Protección de los sistemas de alarma contra incendios contra rayos pulsados y sobretensiones de conmutación .
Este artículo analizará las cuestiones de protección contra rayos pulsados y sobretensiones de conmutación de equipos de alarma contra incendios.
El artículo está destinado a técnicos especialistas involucrados en la instalación y operación de equipos de alarma contra incendios.
El intercambio de experiencias con otros fabricantes, así como con representantes de organizaciones instaladoras y operadoras, confirma que el fallo de los equipos debido a descargas de rayos es un hecho bastante común.
Y no se trata sólo de la calidad del equipo, errores de instalación o violación de las reglas de operación. El mismo equipo puede funcionar correctamente durante años en algunas instalaciones y fallar periódicamente en otras. Las desagradables consecuencias de las sobretensiones pulsadas se manifiestan no sólo en fallos de los equipos.
Los fallos no son menos peligrosos.
Por ejemplo, se conocen casos de arranques en falso de sistemas automáticos de extinción de incendios: en este caso, el equipo está en buen estado de funcionamiento, se activa la protección de los circuitos de arranque, protegiendo los interruptores electrónicos de salida de la destrucción.
Sin embargo, el detonador se activa, ya que la corriente inducida por la interferencia es suficiente para su explosión.
Los intentos de utilizar algunos dispositivos de protección adicionales aumentan el costo del equipo e instalación, pero tampoco dan un resultado notable.
Entonces, ¿por qué fallan los equipos confiables y cómo solucionarlos?
Fuentes de sobretensiones peligrosas.
1 . La descarga de rayos es la fuente más poderosa de sobretensiones.
Durante la descarga de un rayo, surgen enormes corrientes en su eje, cuyo flujo crea potenciales de voltaje peligrosos.
Los sistemas de protección contra rayos, que incluyen pararrayos y puesta a tierra, están diseñados para proteger edificios y personas de descargas eléctricas, pero no para proteger equipos electrónicos y líneas de comunicación.
Por lo tanto, un rayo directo Un impacto en un edificio casi siempre provoca fallos en los equipos electrónicos.
Podemos hablar de una protección real contra la descarga de un rayo si la distancia hasta él es de al menos cientos de metros.
Afortunadamente, un rayo directo es algo bastante raro.
Por lo tanto, se debe considerar que el impacto más probable en el equipo OPS es el impacto de un pulso electromagnético que surge entre las nubes y la caída de un rayo remoto en el suelo.
Para las regiones centrales En Rusia, la intensidad del impacto de una tormenta es de aproximadamente 50 horas al año, con En este caso, los rayos afectan 1 km2 de terreno en promedio dos veces al año.
Para el norte En las regiones de Rusia, los rayos afectan 1 km2 de terreno una vez al año, en las regiones del sur, hasta cinco veces al año.Por lo tanto, para la banda media en líneas de comunicación o líneas eléctricas se deben esperar interferencias peligrosas en forma de pulsos de voltaje de 10 kV una vez al año y hasta 50 veces al año: pulsos de aproximadamente 1 kV.
Para el sur En áreas con mayor actividad de tormentas eléctricas, la frecuencia de aparición de voltajes peligrosos, en consecuencia, aumenta cinco veces.
Cabe señalar que las tormentas no son la única fuente de sobretensiones que pueden dañar los equipos electrónicos, existen otros motivos que pueden crear impulsos bastante potentes; Estos incluyen tres grupos grandes más.
2. Ruido de impulso de conmutación.
La principal fuente de ruido impulsivo de conmutación son los procesos transitorios durante las siguientes operaciones en la red eléctrica:
Encendido y apagado de consumidores de electricidad (motores eléctricos, lámparas incandescentes). y lámparas fluorescentes, computadoras y otros equipos).
Encendido y apagado de circuitos de alta inductancia (transformadores, arrancadores, etc.).
Cortocircuitos de emergencia en redes de baja tensión y su posterior apagado mediante dispositivos de protección.
Cortocircuitos de emergencia en redes de alta tensión y su posterior parada mediante dispositivos de protección.
Encendido y apagado de instalaciones eléctricas de soldadura.
La fuente del ruido impulsivo es el transporte urbano electrificado, incluido el metro, así como los ferrocarriles electrificados. Este grupo de interferencias, por regla general, representa pulsos únicos con una amplitud de hasta varios kilovoltios.
De acuerdo con GOST, la presencia de pulsos de ruido de conmutación con una amplitud de hasta 4,5 kV en una red de 220 V se considera aceptable hasta 5 ms.
En realidad, la frecuencia de aparición de interferencias de un solo pulso con una amplitud de hasta 300 V es en promedio de 20 interferencias por hora para las empresas industriales y de 0,5 interferencias por hora para los edificios residenciales.
Las interferencias más peligrosas con una amplitud de 1 a 10 kV constituyen hasta el 0,1% del número total de ruido impulsivo.
Así, en una oficina ubicada en el territorio de una En una empresa industrial, los equipos electrónicos están expuestos en promedio a fuertes interferencias tres veces por semana, y en un edificio residencial, hasta cuatro veces al año.
Además del ruido de pulso único a lo largo de los circuitos de energía, se produce ruido de pulso periódico asociado con el funcionamiento de lámparas fluorescentes, convertidores de fuente de alimentación, etc.
Este tipo de ruido alcanza una amplitud de hasta 1 kV y se caracteriza por un espectro más amplio y provoca fallas y daños al equipo.
La conmutación de ruido impulsivo de diversas duraciones a lo largo de los circuitos de alimentación de 220 V de la mayoría de los equipos de alarma contra incendios en condiciones normales de funcionamiento puede dañarlos sólo si la amplitud del ruido excede 1 kV.
Probabilidad de El daño a los equipos debido a los circuitos de suministro de energía aumenta muchas veces en condiciones de alta humedad o en condiciones de mucho polvo, lo cual es típico de las instalaciones industriales.
Daños a las unidades de suministro de energía de los equipos de alarma contra incendios es consecuencia de la exposición al ruido pulsado a través de la red eléctrica.
Cabe señalar que las fuentes de alimentación conmutadas se dañan con mucha más frecuencia y las lineales con menos frecuencia.
3. Sobretensión y caídas de tensión en la red eléctrica
Las causas de la sobretensión en la red eléctrica se deben principalmente a la mala calidad de las redes eléctricas y a los bajos estándares de consumo de energía. . Por lo tanto, destacaremos sólo los problemas más típicos del suministro eléctrico.
El voltaje máximo de la red de suministro generalmente está asociado con la carga mínima del sistema eléctrico y se observa por la noche. Las mayores fluctuaciones de tensión en la red eléctrica se producen al principio y al final de la jornada laboral.
En realidad, en las instalaciones industriales, las fluctuaciones periódicas (“día-noche”) de la tensión Red eléctrica de 220 V de 160 V a 260 V con aumentos de corta duración hasta 300 V.
Las sobretensiones en la red eléctrica desactivan los circuitos de protección contra sobretensiones simples estándar (varistores, etc.), conmutando fuentes de alimentación. Por separado, podemos destacar dos errores comunes de instalación que conducen a sobretensiones:
desalineación de fases de la red eléctrica debido a la sobrecarga de una fase por parte de los consumidores de electricidad;
sobrecarga del neutro de la red eléctrica debido a una sección transversal más pequeña del conductor en el neutro que en la fase.
4. La carga electrostática que se acumula durante el funcionamiento de los equipos tecnológicos es interesante porque, aunque tiene poca energía, se descarga en un lugar impredecible.
Vías de penetración de sobretensiones de pulso en equipo de alarma contra incendios.
Independientemente de la fuente de la sobretensión, las rutas de penetración de la sobretensión son similares. La principal condición para la penetración, además de la fuente de sobretensión, es la presencia de una línea larga en la que se produce interferencia.
Dichas líneas son:
1. Cables para conexión a un ordenador RS-232.
2. Bucles de alarma de umbral analógico.
3. Cables de alimentación de baja tensión (12 V) de las unidades.
4. Cables para alimentación de alto voltaje (220 V) a las unidades.
5. Conexión de cables de llaves electrónicas con carga.
6. Bucles digitales de alarma contra incendios direccionables.
7. Conexión de cables de relés optoelectrónicos con carga.
8. Conexión de cables de relés electromecánicos con carga.
9. Circuitos de arranque automático de extinción de incendios.
10. Cables de vídeo analógico.
11. Interconecte los cables LAN.
12. Cables de red CAN Interblock;
Esta lista está clasificada según el grado de resistencia a las sobretensiones. De la lista anterior se desprende la ventaja de los sistemas distribuidos basados en la interfaz CAN.
Consideremos con más detalle los mecanismos de la influencia del ruido de pulso de alto voltaje en las líneas de conexión.
Cuando un rayo cae sobre objetos ubicados en las inmediaciones de los lugares de instalación de la red, debido a la propagación de las corrientes del rayo, el potencial del edificio y del PC puede aumentar a un valor significativo.
El La distribución de potenciales sobre la superficie terrestre dependerá de la distancia al epicentro del rayo y de la potencia de la descarga del rayo.
El ejemplo dado (Fig. 1) muestra la distribución del potencial en un suelo arcilloso (resistividad p = 60 Ohm*m) dependiendo de la distancia al lugar del impacto del rayo.
Rayo La corriente es de 20 kA. De la figura se desprende que cuando un rayo cae entre edificios, se forma una diferencia de potencial de 6,4 kV, lo que provocará la salida de los equipos conectados mediante un cable UTP.
El uso La utilización de pararrayos en este caso ayuda a reducir significativamente el potencial peligroso.
Fig. 1. Distribución de potencial cuando el rayo impacta en el suelo. El suministro de energía se realiza desde dos subestaciones diferentes
Higo. 2. Las principales vías de penetración de sobretensiones en edificios y estructuras de instalaciones de seguridad.
Entonces, los pulsos electromagnéticos externos, independientemente de la fuente que los generó, conducen a la formación de una diferencia de potencial a lo largo de una línea de comunicación extendida. El valor de la diferencia de potencial depende de la intensidad del campo electromagnético externo, la velocidad de su cambio, la longitud de la línea de comunicación y puede alcanzar decenas de kilovoltios en determinadas condiciones desfavorables.
Protección contra sobretensiones.
Para proteger un objeto de los efectos de cualquier tipo de sobretensión, primero es necesario crear un sistema eficaz de puesta a tierra y ecualización de potencial.
En este caso, es deseable cambiar a sistemas de energía TN-S TN-C con conductores neutros y de protección separados. La figura de la derecha muestra un diagrama de dicha conexión de 3 cables.
El tercer cable PE se usa para conectar a tierra el equipo y está conectado a la tierra física en el mismo punto con el cable neutro N.
Los cables neutro y de fase están protegidos. El exceso de potencial se “drena” hacia el suelo a través del cable PE.
La combinación de cables PE y N perjudica la protección. Los principios básicos del uso de dispositivos de protección contra sobretensiones se analizan en [3].
Un método eficaz de protección es la división de zonas del objeto.
En una instalación dividida en zonas, al pasar de una zona a otra, los valores máximos de sobretensiones se limitan a los niveles permitidos en una zona determinada. Cuanto mayor sea el número de zona, menores serán los valores de los niveles de ruido impulsivo permitidos.
Como dispositivos de descarga de la primera etapa de protección, se utilizan pararrayos: dispositivos de descarga de gas que tienen un cierto voltaje de ruptura, al que su resistencia disminuye bruscamente.
Después de pasar por la primera etapa (descargador), el potencial de línea se limita al potencial de ruptura, que normalmente es de ~350 a 500 V para pulsos cortos; para procesos de avería de larga duración es de unos 90 V (casos de tensiones peligrosas de otras fuentes, por ejemplo, cuando un cable de alimentación cae sobre una línea).
Tenga en cuenta que el uso de Los fusibles no funcionarán, ya que su tiempo de reacción al impulso excede significativamente el tiempo de la propia sobretensión.
Para limitar aún más el voltaje peligroso, se realiza una segunda etapa de protección. Está separada de la primera etapa de protección por elementos limitadores de corriente (choques, resistencias).
La segunda etapa generalmente se construye sobre diodos Zener o supresores.
Limitan aún más el voltaje de 350 a 500 V a 6 a 7 V; La potencia transmitida es de hasta 1,5 kW. En muchos casos, esto es suficiente para evitar fallas en el equipo.
La práctica de operar equipos muestra que no todos los objetos donde se instalan sistemas de alarma contra incendios tienen zona de protección contra sobretensiones. En algunos casos, los objetos ni siquiera tienen conexiones a tierra.
Y su creación no siempre es competencia de las organizaciones de diseño e instalación de sistemas de protección contra incendios porque se trata de estructuras técnicas y de ingeniería costosas y en muchos casos el cliente no está dispuesto a incurrir en tales costos.
En ausencia o insuficiencia de medidas de protección en condiciones de rayos complejos (u otras fuentes de sobretensión), se pueden utilizar productos electrónicos adicionales: “dispositivos de protección contra sobretensiones” (SPD) en forma de dispositivos separados que le permiten aumentar el grado de protección.
El principio operativo general de todos los SPD es reducir el potencial peligroso y su eliminación oportuna a tierra.
Al mismo tiempo, los SPD utilizan combinaciones de elementos de protección de varias etapas que tienen diferentes características:
Los productos de este tipo se utilizan ampliamente para proteger equipos domésticos y profesionales y son producidos por varios fabricantes. .
Al elegir un SPD, debe guiarse por su propósito:
— protección de circuitos de potencia;
— protección de líneas de datos;
— protección de video, etc., así como el grado requerido de protección proporcionada.
Al usar un SPD, su conexión a tierra obligatoria y el cumplimiento de las reglas para conectar los circuitos protegidos recomendados por el fabricante .
Surge la pregunta: ¿por qué los fabricantes de equipos OPS no incorporan todos estos elementos en sus productos?
En primer lugar, el uso de esta protección no ofrece una garantía del 100%.
En primer lugar, el uso de esta protección no ofrece una garantía del 100%.
En segundo lugar, la integración de componentes de protección en equipos de serie aumenta significativamente su coste.
¿Qué se puede proponer al respecto? El uso de sistemas distribuidos es muy efectivo.
Considere un ejemplo en el que 8 detectores de seguridad están ubicados a 1,5 km del panel de control.
En tradicional El sistema centralizado necesita tender 8 líneas de bucle de dos hilos y una línea de alimentación de dos hilos para detectores, de 1,5 km cada una. Es fácil imaginar la vulnerabilidad a las interferencias de líneas tan largas y su costo.
En un sistema distribuido, los bucles de alarma remota se pueden conectar no a la consola, sino a una unidad remota de ella.
La consola y la unidad están conectadas mediante un cable de par trenzado del Red CAN.
Los transceptores de esta red tienen una protección suficientemente potente para garantizar la capacidad de servicio durante la caída de rayos.
Y los propios bucles de alarma son cortos y, por tanto, menos susceptibles a sobretensiones. Y además un importante ahorro en productos de cable.
La medida más importante en el sistema de protección contra sobretensiones es el dispositivo de puesta a tierra. Recordemos algunos términos y reglas generales en el sistema de puesta a tierra: La puesta a tierra es una conexión física con el suelo de la tierra. Conexión a tierra de protección: conexión a tierra para garantizar la protección del personal contra descargas eléctricas.
La conexión a tierra de protección a menudo empeora el entorno acústico de los sistemas de automatización debido al flujo de grandes corrientes industriales a través de sus circuitos.
El cable común es el conductor contra el cual se mide el potencial eléctrico. En este caso, los circuitos con diferentes valores de corriente pueden tener un cable común: potencia (amperios o más) y señal.
Los circuitos de potencia y señal deben estar aislados galvánicamente, de lo contrario la potencia Los circuitos afectarán el funcionamiento de los circuitos de señal.
La conexión a tierra de la señal es la conexión del cable común de los circuitos de señal a tierra. La conexión a tierra de la señal puede ser de pantalla y básica.
Las pantallas (trenzas) de cables, pantallas de bloque y carcasas de dispositivos se conectan a la conexión a tierra de la pantalla y se utilizan para proteger los circuitos de interferencias parásitas. La conexión a tierra de señal básica se utiliza para vincular los potenciales de diferentes bloques de un sistema distribuido a un valor común.
De lo contrario, en bloques alejados entre sí, bajo la influencia de diversos motivos (descargas de rayos, ruido industrial, estática, etc.), pueden surgir altos potenciales de diferente magnitud, lo que provoca averías de componentes y fallos de funcionamiento.
Además, el blindaje del cable sin conexión a tierra aumenta el impacto de las interferencias, actuando como una antena. La conexión a tierra de la señal debe realizarse en un punto.
De lo contrario, grandes corrientes de los circuitos de alimentación pueden ingresar al cable de señal común, lo que provocará fallas y accidentes. Es recomendable seleccionar el punto de conexión cerca de la fuente de alimentación OPS, ubicada cerca del panel de distribución eléctrica, que cuente con conexión a tierra confiable.
Conclusiones y recomendaciones:
1. Las tormentas no son la única fuente de sobretensiones. En cada lugar específico, los especialistas deben evaluar la situación de interferencias y la suficiencia de las medidas de protección para tener en cuenta los riesgos al diseñar, instalar y operar el sistema de alarma.
2. Para garantizar el funcionamiento estable del equipo de alarma contra incendios en condiciones de líneas largas y condiciones de interferencia difíciles, se recomienda a los usuarios tomar medidas de protección adicionales.
3. El concepto de protección contra rayos no se puede reducir al nivel de un solo dispositivo. , sino que es un conjunto complejo de medidas técnicas . La implementación de medidas de protección debe ser realizada por especialistas capacitados. Una protección mal ejecutada puede empeorar la situación.
4. Los sistemas de alarma distribuidos son más resistentes a las sobretensiones en condiciones de líneas de conexión largas.
5. Métodos de protección más confiables contra las sobretensiones requerirán trabajos adicionales de diseño e instalación, costos materiales y monetarios más serios. Estas cuestiones deben discutirse con el cliente al concluir los contratos, destacándolas en párrafos separados para poder discutir de manera sustancial las reclamaciones mutuas en el futuro.
Enlaces utilizados:
1. GOST 13109-97 Normas para la calidad de la energía eléctrica en sistemas de suministro de energía de uso general.
2. GOST R 50571.26-2002 Instalaciones eléctricas de edificios. Parte 5. Selección e instalación de equipos eléctricos. Sección 534. Dispositivos de protección contra sobretensiones.
3. GOST R 50009-2000 Sistemas técnicos de alarma de seguridad. Requisitos y métodos de ensayo.
4. RD 34.21.122-87 Instrucciones para la instalación de protección contra rayos de edificios y estructuras.
5. A. Kiselkov, E. Kochetkov. Las principales razones del fallo de los equipos de videovigilancia. http:///dailypblshow.cfm?rid=8&pid=974