Особенности защиты оборудования грозоразрядниками по коаксиальным линиям

Риски поражения импульсными перенапряжениями, применяемые технологии, отличительные особенности и сферы применения, подбор УЗИП, монтаж устройств защиты, защита системы видеонаблюдения.

РИСКИ ПОРАЖЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫМИ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯМИ

Коаксиальные кабели служат для соединения приёмо-передающего оборудования с внешней антенной, а также для межблочных соединений аппаратуры. Так как любая антенна рассчитана на приём высокочастотного электромагнитного сигнала, то она одинаково хорошо будет принимать как полезный сигнал, так и мощный импульс, вызванный, например, разрядом молнии. Амплитуда и мощность этого импульса может на порядки превышать полезный сигнал и, в случае отсутствия защиты, может вывести из строя выходные каскады трансивера. И чем лучше антенна, тем больше импульс перенапряжения может придти к оборудованию. Поэтому защите цепей, идущих от антенны к оборудованию, надо уделять особое внимание.

ПРИМЕНЯЕМЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Защита ВЧ оборудования осуществляется устройствами, называемыми обычно грозоразрядниками. Их работа основана на трёх технических решениях: это газовый разряд, четвертьволновая технология и гибридные схемы. Газовые разрядники представляют из себя керамическую втулку, с обоих концов закрытую металлическими электродами и содержащую внутри специальный газ под низким давлением (рисунок 1). Подробнее про газовый разрядник можно прочесть в статье «Газовые разрядники (GDT)». Схема устройства, использующего газовый разрядник, приведена на рисунке 2. Газовый разрядник одним электродом соединён с центральной жилой кабеля, а другим с заземлённым корпусом устройства. При приходе импульса перенапряжения происходит пробой разрядника и кратковременное шунтирование центральной жилы на землю. После уменьшения тока через разрядник до уровня гашения дуги, он переходит в непроводящее состояние.

Рисунок 1. Газовый разрядник

Рисунок 2. Устройство защиты коаксиальных линий P8AX с разрядником

Четвертьволновая технология основана на следующем физическом явлении: кусок проводника, длина которого равна четверти длины волны сигнала, представляет для этого сигнала бесконечное сопротивление. На рисунке 3 показана схема грозоразрядника, работающего по этому принципу. Отрезок проводника, идущий от кабельной жилы на землю, равен точно 1/4 длины волны полезного сигнала, то есть является изолятором для данной частоты. Все остальные сигналы, в том числе и импульсные перенапряжения, шунтируются на землю.

Рисунок 3. Устройство защиты коаксиальных линий PRC с четвертьволновой технологией

Гибридная технология использует газовые разрядники в сочетании с другими пассивными элементами: резисторами, конденсаторами, супрессорными диодами. Пример такого устройства показан на рисунке 4.

Рисунок 4. Гибридное устройство защиты коаксиальной линии CXC

ОТЛИЧИТЕЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ И СФЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ

У каждого решения есть свои особенности и сферы применения. УЗИП на базе газовых разрядников работают в очень широком спектре частот, от постоянного тока до 6 ГГц. Имея очень маленькую собственную емкость, они практически не вносят помех в работу ВЧ тракта. Грозоразрядник на базе четвертьволновой технологии имеет огромную импульсную мощность и способен защитить оборудование даже от прямого удара молнии при очень низком остаточном напряжении.

Исходя из этих особенностей, устройства на базе разрядников применяются для защиты оборудования, работающего в широком диапазоне частот, в том числе и с подачей питания постоянного тока по коаксиальному кабелю. Примером таких устройств может служить УЗИП серии P8AX (рисунок 5), имеющий в своём составе разрядник на максимальный импульсный ток 20 кА (8/20 мкс) с остаточным напряжением менее 600 В. Устройства выпускаются с различными разъёмами.

Рисунок 5. УЗИП P8AX с газовым разрядником и разъёмами типа BNC

Для защиты приемников и передатчиков применяются устройства типа PRC (рисунок 6), изготовленные по четвертьволновой технологии. Они имеют максимальный импульсный ток 100 кА (8/20) и 25 кА (10/350) при остаточном напряжении менее 20 В. Устройство также выпускается с различными разъёмами. При заказе необходимо учитывать диапазон рабочих частот.

Рисунок 6. Четвертьволновой коаксиальный УЗИП типа PRC с разъёмами 7/16

Так как мощные импульсные перенапряжения имеют частоту ниже 1 МГц, то предлагается устройство с гибридной технологией, содержащее в себе, помимо разрядника, фильтр низких частот. Оно работает на частотах выше 125 МГц и имеет низкий уровень остаточного напряжения (менее 100 В). Внешний вид устройства показан на рисунке 7.

Рисунок 7. Устройство защиты высокочастотного оборудования по коаксиальной линии с фильтром низких частот CXP-DCB

Рисунок 8. Частотные характеристики разных серий устройств

ПОДБОР УЗИП

Подбор устройств для защиты оборудования по коаксиальным линиям осуществляется с учётом следующих параметров:

1. Рабочий диапазон частот.
2. Максимальное напряжение в линии.
3. Максимальная передаваемая по кабелю мощность в/ч сигнала и постоянного тока.
4. Тип используемого разъёма.
5. Способ заземления.

МОНТАЖ УСТРОЙСТВ ЗАЩИТЫ

Установку грозоразрядников лучше осуществлять на вводе фидера в шкаф или контейнер, чтобы импульсы перенапряжения не попадали внутрь и не наводили помехи на другие линии. Непременным условием эффективной защиты является наличие заземления в здании. Присоединение грозоразрядника к системе заземления и уравнивания потенциалов может осуществляться путём проходного монтажа на заземлённые металлические конструкции (например, стенку металлического шкафа). Если такой возможности нет, то предусмотрен специальный заземляющий болт. В этом случае заземляющий проводник должен быть максимально прямым и коротким и иметь сечение не менее 4 кв. мм.

Для надёжной защиты оборудования необходимо, чтобы антенна располагалась в зоне защиты молниеприёмника, а металлическое основание антенны было надёжно присоединено к системе внешней молниезащиты и заземлено (п. 4.7.3. СО 153-34.21.122-2003).

ЗАЩИТА СИСТЕМЫ ВИДЕОНАБЛЮДЕНИЯ

В качестве примера рассмотрим вариант защиты системы видеонаблюдения. Так как видеокамеры часто расположены далеко от видеоконцентратора, а коаксиальные кабели проложены в воздухе, то наведённые импульсные перенапряжения на эти линии имеют значительную величину. Для защиты видеооборудования по этим линиям применяются гибридные устройства серии CXC. Обычно УЗИП устанавливают около тех устройств, которые необходимо защитить. Например, если важно защитить и концентратор, и видеокамеры, то УЗИП монтируют с обоих концов кабеля. Защищать видеовхода концентратора необходимо в любом случае, так как приход импульса даже по одной линии приводит к выходу из строя всей системы видеонаблюдения в целом. При большом количестве видеокамер целесообразно применять устройство RAK16-BNC, монтируемое в 19-дюймовую стойку и защищающее сразу 16 линий.

Нельзя забывать о защите системы и по другим цепям, например управления и питания. Об устройствах, защищающих эти цепи, можно прочесть в статьях «Применение УЗИП в слаботочных и информационных цепях» и «Рекомендации по применению УЗИП для цепей питания 220/380 В». Для организации комплексной защиты видеооборудования фирма CITEL предлагает устройство VSP-VM, которое защищает коаксиальную линию передачи видеосигнала, цепи питания и управления видеокамеры.