Wymagania normy PN-EN 61643-21 dla ograniczników przepięć przeznaczonych do systemów niskosygnałowych
Przykład oznakowania ogranicznika przepięć DataPro 2x24 V (prod. LEUTRON)
Urządzenia stosowane w systemach niskosygnałowych, na przykład: teleinformatycznych, kontrolno-pomiarowych, automatyki, alarmu, włamania i napadu, nagłośnienia, czy sterowania, charakteryzują się zazwyczaj niskimi poziomami odporności elektromagnetycznej od strony ich interfejsów sygnałowych. Jest to związane przede wszystkim ze stosowaniem w takich systemach coraz większej liczby wrażliwych układów elektronicznych podatnych na zakłócenia elektromagnetyczne.
Zobacz także
Ewimar Sp. z o.o. Nowe ograniczniki przepięć do systemów automatyki i nie tylko
Już wkrótce gama produktów z firmy Ewimar, zostanie wzbogacona o nowe produkty ochrony przeciwprzepięciowej, dedykowane do linii zasilających, linii pomiarowych oraz transmisyjnych.
Już wkrótce gama produktów z firmy Ewimar, zostanie wzbogacona o nowe produkty ochrony przeciwprzepięciowej, dedykowane do linii zasilających, linii pomiarowych oraz transmisyjnych.
RST sp. z o.o., dr inż. Tomasz Maksimowicz Ochrona przed przepięciami kamer IP i sieci Ethernet
Sieci Ethernet to już nie tylko sieci komputerowe, ale przede wszystkim uniwersalne media dla wszelkiego rodzaju systemów transmisji. Ogromne korzyści uzyskano dzięki opracowaniu standardu zasilania Power...
Sieci Ethernet to już nie tylko sieci komputerowe, ale przede wszystkim uniwersalne media dla wszelkiego rodzaju systemów transmisji. Ogromne korzyści uzyskano dzięki opracowaniu standardu zasilania Power over Ethernet (PoE), który znacząco przyczynił się do rozszerzenia obszaru zastosowań tej technologii. Doskonały przykład stanowią systemy monitoringu wizyjnego (VSS – Video Surveilance System, potocznie CCTV), gdzie jednym przewodem 4-parowym możliwa jest transmisja sygnału wizyjnego, sterowanie...
mgr inż. Krzysztof Wincencik Nowe zapisy w arkuszu normy PN-EN IEC 62305-1:2025 dotyczące podstawowych zasad ogólnych tworzenia ochrony odgromowej (część 1.)
Arkusz nr 1 normy 62305, zatytułowany „Zasady ogólne”, stanowi fundament dla pozostałych arkuszy normy dotyczącej ochrony odgromowej, określając bazowe parametry prądu pioruna oraz główne zasady projektowania...
Arkusz nr 1 normy 62305, zatytułowany „Zasady ogólne”, stanowi fundament dla pozostałych arkuszy normy dotyczącej ochrony odgromowej, określając bazowe parametry prądu pioruna oraz główne zasady projektowania systemów ochronnych. Nowa edycja, wprowadzona jako PN-EN IEC 62305-1:2025-09, zastępuje dotychczasową wersję z roku 2011.
StreszczenieUrządzenia elektroniczne stosowane w systemach niskosygnałowych, ze względu na niską odporność udarową, powinny być dodatkowo chronione za pomocą odpowiednich ograniczników przepięć. Układy przeznaczone do ograniczania przepięć w sieciach telekomunikacyjnych i sygnalizacyjnych powinny spełniać wymagania zawarte w normie PN-EN 61643-21. W artykule opisano wymagania normatywne oraz przykłady ograniczników przepięć.AbstractRequirements for surge protecting devices dedicated to telecommunications and signaling networks according to PN-EN 61643-21Electronic equipment used in signal system, because of low surge immunity, should be protected by proper surge protecting devices. Devices dedicated to reduce overvoltage in telecommunication and signalization networks should meet requirements included in PN-EN 61643-21 standard. In this paper normative requirements and examples of surge protecting devices are presented. |
W szczególności niebezpieczne dla takich urządzeń są przepięcia powstające wskutek oddziaływania wyładowań atmosferycznych lub powodowane zakłóceniami w sieci zasilania energetycznego. Mogą one prowadzić do uszkodzenia lub nawet całkowitego zniszczenia urządzeń elektronicznych. Związane z tym straty nie ograniczają się wyłącznie do sfery materialnej (konieczność naprawy lub wymiany urządzeń), ale zazwyczaj wiążą się z dodatkowymi kosztami wynikającymi z utraty funkcjonalności systemu, w którego skład wchodzi uszkodzony moduł lub całe urządzenie, oraz utraty prestiżu firmy, z powodu przerwy w jego działaniu.
Dla zapewnienia wysokiej niezawodności wszelkiego rodzaju systemów niskosygnałowych pracujących w środowisku charakteryzującym się znacznymi poziomami zaburzeń elektromagnetycznych konieczne jest stosowanie układów ograniczających przepięcia (SPD ang. surge protecting device) dobranych odpowiednio do standardu chronionego interfejsu. Układy SPD powinny ograniczać napięcia do poziomów bezpiecznych, wytrzymywanych przez chronione urządzenie bez naruszenia normalnych cech funkcjonalnych systemu. Aktualne wymagania odnoszące się do ograniczników przepięć przeznaczonych do ochrony linii sygnałowych zawarte są w normie PN-EN 61643-21 [1].
Wymagania oraz metody badań wg normy PN-EN 61643-21
Celem normy PN-EN 61643-21 jest określenie wymagań oraz metod badań dla ograniczników przepięć przeznaczonych do zastosowań w liniach sygnałowych. W normie zamieszczono cztery główne grupy wymagań normatywnych: wymagania ogólne, wymagania elektryczne, wymagania mechaniczne i wymagania środowiskowe.
Grupą wymagań, które odnoszą się do wszystkich typów ograniczników linii sygnałowych, są wymagania ogólne oraz wymagania mechaniczne. Zakres wymagań elektrycznych i środowiskowych dobierany jest odpowiednio do typu badanego SPD i środowiska jego pracy. Dodatkowe wymagania stawiane są układom SPD przeznaczonym do stosowania w torach transmisji danych oraz w nienormalnych warunkach pracy.
Wymagania ogólne
Wymagania ogólne dotyczą identyfikacji oraz dokumentacji ograniczników przepięć. Na korpusie obudowy producent powinien zamieścić informacje dotyczące:
- nazwy wytwórcy lub znaku fabrycznego,
- czasu produkcji,
- numeru modelu,
- największego napięcia trwałej pracy.
Oznakowanie powinno być wyraźne oraz odporne na ścieranie i działanie rozpuszczalników. Przykład oznakowania ogranicznika przepięć przedstawiono na rysunku 1. Pozostałe informacje, takie jak:
- warunki pracy,
- prąd znamionowy,
- napięciowy poziom ochrony Up,
- reset udarowy (jeśli jest badany),
- odporność na prąd przemienny,
- odporność na udary,
- rodzaj uszkodzenia przy przeciążeniu,
- charakterystyki transmisji,
- rezystancje szeregowe,
- informacje dodatkowe
mogą być także zamieszczone na obudowie SPD lub zawarte w dołączonej dokumentacji bądź też zamieszczone na opakowaniu.
Wymagania mechaniczne
Wymagania mechaniczne mają na celu sprawdzenie jakości wykonania układu SPD i zastosowanych materiałów. Ocenie poddane powinny być zaciski i złącza, pod kątem jakości kontaktu elektrycznego oraz wytrzymałości na siły ciągnące. Ogranicznik powinien być odporny na narażenia mechaniczne, wnikanie ciał stałych i wody (weryfikacja kodu IP) oraz powinien wykazywać się odpornością na ogień stosownie do jego przeznaczenia i warunków pracy.
Dla SPD dostępnych (dostępność części czynnych), dla których najwyższe napięcie pracy jest większe niż 50 V wartości skutecznej napięcia przemiennego lub 71 V napięcia stałego, próby powinny dotyczyć także ochrony przed dotykiem bezpośrednim w celu sprawdzenia możliwości dotyku części czynnych. Nie dotyczy to SPD sklasyfikowanych jako niedostępne.
Wymagania elektryczne
Próby elektryczne mają na celu określenie podstawowych parametrów ogranicznika przepięć, istotnych ze względu na jego przeznaczenie. Parametry deklarowane przez producenta powinny uzyskać potwierdzenie w wynikach badań przeprowadzonych, zgodnie z normatywnymi próbami szczegółowo opisanymi w normie [1].
Ze względu na specyfikę obszaru zastosowań przy określaniu parametrów ograniczników przepięć największe znaczenie mają próby udarowe. W tabeli 1. przedstawiono wszystkie kategorie prób stosowane w trakcie badań ograniczników przepięć dla linii sygnałowych, różniące się parametrami udarów prądowych i napięciowych. Badania te mają na celu określenie napięciowego poziomu ochrony Up i wytrzymałości udarowej ograniczników przepięć. Testowy impuls udarowy (napięciowy lub prądowy) opisuje się wartością szczytową, czasem trwania czoła (t1) i czasem do półszczytu (t2). Graficzna interpretacja parametrów udaru przedstawiona została na rysunku 2. Sklasyfikowano następujące typy prób udarowych opisane w tabeli 1.:
- bardzo wolny czas narastania,
- prąd przemienny,
- wolny czas narastania,
- szybki czas narastania,
- duża energia.
W przypadku, gdy producent deklaruje, że dany układ SPD spełnia wymagania jednej z kategorii testowania wymienionych w tabeli 1., to powinien podać informacje o wartościach szczytowych udarów, na jakie badany był ogranicznik. Wytwórca powinien także określić wartość prądu udarowego (np. 8/20 μs) oraz wartość prądu przemiennego, które mogą doprowadzić do uszkodzenia ogranicznika.
Najczęściej parametry udarowe ograniczników określane są dla prób kategorii C. Zastosowanie w tym przypadku udarów prądowych o kształcie 8/20 μs ma na celu symulację przepięć indukowanych w liniach sygnałowych na skutek oddziaływania piorunowych impulsów pola elektromagnetycznego (LEMP ang. lightning electromagnetic pulse). Z kolei udary o dużej energii (kategoria D) symulują oddziaływanie przepływu przez linie sygnałowe częściowego prądu pioruna, którego przebieg opisuje się kształtem impulsu 10/350 ms [3]. Przepięcia indukowane pojawiają się w sieci sygnałowej znacznie częściej, stąd – według wymagań prób typu – ogranicznik musi wytrzymać 300 narażeń o wartości szczytowej do 1 kV (kategoria testowania C1), lub 10 narażeń udarem o wartości szczytowej powyżej 1 kV (kategoria testowania C2). Częstotliwość występowania bezpośrednich wyładowań atmosferycznych jest znacznie mniejsza – stąd dla kategorii D1 wymagane jest jedynie doprowadzenie do układu SPD tylko dwóch udarów.
Spełnienie wymagań pozostałych kategorii prób udarowych jest rzadziej deklarowane przez producentów. Prawdopodobnie jest to związane z koniecznością kosztownej rozbudowy stanowisk laboratoryjnych w celu uzyskania udarów o takich kształtach. Większość laboratoryjnych generatorów udarowych projektowana jest na udary kombinowane (napięciowy 1,2/50 μs, prądowy 8/20 μs). Testowanie udarem napięciowym o kształcie 10/700 ms lub 10/1000 μs wymaga zastosowania do badań kosztownych modułów dodatkowych, lub zakupu oddzielnych generatorów. Warto dla przykładu dodać, że w rozporządzeniu dotyczącym obiektów telekomunikacyjnych [2] impuls napięciowy 5 kV 10/700 μs jest wymieniany w wymaganiach odnośnie zabezpieczenia telekomunikacyjnych linii napowietrznych.
Poza próbami udarowymi ograniczniki powinny być poddawane testom pozwalającym na określenie między innymi następujących parametrów:
- największego napięcia trwałej pracy Uc,
- rezystancji izolacji,
- rezystancji szeregowej,
- odporności na prąd przemienny,
- prądu znamionowego.
Jeżeli ogranicznik przeznaczony jest do zastosowań w torach transmisji danych, należy dodatkowo określić jego:
- pojemność,
- tłumienność wtrąceniową (ang. insertion loss),
- tłumienność odbiciową (RL, ang. reflection loss),
- tłumienność wzdłużną,
- bitową stopę błędu (BER, ang. bit error rate),
- przesłuch zbliżny (NEXT, ang. near end crosstalk).
W torach radiowych parametry transmisyjne powinny być określane dla deklarowanego przez producenta zakresu częstotliwości roboczych, zgodnego z przeznaczeniem ogranicznika do ochrony konkretnego systemu niskosygnałowego. Najistotniejsze w tych zastosowaniach są wartości tłumienności wzdłużnej i odbiciowej, które powinny być jak najmniejsze, aby nie pogorszyć parametrów toru transmisyjnego. W danych katalogowych często zamiast tłumienności odbiciowej podawana jest wartość współczynnika fali stojącej WFS (SWR, ang. standing wave ratio), który jest powiązany ze współczynnikiem odbicia i może być przeliczony na wartość tłumienności.
Parametr BER określany jest dla cyfrowej transmisji danych. Ograniczniki przeznaczone dla cyfrowej transmisji nie powinny ograniczać maksymalnej przepustowości systemu z zachowaniem odpowiednio niskiej stopy błędu.
Wymagania środowiskowe
Ograniczniki przepięć, które przeznaczone są do pracy w niekontrolowanych warunkach środowiskowych, powinny być poddane dodatkowym próbom. Układy takie powinny być badane z wykorzystaniem komory klimatycznej na odporność na wysoką temperaturę (80°C) i wilgotność (90%). Próby środowiskowe należy przeprowadzać według opisanych cykli. Przeprowadza się także badania naprzemiennego cyklicznego oddziaływania warunków środowiskowych i prądów udarowych lub impulsów prądu przemiennego.
Przykładowe rozwiązania ograniczników w zastosowaniach niskosygnałowych
Ochrona systemów kontrolno-pomiarowych
Obecnie na rynku dostępny jest duży wybór ograniczników przepięć przeznaczonych do ochrony systemów kontrolno-pomiarowych. Ograniczniki dla takich systemów powinny być dobierane przede wszystkim z uwzględnieniem znamionowych napięć i prądów tych systemów, napięciowego poziomu ochrony oraz zakładanej wytrzymałości udarowej.
Jako przykład może być przedstawiona nowa seria ograniczników MP 1x2 GDT/Ad-Ad ST firmy LEUTRON, zaprojektowana do ochrony pojedynczej pary linii asymetrycznej w zakresie napięć znamionowych od 5 V do 180 V i o prądzie znamionowym do 0,5 A. Przykładowe parametry układu z tej serii na napięcie znamionowe 24 V przedstawiono w tabeli 2. Ograniczniki te zostały przebadane próbami kategorii udarowych D1/C2/C1/C3 zgodnie z wymaganiami PN-EN 61643-21.
Kategoria D1 świadczy o wytrzymałości elementu na częściowy prąd piorunowy, dzięki czemu może być on stosowany na granicy strefy LPZ 0A. Układ składa się z dwóch kaskad ochronnych: zgrubnej (opartej na odgromniku) – odprowadzającej dużą energię oraz ochrony dokładnej (elementy sprzęgające i diody) – zapewniającej ograniczenie napięcia do zaprojektowanej wartości. Ograniczniki serii MP – to elementy z wymiennymi modułami, pozwalającymi na łatwe wymontowanie wkładki ogranicznika na czas wykonywania czynności serwisowych lub pomiarów bez zmiany impedancji linii oraz poziomów sygnałów w systemie. W zależności od typu wybranej podstawy możliwe jest także bezpośrednie lub pośrednie (poprzez odgromnik) uziemienie ekranu.
Ochrona systemów informatycznych
Na rysunku 4. przedstawiono przykład ogranicznika przepięć do ochrony urządzeń wewnętrznych sieci informatycznych. Przy doborze ograniczników przepięć do ochrony systemów informatycznych szczególną uwagę należy zwrócić na zagwarantowanie właściwego poziomu przepustowości transmisji danych.
Ogranicznik typu DataPro RJ45 f/f spełnia wymagania kategorii C2/C1/C3. Jest to układ chroniący przed przepięciami indukowanymi i przeznaczony do stosowania na granicy stref LPZ 0B i wyższych. Zapewnia jednoczesną ochronę wszystkich 4 par sygnałowych. Układ przystosowany jest do sieci kategorii 5 (klasa D) według specyfikacji EIA/TIA. Przy wyborze układów do ochrony sieci informatycznych należy zwracać uwagę na standardy przesyłu danych, z jakimi dany układ jest kompatybilny. Prezentowany ogranicznik spełnia wymagania standardów 10Base T i 100Base T (Ethernet o przepustowości 10 Mbit/s i 100 Mbit/s).
Ochrona torów radiowych
Urządzenia nadawczo-odbiorcze systemów radiokomunikacyjnych są szczególnie narażone na oddziaływanie wyładowań atmosferycznych ze względu na umieszczane na zewnątrz budynków anteny. W tym przypadku, przy doborze układów ochronnych, w pierwszej kolejności należy zwracać uwagę na robocze pasmo częstotliwości, na jakie zaprojektowany został ogranicznik. Jednym z podstawowych parametrów ograniczników przeznaczonych dla torów transmisyjnych według wymagań normy PN-EN 61643-21 powinna być tłumienność odbiciowa. W praktyce większość producentów podaje jednak wartość współczynnika fali stojącej WFS (ang. VSWR), który jest łatwiejszy do interpretacji. Wartości te są powiązane i tłumienność odbiciową RL można wyznaczyć w łatwy sposób z zależności:
Renomowane firmy specjalizujące się w produkcji układów ochrony przed przepięciami dla zastosowań w radiokomunikacji, takie jak: PolyPhaser, czy ostatnio również Times Microwave, oferują obecnie produkty charakteryzujące się doskonałymi – niskimi wartościami tłumienności wtrąceniowej (na poziomie 0,1 dB) i równie doskonałym dopasowaniem w paśmie częstotliwości roboczych (WFS na poziomie 1,1).
Przykładowe rozwiązanie SPD dla zastosowań w radiokomunikacji – ogranicznik AL-LSXM serii SX produkcji firmy PolyPhaser – przedstawiono na rysunku 5. Jest to element przeznaczony do pracy w zakresie częstotliwości od 2 do 6 GHz, dzięki czemu ma zastosowanie w popularnych obecnie systemach bezprzewodowej sieci lokalnej WLAN. Często, oprócz napięciowego poziomu ochrony, podaje się maksymalną energię, jaka może być przeniesiona przez ogranicznik na stronę chronioną przy wystąpieniu udaru danego typu. Dodatkowym, istotnym parametrem, jaki jest zazwyczaj podawany w kartach katalogowych urządzeń SPD, a nie jest wymieniony w normie [1], jest moc układu nadawczego, przy jakiej może pracować ogranicznik.
Podsumowanie
W dobie powszechnego stosowania układów mikroprocesorowych ochrona przed przepięciami jest niezbędna dla niezawodnej pracy wszelkiego rodzaju instalacji niskosygnałowych, a w tym m.in.: systemów automatyki, kontroli, pomiarów i sterowania, systemów informatycznych, systemów alarmu, włamania i napadu, czy wykorzystujących kable koncentryczne systemów radiokomunikacji. Dla zagwarantowania odpowiednio wysokiej jakości zabezpieczeń przed przepięciami układy ochronne w zastosowaniach niskosygnałowych powinny spełniać wymagania zawarte w aktualnych normach. Wprowadzone w normie PN-EN 61643-21 kategorie testowania ograniczników przepięć pozwalają na odpowiedni dobór prób testowania do rzeczywistych warunków środowiskowych oraz właściwą ocenę poziomu odporności chronionego systemu po zastosowaniu prawidłowo dobranych ograniczników przepięć.
Literatura
- PN-EN 61643-21 Niskonapięciowe urządzenia ograniczające przepięcia. Część 21: Urządzenia do ograniczania przepięć w sieciach telekomunikacyjnych i sygnalizacyjnych. Wymagania eksploatacyjne i metody badań.
- Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 26 października 2005 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać telekomunikacyjne obiekty budowlane i ich usytuowanie.
- PN-EN 62305-1 Ochrona odgromowa. Część 1: Zasady ogólne.
