Оптична ізоляція: найкраща інвестиція в безпеку

Незважаючи на те, що сама будівля жодного разу не була уражено блискавкою, розряди в безпосередній близькості стали причиною загибелі декількох дерев, виходу з ладу електричних приладів, руйнування телефонних кабелів.

На жаль, такого роду ушкодження незахищеного обладнання не рідкісні. За оцінками NLSI, збиток, що наноситься цим природним явищем, становить близько 4-5 млрд доларів. Щорічно в світі відбувається не менше 25 мільйонів ударів блискавок.

Вихід з ладу обладнання може призвести до загибелі людей, тому виникає задача захистити обладнання від зовнішніх впливів. Advantech B + B SmartWorx має рішення, що дозволяють зберегти обладнання в працездатному стані в будь-яких умовах. 

Природно, не тільки удари блискавки є причиною стрибків напруги і виходу з ладу електроприладів. Стрибки напруги на лінії, помилки при установці, земляні петлі також є причиною виникнення перехідних процесів в мережах, телефонних лініях і на іншому обладнанні.

Напруга землі: різниця потенціалів – загроза безпеці.

Розуміння того, що викликає різницю потенціалів землі допоможе захистити обладнання від пошкоджень.

При ударі блискавки розряд струму розтікається по землі, за принципом хвилі, що утворилася після падіння каменя в воду. Таким чином, різниця потенціалів між точкою удару і областю, розташованою за кілька десятків метрів, може становити сотні вольт. Це і є причиною всіх проблем. Струм тече по шляху найменшого опору і, найчастіше, він протікає близько до електричних кабелів. При цьому за рахунок появи великих струмів перехідна напруга збільшується. І на пристрої, підключеному до електромережі подається занадто велика напруга, що призводить до їх виходу з ладу. 

Мінімізація ризиків: огляд системи захисту

З огляду на витрати на заміну пошкодженого обладнання і збитків, викликаних простоєм, мінімізація ризику пошкодження обладнання стає пріоритетним завданням. 

Деякі варіанти захисту від перенапруги:

• Обмежувач напруги
• Механічна ізоляція
• Оптична ізоляція
• Потрійна ізоляція

Важливо, що перехідні процеси відбуваються в основному на лініях передачі даних і лініях електроживлення. Обидва ці шляхи є “шляхами найменшого опору” і повинні бути захищені. Як описано нижче, різні способи захисту від перенапруг більше підходять для захисту різних шляхів.

Нижче наведено опис чотирьох способів захисту:

Обмежувач напруги

Обмежувачі мають різні форми, розміри, починаючи від простого мережевого фільтра між комп’ютером і джерелом живлення, до великих модулів, що закріплюються на DIN-рейку. Advantech B + B SmartWorx пропонує кілька обмежувачів напруги з трьома рівнями захисту. HESP4DR ,  485HESP  і  232HESP  – наші найпопулярніші і надійні моделі. Також ми пропонуємо обмежувачі для пристроїв Ethernet або USB, наприклад  USBSSP .

Компоненти обмежувача характеризуються високою нелінійністю, при проходженні через них сильних імпульсних струмів величина перенапруги знижується до прийнятного рівня.

При правильному використанні, або в поєднанні з іншими заходами захисту, обмежувачі можуть бути дуже ефективними. Вони дозволяють захистити як лінії електропередач, так і лінії зв’язку, але найбільш ефективні вони як перший ступінь захисту силових ліній. Вони можуть бути встановлені на DIN-рейку або вбудовані безпосередньо в шафі, захищаючи від струмів до 39 кА з часом відгуку 1 нс.

Тим не менше, використання обмежувачів не позбавлене недоліків:

• Складність проектування
• Убогий вибір обладнання
• Обмежувачі, як правило, захищають тільки силові лінії, але не лінії зв’язку і порти
• Перехідний напруга може виявитися занадто високою

Останнє стало причиною аварій на “дуже захищених системах”.

Тому, в деяких випадках установка пари обмежувачів може принести більше шкоди, ніж користі.

У всіх випадках, коли потрібне надійне рішення для захисту систем даних і важливого обладнання, необхідно створити окремий шар захисту від перенапруг. Ізоляція – в тій чи іншій мірі, в залежності від використовуваного методу, забезпечує захист від стрибків напруги.

Механічна ізоляція (Трансформатори)

Історично, трансформатори грали важливу роль при ізоляції обладнання. На відміну від обмежувачів, які обмежували рівень напруги при його високих значеннях, трансформатори блокують протікання постійного струму (DC).

Трансформатори ефективно працюють в системах, в яких передаються модульовані сигнали, такі як телефонні лінії і Ethernet, через обмеження частотного діапазону. Також, трансформатори грають важливу роль при передачі змінного струму, знижуючи напругу до потрібного рівня.

Тим не менше, використання трансформаторів можливо не скрізь з наступних причин:

• Трансформатори працюють у вузькому частотному діапазоні
• Передача високочастотного шуму може привести до втрати інформації
• Нагрівання трансформатора при високих рівнях напруги може привести до виходу з ладу інших компонентів
• І навіть компактні трансформатори мають великі габарити, що робить їх непридатними для використання в ряді випадків.

Оптична ізоляція

Концепція оптичної ізоляції проста і ефективна для вирішення проблем, що створюються обмежувачами і трансформаторами.

Дані надходять в оптичних ізолятор і перетворюються в світловий сигнал за допомогою світловипромінювальних діода (LED). Цей сигнал вловлюється фоторецептором всередині того ж ізолятора і перетворюється назад в вихідну форму. Фізичний розрив між LED і фоторецептором виключає можливість протікання струму. 

У разі необхідності, схема оптичної ізоляції може бути побудована по-різному. Ось дві ілюстрації того, як оптична розв’язка може бути реалізована:

Оптична ізоляція (з імпульсним входом)

Оптична ізоляція (USB)

Advantech B + B SmartWorx пропонує оптичні ізолятори практично для будь-якого послідовного протоколу. Ізолятори і можливістю кріплення на DIN-рейку: 232OPDR  і  485OPDR  і  великий вибір інших ізоляторів .

Потрійна ізоляція 

Потрійна ізоляція дозволяє ізолювати кожен порт, силові лінії, тим самим з’являється можливість створити повністю ізольовану систему. Усередині кожного модуля всі схеми розділені і між будь-якими двома портами немає електричних з’єднань. При цьому потрібно друге джерело живлення, яке буде генерувати енергію всередині модуля ізоляції і подавати живлення на порти.

Такий варіант ізоляції забезпечує високу ступінь захисту, який перекриває всі можливі шляхи для струмів ззовні. Велика частина устаткування, в якому використовується потрійна ізоляція, здатна витримувати різницю потенціалів до 3 кВ. Advantech B + B SmartWorx виробляє моделі 232OPDRi і 485OPDRi , що відповідають даній вимозі.

Висновки

Джерела стрибків напруги і земляних петель можуть бути самими різними, наприклад, лінії електропередач або блискавки. 

Щороку приватні і фізичні особи втрачають більше 4 млрд доларів лише з тієї причини, що вони не подбали належним чином про захист свого обладнання. 

Чи є ізольовані пристрої дорожче, чим не ізольовані? Так. Наприклад, вартість ізольованого обладнання може бути вище на кілька тисяч гривень. Але в порівнянні з вартістю того обладнання, яке може бути виведено з ладу, ця різниця не так помітна. Також великі збитки може принести простій у виробництві. 

Ізолюючи систему механічно, оптично, або двома способами одночасно, ймовірність поломки обладнання може бути зведена до мінімуму, що дозволить продовжити термін служби обладнання і уникнути необов’язкових витрат на його ремонт. Це інвестиція, яка окупиться дуже швидко.