CC BY
81
Заземляющие устройства в установках связи
Соколов СА., МТУСИ
В октябре 2008 г. состоялась Третья Российская конференция по заземляющим устройствам [1]. На конференции профессором Це-лебровским [2] была высказана идея, что на данном этапе развития техники, по-видимому, надо отказаться от нормирования сопротивлений заземлений и ввести нормируемые значения токов в защитных устройствах. Требования к заземляющим устройствам действительно существенно изменились в связи с обострившимися проблемами электромагнитной совместимости микропроцессорной аппаратуры и всё возрастающего числа источников влияния. Заземление стало многофункциональным и должно обеспечивать:
— функции рабочего заземления (например, в цепях длинноволновых антенн, в цепях защиты от коррозии);
— эффективность работы экранов;
— защиту изоляции от перекрытий;
— защиту персонала и аппаратуры от статического электричества;
— снижение разности потенциалов между различными точками заземляющего устройства;
— защиту чувствительных элементов от перенапряжений и т.д
Заземление является одним из основных узлов сооружения электросвязи, который тесно связан как с проблемой безопасности работы, так и с проблемой экранирования оборудования от внешних электромагнитных полей. Необходимость в заземлении и создании эквипотенциальной соединительной сети внутри здания становится всё более и более важной задачей при применении цифровых и высокоскоростных систем передачи.
Если раньше хорошее заземление обеспечивало низкие потенциалы прикосновения, небольшие шаговые потенциалы и путь распространения сигналов с малым сопротивлением, и этого было достаточно, то теперь очень важной стала задача электромагнитного экранирования от внешних полей и уменьшения собственного излучения установки связи. Поэтому в проблеме заземления сооружения связи появилась задача не только соорудить само заземление с приемлемой величиной сопротивления, но и создать внутри и снаружи систему соединительных проводников, обеспечивающих наименьшее возможное воздействие внешних полей. Конечно, важнейшей задачей заземляющей системы является обеспечение безопасности людей и защита установок от повреждений при воздействии грозовых разрядов и токов коротких замыканий в системах электроснабжения. Заземление должно:
а) обеспечить разрядам молнии путь в землю таким образом, чтобы защитить сооружение, его персонал и установленное внутри оборудование;
б) ограничить напряжение прикосновения в области, доступной людям, до безопасного уровня даже при ударе молнии и в условиях аварии на линии электропередачи;
в) уменьшить уровень помех в цепях.
Разница потенциалов между любыми двумя точками установки
(с точки зрения прикосновения и шаговых напряжений) должна быть как можно меньше. Но это также чрезвычайно важно с точки зрения создания экранированного пространства вокруг оборудования и отдельных его частей. Руководство по заземлениям МСЭ [3] основное внимание уделяет не столько самим заземлениям, сколько системе соединений и перемычек между металлическими частями оборудования, металлического каркаса здания или арматуры, металлическими стойками, полками, шкафами и тд. Оно даже называется теперь "Руководство по заземлениям и соединяющим перемычкам (соединениям)".
Соединительные проводники обеспечивают защитную функцию уменьшения разницы напряжений между металлическими структурами, которые они соединяют вместе. Чтобы выполнять эту функцию в условиях переходного процесса, важно, чтобы их индуктивность, а, следовательно, и их длина была как можно меньше, а проводники, находящиеся на периферии телекоммуникационного предприятия, образовали сеть, похожую на большую клетку Фарадея. Периферийная система шин включает в себя кольцевые проводники, установленные вдоль всего внутреннего периметра здания на каждом этаже сооружения; вертикальные стояки, соединяющие этажные кольцевые структуры и кольцевое заземление на первом этаже; при этом расстояние между вертикальными соединительными стояками должно быть не более 5 м. Любые металлические рамы, шкафы, ограждения, трубопроводы, металлический каркас здания, этажные шины заземления, металлизированные полы и потолки и т.п. должны быть подключены к общей соединительной системе в нескольких точках.
Таким образом, основное внимание новое Руководство МСЭ-Т по заземлениям уделяет созданию хорошей экранирующей клетки ячеистой структуры вокруг оборудования и всего здания сооружения электросвязи, что позволит свести к минимуму опасные напряжения и помехи при внешнем электромагнитном воздействии на чувствительное оборудование. Наиболее важным является эквипотенциальное соединение напрямую или через защиту от перенапряжений входных металлических объектов, таких как:
• кабели электросвязи (включая экраны);
• силовые кабели и экраны;
• антенны;
• трубопроводы;
• стальная арматура бетона.
Если на здании установлены антенны, которые соединены с главным терминалом заземления, рекомендуется, чтобы заземляющая сеть специально проектировалась, в особенности, если здание высокое или расположено в области с высокой грозовой активностью. При этом необходимо делать кольцевое заземление на расстоянии 1 м от заземленного объекта, чтобы создать эквипотенциальную зону, вместо стержневых электродов, вблизи которых можно ожидать высокие шаговые напряжения.
Сеть проводников в здании, которая включает стальную арматуру, оболочки силовых кабелей, поддерживающие конструкции и соединительные проводники, создаёт приближение к экранирующей защите. Эта сеть называется Общая Соединительная Сеть (ОСС). Целью построения ОСС является сделать её достаточно эффектив-
ной, чтобы обеспечить первый уровень защиты от молнии, коротких замыканий силовой сети и других переходных процессов. Экранирующий эффект ОСС возрастает при увеличении соединений существующих металлических структур. Плотность ОСС варьируется в соответствии с электромагнитной обстановкой на объекте. Обычно плотная ОСС необходима, если существует значительный риск удара молнии (особенно для высоких зданий, связанных с антеннами). Рекомендуется несколько топологий в конфигурации соединительных сетей, особенно в связи с сетями энергоснабжения постоянного и переменного тока.
Множество проводников ОСС, размещённых внутри или в непосредственной близости к наружным стенам, крыше и самому нижнему полу сооружения должно быть достаточно плотным, чтобы защитить оборудование внутри от электромагнитных источников снаружи. Рассматриваемые проводники включают следующие компоненты:
1) стальные рамы, арматуру, стальные кожухи, стальные балки, стропила крыши и т.д.;
2) непрерывные конструкции на самом нижнем уровне каркаса, например, стальную арматуру в бетонном основании пола;
3) металлические прутья и полосы;
4) подготовительные леса.
Во время сооружения армированных бетонных структур арматурные прутки до заливки бетона держатся на месте с помощью узлов из стальной проволоки или зажимов. В большинстве случаев проволочные узлы или зажимы обеспечивают низкое сопротивление соединения (< 1 Ом). Бетон препятствует коррозии и сохраняет соединение. Поскольку имеется много параллельных путей, предоставляемыми этими соединениями, конечный результат представляет низкое сопротивление всей структуры, что обеспечивает как электрическое экранирование, так и молниезащиту. Во время строительства медные соединительные проводники могут быть прикреплены к некоторым прутьям арматуры и выведены на поверхность бетона, чтобы установить "терминалы арматуры" и иметь возможность контроля. Если такие терминалы доступны на крыше, они могут быть использованы для подключения к кольцевой соединительной шине на крыше, стальному телу антенной башни и входной плате антенного кабеля.
До подключения соединительных проводников к выводам арматуры, последние должны быть использованы, чтобы проверить электрическую непрерывность арматуры.
В некоторых армированных железобетонных структурах рёбра соединяются вместе с помощью сварки в точках пересечения и привариваются или соединяются перемычками с колоннами, перекладинами и стенами. Этот тип конструкции (который доступен в небольших сборных железобетонных секциях и зданиях) обычно обеспечивает очень плотную ОСС и используется для устройств, расположенных в области с высокой подверженностью ударам молнии.
Целью периферийной системы шин является максимальное первичное экранирование. Такие системы часто используются в зданиях малого и среднего размера, связанных с высокими антеннами или в местах с большим риском воздействия молнии. Этот метод также подходит для сооружений с минимальной естественной защитой (например, для деревянных зданий). Периферийная система шин включает:
1) Кольцевой проводник, который должен быть установлен вдоль всего внутреннего периметра здания на каждом этаже сооружения. Проводники кольцевой соединительной шины должны быть прикреплены к стенам или внешней стороне кабельных штативов около стены. Кольцевая соединительная шина должна быть расположена на такой высоте, чтоб ы быть доступной для визуального осмо-
тра и для монтажных работ по подключению оборудования.
2) Если нужно, периферийная шина может быть составлена из нескольких секций, соединённых вместе экзотермической пайкой, гибкими соединениями или соединительным фидером.
3) Вертикальные проводники должны соединять кольцевые проводники на каждом этаже. При этом:
• Должен быть минимум один проводник в каждом углу здания.
• Если расстояние между соседними углами с вертикальными проводниками
• превышает 5 м, необходим ещё один проводник в центре стены.
• Если расстояние между угловыми и центральным проводником превышает 30 м, должны быть установлены дополнительные проводники, равноудалённые друг от друга.
4) На первом этаже (у поверхности земли) кольцевая соединительная шина должна подсоединяться к кольцевому заземлению, используя то же размещение, что и вертикальные проводники. Шина должна быть также подключена к:
• заземляющему фидеру в каждом кабельном вводном устройстве;
• трубопроводу питания переменного тока и сети защитных проводников;
• системе водопровода в сооружении;
• любым другим металлическим проводникам, расположенным снаружи.
Периферийная соединительная шина на первом этаже действует как "протяжённый" главный терминал заземления. Таким образом, в отдельном терминале заземления в данном случае нет необходимости.
5) Если необходимо, может быть добавлена вспомогательная соединительная шина. Этот проводник пересекает структуру и соединяет противоположные концы кольцевой шины. Такие проводники облегчают присоединение аппаратов к кольцевой соединительной системе. Эти проводники могут сыграть важную роль защиты на верхнем этаже или на крыше и на самом нижнем уровне сооружения (у земли).
Стойки оборудования нуждаются в надёжном прикреплении к полу, система проводов наверху должна быть надёжно прикреплена к потолку и стенам
Места, где поддерживающие структуры прикрепляются к зданию, делятся на две категории: внутренние поверхности наружных стен и крыши и полностью внутренние стены, полы и потолки. Такой монтаж может иметь результатом электрическое присоединение к стальной арматуре или стальному каркасу. Желательны полностью внутренние присоединения, так как они увеличивают плотность ОСС. С другой стороны прикрепление к внешним стенам и крыше будет иметь возможным результатом электрическое соединение между поддерживающими структурами и металлическими проводниками на периферии здания. Кроме того:
• Следует избегать установки электронного оборудования в пределах 1 м от внешних стен и избегать прикрепления стеллажей оборудования непосредственно к наружным стенам.
• Следует избегать прокладки неэкранированных кабелей, силовых и связи, по наружной стене. Однако кабели со сплошной металлической оболочкой годятся для прокладки по наружной стене, если оболочки подключены к ОСС на обоих концах (например, трубы с кабелем переменного тока или экранированные кабели между КВУ и фидером постоянного тока).
• Прикрепление горизонтальных поддерживающих металлических частей к наружным стенам допустимо, если металлические части образуют большую электрически соединённую сеть (с ячейками 2 м).
В прошлом в некоторых сооружениях электросвязи использовались отдельные заземления и соединительные сети для различных систем в сооружении. В настоящее время использование отдельных независимых "изолированных" заземлений для компьютеров или электронных систем не рекомендуется, так как в установках обычно существуют связи через землю или паразитные элементы (ёмкости и взаимные индуктивности), и при ударах молнии или аварии в энергетической системе могут возникнуть опасные переходные напряжения между изолированной системой заземления и другими частями установки. Попытки разделить заземления обычно бесполезны и контрпродуктивны, так как как металлические проводники часто имеют случайные контакты, а электромагнитные связи оборудования возрастают вследствие уменьшения плотности соединительных линий.
Экранирующее действие сетки из стали с шагом 40 см на частоте 106 Гц составляет величину порядка 30 дБ, а при шаге в 20 см затухание экранирования может быть доведено до 50 дБ. Нарушение целостности экрана ухудшает экранирование магнитных полей. Величину "утечек" экранируемых полей определяет максимальный размер (а не площадь) отверстия. При осуществлённых защитных мероприятиях вклад индуктированных частот лежит главным образом в мегагерцовой области, поэтому размеры звездообразных и древовидных локальных соединительных систем не должны превы-
шать нескольких метров. " Руководство МСЭ-Т по заземлениям" предпочтение отдаёт сетчатой системе.
Таким образом, основное внимание новое Руководство МСЭ-Т по заземлениям уделяет созданию хорошей экранирующей клетки ячеистой структуры вокруг оборудования и всего здания сооружения электросвязи, что позволит свести к минимуму опасные напряжения и помехи при внешнем электромагнитном воздействии на чувствительное оборудование. Система заземления здания для установок электросвязи должна создаваться не после строительства, а начинаться до строительства вместе с фундаментом и непрерывно продолжаться во время всего строительства и монтажа оборудования.
Литература
1. Третья Российская конференция по заземляющим устройствам: Сборник докладов. — Новосибирск, 2008. — 224 с.
2. Целебровский Ю.В. Вопросы модернизации нормативной документации по заземляющим устройствам// Третья Российская конференция по заземляющим устройствам: Сборник докладов. — Новосибирск, 2008. — С. 9-14.
3. МСЭ-Т. Руководство по заземлениям и связующим перемычкам. — 2003.
4. Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций. — М.: МЭИ, 2004.
