Analog Devices, Inc.
Avtor: JamesNiemann,aplikacijski inženir
Podjetje ADI ima posebno sekcijo člankov z naslovom: Pogosta vprašanja. Tokrat predstavljamo odgovor na vprašanje glede prenapetostnih dogodkov.
Vprašanje
Ali obstaja enostaven način za zaščito Ethernet omrežja pred poškodbami zaradi udara strele?
Odgovor
Z globokim razumevanjem magnetike in teorije vezij ter dobrimi tehnikami ozemljitve in ščitenja obstaja rešitev.
Povzetek
Poškodbe, ki jih povzroči strela na napravah, povezanih z Ethernet omrežjem, lahko preprečite, če sprejmete ustrezne previdnostne ukrepe. Tradicionalni postopki z uporabo zaščitnih elementov morda ne bodo popolnoma učinkoviti, razen če jih dopolnimo z drugim zaščitnim sredstvom, ki ga navdihuje poglobljeno razumevanje osnovnih mehanizmov prenosa energije s strele na Ethernet kabel in priključene naprave, ki so vsi opisani v tem članku.
Omrežni skrbniki in vsi, ki so odgovorni za žično Ethernet omrežje, se vedno sprašujejo o okvarah zaradi prenapetosti, za katere je odgovorna predvsem strela. Ta tema se ne omejuje le na Ethernet. Velja za vse elektronske ali energetske sisteme, ki so fizično veliki. Drugi primeri vključujejo električne meritve, ki se izvajajo na daljavo, dobavo električne energije in aplikacije industrijske avtomatizacije, kjer senzor ni nikjer v bližini. Tradicionalne rešitve delujejo po načelu absorpcije ali omejevanja energije dogodka na določenem območju, da se zaščitijo komponente fizičnega sloja. Težava te metode je v tem, da energija ni odpravljena, prav tako pa tudi ne tok, ki iz nje izhaja. Ta prehodni tok v induktivni poti vedno ustvarja velike napetosti, ki lahko povzročijo škodo. Zato se moramo pri običajnih pristopih vprašati, kakšne ravni zaščite so potrebne ter koliko časa, truda in sredstev je potrebnih za izvajanje? Poleg tega mora uporabljena zaščitna metoda ne le vzdržati, temveč tudi preživeti napetostni val. Udar strele ima lahko moč energije, ki je za več velikostnih razredov večja, kot si morda mislite. Za doseganje zanesljivega in varnega delovanja so potrebni robustni zaščitni ukrepi, ki se lahko spopadejo s tem izzivom.
Magnitude energije
Ethernet sistemi morajo biti zaščiteni pred prenapetostnimi dogodki, ki se lahko razlikujejo za več velikostnih razredov. Udar strele, ki je oddaljen na tisoče metrov, lahko povzroči za pet velikostnih razredov manjši udarec energije kot udarec tik pred vašimi vrati. Tudi velikost Ethernet omrežja lahko vpliva na to, kako dobro se spopada z različnimi jakostmi energije. Že usmerjenost zanke lahko poveča odpornost sistema proti prenapetosti za dodatne tri velikostne razrede.
Energija udarca strele
Presežki povzročajo škodo glede na energijo dogodka, mesto, kjer se zgodi, in količino energije, ki jo lahko sistem shrani, ko je prizadet. Razumevanje teh dejavnikov bo pomagalo najti rešitev za zaščito pred to škodo.
Energija tega udara strele se nahaja v okolici udara strele (za razpravo izključimo možnost neposrednega udara strele). Glavna skrb pri udaru strele je, da se energija nahaja v bližnjem polju, pri čemer je za ta vir z nizko impedanco najpomembnejše magnetno polje. Skupno energijo v magnetnem polju lahko približno izračunamo z uporabo dolžine udara strele, da ugotovimo skupno induktivnost in znano energijsko enačbo E = 1/2Li2. Tok udara se spreminja, vendar je lahko tudi do 50000 A. Izven te razdalje, v oddaljenem polju, je energije malo, razen če se ukvarjate z izdelavo radijskih sprejemnikov.
Naše sonce proizvede 3,846 × 1026 W energije na sekundo. Na enem kvadratnem metru vesolja, 93 milijonov kilometrov daleč od Zemlje, se od tega izmeri 1000 W. Če upoštevamo celotno sfero, ki obdaja naše sonce, bo vedno 3,846 × 1026 W oddane moči, ne glede na oddaljenost od njegove površine, pri čemer je 1 kvadratni meter zelo majhen odstotek celotne površine 150 milijonov kilometrov stran! Zdaj pa namesto o moči govorimo o energiji. Da bi videli 1000 J energije, bo potrebna 1 s osvetlitve (vati imajo enote J/s). To je količina energije, ki je enaka 1m2 krat razdalji, ki jo svetloba prepotuje v eni sekundi, ali 3 × 108m, v tem primeru pa je skupna količina tudi 3 × 108m3.
Za razumevanje preostalega dela tega članka je treba sprejeti koncept, da sta v prostoru shranjeni tako sevalna kot statična energija (magnetna energija BxH in elektrostatična energija ExD). Poyntingov teorem opisuje gibanje, premikanje ali prenos energije. Vsak prenos energije vedno vključuje magnetno in električno polje. V notranjosti vodnika ne more biti opaznega električnega polja, zato tam tudi ne more biti shranjene nobene energije. Bližnja in daljna (sevana) energija se preprosto in enostavno shrani v prostoru, ki obdaja dogodek strele. Ta koncept (da je energija shranjena v prostoru) predlaga naslednjo rešitev za vprašanje prenapetosti. Če odpravimo dostop do te energije, bomo odpravili težave s prenapetostjo.
Geometrija vodnika (Ethernet kabel) potrebuje dostop do prostora, v katerem se pretaka energija, da bi imela dostop do te energije. Pri tem je vključen čas, tako kot v našem primeru sevanja, čeprav se nahajamo v bližnjem polju. Ker Ethernet kabel diferenčno nima opazne površine zanke, ni verjetno, da bo iz tega okoliškega prostora sklopil kakršno koli opazno energijo. To ne velja za območje med Ethernet kablom in ozemljitvenim sistemom.
Udarni sunek je visokofrekvenčna tokovna zanka, ki vključuje ozemljitveni sistem šasije. Sistem ozemljitve šasije je v resnici del vsakega vezja, ki je bilo kdaj koli zgrajeno. V tem kontekstu je pomemben le za velika vezja. Na sliki 1 si oglejte primer, kako je ozemljitveni sistem šasije vedno prisoten, vendar postane pomembnejši pri večjih sistemih, in zakaj ozemljitev nima nobene posebne zveze s to težavo, saj je primeren kateri koli parazitski vodnik. V naslednjih razdelkih sta opisana dva najpogostejša vira udarnega sunka električnega toka.
Energija zemeljske zanke
Zemeljske zanke nastanejo zaradi dejstva, da potencial zemlje ni konstanten na dveh lokacijah. Slika 1 je pokazala, da ima vsaka shema drugi tokokrog, parazitno zemeljsko zanko. Ta zemeljska zanka se imenuje tudi skupna impedančna sklopka1 zaradi dejstva, da imata lahko tako zemeljska zanka kot vaše načrtovano vezje skupni vodnik. Sliki 1 in 2 prikazujeta podrobnejši primer. Pogosto ta drugi zemeljski krog ohišja ni tako velik, vendar je vedno prisoten. Na splošno velja, da večja kot je razdalja elektronskega sistema, večja je potencialna razlika med temi ozemljitvami ter večja bosta induktivnost in upornost med njimi.
Ko strela udari v tla, se tok razširi v vse smeri. Ta tok povzroči precejšen padec napetosti v upornosti in induktivnosti zemlje, skozi katero potuje tok. Pri nekaterih žičnih Ethernet napeljavah lahko ta potencialna razlika zajema celoten Ethernet kabel (od konca do konca) in lahko povzroči pretok velikih tokov. Ta učinek je pravilno opredeljen kot ozemljitvena zanka. Ozemljitvene zanke povzročajo tudi tokovi, ki izvirajo iz instrumentacije in električnih strojev. Pravilno ozemljena stavba se sklicuje na en sam ozemljitveni vodnik na vhodu v električno omrežje. Iz tega je mogoče sklepati, da ozemljitvene zanke, ki jih povzroči strela, ne prispevajo največ k poškodbam opreme v posamezni stavbi. To seveda ne velja za Ethernet povezave zunaj ali med stavbami.
Ne glede na vir lahko napetost v zemlji povzroči tokove v Ethernet kablu tudi brez velikih dolžin ali območij zank. Vse, kar je pomembno, je razlika potencialov obeh ozemljitev, čas naraščanja in induktivnost sistema ohišja med obema točkama.
Magnetno polje, ki ga povzroči strela
Strela lahko po Faradayevem zakonu ustvari tudi magnetno sklopljeno napetost na katerem koli območju zanke. To je verjetno najbolj zaskrbljujoče vprašanje, saj vpliva na Ethernet povezave v stavbah.
Prizori udara strele zaradi ozemljitvene zanke se razlikujejo od dogodkov zaradi magnetne sklopitve (Faradayev zakon). V naslednjih nekaj razdelkih bodo obravnavane možne rešitve za vsako od njih. Za referenco je na sliki 3 prikazana Ethernet povezava brez katere koli od rešitev iz tega članka. Tu so tokovne poti (zaradi ozemljitvenih zank ali Faradayevega zakona) skozi vezje in referenčno ozemljitveno ravnino (ki je tudi del vezja) edina pot, po kateri lahko prehajajo prenapetostni tokovi. Običajne rešitve poskušajo ta tok preusmeriti stran od sestavnih delov, vendar bi se na tokovni poti lahko razvili nevarni dogodki V = Ldi/dt.
Rešitev iz učbenika
Rešitev iz učbenika za rešitev problema ozemljitvene zanke in magnetne energije, kar zahteva varovanje. Zaščita se zagotovi tako, da se celotna naprava obda z oklopom. Ta zaščita zmanjšuje kapacitivnost aplikacije na vse, razen na samo zaščito. Ob upoštevanju slike 4, poenostavljenega primera, ki ni povezan z omrežjem Ethernet, mora biti jasno, da bo VSA zemeljska zanka ali magnetno inducirani tok sledil kovinski zaščiti in prečkal izolacijsko pregrado pri C5. Tok ozemljitvene zanke ne more vstopiti v nobeno od območij uporabe, ki jih obkroža varovalo. V tem primeru so interferenčna polja v celoti zunanja za komponente aplikacije. Ta rešitev iz učbenika pokriva oba vira motenj, poleg tega pa odpravlja vsak elektrostatično povezan šum. Rešitev iz učbenika je resnično izjemna, saj deluje tudi, če je C5 zmanjšan na minimum. Kratkostičen obrat ni nujno potreben.
To je edina rešitev, ki deluje tako za ozemljitvene zanke kot za magnetno sklopljeno energijo polja. Običajno je tudi dovolj, kot je potrebno za to Ethernet aplikacijo, zato bo nekaj poenostavitev v nadaljevanju privedlo do rešitve za Ethernet, ki jo lahko dejansko zgradimo.
Kratkostičen obrat
Energija, ki povzroča škodo, izvira iz polja, ki ga ustvari strela. Da bi izločili energijo za Ethernet vodnik, moramo izločiti polje in to bomo storili tako, da bomo vgradili kratkostičen obrat v ta transformator, kjer strela predstavlja primarni tok, območje ozemljitvene Ethernet zanke pa sekundarni tok. Če lahko zgradimo izoliran kratkostičen obrat z uporabo zaščite znotraj Ethernet kabla in ravnin v aplikacijskem tokokrogu, pri čemer ozemljitev zagotavlja končni vodnik za zaprtje kratkostičnega obrata, nam bo uspelo odpraviti energijo. V praksi pa bo, po izvedbi tega kratkostičnega obrata za zaščito pred kratkim stikom, postopek dodajanja zunanjih komponent, veliko lažji.
Poenostavitev lahko dosežemo tako, da se odpovemo popolnemu obkroženju leve in desne polovice sistema. To je prikazano na sliki 5 (konfiguracija Ethernet je prikazana na sliki 6). Ta preprostejša konfiguracija je lahko učinkovita, če lahko varovalno vezje deluje kot kratkostični obrat in če je razmerje C3/C4 čim manjše. Ta poenostavljena metoda za odpravo prenapetosti deluje le, če lahko v primerjavi z izolirano potjo ustvarimo kratkostični obrat.
Kako točno ta kratkoročni obrat odpravi energijo z vidika Ethernet zanke? Da bi to razvozlali, moramo analogijo transformatorja razumeti na globlji ravni. Pravi transformator je zasnovan za prenos energije in ne za njeno shranjevanje. To velja ne glede na to, ali govorimo o transformatorju z zračnim jedrom ali o transformatorju z magnetnim jedrom. Da bi pri transformatorju z zračnim jedrom dosegli majhno količino shranjene energije, morajo biti navitja navita neposredno eno na drugo, med njimi pa je zelo malo prostora za shranjevanje energije. Transformatorji z magnetnimi jedri prenašajo energijo (s histerezo in izgubami zaradi vrtinčnih tokov) z navitja na navitje, tudi če navitja niso neposredno drugo nad drugim, vendar mora biti med navitji in jedrom malo prostora, da se shrani malo energije. Pri uporabi jedra je dodatna prednost manjši magnetizacijski tok zaradi večje induktivnosti, ki je neposredna posledica velikega µr. Jedro ali ne, napetost na primarnem navitju bo povzročila tok, ki ga opisuje znano razmerje V = Ldi/dt, kar bo povzročilo napetost na sekundarnem navitju, ki je podana z V = (površina zanke)dB/dt. Prisotnost magnetnega materiala ne spremeni primarnega Ldi/dt ali sekundarnega dB/dt. Z drugimi besedami, ne spreminja napetosti transformatorja. V primarnem delu je permeabilnost µr konstanta, ki sicer poveča induktivnost (za µr), vendar zaradi kompenzacije tudi zniža di/dt. Pri sekundarnem delu velika µr upočasni dB/dt (ker je primarni di/dt nižji), vendar tudi poveča B za isto konstanto. Visoka permeabilnost v resnici le zmanjša magnetizacijski tok, saj poveča primarno induktivnost.
Ker se energija v transformatorju ne shranjuje, ko je sekundar močno obremenjen, bo primarni vir napetosti z nizko impedanco zahteval večji tok, primarni tok pa se bo povečal, da bi zagotovil energijo.
Nasprotno pa se pri udaru strele veliko energije nabere na zelo velikem prostoru. Energija se bo vedno uredila tako, da bo shranila najmanjšo možno količino energije. In prav to počne naš transformator v notranjosti in na stiku s sekundarnim navitjem, kjer tok teče nasproti primarnemu toku. Ta nasprotna tokova zagotavljata, da ne bo neto zunanjega magnetnega polja (shranjene energije). Na najvišji ravni se to imenuje načelo najmanjšega delovanja, v tem kontekstu pa to opisuje Lenzov zakon. To se dogaja v prostoru okoli Ethernet kabla in povratne mase šasije. Ethernet zanka (ali naš kratkostičen obrat, po vaši izbiri) zagotavlja sredstva za premikanje ali razpršitev te energije, saj je v obeh primerih mogoče shraniti manj energije. Podobno kot pri zgornjem primeru transformatorja je razvita sekundarna napetost še vedno V= (površina zanke)dB/dt, vendar brez tesne povezave med primarnim (strela) in sekundarnim (vaša Ethernet zanka). Ta slaba povezava preprečuje regiji dostop do neomejenega vira energije. Kratkostični obrat bo ustvaril tok, ki bo izničil/razpršil energijo, ki jo je strela shranila v tem prostoru. Če bi lahko izmerili induktivnost primarnega voda s tem kratkostičnim obratom, bi bila vrednost nižja in bi kazala na manj shranjene energije, saj bi se del manjkajoče energije razpršil v kratkostičnem obratu. Z drugimi besedami, magnetno polje, ki nastane zaradi sekundarne obremenitve, izniči polje, ki ga ustvari strela, zaradi česar je v Ethernet zanki shranjene manj energije.
Mimogrede, točno to se zgodi v transformatorju, če eno od sekundarnih navitij kratko sklenemo. Vendar je tu pomembna razlika. Pri pravem transformatorju bo kratek stik zaradi tesne povezave razpršil vso energijo, ki je na voljo v primarnem vodu. Pri streli se bo razpršila le energija, ki je bila v prostoru Ethernet zanke.
Oglejmo si primer
Polje H, ki nastane zaradi udara strele, je I/2πR. Ob predpostavki, da je udarec oddaljen 1 miljo (1600 m) od našega Ethernet kabla in da je udarni tok 50 000 A, bo jakost magnetnega polja 4,97 A/M.
Polje B je torej B = µH = (4 π × 10E-7)(4,97) = 6,25E-6 Tesla, Območje Ethernet zanke (oddaljeno eno miljo) je: 1 M × 150 M =150 M2
Čas naraščanja toka strele je lahko tudi 1 μs, čas upadanja pa je
~ 100 μs, zato lahko napetost, ki se razvije v tej zanki, približno izračunamo kot: V = A (površina zanke × dB/dt) = 150(6,25E-6)/1 μs = 937 V
Oglejmo si simulacijo, ki nam bo dala točno vrednost. Slika 7 prikazuje udarec strele 50 kA s časom naraščanja 1 μs in časom upadanja 100 μs.
Zaradi Faradayevega zakona bo ta tok induciral napetost V1, kot je prikazano na sliki 8. E1 predstavlja prenapetostno napetost v nezaščiteni Ethernet zanki. 459 μH je induktivnost območja Ethernet zanke z ohišjem, 500 pF predstavlja neto zaporedno kapacitivnost do ozemljitve tako PSE kot PD strani Ethernet povezave, upor 10 Ω pa je zaporedna upornost vezja. V simulaciji vrednost R2 v resnici ne spremeni najvišjih vrednosti toka, temveč povzroči hitrejše upadanje ovojnice valovne oblike. Ta ugodnejša časovna konstanta L/R bo hitreje razpršila energijo udarca kot toploto po tem porazdeljenem uporu.
Graf, ki prikazuje nastali udarni tok I(L2), je prikazan na Sliki 9. Iz grafa je razvidno, da bo v nezaščiteni zanki, tudi če je udarec strele oddaljen 1 miljo, nastal udarni tok 1,6 A. Predstavljajte si, koliko večji tok bi nastal v zanki, če bi bil udar strele veliko bližje. Tudi ta tok je dovolj velik, da povzroči škodo.
Sedaj si oglejmo udarni tok v zaščiteni Ethernet zanki, ki je prikazana na desni polovici sheme – tu je notranja Ethernet zanka. Ta udarni tok lahko še bolj zmanjšamo, če zmanjšamo impedanco zaščitne zanke (povečamo C3 in C4) in hkrati ohranimo dobro magnetno povezavo z Ethernet zanko.
Izolacija
Za odpravo udarnega toka lahko uporabite še en način, in sicer tako, da izolirate enega ali oba konca kabla. V idealnem primeru je za takšno izolacijo potreben odprt tokokrog pri vseh frekvencah. To je običajno izvedeno v izolacijskem transformatorju, pri Ethernetu pa to vključuje tako podatkovne kot tudi napajalne transformatorje (aplikacije POE). Transformatorji odlično zaustavljajo enosmerni tok, vendar njihova primarna in sekundarna kapacitivnost pri višjih frekvencah predstavlja kratek stik, kar omogoča visokofrekvenčne udarne tokove. Če bi bili na voljo transformatorji z majhno kapacitivnostjo, sploh ne bi imeli težav s prenapetostmi, zato to ni rešitev. Kljub temu bo zmanjšanje izolacijske kapacitivnosti zmanjšalo tokove, ki jih povzročajo udari strele. Vendar pa predlagana rešitev zagotavlja boljši izoliran sistem pri višjih frekvencah, čeprav je na izolacijski pregradi večja kapacitivnost. Zakaj bi bila kapacitivnost sploh pomembna, če ne vidi nobenega dv/dt?
V čem je težava?
Težava je v tem, da nikoli ne bomo mogli zgraditi popolne zaščite okoli naših vezij ali odpraviti vsega magnetnega polja z našim kratkostičnim obratom ali zgraditi transformator brez kapacitivnosti. Kaj lahko v tem primeru storimo drugega? Za dopolnitev teh rešitev bomo morda morali dodati tudi zaščitne komponente, namenjene preusmerjanju preostalega udarnega toka. Tokovi v kratkem stiku so lahko visoki, vendar to ni pomembno, saj smo za izdelavo zaščite uporabili le baker in kondenzatorje. Zadnja možna izboljšava, ki jo lahko naredimo, je, da okoli celotne Ethernet povezave dodamo ferit, kot je prikazano na sliki 10.
Brez našega novega kratkostičnega obrata se ta ferit še vedno dobro obnese. Zagotavlja odprto vezje za visokofrekvenčne tokove, ki dopolnjuje odprto vezje iz izolacijskih transformatorjev pri enosmernem toku in nižjih frekvencah. Če ferit uporabimo skupaj z našim kratkostičnim obratom, dobimo zelo neverjetne rezultate. V tem primeru ferit še dodatno zmanjša razmerje C3/C4, saj zagotavlja odprto vezje za tok okoli ozemljitvene zanke.
Povzetek
Vsaka aplikacija, ki zahteva dolge kable, je lahko dovzetna za poškodbe zaradi strele. Vir te škode je lahko poleg napetosti, ki nastane zaradi Faradayevega zakona (magnetni sklop), tudi padec napetosti v impedanci ozemljitve zaradi visokih tokov udara strele („ozemljitvene zanke“). Pri nekaterih aplikacijah uporaba zaščitnih komponent za usmerjanje tega škodljivega toka morda ne bo rešila problema. V tem primeru se lahko za znatno zmanjšanje udarnega toka uporabi dodaten kratkostični obrat z nizko impedanco, nameščen neposredno ob Ethernet kablu in vezju (dobra sklopitev). Ta metoda uporablja samo baker in kondenzatorje, zato nam ni treba skrbeti za visoke tokove, ki lahko nastanejo zaradi tega kratkostičnega obrata. Za varno znižanje prenapetostnega toka se lahko uporabi tudi dodatek dušilke na Ethernet kablu.
Viri:
1AlanRich.“Shielding and Guarding How to Exclude Interference-Type Noise What to Do and Why to Do It—A Rational Approach.” Analog Devices, Inc., 1983.
Niemann, Karl-Heinz. “Engineering Guideline Ethernet-APL,” Version 1.14 19.September,2022.
Feynman, Richard P., Robert B. Leighton, and Matthew Sands. The FeynmanLectures on Physics, Vol. II: The New Millennium Edition: Mainly Electromagnetismand Matter. Basic Books, 2011.
Morrison,Ralph.GroundingandShieldingTechniques,FourthEdition.JohnWiley&Sons Publications, 1998.
O avtorju
James Niemann se je podjetju Analog Devices pridružil marca 2020 in je trenutno inženir za aplikacije na terenu v Clevelandu v Ohiu. James ima 35 let skupnih izkušenj z načrtovanjem testne in merilne opreme ter delom kot FAE pri podjetju ADI. James ima priznanih 14 patentov.
