Общие важные моменты построения протяженных систем

В настоящей главе мы решили осветить те типовые «подводные камни» протяженных систем, о которых инсталлятор нередко забывает (или даже не подозревает об их существовании), и, как результат, имеет периодические отказы системы.

Занимаясь «километровыми» объектами нам никак не обойти объективную специфику длинных линий, а значит, либо приходится рисковать, но экономить, либо идти на дополнительные вложения, дабы избежать или свести к минимуму подобные риски. Понимание «подводных камней» необходимо инсталлятору хотя бы для того, чтобы суметь изложить и согласовать такие моменты с заказчиком, дабы возложить эти риски на последнего в случае нежелания его платить за безопасность самой системы.

Итак, первая проблема (и самая массовая ошибка) – проблема заземления.

Рекомендуемая «идеальная» схема включения линии передачи видеосигнала с использованием аппаратуры АПВС имеет следующий вид (Рис.7).

В данном случае считаем, что заземление выполнено по всем правилам, и его можно рассматривать, как сигнальное. Приемная аппаратура имеет на вилке клемму заземления, а ответная клемма в розетке соединена с земляной шиной (а не с нулем сети, что имеет место в большинстве случаев).

Прежде всего, отметим, что в соответствии с общими требованиями разводки сигнальных цепей вся система должна иметь ТОЛЬКО ОДНУ точку заземления, предпочтительно на приемном конце. Рекомендуем всегда строго придерживаться этого правила. Подчеркиваем, что не отдельный канал, а вся система. Наличие в земле блуждающих токов приводит к тому, что потенциал земли различных точек будет различен. Для далеко удаленных друг от друга точек эта разность потенциалов может измеряться сотнями вольт. Это явление особенно сильно проявляется в условиях города, на промышленных объектах, где наличие в земле множества металлических конструкций, имеющих соединение с электроустройствами, приводит к большой разнице потенциалов даже между близко расположенными земляными колами.

Если в точке заземления системы по какой-то причине поднимется потенциал земли, то при соблюдении рекомендованной схемы включения это вызовет подъем потенциала во всех точках благодаря наличию общего провода (GG) и, в конечном итоге, понижение его по мере снижения потенциала земли за счет растекания заряда.

Теперь рассмотрим возможные последствия отклонений от рекомендованной схемы включения, с которыми нам приходилось встречаться на практике.

Бывает, когда корпус видеокамеры (кожух) имеет контакт с общим проводом видеокамеры (экраном коаксиальной линии). Бывает, что байонетный разъем закреплен непосредственно на металлическом кожухе. Кожух в свою очередь имеет электрический контакт с кронштейном, а тот закреплен на металлической конструкции, имеющей контакт с землей. Вот и «посадили» таким образом общий провод на землю. При наличии заземления на приемном конце разница потенциалов земли у камеры и на приемном конце может достигать сотен вольт постоянно действующего переменного напряжения (причинами могут быть находящиеся вблизи подземные коммуникации, по которым стекают токи от сварочных работ, включения мощного оборудования, работы мощных радиопередающих устройств и т.п.), что приводит к выходу из строя элементов защиты, а иногда и элементов схемы. Допустимая максимальная величина постоянно действующего напряжения в линии для элементов защиты в АПВС-6 составляет около 30 В, для импульсного воздействия – в 100 раз больше, т.е. 3000 В.

Бывали случаи преднамеренного заземления общего провода на передающем конце. Необходимо не только не делать такого преднамеренного заземления, но и застраховать себя от возможного случайного соединения общего провода с землей, для чего перед включением системы рекомендуется замерить сопротивление между ними, которое должно быть не менее 10 МОм. Если по каким-либо причинам указанное требование обеспечить не удается, необходимо применение согласующего (изолирующего) трансформатора на выходе видеосигнала с камеры (например, трансформатор ТС-75). (Рис.8)

Что будет, если отсутствует общий провод между кодером и декодером? Если в видеокамере общий провод не соединен с землей, если кодер не заземлен, трасса хорошо экранирована от внешних наводок (например, выполнена в металлической трубе) или проходит внутри одного здания, имеет небольшую протяженность (~до 500 метров), то, как показал опыт, такие системы имеют право на существование, обеспечивая должную работоспособность. При больших длинах по причине описанной выше разности потенциалов земли в удаленных друг от друга точках пренебрегать третьим (общим) проводом не рекомендуется.

Еще возможный вариант. В системе выполнена схема в соответствии с рис.7, но на приемном конце заземления нет. Система «висит» в воздухе. Выхода аппаратуры из строя не будет, но до тех пор, пока она «висит». А «заземлится» она может совершенно случайно в любой точке. Последствия такого заземления могут быть вплоть до трагических. Потенциал будет одинаковым во всей системе благодаря наличию общего провода, но величина этого потенциала может достигать значительной величины. Любое случайное заземление приводит к возникновению разряда между элементом касания и металлической конструкцией, что может привести к выходу аппаратуры из строя из-за воздействия электромагнитного поля на элементы схемы, может вызвать возгорание, может привести к поражению человека электрическим током. В соответствии с требованиями техники безопасности такие системы эксплуатировать недопустимо.

В связи с различным качеством наших отечественных сетей и аппаратуры, ноль фазы не является качественной шиной заземления для видеоаппаратуры (аппаратуры высокого класса). Для работы рассматриваемых систем необходимо хорошее сигнальное заземление. Организовав сигнальное заземление, не всегда удается отделить приемную аппаратуру от защитного заземления (зануления), что в конечном итоге приводит к возникновению в системе двух земель. Аналогично описанному выше случаю использования видеокамеры, имеющей контакт общего провода с землей, для сопряжения аппаратуры также используется согласующий (изолирующий) трансформатор, но включаемый на приемном конце в линии видеосигнала. Схема включения (Рис.9)

Еще один важный момент. Не вдаваясь в физику процесса отметим, что по всем канонам построения разветвленных сетей питание всех элементов схемы желательно осуществлять от одной и той же фазы силовой сети или от одного и того же выхода трехфазной сети. При невозможности выполнения этого условия необходима установка разделительных сетевых трансформаторов для каждого элемента сети (п.1.1.32 «ПУЭ»).

Все вышеперечисленное отнюдь не является «прерогативой» применения АПВС, а в полной мере относится к любым длинным линиям (и коаксиальным линиям передачи, и системам телеметрического управления и др.). С другой стороны, следует отметить, что при отступлении от вышеизложенных рекомендаций АПВС играют роль отдельной мощной защиты для видеокамер и приемной аппаратуры. Так на одном из объектов, оснащенных АПВС, во время мощной грозы вышли из строя защитные резисторы кодеров и декодеров. Ни одна камера, ни один мультиплексор не пострадали. При передаче видеосигнала от камеры к мультиплексорам по коаксиальным линиям убытки бы исчислялись в тысячах долларов.

Следующая типовая проблема – возникновение опасных напряжений в линиях связи и защита от них. Основными источниками опасных напряжений могут являться:

• 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.

При передачи видеосигнала на большие расстояния по оптоволокну все эти проблемы Вас касаться не будут (кстати, это одно из мощнейших достоинств оптоволоконных линий). Передавать видеосигнал по коаксиальным линиям на большие расстояния будет еще проблематичнее, чем бороться с наведенным напряжением; до защиты может вообще дело не дойти. Поэтому имеет предметный смысл говорить о линиях передачи видеосигнала по витой паре.

Кратко остановимся на физике процесса.

Внешнее переменное электромагнитное поле наводит в линии связи ЭДС, вызывающую 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. Так влияние расположенных параллельно линиям связи высковольтных 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. Кроме того, от растекающегося по земле заряда, привнесенного, например, молнией, возникает статический потенциал, защитой от которого является экранирование линии связи, прокладываемой в земле (экран кабеля, прокладка трассы в металлических трубах).

ЭДС, наводимая в проводнике, является функцией скорости нарастания электромагнитного поля. Так длительность разряда молнии составляет 50 мкс. Количество повторений – до 3-х с интервалами до 0,5 с. Наведенная ЭДС от грозового разряда (наведенная, а не от попадания молнии в линию) в среднем достигает 5 000 В (5КВ); в течение 50 мкс.

Понятно, что установкой предохранителей проблему решить невозможно, ибо ни один предохранитель за 50 мкс даже «не чихнет».

Задача любого устройства защиты линии (УЗЛ) – понизить это наведенное опасное напряжение до уровня, допустимого для аппаратуры линии, при этом, не мешая передаче основного сигнала. Т.е. для полезного сигнала система защиты должна как бы отсутствовать.

Достигается это созданием многоступенчатой системы защиты, снижающей потенциал до приемлемой величины от точки наведения до точки подключения линии к аппаратуре. Высокий потенциал отводится при этом на землю. Значит, землю надо в любом случае обеспечить; «в воздухе» систему не подвесишь.

Аппаратуру защиты мы не можем гальванически «отвязать» от сигнальных линий системы. Значит, заземлять УЗЛ необходимо в общей схеме заземления системы сигнальных линий В ОДНОЙ ТОЧКЕ. Этот момент нередко ошибочно трактуется даже в печати – предлагается отдельно заземлять все защитные устройства. Заметим, что аппаратура линии в этом варианте будет защищена от опасных напряжений, выхода ее из строя не произойдет. Но за счет разности потенциалов на одном защитном устройстве между потенциалом собственной земли и земли удаленного другого защитного устройства в непосредственно аппаратуре линии неизбежно возникнут блуждающие токи, вызывающие помехи на полезном сигнале, причем, весьма значительные. Вполне возможно, что всевозможные линии и сетки на изображении – результат такого «индивидуального» заземления.

Вкратце о том, почему от прямого попадания молнии защита не спасает.

Разряднику, представляющему первую ступень системы защиты, по большому счету, «все равно». Опасное напряжение выше напряжения пробоя разрядника будет отведено на землю, но потенциал земли в этой точке станет таким огромным, что начнутся процессы типа коронных разрядов, пробоев изоляции и т.п. При прямом попадании молнии до разрядника дело вообще, скорее всего, не дойдет. Произойдет пробой изоляции и массовые замыкания в линии (или аппаратуре).

Теперь рассмотрим реализацию защиты от опасных напряжений в линиях передачи видеосигнала по витой паре (защиту аппаратуры АПВС).Схемотехнические решения аппаратуры передачи достаточно просты, их структурные схемы представлены на рис.10, 11

Первая ступень защиты, обеспечивающая снижение уровня опасного напряжения в линии до 90-350В, построена на разряднике типа Т83-А90Х. Разрядник отводит на землю импульсный ток до 10 кА.

Вторая ступень построена на основе диода 1,5КЕ6,2 , обеспечивающего вместе с последовательными диодами дальнейшее снижение уровня напряжения до величины, безопасной для собственно аппаратуры линии, и равной 7,5В. Ток этой ступени защиты ограничен резисторами R=20 Ом и может составлять 18А.

Точкой стекания опасных потенциалов обеих ступеней защиты является общий провод кодера и декодера, который выведен на контакт «G» (Ground) АПВС и соединен с общим проводом коаксиального разъема.

Как видим, никаких особых сложностей организация такой защиты не представляет. Хотя, конечно, требует дополнительных финансовых затрат.

Все вышеизложенное – отнюдь не призыв всем инсталляторам кинуться устанавливать в каждую линию защитные устройства и согласующие трансформаторы. Что действительно необходимо делать всегда, так это оценивать каждый свой конкретный объект с точки зрения вероятности угрозы выхода аппаратуры из строя по тем или иным причинам. И, конечно, довести свои выводы до заказчика для принятия совместного с ним решения (платить-то ему, хозяин системы – он). Главное – договориться с заказчиком об общих «правилах игры», дабы в последствии рабочие моменты не превратились в потоки взаимных претензий.

Готовя коммерческие предложения, особенно для ценовых тендеров, разумно выделять защитные системы, системы заземления отдельными пунктами с теоретическими обоснованиями, чтобы у заказчика не складывалось впечатление о преднамеренном завышении цены договора.

Вполне возможно, что преднамеренный отказ от защитных устройств тоже имеет под собой законные основания. Так, если с учетом вероятности отказов за расчетный срок службы суммарные затраты на восстановление ниже стоимости системы защиты, вполне логично отказаться от заведомой переплаты.

И еще два важных момента, которые не только должен представлять себе инсталлятор, но и постараться довести их до понимания заказчиком.

Первое.

Всякое защитное устройство, к какой бы теме оно не относилось, предназначено для защиты от какого-то конкретного воздействия, имеющего конкретные параметры. УЗЛ, устанавливаемое в линию, тоже защищает систему от воздействий с конкретными предельными параметрами. Превышение предельно допустимых параметров воздействия следует рассматривать как действие исключительных обстоятельств (как стихия); расходы распределяются по взаимной договоренности сторон.

Второе.

Любая защита (впрочем, как и любая безопасность) носит всегда некий вероятностный характер, это – всегда компромисс. Установив защиту от опасных напряжений сигнальных линий, защиту линий питания, организовав корректное заземление, мы вовсе не застраховали на 100% свою систему от возможных бед.

Всегда можно отыскать еще тысячу и одну потенциальную угрозу с разной степенью вероятности. Защита от всех потенциальных опасных воздействий – дело абсурдное. (Например, наш «любимый» ГОСТ по системам охранным телевизионным, ни слова не говоря о защите от опасных напряжений, призывает защитить боксы камер и поворотные устройства от колюще-рубящего удара. И, ведь, не равна нулю вероятность того, что найдется ненормальный, который с шашкой наголо будет атаковать видеокамеры, как Дон Кихот мельницы). Но если опасность очевидна и достаточно просто устранима, почему бы ее не ликвидировать.