eng
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
Выпуск #5/2024
Д.E.Терентьев
Проверка УЗИП в процессе эксплуатации: чем, зачем, как и когда. Часть 2
Проверка УЗИП в процессе эксплуатации: чем, зачем, как и когда. Часть 2
Просмотры: 355
DOI: 10.22184/2070-8963.2024.121.5.68.74
Рассматривается проверка устройств защиты от импульсных помех. В первой части статьи (ПЕРВАЯ МИЛЯ, 2024, №2) были даны ответы на вопросы: чем проверять УЗИП и зачем этим заниматься. Осталось ответить еще на два: как и когда. Во второй части рассмотрены УЗИП для защиты цепей связи и передачи данных.
Рассматривается проверка устройств защиты от импульсных помех. В первой части статьи (ПЕРВАЯ МИЛЯ, 2024, №2) были даны ответы на вопросы: чем проверять УЗИП и зачем этим заниматься. Осталось ответить еще на два: как и когда. Во второй части рассмотрены УЗИП для защиты цепей связи и передачи данных.
Теги: arresters electrical connectors posistors protection devices against impulse interference varistors варисторы защита от импульсных помех позисторы разрядники разъемы электрические устройства защиты от импульсных помех
Проверка УЗИП в процессе эксплуатации: чем, зачем, как и когда. Часть 2
Д.E.Терентьев, технический директор ООО "Комменж" / ic@commeng.ru
УДК 699.887.2, DOI: 10.22184/2070-8963.2024.121.5.68.74
Рассматривается проверка устройств защиты от импульсных помех. В первой части статьи (ПЕРВАЯ МИЛЯ, 2024, №2) были даны ответы на вопросы: чем проверять УЗИП (см. примечание 1) и зачем этим заниматься. Осталось ответить еще на два: как и когда. Во второй части рассмотрены УЗИП для защиты цепей связи и передачи данных. В статье используется сквозная нумерация рисунков и источников.
Разъемы и контакты
Если из-за повреждения контакта или разъема изменяются первичные электрические параметры УЗИП, то это обычно обнаруживается при визуальном осмотре, когда выясняются причины пропадания или ухудшения качества связи. В системах передачи информации используются разнообразные виды разъемов и контактов, требования к их стойкости к воздействию перенапряжений и сверхтоков отражены в нормативах МСЭ и Международной электротехнической комиссии (МЭК). Сектор стандартизации МСЭ разработал две рекомендации для самых распространенных в телефонии и СКС технологий: врезных контактов IDC [12] и плинтов (см. прим.2) с модулями кроссовой защиты [13]. Стандарт МЭК и гармонизированный с ним ГОСТ [14] описывают требования к контактам УЗИП довольно размыто, но зато, наверное, ко всем возможным их видам (см. примечание 3).
По нашему опыту проблемы с их контактами УЗИП производства COMMENG для слаботочных цепей бывают крайне редко. Из правила есть одно исключение – 8-контактные разъемы 8P8C (более известные как RJ-45). В основном эти проблемы вызваны нарушениями правил эксплуатации. В качестве иллюстрации приведем два примера.
Пример 1 (рис.6): забыли завернуть гермоввод на устройстве защиты базовой станции БШПД. Хорошо видно окисление металла на аноде (при передаче PoE методом В "минус" подается на контакты 7 и 8). Разъем, а в данном случае устройство целиком, надо менять.
Пример 2 (рис.7). Контакты розетки и вилки в цепях, коммутирующих плюсовые провода подачи Passive PoE. После нескольких включений и выключений при поданном напряжении в устоявшемся режиме ток ограничен уровнем 0,5 А (левый контакт) и 0,75 А (правый контакт). Опыт был проведен в лаборатории для иллюстрации того, что при поданном Passive PoE, особенно высокой мощности, не нужно вставлять вилку в розетку RJ-45 и вынимать тоже не нужно. Обычно это самое первое, что делают любители испытывать наши мощные инжекторы PoE во всех возможных режимах – три тумблера, две розетки RJ-45, а также последовательность действий дают увлекательно большое число комбинаций.
При подаче PoE с током больше 0,5 А на контакт, в условиях вибрации, эксплуатации при низких температурах разъемы 8P8C – не лучшее решение. Попытки предложить в случаях, когда мы считали это необходимым, замену контактов 8P8C на штыревые или IDC у заказчиков понимания не встретили. Более подробно см. [15, 16].
Электрические характеристики УЗИП и его основных компонентов
Устройство защиты представляет собой многополюсник, обладающий первичными и вторичными электрическими параметрами. Необходимо соблюсти баланс между минимизацией влияния на передачу сигнала в рабочем режиме и максимальной эффективностью УЗИП в режиме ограничения перенапряжений и сверхтоков.
При разработке производятся различные измерения [17]. В рабочем режиме измеряют такие параметры, как затухание УЗИП во всей полосе частот (рис.8), отражение сигнала за счет несогласованности с линией связи, КСВ – для коаксиальных устройств. Может также оцениваться влияние УЗИП на скорость передачи данных, появление ошибок. Для некоторых типов УЗИП электрические параметры нормируются, например, для модулей кроссовой защиты в ОСТ 45.169-2000 [18].
При испытании импульсами различной формы и амплитуды (зависят от назначения устройства) определяется быстродействие УЗИП, уровень ограничения напряжения (рис.9). При испытании сверхтоками определяются скорость срабатывания, зависимость от времени снижения сверхтока, протекающего через эквивалент входного сопротивления защищаемого оборудования (рис.10) и уровня опасного напряжения на нем.
Будем считать, что УЗИП изготовлены в соответствии с технической документацией, без нарушения техпроцессов и надлежащим образом проверены, а электрическая схема и характеристики полностью соответствуют назначению и данным, заявленным производителем.
Измерения, описанные выше, имеет смысл делать только изготовителю или испытательным лабораториям. При проверке УЗИП следует измерять параметры, которые могут измениться в условиях хранения и эксплуатации. Для УЗИП, работающих в условиях высокой влажности и химически агрессивных сред, вероятно снижение изоляции в цепи провод-провод или провод-земля (см. примечание 5).
Перечислим, что может произойти с самыми распространенными элементами УЗИП под воздействием помех и сверхтоков, или же просто в процессе эксплуатации:
разрядник. При утечке газа увеличивается напряжение пробоя. При повреждении поверхности электродов параметры могут изменяться непредсказуемым образом: от снижения сопротивления изоляции до короткого замыкания;
варистор. При пробое переходов между частицами полупроводников p- и n-типов, из которых состоит варистор, изменяется его вольт-амперная характеристика, что может привести к утечке сигнала или напряжения питания и даже к короткому замыканию. Начавшаяся деградация структуры варистора прогрессирует;
защитный диод. Пробой p-n-перехода приводит к короткому замыканию, частичный пробой – к утечке сигнала. Возможны также повреждения− от нарушения структуры полупроводника до разрушения корпуса,− которые при измерении могут характеризоваться всем спектром значений сопротивления: от обрыва до короткого замыкания;
перегоревший предохранитель определяется однозначно;
многократный предохранитель (позистор). Разрушение под воздействием импульсного перенапряжения явление очень редкое, его во внимание можно не принимать. У полимерных позисторов сопротивление увеличивается при срабатывании (после первого срабатывания – в два раза). То есть после срабатывания модуля кроссовой защиты от сверхтока вносимые в провода сопротивления (а иногда сопротивление асимметрии) увеличиваются.
Какие параметры УЗИП нужно проверять
Методика массовой проверки УЗИП, используемых на проводных линиях связи, должна отвечать следующим критериям:
не должны изменяться параметры отдельных элементов и устройства в целом;
проверка должна выявлять неисправности, которые не изменяют электрические параметры УЗИП в рабочем режиме (не изменяют затухание) и поэтому не могут быть выявлены в процессе эксплуатации;
методика проверки должна быть такова, чтобы для ее проведения не требовалось привлекать высококвалифицированный персонал, вероятность случайных ошибок должна быть минимизирована.
При рассмотрении электрических характеристик УЗИП мы уже определились, что необходимо измерять сопротивление изоляции и, при применении предохранителей, – безобрывность проводов, а многократных предохранителей – вносимое сопротивление.
Без всякого сомнения, для проверки нелинейных элементов следует измерять: статическое напряжение пробоя – для разрядников, классификационное напряжение – для варисторов и напряжение пробоя для полупроводниковых ограничителей (тиристоры, защитные диоды). Эти параметры в обязательном порядке указываются производителем, легко измеряются, процесс измерений не влияет на характеристики элементов. И, самое главное, их изменение однозначно показывает, что изменились и остальные характеристики элемента в режиме ограничения напряжения, и, возможно, в рабочем режиме.
Варистор
Классификационное напряжение для варисторов (varistor voltage), применяемых в цепях с напряжением менее 1 кВ измеряется при токе 1 мА [19]. Если посмотреть на типичную вольт-амперную характеристику (ВАХ) варистора (рис.11), то станет понятно, что классификационное напряжение определяет начало участка ВАХ, на котором варистор переходит в режим ограничения напряжения.
Защитный диод
ВАХ защитного диода, или супрессора (рис.12), похожа на ВАХ варистора. Для того, чтобы получить симметричную часть при отрицательном напряжении, надо включить такой же супрессор встречно. Если аппроксимировать кривую двумя прямыми участками, то условно можно считать, что при достижении определенного значения тока происходит переход с одного участка на другой, то есть пробой p-n-перехода, поэтому для полупроводниковых ограничителей используются термины "напряжение пробоя" (breakdown voltage) и "тестовый ток пробоя" (breakdown current). Чтобы не добавлять еще один режим измерения, при проверке УЗИП обычно используют ток 1 мА как для варисторов, так и для полупроводниковых ограничителей.
Надо добавить, что для варисторов и полупроводниковых ограничителей ВАХ при длительности фронтов импульсов более 1 мкс, характерных для помех от ударов молнии или промышленных источников, можно условно считать скорость срабатывания практически мгновенной (см. примечание 6).
Разрядник
Физика разряда в газах очень увлекательна и проста для понимания на прикладном уровне, для разработчиков же, которые в своем оборудовании используют хотя бы один разрядник, может быть и полезна (см. примечание 7). Следствием процессов, происходящих в газовом промежутке под воздействием электрического поля, является форма ВАХ разрядника, которая в упрощенном и формализованном виде показана на рис.13.
ВАХ снимается при воздействии медленно растущего напряжения, со скоростью возрастания 100 В/с [22]. По этой характеристике определяется статическое напряжение пробоя (точка B на графике), при котором ионизированных молекул газа будет достаточно для того, чтобы в промежутке между электродами начал протекать ток. Рабочим участком характеристики является участок после точки F (дуговой разряд).
Как видно из графика, для того чтобы точно определить статическое напряжение пробоя, необходимо контролировать изменение напряжения. Поэтому в тестере ISKRA (см. часть 1 данной статьи) реализован отдельный режим "разрядник".
Как показали испытания разных типов разрядников, напряжение при токе 1 мА (участок характеристики C-D) может быть принято равным статическому с погрешностью, допустимой для тестирования элементов и устройств защиты, а увеличение скорости роста испытательного напряжения до 1 кВ/с практически не изменяет результаты измерений.
С целью упрощения в тестере "Гроза" (см. часть 1) для разрядников, варисторов, полупроводниковых ограничителей фиксируется значение напряжения при токе 1 мА.
Возможен выбор скорости роста испытательного напряжения – 100 и 1000 В/с.
Статическое напряжение пробоя (DC Spark-over voltage) в несколько раз ниже, чем напряжение пробоя при воздействии импульса (Impulse Spark-over-voltage), определяемое при скорости роста напряжения 100 и 1000 В/мкс. Последний параметр используется в рекомендации МСЭ-Т [23], приводится в каталогах зарубежных производителей, поэтому удобнее использовать его, чем "динамическое напряжение пробоя" [22].
В каких случаях проверять УЗИП, как часто и нужно ли вообще это делать
Ответ на этот вопрос зависит от множество факторов: парка оборудования, условий эксплуатации, корпоративной культуры, кадровой и финансовой политики организации, на балансе которой эти УЗИП находятся. Универсальных рекомендаций не существует, поэтому приведем несколько гипотетических моделей, в этом нам поможет рис.5 из части 1 статьи.
Модель 1. Оператор БШПД. На мачтах установлены базовые станции по 2–4 сектора, имеются также абонентские станции
Блоки Outdoor Unit (ODU) подключены 4-парным кабелем, по которому подаются данные Fast/Gigabit Ethernet и питание поверх данных. Устройства защиты установлены рядом с ODU (в случае исполнения outdoor), устройства защиты установлены также в шкафах с оборудованием (для базовых станций) и рядом с абонентским оборудованием.
Проверка устройств защиты в процессе эксплуатации осуществляется только в случае выхода защищаемого оборудования из строя, или замены на новое, а также в случаях, когда повреждения УЗИП (например, окисленные контакты разъема) рассматриваются как возможная причина нарушения качества связи (это правило следует выполнять при любой модели). При этом целесообразно устанавливать заведомо исправное УЗИП, а демонтированное забирать для проверки. Период износа УЗИП совпадет, или даже наступит позже периода износа оборудования, поэтому ближе к окончанию периода эксплуатации УЗИП будут проверяться чаще.
Модель 2. Сеть БШПД технологического назначения
Система беспроводной связи используется не только для связи между сотрудниками, но и для управления производственными процессами, пожарной автоматикой и другими системами, нарушения в работе которых могут привести к значительным убыткам. На таких объектах, как правило, имеются системы видеонаблюдения, промавтоматики, в состав которых также входят УЗИП. Возможные последствия в случае неисправности УЗИП значительно негативнее, поэтому к мероприятиям, указанным выше, следует добавить в технические регламенты периодические проверки устройств защиты.
Модель 3. Крупный оператор фиксированной связи
На всех АТС, независимо от типа, региона, линейных сооружений, используются те устройства кроссовой защиты, какие есть, или же закупаются новые устройства защиты. Вопросы эффективности их применения и проверки устройств защиты в процессе эксплуатации специально не рассматриваются. Есть особенности и инициатива сотрудников на местах, но в целом техническая политика отсутствует. Такой подход основан на том, что просто применение кроссовой защиты обеспечивает снижение случаев выхода коммуникационного оборудования из строя до приемлемого уровня, что вполне устраивает менеджмент.
Модель 4. Системы проводной связи, требующие особой надежности, на объектах, с высоким уровнем помех
В качестве примера можно привести железнодорожную связь, где, помимо высоких требований к надежности систем телефонной и оперативно-технологической связи, присутствует такой фактор, как сложная электромагнитная обстановка: большая протяженность линий связи, более высокая вероятность помех от ударов молнии по сравнению с ССоП, влияние сети тягового электроснабжения.
Высокий уровень и интенсивность помех приводят к увеличению отказов и снижению срока службы к УЗИП. К мероприятиям, указанным в модели 2, следует добавить анализ состояния УЗИП, находящихся в эксплуатации, и по его результатам предусмотреть дополнительные проверки или плановые превентивные замены.
Примечания
Под УЗИП имеются ввиду не только устройства защиты от импульсных помех (перенапряжений), но и от сверхтоков. Стандарт [14] это допускает.
Автора уже очень давно интересует вопрос откуда в русском техническом языке появилось слово "плинт" – не архитектурный термин, а в том значении, о котором мы говорим тут. До начала 90-х употреблялись распределительный блок, соединительная рамка и т.п., что близко по смыслу к англо- и немецкоязычным терминам. "Плинт" появился в середине 90-х, после чего народ образовал его разнообразные формы ("плинтовый шнур", "заплинтовать кабель" и даже редкое "расплинировать кабель").
До сих пор действующий ГОСТ 5238-81 [25] отражает уровень техники 20–60-х годов 20 века, другие нормативы тоже во многом архаичны. Исключение, пожалуй, – только железнодорожный ГОСТ 33398-2015 [26]. Про рекомендации МСЭ серии K [27], особенно после того, как их перестали переводить на русский, никто у нас и не вспоминает (на сегодняшний день их действует 135). Стандарты МЭК переводятся и довольно оперативно принимаются, поэтому COMMENG (хотя это не очень нравится автору, инженеру электросвязи по образованию) при разработке техдокументации на УЗИП в последние годы ориентируется на МЭК.
Это действительно допущение. Даже если оставить в стороне не такие уж и редкие случаи, когда некоторые заявляемые характеристики не соответствуют нормативным документам, а их значения – действительности, возможны случаи брака, не выявленные при проверке ОТК как единичных изделий, так и партий.
В конце 90-х в нашей фирме был случай брака, выявившийся только в процессе эксплуатации. Деталь из нержавеющей стали лудилась с помощью кислотного флюса, который плохо отмыли, а затем припаивалась к печатной плате, которая затем покрывалась лаком. При проверке ОТК несоответствий выявлено не было. При открытии боксов на поверхность плат попал влажный воздух, снизилось сопротивление изоляции, затухание в тракте передачи ЦСП возросло – покрытие лаком не помогло.
В описаниях характеристик защитных устройств обычно фигурирует скорость срабатывания 5 нс для полупроводниковых ограничителей и 25 нс для варисторов. Неизвестно кто, когда и в какой документ или статью вписал эти цифры, но глаз они не режут. Другое распространенное значение – 100 нс – для скорости срабатывания разрядника можно рассматривать только для сочетания конкретного разрядника, амплитуды и скорости нарастания фронта импульса.
В прошлом году демонтировали кросс в здании АТС рядом с домом автора, который не мог отказать себе в удовольствии порыться в снятом оборудовании [24]. Помимо прочего, там было несколько сотен модулей KRONE. Взял несколько. Несмотря на более чем 20 лет, прошедших с выпуска, все они были в идеальном состоянии.
ЛИТЕРАТУРА
Recommendation ITU-TK.55. Overvoltage and overcurrent requirements for insulation displacement connectors (IDC) terminations.
Recommendation ITU-TK.65.Overvoltage and overcurrent requirements for termination modules with contacts for test ports or SPDs.
ГОСТ IEC 61643-21-2014. Устройства защиты от перенапряжений низковольтные. Часть 21.Устройства защиты от перенапряжений, подсоединенные к телекоммуникационным и сигнализационным сетям. Требования к эксплуатационным характеристикам и методы испытаний.
Терентьев Д. Заметки об (инжекторах) Power over Ethernet. Часть 1 // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2020. № 7–8.
Заметки о Power over Ethernet (№ 2). Сага о контактах. Яндекс-Дзен, блог "Технический директор COMMENG".
Сергеев А.В. Метрологическое обеспечение разработки, производства и эксплуатации устройств защиты оборудования проводной связи // Техника связи. 2007. № 6.
ОСТ 45.169-2000. Оборудование кроссовое систем электросвязи для кабелей с металлическими жилами. Общие технические требования и методика испытаний.
ГОСТ 21342.9-76. Варисторы. Метод измерения напряжения и тока
ГОСТ Р 71067-2023. Стабилитроны и ограничители напряжения полупроводниковые. Система параметров.
Замечательный пример инженерной ошибки. О пользе знания физики и применения измерительных приборов. Яндекс-Дзен, блог "Технический директор COMMENG".
ГОСТ 21107.7-75. Приборы газоразрядные. Методы измерения электрических параметров искровых разрядников.
Recommendation ITU-T K.12 Characteristics of gas discharge tubes for the protection of telecommunications installations.
Порылся в телекоммуникационном хламе. Яндекс-Дзен, блог "Технический директор COMMENG".
ГОСТ 5238-81. Установки проводной связи. Схемы защиты от опасных напряжений и токов, возникающих на линиях. Технические требования.
ГОСТ 33398-2015. Железнодорожная электросвязь. Правила защиты проводной связи от влияния тяговой сети электрифицированных железных дорог постоянного и переменного тока
ITU-T: Publications: Recommendations: K Series.[Электронный ресурс]. URL: https://www.itu.int/rec/T-REC-K (дата обращения 21.07.2024).
В третьей части статьи будут рассмотрены УЗИП для низковольтных электроустановок.
Д.E.Терентьев, технический директор ООО "Комменж" / ic@commeng.ru
УДК 699.887.2, DOI: 10.22184/2070-8963.2024.121.5.68.74
Рассматривается проверка устройств защиты от импульсных помех. В первой части статьи (ПЕРВАЯ МИЛЯ, 2024, №2) были даны ответы на вопросы: чем проверять УЗИП (см. примечание 1) и зачем этим заниматься. Осталось ответить еще на два: как и когда. Во второй части рассмотрены УЗИП для защиты цепей связи и передачи данных. В статье используется сквозная нумерация рисунков и источников.
Разъемы и контакты
Если из-за повреждения контакта или разъема изменяются первичные электрические параметры УЗИП, то это обычно обнаруживается при визуальном осмотре, когда выясняются причины пропадания или ухудшения качества связи. В системах передачи информации используются разнообразные виды разъемов и контактов, требования к их стойкости к воздействию перенапряжений и сверхтоков отражены в нормативах МСЭ и Международной электротехнической комиссии (МЭК). Сектор стандартизации МСЭ разработал две рекомендации для самых распространенных в телефонии и СКС технологий: врезных контактов IDC [12] и плинтов (см. прим.2) с модулями кроссовой защиты [13]. Стандарт МЭК и гармонизированный с ним ГОСТ [14] описывают требования к контактам УЗИП довольно размыто, но зато, наверное, ко всем возможным их видам (см. примечание 3).
По нашему опыту проблемы с их контактами УЗИП производства COMMENG для слаботочных цепей бывают крайне редко. Из правила есть одно исключение – 8-контактные разъемы 8P8C (более известные как RJ-45). В основном эти проблемы вызваны нарушениями правил эксплуатации. В качестве иллюстрации приведем два примера.
Пример 1 (рис.6): забыли завернуть гермоввод на устройстве защиты базовой станции БШПД. Хорошо видно окисление металла на аноде (при передаче PoE методом В "минус" подается на контакты 7 и 8). Разъем, а в данном случае устройство целиком, надо менять.
Пример 2 (рис.7). Контакты розетки и вилки в цепях, коммутирующих плюсовые провода подачи Passive PoE. После нескольких включений и выключений при поданном напряжении в устоявшемся режиме ток ограничен уровнем 0,5 А (левый контакт) и 0,75 А (правый контакт). Опыт был проведен в лаборатории для иллюстрации того, что при поданном Passive PoE, особенно высокой мощности, не нужно вставлять вилку в розетку RJ-45 и вынимать тоже не нужно. Обычно это самое первое, что делают любители испытывать наши мощные инжекторы PoE во всех возможных режимах – три тумблера, две розетки RJ-45, а также последовательность действий дают увлекательно большое число комбинаций.
При подаче PoE с током больше 0,5 А на контакт, в условиях вибрации, эксплуатации при низких температурах разъемы 8P8C – не лучшее решение. Попытки предложить в случаях, когда мы считали это необходимым, замену контактов 8P8C на штыревые или IDC у заказчиков понимания не встретили. Более подробно см. [15, 16].
Электрические характеристики УЗИП и его основных компонентов
Устройство защиты представляет собой многополюсник, обладающий первичными и вторичными электрическими параметрами. Необходимо соблюсти баланс между минимизацией влияния на передачу сигнала в рабочем режиме и максимальной эффективностью УЗИП в режиме ограничения перенапряжений и сверхтоков.
При разработке производятся различные измерения [17]. В рабочем режиме измеряют такие параметры, как затухание УЗИП во всей полосе частот (рис.8), отражение сигнала за счет несогласованности с линией связи, КСВ – для коаксиальных устройств. Может также оцениваться влияние УЗИП на скорость передачи данных, появление ошибок. Для некоторых типов УЗИП электрические параметры нормируются, например, для модулей кроссовой защиты в ОСТ 45.169-2000 [18].
При испытании импульсами различной формы и амплитуды (зависят от назначения устройства) определяется быстродействие УЗИП, уровень ограничения напряжения (рис.9). При испытании сверхтоками определяются скорость срабатывания, зависимость от времени снижения сверхтока, протекающего через эквивалент входного сопротивления защищаемого оборудования (рис.10) и уровня опасного напряжения на нем.
Будем считать, что УЗИП изготовлены в соответствии с технической документацией, без нарушения техпроцессов и надлежащим образом проверены, а электрическая схема и характеристики полностью соответствуют назначению и данным, заявленным производителем.
Измерения, описанные выше, имеет смысл делать только изготовителю или испытательным лабораториям. При проверке УЗИП следует измерять параметры, которые могут измениться в условиях хранения и эксплуатации. Для УЗИП, работающих в условиях высокой влажности и химически агрессивных сред, вероятно снижение изоляции в цепи провод-провод или провод-земля (см. примечание 5).
Перечислим, что может произойти с самыми распространенными элементами УЗИП под воздействием помех и сверхтоков, или же просто в процессе эксплуатации:
разрядник. При утечке газа увеличивается напряжение пробоя. При повреждении поверхности электродов параметры могут изменяться непредсказуемым образом: от снижения сопротивления изоляции до короткого замыкания;
варистор. При пробое переходов между частицами полупроводников p- и n-типов, из которых состоит варистор, изменяется его вольт-амперная характеристика, что может привести к утечке сигнала или напряжения питания и даже к короткому замыканию. Начавшаяся деградация структуры варистора прогрессирует;
защитный диод. Пробой p-n-перехода приводит к короткому замыканию, частичный пробой – к утечке сигнала. Возможны также повреждения− от нарушения структуры полупроводника до разрушения корпуса,− которые при измерении могут характеризоваться всем спектром значений сопротивления: от обрыва до короткого замыкания;
перегоревший предохранитель определяется однозначно;
многократный предохранитель (позистор). Разрушение под воздействием импульсного перенапряжения явление очень редкое, его во внимание можно не принимать. У полимерных позисторов сопротивление увеличивается при срабатывании (после первого срабатывания – в два раза). То есть после срабатывания модуля кроссовой защиты от сверхтока вносимые в провода сопротивления (а иногда сопротивление асимметрии) увеличиваются.
Какие параметры УЗИП нужно проверять
Методика массовой проверки УЗИП, используемых на проводных линиях связи, должна отвечать следующим критериям:
не должны изменяться параметры отдельных элементов и устройства в целом;
проверка должна выявлять неисправности, которые не изменяют электрические параметры УЗИП в рабочем режиме (не изменяют затухание) и поэтому не могут быть выявлены в процессе эксплуатации;
методика проверки должна быть такова, чтобы для ее проведения не требовалось привлекать высококвалифицированный персонал, вероятность случайных ошибок должна быть минимизирована.
При рассмотрении электрических характеристик УЗИП мы уже определились, что необходимо измерять сопротивление изоляции и, при применении предохранителей, – безобрывность проводов, а многократных предохранителей – вносимое сопротивление.
Без всякого сомнения, для проверки нелинейных элементов следует измерять: статическое напряжение пробоя – для разрядников, классификационное напряжение – для варисторов и напряжение пробоя для полупроводниковых ограничителей (тиристоры, защитные диоды). Эти параметры в обязательном порядке указываются производителем, легко измеряются, процесс измерений не влияет на характеристики элементов. И, самое главное, их изменение однозначно показывает, что изменились и остальные характеристики элемента в режиме ограничения напряжения, и, возможно, в рабочем режиме.
Варистор
Классификационное напряжение для варисторов (varistor voltage), применяемых в цепях с напряжением менее 1 кВ измеряется при токе 1 мА [19]. Если посмотреть на типичную вольт-амперную характеристику (ВАХ) варистора (рис.11), то станет понятно, что классификационное напряжение определяет начало участка ВАХ, на котором варистор переходит в режим ограничения напряжения.
Защитный диод
ВАХ защитного диода, или супрессора (рис.12), похожа на ВАХ варистора. Для того, чтобы получить симметричную часть при отрицательном напряжении, надо включить такой же супрессор встречно. Если аппроксимировать кривую двумя прямыми участками, то условно можно считать, что при достижении определенного значения тока происходит переход с одного участка на другой, то есть пробой p-n-перехода, поэтому для полупроводниковых ограничителей используются термины "напряжение пробоя" (breakdown voltage) и "тестовый ток пробоя" (breakdown current). Чтобы не добавлять еще один режим измерения, при проверке УЗИП обычно используют ток 1 мА как для варисторов, так и для полупроводниковых ограничителей.
Надо добавить, что для варисторов и полупроводниковых ограничителей ВАХ при длительности фронтов импульсов более 1 мкс, характерных для помех от ударов молнии или промышленных источников, можно условно считать скорость срабатывания практически мгновенной (см. примечание 6).
Разрядник
Физика разряда в газах очень увлекательна и проста для понимания на прикладном уровне, для разработчиков же, которые в своем оборудовании используют хотя бы один разрядник, может быть и полезна (см. примечание 7). Следствием процессов, происходящих в газовом промежутке под воздействием электрического поля, является форма ВАХ разрядника, которая в упрощенном и формализованном виде показана на рис.13.
ВАХ снимается при воздействии медленно растущего напряжения, со скоростью возрастания 100 В/с [22]. По этой характеристике определяется статическое напряжение пробоя (точка B на графике), при котором ионизированных молекул газа будет достаточно для того, чтобы в промежутке между электродами начал протекать ток. Рабочим участком характеристики является участок после точки F (дуговой разряд).
Как видно из графика, для того чтобы точно определить статическое напряжение пробоя, необходимо контролировать изменение напряжения. Поэтому в тестере ISKRA (см. часть 1 данной статьи) реализован отдельный режим "разрядник".
Как показали испытания разных типов разрядников, напряжение при токе 1 мА (участок характеристики C-D) может быть принято равным статическому с погрешностью, допустимой для тестирования элементов и устройств защиты, а увеличение скорости роста испытательного напряжения до 1 кВ/с практически не изменяет результаты измерений.
С целью упрощения в тестере "Гроза" (см. часть 1) для разрядников, варисторов, полупроводниковых ограничителей фиксируется значение напряжения при токе 1 мА.
Возможен выбор скорости роста испытательного напряжения – 100 и 1000 В/с.
Статическое напряжение пробоя (DC Spark-over voltage) в несколько раз ниже, чем напряжение пробоя при воздействии импульса (Impulse Spark-over-voltage), определяемое при скорости роста напряжения 100 и 1000 В/мкс. Последний параметр используется в рекомендации МСЭ-Т [23], приводится в каталогах зарубежных производителей, поэтому удобнее использовать его, чем "динамическое напряжение пробоя" [22].
В каких случаях проверять УЗИП, как часто и нужно ли вообще это делать
Ответ на этот вопрос зависит от множество факторов: парка оборудования, условий эксплуатации, корпоративной культуры, кадровой и финансовой политики организации, на балансе которой эти УЗИП находятся. Универсальных рекомендаций не существует, поэтому приведем несколько гипотетических моделей, в этом нам поможет рис.5 из части 1 статьи.
Модель 1. Оператор БШПД. На мачтах установлены базовые станции по 2–4 сектора, имеются также абонентские станции
Блоки Outdoor Unit (ODU) подключены 4-парным кабелем, по которому подаются данные Fast/Gigabit Ethernet и питание поверх данных. Устройства защиты установлены рядом с ODU (в случае исполнения outdoor), устройства защиты установлены также в шкафах с оборудованием (для базовых станций) и рядом с абонентским оборудованием.
Проверка устройств защиты в процессе эксплуатации осуществляется только в случае выхода защищаемого оборудования из строя, или замены на новое, а также в случаях, когда повреждения УЗИП (например, окисленные контакты разъема) рассматриваются как возможная причина нарушения качества связи (это правило следует выполнять при любой модели). При этом целесообразно устанавливать заведомо исправное УЗИП, а демонтированное забирать для проверки. Период износа УЗИП совпадет, или даже наступит позже периода износа оборудования, поэтому ближе к окончанию периода эксплуатации УЗИП будут проверяться чаще.
Модель 2. Сеть БШПД технологического назначения
Система беспроводной связи используется не только для связи между сотрудниками, но и для управления производственными процессами, пожарной автоматикой и другими системами, нарушения в работе которых могут привести к значительным убыткам. На таких объектах, как правило, имеются системы видеонаблюдения, промавтоматики, в состав которых также входят УЗИП. Возможные последствия в случае неисправности УЗИП значительно негативнее, поэтому к мероприятиям, указанным выше, следует добавить в технические регламенты периодические проверки устройств защиты.
Модель 3. Крупный оператор фиксированной связи
На всех АТС, независимо от типа, региона, линейных сооружений, используются те устройства кроссовой защиты, какие есть, или же закупаются новые устройства защиты. Вопросы эффективности их применения и проверки устройств защиты в процессе эксплуатации специально не рассматриваются. Есть особенности и инициатива сотрудников на местах, но в целом техническая политика отсутствует. Такой подход основан на том, что просто применение кроссовой защиты обеспечивает снижение случаев выхода коммуникационного оборудования из строя до приемлемого уровня, что вполне устраивает менеджмент.
Модель 4. Системы проводной связи, требующие особой надежности, на объектах, с высоким уровнем помех
В качестве примера можно привести железнодорожную связь, где, помимо высоких требований к надежности систем телефонной и оперативно-технологической связи, присутствует такой фактор, как сложная электромагнитная обстановка: большая протяженность линий связи, более высокая вероятность помех от ударов молнии по сравнению с ССоП, влияние сети тягового электроснабжения.
Высокий уровень и интенсивность помех приводят к увеличению отказов и снижению срока службы к УЗИП. К мероприятиям, указанным в модели 2, следует добавить анализ состояния УЗИП, находящихся в эксплуатации, и по его результатам предусмотреть дополнительные проверки или плановые превентивные замены.
Примечания
Под УЗИП имеются ввиду не только устройства защиты от импульсных помех (перенапряжений), но и от сверхтоков. Стандарт [14] это допускает.
Автора уже очень давно интересует вопрос откуда в русском техническом языке появилось слово "плинт" – не архитектурный термин, а в том значении, о котором мы говорим тут. До начала 90-х употреблялись распределительный блок, соединительная рамка и т.п., что близко по смыслу к англо- и немецкоязычным терминам. "Плинт" появился в середине 90-х, после чего народ образовал его разнообразные формы ("плинтовый шнур", "заплинтовать кабель" и даже редкое "расплинировать кабель").
До сих пор действующий ГОСТ 5238-81 [25] отражает уровень техники 20–60-х годов 20 века, другие нормативы тоже во многом архаичны. Исключение, пожалуй, – только железнодорожный ГОСТ 33398-2015 [26]. Про рекомендации МСЭ серии K [27], особенно после того, как их перестали переводить на русский, никто у нас и не вспоминает (на сегодняшний день их действует 135). Стандарты МЭК переводятся и довольно оперативно принимаются, поэтому COMMENG (хотя это не очень нравится автору, инженеру электросвязи по образованию) при разработке техдокументации на УЗИП в последние годы ориентируется на МЭК.
Это действительно допущение. Даже если оставить в стороне не такие уж и редкие случаи, когда некоторые заявляемые характеристики не соответствуют нормативным документам, а их значения – действительности, возможны случаи брака, не выявленные при проверке ОТК как единичных изделий, так и партий.
В конце 90-х в нашей фирме был случай брака, выявившийся только в процессе эксплуатации. Деталь из нержавеющей стали лудилась с помощью кислотного флюса, который плохо отмыли, а затем припаивалась к печатной плате, которая затем покрывалась лаком. При проверке ОТК несоответствий выявлено не было. При открытии боксов на поверхность плат попал влажный воздух, снизилось сопротивление изоляции, затухание в тракте передачи ЦСП возросло – покрытие лаком не помогло.
В описаниях характеристик защитных устройств обычно фигурирует скорость срабатывания 5 нс для полупроводниковых ограничителей и 25 нс для варисторов. Неизвестно кто, когда и в какой документ или статью вписал эти цифры, но глаз они не режут. Другое распространенное значение – 100 нс – для скорости срабатывания разрядника можно рассматривать только для сочетания конкретного разрядника, амплитуды и скорости нарастания фронта импульса.
В прошлом году демонтировали кросс в здании АТС рядом с домом автора, который не мог отказать себе в удовольствии порыться в снятом оборудовании [24]. Помимо прочего, там было несколько сотен модулей KRONE. Взял несколько. Несмотря на более чем 20 лет, прошедших с выпуска, все они были в идеальном состоянии.
ЛИТЕРАТУРА
Recommendation ITU-TK.55. Overvoltage and overcurrent requirements for insulation displacement connectors (IDC) terminations.
Recommendation ITU-TK.65.Overvoltage and overcurrent requirements for termination modules with contacts for test ports or SPDs.
ГОСТ IEC 61643-21-2014. Устройства защиты от перенапряжений низковольтные. Часть 21.Устройства защиты от перенапряжений, подсоединенные к телекоммуникационным и сигнализационным сетям. Требования к эксплуатационным характеристикам и методы испытаний.
Терентьев Д. Заметки об (инжекторах) Power over Ethernet. Часть 1 // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2020. № 7–8.
Заметки о Power over Ethernet (№ 2). Сага о контактах. Яндекс-Дзен, блог "Технический директор COMMENG".
Сергеев А.В. Метрологическое обеспечение разработки, производства и эксплуатации устройств защиты оборудования проводной связи // Техника связи. 2007. № 6.
ОСТ 45.169-2000. Оборудование кроссовое систем электросвязи для кабелей с металлическими жилами. Общие технические требования и методика испытаний.
ГОСТ 21342.9-76. Варисторы. Метод измерения напряжения и тока
ГОСТ Р 71067-2023. Стабилитроны и ограничители напряжения полупроводниковые. Система параметров.
Замечательный пример инженерной ошибки. О пользе знания физики и применения измерительных приборов. Яндекс-Дзен, блог "Технический директор COMMENG".
ГОСТ 21107.7-75. Приборы газоразрядные. Методы измерения электрических параметров искровых разрядников.
Recommendation ITU-T K.12 Characteristics of gas discharge tubes for the protection of telecommunications installations.
Порылся в телекоммуникационном хламе. Яндекс-Дзен, блог "Технический директор COMMENG".
ГОСТ 5238-81. Установки проводной связи. Схемы защиты от опасных напряжений и токов, возникающих на линиях. Технические требования.
ГОСТ 33398-2015. Железнодорожная электросвязь. Правила защиты проводной связи от влияния тяговой сети электрифицированных железных дорог постоянного и переменного тока
ITU-T: Publications: Recommendations: K Series.[Электронный ресурс]. URL: https://www.itu.int/rec/T-REC-K (дата обращения 21.07.2024).
В третьей части статьи будут рассмотрены УЗИП для низковольтных электроустановок.
Отзывы читателей
