tytuł

podtytuł

Autor

i n s t a l a c j e

e l e k t r o e n e r g e t y c z n e

44

w w w . e l e k t r o . i n f o . p l

n r 5 / 2 0 0 4

L

okalne sieci komputerowe są po-
wszechnie obecne w naszym ży-

ciu. Już nie tylko przedsiębiorstwa
przemysłowe, obiekty użyteczności
publicznej, ale również osiedla, bloki
mieszkalne czy pojedyncze mieszka-

nia oplatają kable łączące ze sobą po-
szczególne komputery.

Sieci komputerowe współpracu-

ją z innymi urządzeniami, takimi
jak np. faksy, centralki telefonicz-
ne, centralki systemów alarmowych,

tworząc niekiedy rozbudowany sys-
tem połączeń. Wszystkie te urządze-
nia mają jednak jedną wspólną cechę:
niską odporność udarową. Dotyczy to
zarówno odporności urządzeń na bez-
pośrednie oddziaływanie impulsowe-
go pola elektromagnetycznego, jak
i odporności na działanie udarów na-
pięciowych lub prądowych dochodzą-
cych do tych urządzeń z sieci zasila-
jącej oraz z linii transmisji sygnałów.

Statystyki prowadzone przez to-

warzystwa ubezpieczeniowe wyka-
zują, że pomimo stosowania prze-
pisów dotyczących EMC przez kra-
je Wspólnoty Europejskiej, nakła-
dy ponoszone na pokrycie strat
w systemach elektronicznych spo-
wodowanych przez zakłócenia elek-
tromagnetyczne stanowią kilkana-
ście procent ogólnej sumy wypłaca-
nych odszkodowań. Wniosek z tego,
że problemy ochrony przepięciowej
systemów komputerowych nabie-
rają coraz większego znaczenia. Ich
rozwiązanie będzie wymagało kom-
pleksowego potraktowania uwzględ-

niającego wszelkie możliwe zagroże-
nia, odporność udarową urządzeń
i właściwości dostępnych środków
ochronnych.

zagrożenia wynikające

z niewłaściwego

okablowania obiektu

Brak koordynacji w układaniu prze-

wodów różnego rodzaju instalacji we-
wnątrz obiektu (np. elektrycznych, te-
lefonicznych, alarmowych, kompute-
rowych i odgromowych) może dopro-
wadzić do zagrożenia współpracują-
cych z nimi systemów kompute-
rowych. W tym przypadku groźne
mogą być nie tylko przepięcia docho-
dzące bezpośrednio przewodami, ale
również przepięcia powstałe na dro-
dze indukcji elektromagnetycznej
w różnego rodzaju pętlach przewo-
dów. Jak wynika z danych dostęp-
nych w literaturze [1], amplitudy za-
kłóceń mogą osiągać wartość od kil-
kuset V do kilkudziesięciu kV. Przy-
kłady takich zagrożeń pokazano na
rysunku 2.

Współczesne odbiorniki są bar-

dzo czułe na różnego rodzaju za-
burzenia elektromagnetyczne. Jako
przykład należy tu wymienić sprzęt
informatyczny. Jego rozwój i reduk-
cja gabarytów została w dużym stop-
niu okupiona obniżeniem odporno-
ści na zaburzenia. Jak łatwo obec-
nie zakłócić pracę urządzeń elektro-
nicznych, obrazuje wielkość energii
niezbędnej do trwałego uszkodze-
nia elementów układu. Dla prze-
kaźników i lamp elektronowych
to 10

-3

Ws, dla tranzystorów jest to

10

-6

Ws, a dla układów scalonych już

tylko 10

-8

Ws [2]. Odporność udaro-

wa całych urządzeń jest znacznie
większa od odporności poszcze-
gólnych elementów składowych.

ochrona przed przepięciami

lokalnych sieci komputerowych

mgr inż. Krzysztof Wincencik – DEHN Polska

o c h r o n a o d g r o m o w a i p r z e p i ę c i o w a

Rys. 1 Przykład różnorodnych sposobów przenikania zakłóceń do obiektu z rozbudowa-

ną siecią komputerową, 1 - obiekt z lokalną siecią komputerową, 2 - systemy an-

tenowe, 3 - system uziemień roboczych, 4 - bezpośrednie oddziaływanie impulso-

wego pola elektromagnetycznego (LEMP), 5 - linie transmisji sygnałów, 6 - insta-

lacja elektryczna nn, 7 – połączenia galwaniczne liniami sygnałowymi poszcze-

gólnych urządzeń wewnątrz obiektu

Rys. 2 Zagrożenia systemów komputerowych spowodowane przez błędy w okablowaniu

a) wnikanie prądu piorunowego do budynku przez system wentylacyjny,

b) zagrożenie przepięciami indukowanymi na skutek sprzężenia pomiędzy przewoda-

mi okablowania a instalacją piorunochronną

w w w . e l e k t r o . i n f o . p l

Zwiększenie odporności udarowej
urządzeń do ściśle określonych po-
ziomów jest wymagane przez obo-
wiązujące normy międzynarodo-
we i europejskie. Zwiększenie od-
porności udarowej urządzeń nie
zapewnia jednak pełnego bezpie-
czeństwa, gdyż wartości szczytowe
przepięć atmosferycznych, powsta-
jące podczas uderzenia piorunu
w obiekt budowlany, w którym pra-
cują komputery, lub w jego bliskim
sąsiedztwie są znacznie większe
od wymaganych poziomów odporno-
ści udarowej.

Pojawiające się w sieci sygnałowej

przepięcie może w przypadku rozle-
głej sieci komputerowej zniszczyć jed-
nocześnie od kilkunastu do kilkudzie-
sięciu kart sieciowych i uszkodzić ele-
menty aktywne sieci.

ochrona systemów

komputerowych oparta

na strefowej koncepcji

ochrony LPZ

Analizując koszty ewentualnych

uszkodzeń należy uwzględnić te
spowodowane wyłączeniem z nor-
malnej pracy pewnej części lub na-
wet – w skrajnym przypadku – ca-
łej sieci komputerowej. W bankach,
nowoczesnych zakładach przemysło-
wych, centrach handlowych i biuro-
wych suma strat związana z prze-
stojem może znacznie przewyższyć

koszty zniszczonego sprzętu kom-
puterowego.

Dopiero prawidłowe wyrówna-

nie potencjałów wszystkich insta-
lacji dochodzących do komputera
zabezpiecza nas przed tego rodza-
ju zagrożeniami. Podstawowym za-
daniem ochrony przeciwprzepię-
ciowej jest wyrównanie potencja-
łów opierające się na strefowej kon-
cepcji ochrony odgromowej, zgodnie
z PN-IEC 61312-1.

Zgodnie z normą przestrzeń chro-

niona obiektu winna zostać podzie-
lona na strefy ochrony odgromowej
(LPZ – Lightning Protection Zone).
Każda ze stref charakteryzowana
jest przez zmianę warunków elek-
tromagnetycznych, jakie występują
na jej granicach. I tak:

LPZ 0

A

– wszystkie elementy roz-

mieszczone w tej strefie narażone są
na bezpośrednie uderzenie pioruna,

LPZ 0

B

– rozmieszczone w tej strefie

elementy nie są narażone są na bez-
pośrednie uderzenie pioruna, ale
w dalszym ciągu występuje w niej
nietłumione oddziaływanie pola
elektromagnetycznego (LEMP),

LPZ 1 – występujące w tej strefie

elementy nie są narażone na bezpo-
średnie uderzenie pioruna, a pole
elektromagnetyczne jest najczęściej
tłumione przez elementy konstruk-
cyjne budynku.
Dzięki stosowaniu ograniczni-

ków przepięć, prądy udarowe, jakie

mogą pojawić w instalacjach przewo-
dzących, są znacznie mniejsze w sto-
sunku do tych, jakie mogą pojawić się
w strefie LPZ 0.

Kolejne strefy wewnątrz obiek-

tu (np. LPZ 2) zapewniają dodatko-
we zmniejszenie oddziaływania prą-

dów piorunowych i pola elektroma-
gnetycznego. Wymagania dotyczące
poszczególnych stref dopasowane
są do poziomu ochrony instalowa-
nych wewnątrz nich urządzeń elek-
tronicznych.

Przykład ogólnego podziału na stre-

fy dla obiektu z systemem kompute-
rowym pokazano na rysunku 3.

Szczególną uwagę należy zwrócić

na połączenia wyrównawcze, któ-
rych zadaniem jest zmniejszenie
różnic potencjałów między metalowy-
mi częściami i instalacjami znajdują-
cymi się wewnątrz przestrzeni chro-
nionej przed oddziaływaniem LEMP.
Połączenia na granicy poszczególnych
stref należy wykonać za pomocą ni-
skoimpedancyjnych połączeń:

bezpośrednich – pomiędzy przewo-

dzącymi instalacjami i urządzenia-
mi, na których nie występuje trwale
potencjał elektryczny,

za pomocą ograniczników prze-

pięć (SPD) pomiędzy urządzenia-
mi uziemionymi a urządzeniami

n r 5 / 2 0 0 4

Rys. 3 Strefowa koncepcja ochrony odgromowej

46

o c h r o n a o d g r o m o w a i p r z e p i ę c i o w a

w w w . e l e k t r o . i n f o . p l

n r 5 / 2 0 0 4

izolowanymi od ziemi i znajdują-
cymi się pod napięciem przewoda-
mi urządzeń elektrycznych i linii
sygnałowych.

ogólne zasady stosowania

ograniczników przepięć

do ochrony sieci LAN

Ochrona przepięciowa w instalacji
elektrycznej.

Obiekty budowlane, w których wy-

stępują rozległe sieci komputerowe,
wymagają stosowania wielostopnio-
wej ochrony przeciwprzepięciowej.
Przykład takiej ochrony pokazano na
rysunku 4.

Na wejściu instalacji elektrycz-

nej do budynku (granica stref LPZ
0 i LPZ 1) zainstalowano ogranicznik

przepięć spełniający wymagania prób
klasy I (ogranicznik przepięć typ I).
Zapewnia on skuteczną ochronę in-
stalacji elektrycznej przed przepię-
ciami spowodowanymi bezpośred-
nim oddziaływaniem prądu pioru-
nowego na sieć zasilającą oraz prze-
pięciami łączeniowymi.

Kolejny stopień ochrony stano-

wią ograniczniki przepięć spełnia-
jące wymagania prób klasy II (ogra-
nicznik przepięć typ II), których zada-
niem jest ochrona instalacji elektrycz-
nej przed przepięciami atmosferycz-
nymi indukowanymi i przepięciami
łączeniowymi. W zależności od zapro-
jektowanego sposobu zasilania sieci
komputerowej mogą być one insta-
lowane w rozdzielnicach piętrowych
lub wydzielonych tablicach kompu-

terowych, z których zasilane są po-
szczególne stanowiska (lub grupy sta-
nowisk) komputerowych.

Jako końcowy stopień ochrony dla

wybranych urządzeń informatycz-
nych zastosowano ograniczniki prze-
pięć typ III. Zabezpieczają one wy-
brane ważne systemowo urządzenia
(serwerownia) i urządzenia kompu-
terowe znacznie oddalone od tablic,
w których zastosowano ogranicznik
przepięć klasy II (typu II).

Należy pamiętać, że instalując

ograniczniki przepięć należy prze-
strzegać podstawowych zasad doty-
czących długości i przekroju prze-
wodów łączeniowych. Lekceważe-
nie tych zaleceń może doprowadzić
do tego (rys. 5), że pomimo zastoso-
wania ograniczników napięciowych

poziom ochrony przekroczy poziom
odporności udarowej systemu kom-
puterowego.
Ochrona przepięciowa w okablowa-
niu strukturalnym.

Ograniczniki przepięć instalowa-

ne w okablowaniu strukturalnym
mogą zabezpieczać przed przepięcia-
mi pojedyncze tory lub nawet kilka li-
nii sygnałowych. W przypadku kom-
pleksowej ochrony sieci lokalnej zle-
cane jest umieszczenie ograniczni-
ków przepięć:

przed serwerem,

przed koncentratorem – ochrona li-
nii dochodzących do serwerowni od
stacji roboczych znajdujących się
w odległych pomieszczeniach,

wszystkich linii (telefoniczne, mo-
nitoring) dochodzących do serwe-
rowni z zewnątrz budynku.
W przypadku stanowisk pra-

cy (końcowe stacje robocze) o sto-
sowaniu środków ochrony decydu-
je rachunek techniczno-ekonomicz-
ny. W przypadku braku ogranicz-
ników należy liczyć się z wystąpie-
niem możliwości uszkodzenia kart
sieciowych lub innych urządzeń pe-
ryferyjnych.

Przykład kompleksowej ochrony

w okablowaniu strukturalnym poka-
zano na rysunku 6.

podsumowanie

Poprawnie zaprojektowana i wy-

konana ochrona przed przepięcia-
mi w obiektach budowlanych z sie-

n r 5 / 2 0 0 4

Przyłącza sygnałowe i przyłącza teletransmisyjne

Lp.

Zjawiska środowiskowe

rodzaj zakłócenia

Specyfi kacja

badania

Jednostki

Norma podstawowa

Kryteria

oceny

1.

Szybkie stany przejściowe

±0,5

5/50

5

kV (wartość szczytowa)

T

r

/T

h

ns

kHz (częstotliwość powtarzania)

PN-EN61000-4-4

B

2.

Udary

Linia względem ziemi

1,2/50 (8/20)

1

T

r

/T

h

ms

kV (wartość szczytowa)

PN-EN 61000-4-5

B

Przyłącza wejściowe zasilania prądem stałym (z wyłączeniem urządzeń zawierających przetwornice prądu zmiennego na stały)

1.

Szybkie stany przejściowe

±0,5

5/50

5

kV (wartość szczytowa)

T

r

/T

h

ns

kHz (częstotliwość powtarzania)

PN-EN 61000-4-4

B

2.

Udary

Linia względem ziemi

1,2/50 (8/20)

0,5

T

r

/T

h

ms

kV (wartość szczytowa)

PN-EN 61000-4-5

B

Przyłącza wejściowe zasilania prądem zmiennym (włączając urządzenia wyposażone w odrębną przetwornicę prądu zmiennego na stały)

1.

Szybkie stany przejściowe

±1

5/50

5

kV (wartość szczytowa)

T

r

/T

h

ns

kHz (częstotliwość powtarzania)

PN-EN 61000-4-4

B

2.

Udary

Linia do linii

Linia do ziemi (uziemienia)

1,2/50 (8/20)

1
2

T

r

/T

h

ms

kV (wartość szczytowa)
kV (wartość szczytowa)

PN-EN 61000-4-5

B

Tab. 1 Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC). Urządzenia informatyczne. Charakterystyka odporności. Metodyka pomiaru i dopusz-

czalne poziomy wg PN-EN 55024:2000

Fot. 1 Przykłady uszkodzenia urządzeń komputerowych

n r 5 / 2 0 0 4

47

w w w . e l e k t r o . i n f o . p l

ciami LAN jest jednym z najważniej-
szych czynników decydujących o nie-
zawodnym działaniu nowoczesnych
systemów elektronicznych i kom-
puterowych. Znaczne ograniczenie
przepięć indukowanych wewnątrz
obiektu można osiągnąć dzięki ko-
ordynacji wzajemnego ułożenia in-
stalacji elektrycznych, sygnałowych
i instalacji piorunochronnej. Dodat-
kowym czynnikiem, który powodu-
je ograniczenie zagrożenia przepię-
ciami pochodzenia atmosferyczne-
go w rozległych sieciach kompute-
rowych, jest odpowiednie uziemia-
nie i ekwipotencjalizacja. Postępując
zgodnie z zasadami przedstawionymi
w PN-IEC 61312-1, można w znaczny
sposób ograniczyć niebezpieczeństwo
wystąpienia strat w systemie kompu-

terowym. Rozwiązanie takich proble-
mów najlepiej wykonać we współpra-
cy ze specjalistycznymi firmami zaj-
mującymi się problematyką ochrony
odgromowej i przeciwprzepięciowej.

literatura

1. Sowa A., Narażenia impulsowe sys-

temów komputerowych, NetWorld
1/1998.

2. Hanzelka Z., Jakość energii w wa-

runkach rynku energii, Biuletyn
URE 5/ 2003.

3. Materiały informacyjne firmy DEHN

CD 3 – wydanie elektroniczne, War-
szawa 2002.

4. PN-IEC 61312-1: „Ochrona przed

piorunowym impulsem elektroma-
gnetycznym. Zasady ogólne”.

n r 5 / 2 0 0 4

Rys. 6 Ochrona przeciwprzepięciowa sieci LAN – okablowanie strukturalne

Rys. 5 Zagrożenie systemu komputerowego spowodowane błędami montażowymi ogra-

niczników przepięć

Rys. 4 Przykładowe rozmieszczenie ograniczników przepięć w instalacji elektrycznej za-

silającej sieć LAN

Fot. 2 Przykłady ochrony końcowej urządzeń informatycznych za pomocą ograniczników

przepięć klasy III (typ III)