитуду 220 В и частоту 50 Гц. В действительности сетевое напряжение далеко от этих условий. В сети могут иметь место следующие отклонения от нормы.
Импульсная перегрузка, а также бросок напряжения, импульсная сетевая наводка, импульсная перегрузка, английский эквивалент surge. Быстрое и кратковременное повышение напряжения (перенапряжение) до 110%. Длительность surge может составлять от нескольких миллиардных до нескольких тысячных долей секунды (миллисекунды). Возможная причина — выключение оборудования, потребляющего большую мощность. Последствия — потеря информации в памяти, ошибки в данных, отключение оборудования.
Высоковольтные всплески (англ. экв. spike) — резкое повышение напряжения вплоть до 6000 В длительностью от 10 мс до полупериода. Источники — удары молний, статические и дуговые разряды, переходные процессы при включении/выключении мощного оборудования. Воздействие на ПК и периферии проявляется в потере данных и содержимого памяти, сгорании цепей.
Провал напряжения (sag) — мгновенное 15...100%-ное снижение напряжения источника питания переменного тока. Может длиться от нескольких единиц до нескольких сот миллисекунд. Вызывается включением мощного электрооборудования, в том числе пусковыми токами электромоторов. Приводят к тем же последствиям, что и подъемы напряжения.
Электромагнитные помехи или шумы (EMI — electromagnetic interference or noise) — нежелательные электрические шумы, присутствующие в электросети. Эти шумы могут «просачиваться» и воздействовать на оборудование, которое даже не подключено к этой сети. Возникают в результате гальванических или индуктивных наводок, источником которых служит различное электрооборудование (электромоторы, реле, мощные широковещательные радиостанции, источники микроволнового излучения и грозы). Обычно приводит к ошибкам или потере данных, блокировке клавиатуры и (или) системы. Шумовые сигналы, действующие на значительных расстояниях, называются RFI (Radio Frequency Interference — радионаводки). Силовые кабели оборудования и зданий часто действуют как антенны, принимая радионаводки (RFI) и преобразуя их в EMI.
Изменение частоты (frequency variation) — отклонение частоты от номинального значения более чем на 3 Гц, связано с нестабильностью частоты генератора. Типовые последствия: блокировка клавиатуры, ошибки при выполнении программ, нарушение целостности данных и неисправности дисковой системы.
Пониженное напряжение (brownout) — состояние сети переменного тока, когда напряжение ниже нормы (провалы напряжения). Продолжительность такого состояния менее секунды относят к провалам (sag). Вызывается включением мощного оборудования или перегрузкой сети, а иногда создаются производителями электроэнергии для снижения расхода энергии в часы пик. В результате многочисленных проводимых исследований выяснено, что именно это состояние электрической сети создает большинство проблем (около 87%), воздействующих на компьютеры.
Полное отключение (blackout) — нулевое значение напряжения в течение более двух периодов. Может быть вызвано разрывами цепи, неисправностями распределительного щита или аварией на электростанции. Приводит к повреждению файлов, потере и искажению данных, выходу аппаратуры из строя. Виды помех, причины, что их вызывают и последствия для ПК и периферии, приведенные выше, сведены в таблицу.
Виды помех, причины их появления, воздействие на аппаратуру
|
Виды помех |
Причины |
Последствия |
|
Кратковременное снижение напряжения |
Пусковой ток электрооборудования (электродвигателей, холодильников, лифтов, дрелей и т.п.) |
Уменьшение сроков службы электродвигателей, зависание компьютеров |
|
Отключение (полное отсутствие напряжения в сети) |
Чрезмерное потребление в сети, авария или обледенение линии |
Неработоспособность всего электрооборудования, потеря текущих данных в компьютере |
|
Импульсное перенапряжение |
Обычно возникает в результате близкого удара молнии или при восстановлении напряжения после аварии на линии |
Катастрофическое повреждение оборудования, перегорают лампочки, предохранители и т.п. Потеря данных в компьютере |
|
Всплеск |
Включение/выключение мощных электродвигателей, нагреватлей, кондиционеров |
Преждевременное разрушение электрического и электронного оборудования |
|
Шумы |
Одновременное действие многих факторов, электромагнитные наводки от линий передач, мощных радиопередатчиков и т.п. |
Сбои и неустойчивая работа компьютеров |
Таким образом, риск, которому может быть подвержено электрооборудование, подключенное к сети переменного тока, вследствие воздействия помех различного происхождения достаточно велик. Действие помех может оказаться значительным, несмотря на наличие элементов защиты в самом блоке питания (если, конечно, он достаточно высокого качества). Однако, некоторые производители источников питания пренебрегают установкой этих элементов, по крайней мере, в источниках питания системных модулей.
Базовые технологии устройств защиты
На сегодняшний день можно различить несколько базовых технологий и, соответственно, реализующих их типов устройств, которые способны защитить систему в критических режимах работы. Простейшими из них являются устройства для подавления выбросов напряжения:
- фильтры-ограничители (surge suppressor/protector);
- сетевые фильтры (line conditioner).
Первые обычно реализуются схемой, содержащей металл-оксидные варисторы, конденсаторы и индуктивности, вторые строятся на базе трансформатора, сглаживающего флуктуации входного напряжения. Остальные технологии реализуются с помощью источников бесперебойного питания.
Устройство сетевого фильтра
На устройства подавления выбросов напряжения и сетевые фильтры возложена функция защиты подключенного оборудования, и имеются элементы подавления помех, распространяющихся по сети. Эти функции реализуются типовыми элементами. К ним относятся:
- размыкатель (для отключения сети в случае короткого замыкания);
- ограничитель напряжения;
- собственно фильтр.
Ограничение напряжений осуществляется разрядниками и варисторами. Разрядники могут быть газовыми и обеспечивают защиту оборудования от значительных перенапряжений, вызываемых, например, грозовыми разрядами, варистором ограничивается напряжение в небольших пределах. Защита от длительных перенапряжений обеспечивается автоматическими выключателями. Незначительные отклонения сетевого напряжения устраняют фильтры, которые могут быть:
- емкостными;
- индуктивными;
- индуктивно-емкостными.
Варисторы
Простейшими подавителями (ограничителями) выбросов для защиты входных цепей блока питания от перенапряжения являются металл-оксидные варисторы, включенные параллельно проводникам электрической сети. В момент воздействия помехи сопротивление этих элементов резко уменьшается. При этом линия питания оказывается зашунтированной низкоомным сопротивлением варистора. Таким образом, осуществляется ограничение напряжения линии на определенном уровне.
В некоторых случаях напряжение на линии может многократно превышать номинальное напряжение. Например, в момент грозовых разрядов напряжение на линии может достигать величины в 6000 В. В тоже время, при использовании подавителей на входе блока питания напряжение не будет превышать 220 В.
Варисторы не могут рассеивать большую мощность, при нескольких сериях выбросов помех они перегорают. В связи с этим варисторы имеют ограниченный срок службы. При эксплуатации устройств подавления выбросов напряжения достаточно сложно проверить их работоспособность. Наличие индикатора исправности, применяемых в сетевых фильтрах, может облегчить эту задачу. Кроме варисторов, дополнительно в цепь одного или обоих сетевых проводников включаются резисторы малой величины или дроссели.
Защита от высоковольтных всплесков
Как уже отмечалось, в сети возможны также и высоковольтные всплески, защиту от которых могут обеспечить только высоковольтные разрядники, включаемые на входе подавителей (фильтров) параллельно линии. Разрядники по месту включения предшествуют всем другим видам защиты и являются элементами первичной защиты. Естественным требованием, непосредственно возникающим при этом, есть согласование уровней защиты, т.е. для каждого уровня помехи включается своя защита (рис. 3.1).
Наличие емкостного характера входного и выходного полных сопротивлений является обязательным условием для фильтров. При выполнении этого условия вход и выход фильтра начинаются с конденсатора. Такой подход ослабляет влияние подводящих линий или нагрузки на уровень действующих помех. Конденсаторы, обозначаемые на схеме Сх (рис. 3.2) эффективны для подавления синфазных помех, подключаются между сетевыми проводами, рассчитываются на рабочее напряжение порядка 1,2 кВ. Конденсаторы Су, подключаемые между сетевыми проводами, средняя точка которых соединяется с корпусом устройства, эффективны для подавления дифференциальной помехи. Они обладают ограниченной емкостью и повышенной электрической и механической надежностью. Ограничение емкости обеспечивает малое значение тока, проходящего через конденсатор при переменном напряжении, и уменьшает заряд на конденсаторе до уровня, который не опасен при постоянном напряжении.