При проектировании систем видеонаблюдения необходимо обеспечить “живучесть” системы от внешних неблагоприятных факторов. Ведь видеонаблюдение часто применяется для задач охраны ответственных объектов, где надежность и отказоустойчивость должны быть максимальны, а вероятность отказа сведена к минимуму. В данной статье рассмотрим вопрос защиты системы видеонаблюдения от воздействий импульсных перенапряжений, особенно актуальный для периметральных систем охранного видеонаблюдения, а также промышленных и инфраструктурных объектов.
Озеров Евгений, ведущий инженер в компании Болид, проектировщик, отраслевой эксперт, блогер, автор Telegram каналов Безопасность (блог Озерова), Проектирование видеонаблюдения, Видеонаблюдение, VideoCAD
Что такое перенапряжение?
Перенапряжением является уровень прикладываемого к прибору или системе напряжения, превышающего предписываемый стандартом, при котором возможно нарушение изоляции или работоспособности устройства за определенный период времени.
От чего защищаем?
Перенапряжение проявляется как импульсные помехи со временем нарастания фронта менее единиц миллисекунд. Основными причинами их возникновения являются:
- молнии, возникающие при грозе;
- электростатический разряд;
- переходные процессы при переключении;
- неисправное оборудование.
Грозовые перенапряжения от удара молнии поблизости от оборудования
При ударе молнии в атмосфере создается канал ионизированного воздуха, по которому происходит разряд. Грозовые разряды (молнии) несут в себе токи порядка 200 кА, отрицательный потенциал величиной около нескольких миллионов вольт относительно поверхности Земли. При разряде появляется мощное магнитное поле и радиоволны. Как правило, 90% энергии отводится внешними молниеотводами, а 10% попадает в электрические цепи здания, что может повлиять на оборудование видеонаблюдения как прямым воздействием тока, так и через наведенные потенциалы.
Электромагнитная наводка грозового разряда
Один из распространенных типов возникновения опасных импульсов перенапряжений - электромагнитная наводка от первичного контура, создаваемого каналом молнии. Под действием разряда во всех вторичных контурах, например в токопроводящих жилах цепей передачи информации и питания установленной на объекте системы видеонаблюдения, наводится ЭДС индукции. Так как именно контур, ограниченный кабелями и поверхностью земли, имеет наибольшую площадь, то именно в нем наводятся наибольшие значения ЭДС.
Перенапряжения вследствие коммутаций и переключений
Коммутационные перенапряжения могут возникать в случае проведения переключений или коммутации оборудования в электрической сети, коммутации патч кордов в кроссовой, включения питания коммутатора на периметре. При отсутствии специализированной защиты существует реальная угроза выгорания портов коммутаторов, камер видеонаблюдения и других устройств, подключенных к воздушной линии и к кабелям, проведенным внутри здания.
Электростатический заряд атмосферных осадков
Атмосферные осадки могут нести на себе электростатический заряд. Он может представлять собой опасность в случае контакта осадков с кабелем. Заряд на оболочке кабеля может индуцировать заряд на кабельных проводниках, что потенциально может привести к возникновению импульсного перенапряжения в кабельной линии.
Что защищаем?
Как было уже сказано выше, именно кабели из-за своей протяженности имеют наибольшее значение наведенного напряжения при грозе, статического напряжения при осадках и “занесенного” напряжения при коммутационном перенапряжении либо неисправности оборудования. Поэтому мы должны обеспечить защиту оборудования от воздействия перенапряжения в линиях связи, электропитания, заземления, контрольно-измерительных линиях.
Как защищаем?
Основной принцип - установка средств защиты от импульсных перенапряжений на все входящие и исходящие линии связи и питания, т.н. УЗИП (устройства защиты от импульсных перенапряжений).
Как правильно выбрать устройства защиты? Для начала разберемся с существующими типами УЗИП и способами их применения.
Классификация УЗИП
Согласно п.3.35 ГОСТ Р 51992-2011 (МЭК 61643-1:2005) УЗИП делятся на три класса (по типу выдерживаемых испытаний):
- I класс (class I tests)
Предназначены для защиты от непосредственного воздействия грозового разряда. Данными устройствами в обязательном порядке должны комплектоваться вводно-распределительные устройства (ВРУ) административных и промышленных зданий. Стандарт предписывает испытание импульсными токами амплитудой от 25 до 100 кА формой волны 10/350 мкс. Числа в обозначении формы импульса означают следующее:
- первая — время (в микросекундах) нарастания импульса тока с 10% до 90% от максимального значения тока
- вторая — время (в микросекундах) спада импульса тока до 50% от максимального значения тока
УЗИП I класса в системах видеонаблюдения практически не используются. Как правило данный тип устройств уже установлены на главном распределительном щите (ГРЩ) здания. Впрочем при проведении предпроектного обследования будем не лишним проверить его наличие.
- II класс (class II tests)
Устройства защиты вторичных цепей питания и линий связи, устанавливаются после УЗИП I класса тестирования. Обеспечивают защиту электрических распределительных сетей от перенапряжений, вызванных коммутационными процессами либо защиту от электромагнитная наводки грозового разряда на линии электропитания и связи, если удар молнии пришелся, например, на молниеотвод в соседнем здании.. Для однополюсного подключения стандарт предписывает тестовый ток 15 кА и характеристику кривой тестового импульса 8/20 мкс, а для 3- и 4-полюсного подключения — 100 кА и 8/20 мкс соответственно.
Как правило, для защита оборудования системы видеонаблюдения используются УЗИП II либо III класса.
- III класс (class III tests)
Применяются для того, чтобы обезопасить оконечную аппаратуру от импульсных перенапряжений, вызванных остаточными бросками напряжений. Устройства данного класса работают также в качестве фильтров высокочастотных помех, устанавливаются непосредственно рядом с защищаемым оборудованием. УЗИП III класса испытывается комбинированной волной из импульсов с формой 1,5/50 и 8/20 мкс.
Существуют УЗИПы классов I+II и I+II+III, II+III. Такие устройства соответствуют сразу нескольким видам испытаний.
Сертифицированные УЗИП - достаточно дорогие устройства. При этом для видеонаблюдения и в целом для слаботочных систем нет отечественных стандартов (и даже рекомендаций) по применению УЗИП. Данный вопрос оставлен на усмотрение проектировщика.
Типовые схемы защиты
Необходимо разделять защиту от импульсных перенапряжений в сети электропитания заказчика (которая должна быть!) и защиту центрального и оконечного оборудования системы видеонаблюдения, которую необходимо разработать при проектировании.
Традиционно для защиты от импульсных перенапряжений для сетей электропитания применяется многоступенчатая система (как правило трехступенчатая), состоящая из УЗИП разных классов, потому как УЗИП сглаживают импульс не полностью — остаются скачки напряжения. Система защиты устанавливается на питающем вводе в здание (в ГРЩ) - УЗИП I класса. В распределительных сетях здания также предусмотрена установка отдельных устройств (например, в этажных электрощитовых) - УЗИП II класса. Системы защиты наиболее ответственного оборудования устанавливаются рядом с ним локально (перед блоками питания камер, регистраторов, коммутаторов) - УЗИП III класса. Концепция многоступенчатой защиты подразумевает сглаживание нелинейного импульса в несколько этапов. Принцип срабатывания защиты цепей питания видеонаблюдения следующий. Прежде всего срабатывает газоразрядник — это устройство, которое имеет определенный уровень напряжения пробоя. После срабатывания часть напряжения отводится через заземление. Если уровень напряжения остается достаточно высоким, в действие вступает второй уровень защиты. Это устройство выполнено на основе ограничительных диодов и стабилитронов. При необходимости может сработать и третий уровень системы защиты, его внутренняя структура и принцип действия полностью аналогичен предыдущему. Вместе с тем следует отметить необходимость надежного заземления и уравнивания потенциалов.
Помимо цепей питания необходимо защищать от импульсов перенапряжения входные интерфейсы линий связи. Причем защищать необходимо с обоих концов кабелей питания и кабелей связи. УЗИП защищает только оборудование, установленное непосредственно за ним.
Многих неприятностей можно избежать, следуя несложным правилам:
- Использование волоконно-оптических кабелей при передаче видеосигнала на большие расстояния не только снимает ограничения сегмента Ethernet для подключения IP-камер, но и позволяет существенно снизить вероятность выхода из строя оборудования из-за импульсных перенапряжений (гроза, статическое электричество).
- Использование экранированного кабеля может привести к дополнительным токам электромагнитной наводки на кабельном экране, которые будут индуцировать на сигнальных проводниках ЭДС довольно высокого уровня. Подключение кабельного экрана к разным точкам заземления приводит к протеканию уравнивающих токов через кабельный экран. Поэтому применение экранированных кабелей для систем видеонаблюдения не рекомендуется.
- Параметры УЗИП необходимо выбирать с учетом значений рабочих сигналов и напряжений, а также ожидаемых импульсных токов и напряжений.
- Практически все типы УЗИП способны защитить оборудование только при условии надежного заземления в соответствии с требованиями ПУЭ.
- УЗИП необходимо устанавливать с обеих концов защищаемой сигнальной линии связи.
- Камеры видеонаблюдения, а также шкафы с коммутаторами, блоками питания и другим вспомогательным оборудованием необходимо устанавливать на расстоянии не менее 5-10 метров от молниеприемников. Кабельные линии в этом случае рекомендуется прокладывать в заземленных металлических трубах, коробах или металлорукавах.
Рациональный выбор
В каких случаях установка УЗИП - необходима, а когда можно и сэкономить деньги заказчика? К примеру, если заказчик хочет получить систему с минимальным временем простоя из-за нештатных ситуаций (к которой разумеется относится и импульсное перенапряжение) - то других вариантов нет - нужно устанавливать многоступенчатую систему защиты УЗИП. Но в реальной практике не всегда это возможно по экономическим соображениям.
Существует ряд критериев, на основании которых можно принять решение (и согласовать его с заказчиком помня про цену):
- Масштаб системы. Чем крупнее система видеонаблюдения, тем дороже стоит центральное оборудование - коммутаторы, серверы, рабочие места, видеостены. Риски выхода из строя такого оборудования вряд ли можно считать приемлемым. Вердикт - точно нужно защищать!
- Вероятность попадания молнии в объект защиты либо в другие близко расположенные объекты. Удельная плотность грозовых разрядов в России составляет около 3-х ударов в год на квадратный километр, что не очень много. Но тем не менее для разных регионов России этот показатель может варьироваться в достаточно больших пределах. Плотность ударов молнии в землю может быть определена по карте со статистическими данными метеослужбы. Определив число дней с грозовой активностью в году можно определить вероятность удара молнии. Риск перенапряжений на объекте увеличивается при наличии молниеотвода на отметке выше 50 м на здании или соседнем участке. Объект высотой 20 м, такой как заводская дымовая труба, дерево, мачта и т.д., оказывает такое же влияние, как молниеотвод.
- Тип объекта. Вероятность возникновения коммутационных перенапряжений. Промышленные, инфраструктурные объекты, объекты энергетики требуют особого подхода при проектировании. Лучше не экономить на защите!
Выводы
Оборудование видеонаблюдения нужно защищать не только от воздействия электромагнитных наводок молнии (т.н. “грозозащита”), но и от других видов импульсных перенапряжений: коммутации и переключений оборудования, электростатического заряда атмосферных осадков, “занесенного” напряжения вследствие неисправности оборудования и т.п. Обеспечить высокую степень защищенности системы можно лишь комплексом мер: кроме установки УЗИП на всех входных цепях защищаемого оборудования на объекте должны быть смонтированы системы заземления и уравнивания потенциалов согласно действующих нормативных требований.