Безопасность для систем сигнализации или… пока не грянул гром 2

[ Алгоритм безопасности № 3, 2011, www.algoritm.org]

Последний раз вопросы защиты оборудования систем от перенапряжений в линиях, вызванных электромагнитными импульсами высоких энергий, рассматривались нами на страницах данного издания в №1, 2010 год (статья «Пока не грянул гром»). А начали мы эту тему в 2002 году статьей «Идем на грозу». Сначала мы рассматривали исключительно вопросы защиты аппаратуры в линиях передачи видеосигнала. Потом, разобрав более детально общие вопросы, дополнительно к устройствам защиты аппаратуры в линиях передачи видеосигнала и вторичного питания разобрали устройства защиты аппаратуры в линиях питания 220 В, Ethernet и интерфейса RS485. Однако целый самостоятельный сегмент рынка ТСБ – системы сигнализации (сюда же можно отнести и системы доступа) до сих пор остались без нашего внимания в этом очень и очень важном вопросе. Вот этим вопросом мы сейчас и займемся.
Физика процесса осталась прежней, абсолютно ничего нового в ней не появилось – внешнее переменное электромагнитное поле наводит в линии связи ЭДС (электродвижущая сила), вызывающее прохождение тока в линии, что приводит к возникновению разности потенциалов на ее концах. Величина этой разности потенциалов Uопасн. зависит от протяженности участка воздействия и напряженности (E) электромагнитного поля от внешнего источника. При этом влияние расположенных параллельно линиям связи высоковольтных линий характеризуется большой протяженностью участка воздействия, хотя напряженность поля может быть сравнительно невысокой; для атмосферных разрядов картина противоположная – очень высокая напряженность при относительно малом участке воздействия.
Никак не изменились и источники опасных напряжений. А именно:

  • высоковольтные линии передачи, расположенные параллельно линиям связи;
  • контактные сети электрифицированных железных дорог;
  • сети городского электротранспорта;
  • электросварочные установки;
  • близко расположенные радиотехнические передающие, локационные и другие установки;
  • атмосферные (грозовые) разряды;
  • преднамеренное повреждение сетей.

Рассмотрим очень упрощенную, но самую полную в плане наличия всех возможных линий связи систему сигнализации (рис. 1).
Ядро системы – прибор приемноонтрольный (ППК). Непосредственно к ППК в зависимости от конкретной модели может быть подключено определенное количество шлейфов сигнализации (ШС), имеющих на другом своем конце оконечным устройством извещатель (И). Минимальное количество шлейфов, которые могут быть подключены непосредственно к ППК, четыре. Естественно, может быть и больше. При большом количестве датчиков в системе можно, конечно, подключать по несколько извещателей на один шлейф, но тогда не удастся определить, какой конкретно извещатель шлейфа сработал при сигнале тревоги, поскольку ППК даст нам информацию только по состоянию шлейфа в целом. Абсолютное же большинство систем сигнализации строятся как адресные, когда помимо общего сигнала тревоги на ППК немедленно идентифицируется номер сработавшего извещателя, связанный с конкретным местом его установки. Такая схема может быть реализована только при наличии одного извещателя в шлейфе, или же все подключенные извещатели установлены в одном месте. С другой стороны, извещателей в системе может быть очень много, и сводить все шлейфы от всех извещателей на ППК нецелесообразно, как по конструктивным, так и по экономическим соображениям. В этом случае в систему включаются сетевые контроллеры (КС), имеющие собственные выходы шлейфов, к которым и подключаются удаленные извещатели, а контроллер передает на ППК информацию о сработавшем шлейфе, связанным с номером извещателя и, соответственно, с местом его установки. Для понимания сути вопроса.
Если мы говорим об адресном извещателе, который непосредственно на ППК передает информацию о своем состоянии с указанием своего адреса по RS485, следует понимать такой адресный извещатель, как  извещатель и сетевой контроллер «в одном флаконе» (в одном устройстве), линия шлейфа в этом случае не выходит «за границы» самого прибора. Линию RS485 в этом случае не следует понимать как шлейф сигнализации. Она как была, так и остается линией сетевого интерфейса.
Таким образом, достигается адресность большой разветвленной системы. И, кроме того, ППК может быть связан с удаленным компьютером, с которого можно не только контролировать состояние системы сигнализации, но и представить всю информацию в удобном интерфейсе (с планировкой
объекта в 3D, с открытыми дверями, с цветовой индикацией охранных зон), а также управлять режимами постановки/снятия на охрану.
При такой полной структуре ППК связан с КС по линии интерфейса RS485, а с компьютером по линии Ethernet. Ну и конечно, необходимо подвести питание и к приемо-контрольному прибору, и к сетевому контроллеру, и к компьютеру. Извещатели питаются по линиям шлейфов вторичным питанием от ППК или напрямую от источника питания (БП).
Итак, в общем и самом полном случае в системе сигнализации имеем следующие линии, непосредственно связанные с аппаратурой системы, которые могут быть потенциально подвержены воздействию перенапряжений вследствие электромагнитных импульсов высоких энергий, что в свою очередь может угрожать исправности аппаратуры и, соответственно, работоспособности системы в целом:

  • линия питания 220 В;
  • линия вторичного питания;
  • линия интерфейса RS485;
  • линия Ethernet;
  • линии шлейфов.

Вопросы защиты аппаратуры в линиях питания, RS485 и Ethernet нами были достаточно детально проработаны в статье «Пока не грянул гром» («Алгоритм Безопасности» №1/2010). Полноценная специализированная аппаратура защиты этих линий имеется в наличии на рынке, как мпортного производства, так и российского (УЗП220, УЗЛИ, УЗЛЕ). Таким образом, для выполнения схемы защиты системы сигнализации в полном объеме необходимо рассмотреть защиту аппаратуры собственно
шлейфов сигнализации, то есть извещатель с одной стороны шлейфа и приборов приемоконтроля и сетевых контроллеров с другой стороны.
Важный для понимания момент, на который мы уже обращали внимание в предыдущих статьях, но считаем не лишним снова повторить. А именно, хотя само защитное оборудование нередко носит наименование «устройство защиты линии от опасных наве денных напряжений», в действительности
оно защищает не линию (линия, как раз, представляет собой угрозу как приемник опасной наведенной ЭДС), а аппаратуру, к линии подключаемую. Что защитим, то и уцелеет. Опасное напряжение будет приложено к обоим концам линии, и, если на другом конце защиты нет, там все и пострадает.
Естественно, никакого открытия мы не делаем, и тема сама по себе достаточно давняя. Но детальная ее проработка на нашем рынке заставляет сделать вывод, что с точки зрения реального наличия аппаратуры должного уровня этот сегмент можно считать практически пустым. Основными критериями такой оценки были:

  • соответствия предлагаемой аппаратуры уровням сигналов в линияхсхемотехнические решения;
  • применяемая элементная база.

Да, в проектах систем сигнализации таких структур, как «Газпром», «Транснефть», РЖД защитные устройства номинально присутствуют. Однако все они «пришли» на рынок ТСБ из систем связи, где есть свои требования, но они зачастую «в лоб» не пригодны для линий охранной сигнализации. В частности, защитная аппаратура линий связи рассчитана на существенно большие допустимые напряжения (8090 В), которые совершенно недопустимы для шлейфов сигнализации, номинальные напряжения в которых составляют 12 или 24 В. Таким образом, на сегодня применение подобных устройств защиты часто носит
фактически формальный характер. Кроме того, по информации проектномонтажных организаций вышеупомянутых структур универсальность конструктивного исполнения в виде стандартных защитных корпуссированных модулей создает очень большие трудности их практического применения для защиты ППК и КС. Групповой вход сигнальных шлейфов в эти приборы представляет собой не что иное, как кроссовый плинт. Установка на каждый шлейф защитного устройства неизбежно приводит к необходимости применения дополнительных отдельных коммутационных шкафов, предназначенных исключительно для размещения этих устройств, а каждый шлейф должен сначала быть заведен на соответствующее защитное устройство в таком шкафу, а с него уже подан на кроссовый плинт собственно защищаемого устройства. Встроить такие защитные устройства в корпус самого прибора в необходимых количествах не получится в принципе. А если учесть, что шлейфы охранной сигнализации могут быть не только двухпроводные, при организации питания датчика по сигнальной линии, но и четырехпроводные при раздельных линиях питания, то эта проблема просто удваивается. Существующие же встраиваемые  непосредственно в кроссплинты в виде штекеров защитные устройства, предназначенные исключительно для систем связи, совершенно неприемлемы для систем сигнализации в силу  недопустимо большого напряжения ограничения, обусловленного  примитивностью схемы защиты. В принципе, устройства защиты аппаратуры от опасных наведенных напряжений могут быть выполнены непосредственно в схеме самого защищаемого прибора, как, собственно, это зачастую бывает в любой серьезной аппаратуре уважающего себя производителя, если по своему функциональному назначению аппаратура призвана работать с линиями, которые потенциально могут подвергаться электромагнитным импульсам высоких энергий. Например, любая профессиональная аппаратура передачи видеосигнала по длинным линиям, аппаратура телеметрического управления и т.п. И аппаратура систем сигнализации на нашем рынке, бывает, имеет такую встроенную защиту. Но с двумя оговорками. Первое. Встречается такое крайне редко. И этому можно найти свои оправдания.
Конкуренция между производителями в этом сегменте крайне высокая. Предложение явно превышает спрос. А такое конструктивное доведение аппаратуры «до ума» неминуемо вызовет очень ощутимое удорожание, в особенности многоканальной аппаратуры (ППК и КС), для которой повышение цены будет выражаться произведением стоимости защитного устройства для одной линии на количество каналов. А если говорить о защите какогонибудь отдельно взятого простейшего датчика, то вполне возможна ситуация, когда защитное устройство окажется дороже самого защищаемого. Естественно, ценовая привлекательность такого изделина рынке резко упадет в сравнении с конкурентами. С другой стороны, в общем случае защита понадобится, вполне возможно, далеко не для всех шлейфов конкретной системы – всевозможные шлейфы внутри административных помещений, где нет промышленных установок и рядом расположенных высоковольтных сетей, которые в принципе не могут подвергаться опасному воздействию атмосферных разрядов. И, наконец, в реальной системе могут быть задействованы не все имеющиеся у прибора входы, тогда стоимость защитных устройств для незадействованных линий просто окажется ничем не оправданной переплатой.
А посему, в этом сегменте в основном властвует принцип: «Спасение утопающих – дело рук самих утопающих». То есть – проектировщиков и инсталляторов. Подразумевается, что грамотный проектировщик сам должен определиться с необходимостью применения устройств защиты в каждом конкретном случае.
К слову сказать, подобная ситуация на нашем рынке встречается довольно часто и в других сегментах. Достаточно вспомнить, например, всевозможные платы ввода видео в компьютер – ни одна из них, по крайней мере, на отечественном рынке, не имеет гальванической развязки по входам
видеосигналов, которые существенно более необходимы по всем каналам, нежели устройства защиты по все линиям подключаемых шлейфов сигнализации. Зато после первого включения системы такие гальванические развязки начинают активно приобретаться и устанавливаться. Вот только происходит это «задним числом» уже за собственный счет инсталлятора, а не заказчика в рамках заранее согласованного проекта. И вторая оговорка. Даже если встроенная защита в приборах систем сигнализации и существует, выполнена она, как правило, в таких случаях на достаточно примитивном уровне, исключительно на одной ступени. Напряжение защиты в таких случаях указывается в паспорте. Но этого уровня в общем случае недостаточно для обеспечения необходимой надежности работы системы сигнализации, и по-прежнему требуется установка дополнительных защитных устройств.
Было бы неправдой сказать, что качественных отдельных защитных устройств шлейфов сигнализации нет вообще. Конечно, не могло быть такого, что мы первые увидели проблему для систем, существующих много десятилетий. Однако на рынке сложилась следующая ситуация. Вопервых, таких устройств очень мало. Все они импортного производства. Наши же фирмыпоставщики не очень стремятся обременять себя складским запасом таких устройств, ожидая, пока потребитель «созреет» до их применения. Поэтому и сроки поставок, и цены зачастую не имеют четкой определенности, что, в свою очередь, является существенной преградой для применения такой аппаратуры в реальных проектах. Особенно в долгосрочных.
Во-вторых, именно в устройствах защиты производители аппаратуры систем сигнализации увидели одно из средств защиты собственных рыночных интересов. Выражается это в том, что защитные устройства определенного производителя изначально предназначены для работы с аппаратурой этого же производителя. Это могут быть и уникальные конструкторские стыковки аппаратуры, может быть и разнесение ступеней защиты между самим прибором и собственно защитным устройством – например, собственно защитное устройство представляет собой просто разрядник или варистор, а вторая ступень защиты является элементом схемы защищаемой аппаратуры.
Очень важный вопрос, касающийся рассматриваемой аппаратуры, – вопрос климатических ограничений работы. Возможно, что не все имеющиеся на рынке образцы оказались в зоне нашего внимания, но вся защитная аппаратура, с которой нам пришлось столкнуться, имеет нижний предел
рабочей температуры минус 40° С. Учитывая, что в первую очередь опасным наведенным напряжениям подвержены линии больших внешних систем (всевозможные открытые периметральные системы) и особенности нашего российского климата (особенно для объектов нефтегазовой промышленности), такой нижней границы диапазона рабочих температур явно недостаточно. Для решения вопроса климатической защиты можно, конечно, дополнительно применятьобогреваемые монтажные коробки и шкафы, но это, естественно, очень существенно удорожит систему в целом. К тому же сделает ее более громоздкой и заметной.
В действительности этот вопрос может быть решен просто правильно подобранной элементной базой – нижний температурный предел может (и должен) быть расширен до 55° С. Вероятно, основной целью выбора было максимально снизить себестоимость в том числе и за счет этого важнейшего параметра, учитывая, что для очень многих импортных производителей нижний предел в 40° С более чем достаточен для их национальных рынков.
И еще момент, на котором необходимо остановиться. Сложность оценки подобных устройств для их практического применения обусловлена еще и отсутствием какого либо отечественного ГОСТа для защитной аппаратуры в слаботочных системах и сигнальных цепях. Однако есть международный стандарт МЭК.61643212010. И есть основание полагать, что, когда национальный ГОСТ появится, за основу будет взят именно этот международный стандарт. Поэтому уже сегодня целесообразно руководствоваться этим документом. В особенности это касается производителей аппаратуры. Хотя, пока еще юридически допускается любая «самодеятельность» в данном вопросе на отечественном рынке, тем не менее, рано или поздно любые отклонения от стандарта МЭК могут поставить любую аппаратуру, выполненную с отклонениями от требований этого документа, «вне закона».
Вот и мы далее будем руководствоваться стандартом МЭК.61643212010.
В статье «Пока не грянул гром» («Алгоритм Безопасности №1/2010») мы подробно рассматривали «Зоновую концепцию защиты» в соответствии с МЭК. 62305, а также классификацию устройств защиты в соответствии с МЭК.616431 и МЭК.6164312, чтоочень немаловажно для полноты понимания термина «грозозащи
та» в принципе. Здесь только напомним, что мы говорим исключительно об устройствах III класса, устанавливаемых в зонах 1, 2…
Устройства III класса предназначены для защиты потребителей от
остаточных бросков напряжений, защиты от дифференциальных
(несимметричных) перенапряжений, фильтрации высокочастотных
помех. Устанавливаются непосредственно возле потребителя. Нормируется импульсным напряжением при tимп. 1,2/50 мкс и током при tимп. 8/20 мкс.
До этого, рассматривая всевозможные защитные устройства, мы
ограничивались исключительно теоретическими изысканиями. Сейчас мы возьмем совершенно реальное устройство и проведем его
реальные испытания, дабы представить весь процесс т.с. «воочию»,
если такой термин применим для печатного издания.
Итак, есть двухступенчатое устройство защиты шлейфа сигнализации. Применимо как для двухпроводных шлейфов, так и для четырехпроводных. Предназначено для шлейфов с номинальным рабочим напряжением 12 В. Точно такие же устройства есть и для 24вольтовых шлейфов.
Первая ступень выполнена на разряднике Burns. Вторая ступень выполнена на TVSдиодах. При этом вся элементная база имеет нижний предел диапазона рабочих температур минус 55° С. Принципиальная схема устройства представлена на рисунке 2.
После прохождения через 1-ю ступень (разрядник) потенциал в линии ограничивается на уровне потенциала пробоя. Дальнейшее ограничение опасного напряжения происходит на второй ступени защиты. От первой ступени защиты она отделяется ограничивающими ток элементами.
Для устройств защиты аппаратуры в линиях шлейфов сигнализации этого уже достаточно.
Внешний вид защитного устройства представлен на рисунке 3 –
вариант для установки на dinрейку (для защиты извещателя). На рисунке 4 данное устройство представлено в исполнении «штекер» для установки в кросс-плинт при защите приемоконтрольного оборудования и сетевых контроллеров.
А теперь мы увидим и прокомментируем, как это все реально работает. В нашем опыте использовался генератор тестового сигнала и генератор комбинированной волны напряжения 1,2/50 мкс и тока 8/20 мкс.
Сначала подан испытательный импульс в 1 кВ (рис. 5). Все графики представляют собой реальные показания осциллографа. На графике 1 (верхний график) представлено опасное напряжение в линии, возникшее в результате такого воздействия, на входе устройства
защиты. На графике 2 – напряжение после прохождения защитного устройства. Цена деления для верхнего графика (1) (одна клетка) – 50 В, для нижнего (2) – 10 В.
Из графика 1 видим, что величина импульса опасного напряжения, возникшего в линии, составила около 85 В. Аппаратура с номинальным рабочим напряжением
12 В при таком воздействии с очень большой степенью вероятности выйдет из строя. Но в то же время этого напряжения оказалось
недостаточно, чтобы произошел пробой разрядника, и опасное напряжение было бы отведено на землю. Сработала только вторая
ступень. Первая ступень в данном случае вообще не была задействована. Таким образом, если бы все устройство защиты было выполнено исключительно на разряднике (или варисторе), что нередко бывает и заявляется потребителю, как устройство защиты, никакой защиты аппаратуры не произошло бы – все опасное наведенное напряжение было бы приложено непосредственно ко входу аппаратуры.
Но вторая ступень благополучно сработала, и в результате после защитного устройства (нижний график (2)) максимальное напряжение в линии составило не более 15 В без какихлибо выбросов при том, что
максимальное длительное рабочее напряжение для данного устройства составляет 14 В (при номинальном рабочем 12 В).
В действительности опасные наведенные напряжения в линии бывают существенно более мощные. И очень существенно. Поэтому без мощной первой ступени защиты обойтись тоже не удастся. 
На рисунке 6 приведены графики напряжения в линии до и после устройства защиты при величине испытательного импульса 3 кВ. Верхний график (1) – на входе защитного устройства, цена деления
50 В; нижний график (2) – после, цена деления 10 В.
В этом случае максимальное напряжение в линии составило уже около 180 В, «благополучно» произошел пробой разрядника на землю, и отработали обе ступени защиты. Из нижнего графика (2) видно, что максимальное напряжение в линии не превысило в этом случае 17 В без каких-либо выбросов за пределы этой величины. 
Таким образом, достаточно наглядно видно из представленных графиков, что одноступенчатая защита в принципе не может полноценно защитить линию. Это и практическая рекомендация в плане выбора устройств защиты, и оценки защиты встроенной – во всяком случае, если такое провозглашается производителем аппаратуры систем сигнализации, имеет смысл дополнительно поинтересоваться, каким образом такая встроенная защита реализована.
В предыдущих статьях мы уже касались заземления защитных устройств. Однако в силу исключительной важности этого вопроса считаем не лишним его напомнить. Как явствует из схемы построения защитного устройства (рис. 2), опасный потенциал уходит на землю. Значит, землю надо в любом случае обеспечить; «в воздухе» систему не подвесишь.
В отличие от стиральной машины, которая будет все равно работать, – выполнено заземление или нет (заземление выполняет исключительно функцию защиты от поражения электрическим током при неисправности оборудования), устройство защиты без заземления в принципе работать не будет. Если заземление не выполнено, устройство можно было вообще не устанавливать. Заземлять можно (и нужно) непосредственно в месте установки вместе с защитными устройствами других категорий, если таковые имеются. Поскольку заземление выполнено через разрядник для 1й ступени или через диоды для 2й ступени (рис. 2),
заземление это возникнет только при перенапряжении в линии и срабатывании защиты и прекратится после прекращения опасных наводок. Таким образом, в штатном режиме работы системы такая схема не приведет к образованию множественных земель и связанных с этим помех.
Бывает, что непосредственно в месте установки устройства защиты в принципе нет возможности выполнить заземление.
Тогда необходимо проложить отдельный провод от клеммы заземления устройства защиты к ближайшей возможной точке заземления.
Качество заземления является очень важным определяющим фактором для уровня защиты в целом. 
Остановимся на основных технически характеристиках устройств защиты вообще и их типовых параметрах для шлейфов сигнализации в частности.

  • Максимальное длительное рабочее напряжение – наибольшее значение напряжения, которое может быть длительно (в течение всего срока службы) приложено к выводам защитного устройства; для устройств сигнализации
    оно составляет 14 В и 28 В для номинальных рабочих напряжений 12 В и 24 В соответственно.
  • Номинальный импульсный разрядный ток при tимп.= 8/20 мкс – пиковое значение испытательного импульса тока, который защитное устройство может выдержать многократно, – 5 кА.
  • Номинальный рабочий ток – 100 мА.
  • Максимальный импульсный разрядный ток при tимп.= 8/20 мкс – пиковое значение испытательного импульса тока , который защитное устройство может пропустить один раз и не выйти из строя – 10 кА.
  • Уровень напряжения защиты – максимальное значение напряжения на выходе защитного устройства при протекании через него импульсного тока разряда; характеризует способность устройства ограничивать появляющиеся на его клеммах перенапряжения.
    Эта величина составляет не более 27 В и не более 54 В для номинальных рабочих напряжений в линиях 12 В и 24 В соответственно.
  • Время срабатывания – не более 30 нс.

К не менее значимым параметрам с точки зрения практического использования стоило бы отнести и диапазон рабочих температур, но в стандарте МЭК он никак не оговаривается. Тем не менее, забывать о нем никогда не стоит. Диапазон от 55° С до +50° С достаточно просто реализуем за счет подбора соответствующей элементной базы, что позволяет применять устройства без дополнительной климатической защиты на абсолютном большинстве внешних объектов. Однако на сегодня это на рынке скорее исключение, нежели правило.
Естественно, применение защитных устройств в системе неизбежно влечет ее общее удорожание. Касательно систем сигнализации, вполне возможно, что для какого-то простейшего датчика цена устройства его защиты окажется выше стоимости самого защищаемого устройства. Вполне возможно, что с учетом вероятности отказов и расчетного срока службы оборудования применение защитных устройств в подобных случаях может показаться нелогичным. Однако в данном конкретном случае мы говорим о системах сигнализации, призванной работать исключительно на безопасность. Можно не ставить защитных устройств, но в один «прекрасный» момент беззащитным может оказаться не только аппаратура, а сам защищаемый объект. А о первопричинах выхода системы из строя можно потом будет только догадываться. Все же для систем безопасности понятие «живучесть» далеко не пустой звук, и оборудование защиты с этим понятием связано непосредственно. А отсутствие таких устройств в длинных линиях связи в системах практически на 100% гарантирует отказ и/или сбои в работе – весь вопрос только во времени.

Ну, вот. По материалам всех трех публикаций по защите оборудования от опасных наведенных напряжений можно сказать, что в технических системах безопасности не осталось проводных линий связи, не охваченных нашим вниманием по данной теме. Главное теперь не оставить их беззащитными в реальности.

1

В зависимости от места установки и способности пропускать через себя различные импульсные токиУЗИП делятся на следующие классы – A, B(I), C(II), и D(III).