Грозозащита Ethernet - Предпосылки создания устройств грозозащиты Ethernet с трансформаторной развязкой

Почему приходится вновь возвращаться к вопросу защиты кабельных линий Ethernet? Казалось бы, уже давно получены ответы на все вопросы. Но попытка взглянуть на проблему со стороны Интернет-провайдера ставит следующие практические вопросы:

Вопросы сформулированы. Остается найти на них ответ. Но прежде чем мы приступим к рассмотрению наших вопросов, определим базовые параметры кабеля "витая пара". Для примера возьмем кабель типа R300316 производства компании R&M просто потому что полные характеристики этого кабеля оказались первым что подвернулось при запросе в поисковой системе "Яндекс".
Параметры кабеля>>

1. Оценка поражающих факторов атмосферного электричества.

Рассмотрим кабельный сегмент длиной 100 м, натянутый между двумя домами на высоте 20 метров (9-ти этажное здание). Оценим ЭДС, наводимую в контуре¹, ограниченном кабельным сегментом, поверхностью земли и конструкционными элементами зданий:

где: µ₀ – магнитная проницаемость вакуума 4π*10^-7 Гн/м;
S – площадь контура 100 * 20 = 2000 м2;
r_k – расстояние до канала молнии 1000 м;
A_imax – скорость нарастания тока в канале молнии 10¹¹ А/с (сильный разряд).

Для заданных условий, ЭДС в контуре составит 40 КВ. Из приведенной формулы видно, что даже при удалении канала молнии на расстояние до 10 км, ЭДС, наводимая в контуре, составит 4 КВ и все равно остается опасной для телекоммуникационного оборудования.

Оценим импульсный ток короткого замыкания, который возникнет при пробое изоляции внутри контура. Активное сопротивление кабельной жилы составляет 170 /2 * 0,1 = 8,5 Ом при длине сегмента 100 м. Количество жил в кабеле 8 (4 пары). Общее сопротивление жил кабеля составит R_Ж = 1,06 Ом/100м. Сопротивление кабельного экрана составит R_Э = 0,026 * 100 = 2,6 Ом (данная величина приведена в таблице под наименованием Transfer impedance, IEC 96-1, 1 MHz). Сопротивление контура заземления на практике редко бывает ниже R_З = 4 Ом (хорошее заземление). Таким образом, общее сопротивление цепи составит:

2. Достаточно ли для защиты оборудования просто заземлить экран кабеля?

Допустим, мы решили нейтрализовать пагубное воздействие атмосферного электричества путем заземления кабельного экрана. Это очень эффективный метод, но его применение в условиях городской застройки связано с появлением определенных проблем.

Напомним, что в нашем примере кабельный сегмент соединяет два различных здания. Это значит, что разные концы кабельного экрана будут подключены к разным точкам заземления, а кабельный экран будет выполнять функцию проводника уравнивания потенциалов. Каждый, кто хоть раз столкнулся с подобным подключением кабеля, может живописать свою собственную историю, но финал ее обычно один и тот же: отгоревший экран, оплавленная изоляция, замена кабельного сегмента.

Кроме того, серьезные проблемы может вызвать высокий уровень помех, наводимых уравнивающими токами в сигнальных парах (о механизме их возникновения чуть ниже). Такое положение вещей может сделать кабельный сегмент неработоспособным задолго до того как он будет поврежден физически высоким значением уравнивающего тока.

Самый очевидный выход из подобной ситуации – заземлять только один конец кабеля. Но в этом случае на незаземленном конце кабеля, будет наведен потенциал, соответствующий приведенному выше расчету. Несколько сгладить ситуацию может заземление второго конца кабеля через конденсатор. Расчет подобного решения выходит за рамки настоящего обзора, поэтому всех заинтересованных просим обратиться к соответствующим рекомендациям. Результаты наших измерений приведены здесь>>.

Допустим, нам удалось подобрать режим заземления кабельного экрана. Значит ли это что наше оборудование в безопасности? Отнюдь нет.

Импульс тока, протекающий по кабельному экрану, индуцирует в кабельных жилах вторичное напряжение. Почему? Потому что любой экран не является идеальным. Эффективность кабельного экрана измеряется по методике IEC 96. Для оценки эффективности экранирования используется величина "импеданс передачи" ( см.здесь>> ). Импеданс передачи (измеряется в Ом/м) определяется как отношение напряжения наводимого под экраном к току снаружи, вызвавшему эту наводку².

Импеданс передачи отрезка коаксиального кабеля длиной "L"
Где: I – ток, вызванный внешним полем на экране;
U — разность потенциалов, вызванная между внутренним и внешним проводниками током I.

Каково же будет напряжение на сигнальном проводнике, которое наведется под действием рассчитанного ранее импульса тока? Подставив имеющиеся у нас значения в приведенную выше формулу, получаем ≈ 21,9 КВ. Не следует думать, что выбранный нами для примера кабель просто имеет плохой экран. Эффективность экранирования для этого типа кабеля составляет ≈ 68 ДБ ². Т.е. экран кабеля обеспечивает ослабление электромагнитного излучения в 2500 раз.

Проводники в кабеле никогда не бывают полностью идентичны, поэтому между жилами сигнальной пары возникнет разность потенциалов, обусловленная так называемой "несимметричностью пары" или "нарушением баланса". Для взятого нами примера эта несимметричность по активному сопротивлению жил составляет не более 2%. Примем эту величину за интегральный показатель несимметричности. В этом случае напряжение, наведенное в сигнальной паре, составит ≈ 438 В. Это напряжение меньше по амплитуде, но значительно опаснее, так как накладывается на полезный сигнал и напрямую поступает на вход микросхемы через входные цепи оборудования.

3. Потери полезного сигнала.

Приведенные выше очень простые расчеты наглядно иллюстрируют абсолютную необходимость применения защитных устройств, для кабельных сегментов, размещенных вне зданий. Какие электрические параметры должны быть у такого устройства?

Существует давным-давно сформулированное житейской практикой правило при строительстве кабельных сетей любого назначения: "кабеля много не бывает". Стандарт Ethernet в свое время ограничил размер кабельного сегмента длиной 100 м, что было обусловлено широким применением в сетях устройств типа HUB. Эта величина вычисляется на основании времени распространения сигнала в кабеле и называется "диаметром коллизий". В настоящее время Ethernet стал коммутируемым и полнодуплексным. Коллизии в кабельном сегменте не возникают, поэтому длина сегмента определяется только чувствительностью применяемого оборудования. Oна может достигать 130 метров и более. Какой частью этой длины можно пожертвовать ради безопасности оборудования? Естественный ответ: "чем меньше – тем лучше".

Потери в кабельном тракте делятся на прямые и возвратные. Первые обусловлены рассеиванием электромагнитной энергии в виде тепла и излучения, вторые – отражением электромагнитной волны от неоднородностей кабельного тракта, в результате чего часть энергии возвращается обратно к источнику сигнала, либо так же рассеивается в результате многократных отражений. В тракте с высоким уровнем неоднородностей, сложение прямой и многократно отраженной волны в точке приема может привести к искажению исходного сигнала до такой степени, что сделает невозможным его правильное декодирование.

Оценим уровень потерь, вносимых в кабельный тракт защитным устройством. Любой защитный элемент, подключаемый к линии передачи, изменяет импеданс в точке подключения. Рассмотрим влияние типовой защитной схемы, подключаемой к линии передачи при помощи диодного моста. В качестве элементов моста обычно используются диоды типа 1N4007 либо аналогичные с более высоким быстродействием. Поскольку, активное сопротивление моста в рабочем режиме является очень высоким (порядка 100 КОм и выше), то его влияние мало и в наших расчетах можем его не рассматривать.

Напротив, реактивное сопротивление оказывает заметное влияние, особенно на высоких частотах. Поэтому в качестве эквивалентной схемы такого подключения примем конденсатор, емкость которого составляют барьерные емкости диодов, включенные параллельно-последовательно. Очевидно, что общая емкость диодов моста равна удвоенной емкости каждого плеча. Емкость двух встречно включенных диодов составляет 12-17 pF, следовательно общая емкость диодного моста составит 24-34 pF. Для расчетов примем значение 30 pF. Рассчитаем³ основные параметры кабельного тракта в точке подключения для критичных частот (Таблица 1).

Для оценки степени влияния подключения на кабельный тракт принимаем параметр "Потери мощности полезного сигнала %", т.к. именно мощность принимаемого сигнала определяет сможет или нет приемник правильно восстановить передаваемый сигнал. Для скорости передачи 10Мбит/С потери совершенно несущественные – менее 1%. Именно поэтому в среде инсталляторов кабельных систем ходит поговорка: "10 Мбит работают даже по колючей проволоке". Но картина резко меняется при переходе к более высоким скоростям передачи. На частоте 93,6 МГц потери мощности составят более 40%. Насколько критичны такие потери?

В открытых источниках указывается, что для правильного декодирования сигнала 100 Мбит/С в спектре принимаемого сигнала должны присутствовать вторая и третья гармоники несущей частоты. Но практически невозможно найти сведения об уровне этих гармоник, ниже которого правильный прием невозможен (имеется в виду с заданным уровнем ошибок). Поэтому воспользуемся косвенными методами оценки.

Допустим, предельная длина кабельного сегмента 100м определяется затуханием сигнала в кабеле, т.е. минимально допустимым уровнем сигнала в точке приема. Тогда, при уменьшении мощности сигнала на A%, уровень мощности на входе приемника составит B=(100-A)/100 от исходного, где B – коэффициент передачи мощности. Поэтому необходимо приблизить приемник к передатчику чтобы скомпенсировать уменьшение принимаемой мощности.

Передаваемый сигнал затухает в кабеле экпоненциально:

где: P_ПР – мощность сигнала на входе приемника;
P_ПЕР – мощность сигнала на выходе передатчика;
α – коэффициент затухания по мощности ДБ/метр;
L – длина кабельного сегмента в метрах.

Для кабеля "витая пара" производители обычно не указывают коэффициенты затухания, поэтому обратимся к стандарту IEEE 802.3 пункт 25.4.6.2.1, который определяет максимальное затухание по напряжению в кабельном сегменте в ДБ:

Для мощности это выражение необходимо умножить на 2, т.к. мощность имеет квадратичную зависимость от напряжения (уменьшение амплитуды сигнала на входе приемника в 2 раза соответствует уменьшению мощности принимаемого сигнала в 4 раза). Рассчитаем на основании имеющихся данных уменьшение длины кабельного сегмента с учетом затухания, вносимого нашим модельным устройством.

где, B – коэффициент передачи по мощности;
P_L – мощность на входе приемника на "чистом" кабеле длиной L;
P_X – мощность на входе приемника на том же кабеле после подключения модели.

где, X – длина кабельного сегмента L с коэффициентом затухания α после установки на нем устройства с коэффициентом передачи мощности B.
Δ – уменьшение длины кабельного сегмента.

Уменьшение максимально допустимой длины кабельного сегмента в результате подключения модельного устройства защиты происходит в результате ослабления высших гармоник полезного сигнала. При расчетной длине 100 метров уменьшение длины составит примерно 5 метров, при установке двух устройств – примерно10 метров, т.е. около 10%.

4. Какова максимальная стоимость устройства защиты, которая делает его применение лишенным экономического смысла?

Стоимость сетевого оборудования постоянно снижается. Эта тенденция делает ситуацию парадоксальной, когда стоимость устройств защиты превышает стоимость защищаемого оборудования. Стоит ли это "копеечное" оборудование дополнительных затрат на его защиту?

Финансовые потери, связанные с заменой вышедшего из строя оборудования, группируются следующим образом:
а) стоимость оборудования;
б) стоимость работ по выявлению неисправности и замене оборудования;
в) потеря доходов от трафика из-за простоя сети;

Существуют еще косвенные потери, которые трудно или невозможно оценить прямыми расчетами:

выход из строя клиентского оборудования и связанная с этим потеря информации;

финансовые потери клиентов, вызванные дезорганизацией работы при неработающих внешних коммуникациях;

потеря имиджа надежного провайдера и связанный с этим отток клиентской базы;

В наших расчетах мы можем ориентироваться только на минимальные оценки.

а) Стоимость оборудования.
Из всего разнообразия моделей сетевого оборудования возьмем неуправляемый коммутатор на 8 портов стоимостью 20 USD ≈ 460 руб. Повреждение высоким напряжением в таких устройствах обычно происходит насквозь: интерфейсный трансформатор –> управляющая микросхема –> блок питания. Поэтому выбрасывать приходится сразу весь девайс.

б) Стоимость работ по выявлению неисправности и замене оборудования;
Допустим, что эти работы занимают 4 часа (1/2 рабочего дня) одного монтажника. Это составит:

зарплата (1/2 рабочего дня) 200 руб.;

налоги 160 руб.;

накладные расходы 360 руб..
______________
Итого 720 рублей.

в) Потеря доходов от трафика из-за простоя сети
Допустим, что на сгоревшем устройстве использовалась только половина портов (4 порта) и, следовательно, отключенными оказались 4 абонента.
Средний месячный трафик одного абонента: 500 руб.
Всего: 500 * 4 = 2000 руб.
Месячный фонд времени работы сети: 30 дней * 24 часа = 720 часов.
Время простоя сети: 4 часа.
Сумма потерь: 2000 / 720 * 4 = 11 руб.

Итого прямые потери: 460 руб. + 720 руб. + 11 руб. ≈ 1191 руб. Данную оценку можно корректировать в любую сторону, но очевидно одно: наибольшие потери предприятие несет в результате отвлечения персонала на устранение неисправностей. Если такая ситуация возникает чаще чем один раз в год, то прямые потери следует сложить, а косвенные, наверное, умножить.

Таким образом, если на основании нашего расчета принять стоимость устройств защиты в два раза превышающую стоимость защищаемого устройства, то эти затраты напрямую окупятся за один грозовой сезон.

Выводы.
В настоящее время на рынке устройств защиты представлены изделия, которые можно разделить на две большие группы. Устройства в этих группах характеризуются следующими потребительскими свойствами:

Положительные стороны устройств выделены зеленым цветом, отрицательные – красным.

Как видно из таблицы, не существует идеального защитного устройства. Полупроводниковые устройства обеспечивают высокую степень подавления всех помех, но имеют низкую стойкость, а увеличение стойкости оборачивается увеличением потерь. Устройства с газоразрядными приборами имеют высокую стойкость, но значительно хуже подавляют помехи, а при определенных условиях сами могут стать источником опасных напряжений⁴. Однако этот недостаток является чуть ли не единственным и если удается его нейтрализовать с помощью схемотехнических решений устройство защиты будет практически "идеальным". На решении именно этой задачи были сосредоточены усилия конструкторов при разработке устройства РГ5 (см. Конструктивные особенности РГ5>>).

1 "Физика молнии и молниезащиты". Базелян Э.М, Райзер Ю.П., М. Физматлит 2001
2 И.Литвин. Ответы на вопросы. Рубрика для кабельщиков. Журнал "Теле-Спутник", 3(101) март 2004
http://www.telesputnik.ru/archive/101/article/58.html
3 Расчет выполнен с использование круговой диаграммы Смитта. Справочник радиоинженера. Р.Лэнди, Д.Дэвис, А.Албрехт. Госэнергоиздат. 1961
4 Вопросы вторичных помех от газоразрядных приборов рассматриваются во второй части статьи

Предпосылки создания РГ4, РГ5, РГ6

1. Оценка поражающих факторов атмосферного электричества.

2. Достаточно ли для защиты оборудования просто заземлить экран кабеля?

3. Потери полезного сигнала.

4. Какова максимальная стоимость устройства защиты, которая делает его применение лишенным экономического смысла?