А.Афанасьев, A.Коншин, B.Прудинский

 

ПРИМЕНЕНИЕ УСТРОЙСТВ ЗАЩИТЫ ОБОРУДОВАНИЯ И ЛИНЕЙНЫХ КАБЕЛЕЙ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ И ИЗБЫТОЧНЫХ ТОКОВ

 

Мир связи. № 5, 2003

За последние годы в России, к сожалению, резко возросло количество пожаров и повреждений коммутационного оборудования АТС, вызванных воздействием посторонних опасных токов и напряжений, возникающих на линиях связи. В соответствии с приказом МС РФ №3 от 19. 01. 2001 г. и решением коллегии МС РФ № 4-1 от 17. 04. 2001 г. рядом организаций был проведен анализ причин возникновения пожаров и предложены меры по защите оборудования и линейных кабелей от опасных токов и напряжений. Несмотря на это, операторы связи по-прежнему не имеют четкого представления о путях решения данной проблемы и тратят значительные средства на приобретение различного оборудования защиты, изготавливаемого многочисленными производителями, не анализируя при этом, в каких условиях оно будет работать. И, естественно, не всегда добиваются желаемого результата. В данной статье авторы предпринимают попытку по-новому взглянуть на проблему защиты коммутационного оборудования.

 

ОСНОВНЫЕ ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ И ИЗБЫТОЧНЫХ ТОКОВ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Как показывает практика, наиболее опасными по степени влияния и частоте воздействия на оборудование связи являются так называемые перенапряжения и избыточные токи, наводимые в проводных линиях и представляющие собой согласно Рекомендации МСЭ-Т К.20:

  • импульсные высоковольтные напряжения, возникающие при грозовых разрядах (в Рекомендации К.20 не рассматриваются случаи прямого попадания молнии в линейно-кабельные сооружения);

  • кратковременные переменные напряжения, возникающие при коротких замыканиях в ЛЭП или контактных сетях электрифицированных железных дорог;

  • длительно воздействующие переменные напряжения, возникающие при непосредственном электрическом контакте проводной линии связи с сетью электропитания 220 В.

Перечисленные помехи характеризуются столь высокими уровнями, что их воздействие может привести к выходу из строя незащищенного оборудования.

На характеристики перенапряжений и избыточных токов также существенно влияют условия окружающей среды, в которых происходит эксплуатация оборудования.

Так, высокий уровень грозоактивности, большое удельное сопротивление земли, наличие воздушных линий увеличивают вероятность появления в линиях связи перенапряжений высокой амплитуды (свыше 1000 В). Такие районы эксплуатации классифицируются согласно Рекомендации К.11 МСЭ-Т как подверженные влияниям. Наличие подземных металлических конструкций (трубопроводов, бронированных кабелей и т. п.), низкое удельное сопротивление земли, подземная прокладка кабелей значительно уменьшают амплитуду наводимых перенапряжений от грозовых разрядов и коротких замыканий в ЛЭП за счет экранирующего действия (амплитуда импульсных перенапряжений не более 1000 В). Такие районы классифицируются как не подверженные влияниям и характерны для городских центров. Проводные линии электросвязи, в том числе кабельные линии (кабели с металлическими жилами), воздушные линии и линии смешанного типа, по которым осуществляется передача сигналов электросвязи, одновременно являются приемниками и средой передачи энергии внешних источников опасных помех. Распространяясь по проводным линиям, перенапряжения и избыточные токи воздействуют на линейно-кабельное и кроссовое оборудование, абонентские комплекты и комплекты соединительных линий АТС, на входы/выходы аппаратуры систем передачи, оконечные абонентские телефонные устройства. Перенапряжения от грозовых разрядов и коротких замыканий в ЛЭП могут возникать во всех типах линий (абонентских, соединительных, передачи данных и др.).

Особенно опасным является длительное воздействие напряжения сети 220 В, так как возникающее при этом повышенное тепловыделение в электрорадиоэлементах может вызвать возгорание оборудования. Случай воздействия 220 В, как правило, наблюдается в абонентских линиях (АЛ).

Наибольшая вероятность попадания 220 В в абонентских линиях имеет место в жилых, общественных и промышленных зданиях и сооружениях:

  • при совместной прокладке телефонных и силовых кабелей сети электропитания в одном кабелепроводе;

  • при использовании абонентом оконечных абонентских телефонных устройств (ОАТУ), не имеющих сертификата соответствия Минсвязи России или из-за нарушения правил эксплуатации ОАТУ;

  • из-за нарушений правил техники безопасности при проведении регламентных работ на сетях.

ПРИЧИНЫ ПОВРЕЖДЕНИЙ ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ И ИЗБЫТОЧНЫХ ТОКОВ

Основными причинами повреждений оборудования при воздействии перенапряжений и избыточных токов являются:

  • отсутствие или недостаточность встроенной в оборудование электрической защиты. Это характерно для оборудования координатной, квазиэлектронной и некоторых типов АТС электронных систем коммутации и оборудования систем передачи, изготовленных 1020 лет назад и более, находящихся в эксплуатации;

  • несогласованность характеристик электрической защиты, устанавливаемой в оконечных устройствах (кроссах), со стойкостью защищаемого оборудования. Например, недостаточное быстродействие защиты по току или недостаточно низкие уровни ограничения импульсных напряжений;

  • некачественное заземление (пути отвода перенапряжений и избыточных токов);

  • неправильный выбор схемы и режима работы элементов защиты;

  • применение некачественных материалов и электрорадиоэлементов (горючих, имеющих низкую электрическую прочность и т. п.).

ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЕ

Стойкость к перенапряжениям и избыточным токам коммутационного оборудования, оборудования систем передачи, ОАТУ может быть повышена путем установки дополнительной электрической защиты по напряжению и/или по току, устанавливаемой в кроссовом и распределительном кабельном оборудовании (шкафы, коробки, кабельные ящики). Дополнительная защита должна отвечать следующим общим требованиям:

  • обеспечивать требуемые для защищаемого оборудования уровни ограничения помех;

  • вносить минимальные искажения при передаче рабочих сигналов;

  • выдерживать (с требуемым качеством функционирования в соответствии с нормативно-технической документацией) воздействие помех;

  • срабатывание защиты не должно приводить к повреждению оборудования, находящегося за пределами защищаемого оборудования;

  • обеспечивать надежность, безопасность и удобство пользования. Обеспечение требуемого снижения уровней помех достигается за счет ограничения амплитуд перенапряжений и избыточных токов с помощью специальных элементов защиты:

  • для защиты от высоковольтных импульсных помех используются разрядники, варисторы, ограничительные диоды и элементы микроэлектроники;

  • для защиты по току используются самовосстанавливающиеся элементы многократного действия (позисторы, или Polyswitch).

В зависимости от требуемого снижения уровней высоковольтных импульсных помех защита может содержать одну и более ступеней, в основе защитного действия которых лежит принцип отвода тока помехи на землю, что предъявляет повышенные требования к качеству заземления оборудования.

 

АНАЛИЗ УСТРОЙСТВ ЗАЩИТЫ И СПОСОБЫ ИХ ВКЛЮЧЕНИЯ

В настоящее время на телефонных сетях России находится в эксплуатации большое количество оборудования всевозможных систем коммутации разных годов выпуска, изготовленных как в России, так и за рубежом. На кроссах этих АТС установлен целый спектр оконечных кабельных устройств подключения от пирамидальных рамок под пайку на станционной стороне и громполос 25 х 2 на линейной до современных плинтов с врезными контактами.

Плинты с врезными контактами для подключения металлических жил кабелей в последнее время являются наиболее применяемыми и перспективными, поэтому в статье дается анализ устанавливаемых на них современных устройств защиты. Плинты по способу подключения устройств защиты имеют следующие разновидности:

  • с неразмыкаемыми контактами;

  • с нормально замкнутыми контактами;

  • с нормально разомкнутыми контактами.

Кроме того, плинты имеют емкость 8 или 10 пар и различаются формой врезного контакта и способом крепления на арматуру кросса.

Плинт с неразмыкаемыми контактами обладает возможностью только параллельного подключения к линии устройств защиты, с нормально замкнутыми или нормально разомкнутыми контактами как параллельного, так и последовательного включения элементов защиты в линию.

Выпускаемые различными фирмами (российскими и зарубежными) устройства защиты можно разделить на три вида исполнения:

Рис.1

Рис.2

Рис.3

Рис.4

3-х точечная защита

4-х точечная защита

(одна ступень защиты по току)

5-ти точечная защита

(одна ступень защиты по напряжению и одна - по току)

5-ти точечная защита

(две ступени защиты по напряжению, одна - по току)

 

а) 3-точечная защита, представляющая собой трехполюсный газонаполненный разрядник (рис. 1), содержит только одну (грубую) ступень защиты от импульсных высоковольтных перенапряжений (поз. 1) и может устанавливаться в плинты с контактами любого типа. Конструктивно 3-точечная защита выполняется в виде магазина с разрядниками на 8 или 10 пар или штекера на 1 пару;

б) 4-точечная защита, представляющая собой четырехполюсник на различной элементной базе (рис. 2), содержит одну ступень защиты по току (поз. 2) и может устанавливаться в плинты с нормально замкнутыми и нормально разомкнутыми контактами. Конструктивно 4-точечная защита выполняется в виде модуля (штекера) на 1 пару;

в) 5-точечная защита (комплексная), представляющая собой пятиполюсники с различными по сложности схемотехническими решениями на различной элементной базе (рис. 3 и 4), содержит ступень защиты от опасных токов (поз. 2) и одну (грубую) или две (грубую и тонкую) ступени защиты от перенапряжений (см. рис. 3, поз. 1 или рис. 4, поз. 1 и 3 соответственно). 5-точечная защита может устанавливаться в плинты с нормально замкнутыми и нормально разомкнутыми контактами и выполняется конструктивно в виде модуля (штекера) на 1 пару.

Выбирая тип защиты и способ ее включения, можно решить практически все проблемы по ограничению перенапряжений и/или опасных токов, что становится понятным при рассмотрении работы каждой ступени на примере абонентской линии (АЛ).

Первая ступень защиты (грубая) от высоковольтных импульсных перенапряжений, как уже упоминалось, выполняется на газонаполненном металлокерамическом разряднике и традиционно устанавливается на линейной стороне кросса.

Статическое напряжение пробоя разрядников Us должно превышать максимальное рабочее напряжение в АЛ, равное 230 В (по ОСТ 45.54-95) и может быть выбрано в соответствии с выпускаемыми типономиналами: Us = 230 - 250 В либо Us = 350 - 450 В.

Однако в первом случае (Us = 230 250 В) при длительном воздействии помех амплитудой, превышающей Us (например, напряжение сети 220 В на абонентских линиях), разрядник срабатывает (амплитудное значение напряжения сети в этом случае составляет Uампл = 220 √2 = 310 В) и, так как через него течет большой ток, нагревается. Возникает вероятность токовой перегрузки проводов и повреждения изоляции кабелей линейного ввода и кроссового оборудования. Защита разрядника от перегрева достигается установкой на нем термозамыкателя (fail-safe), который закорачивает разрядник при его разогреве (рис. 5, а, б, поз. 2), но при этом возрастает опасность повреждения изоляции линейного кабеля.
 

Рис. 5. Схемы защиты от высоковольтных импульсных напряжений с использованием разрядника

   
1 - разрядник; 2 - термозамыкатель (fail-safe); 3 - размыкающая защита линии (дополнительный предохранитель)

 

Для обеспечения защиты линии от перегрузки по току при закорачивании разрядника в линии (или модуле защиты) может устанавливаться дополнительный предохранитель (см. рис. 5, б, поз. 3). При использовании разрядника Us = 230 250 В для восстановления работоспособности линии после устранения аварийного попадания 220 В требуется замена модуля защиты. Разрядники с Us = 230 - 250 В могут устанавливаться только на линиях, вероятность аварийного попадания в которые напряжения 220 В мала (соединительные линии, линии, не заходящие в квартирный сектор, не имеющие пересечений с линиями сети электропитания и т. п.).

Во втором случае (Us = 350 - 450 В) напряжение пробоя разрядников выше амплитудного напряжения сети 220 В и разрядник не будет срабатывать от напряжения сети и нагреваться. При этом не требуется установка на разряднике термозамыкателя (см. рис. 5, в) и практически устраняются причины возможной токовой перегрузки проводов линии и пожароопасности в кроссе.

При аварийном попадании в АЛ напряжения сети 220 В как при использовании разрядников Us = 230 250 В с термозамыкателями, так и разрядников Us = 350 450 В без термозамыкателей провода линии будут находиться под опасным неконтролируемым напряжением до момента устранения контакта АЛ с сетью 220 В.

При проведении работ на кроссе в этом случае персонал должен соблюдать повышенные меры безопасности.

Элемент токовой защиты от длительно воздействующих опасных токов выполняется на основе позистора (или Роlyswitch) и в зависимости от типа обеспечивает рабочие токи в пределах от 60 до 500 мА. Защита по току может устанавливаться самостоятельно (модуль защиты по току на 1 пару) и в паре с элементом защиты по напряжению. При необходимости дополнительной защиты оборудования АТС от опасных токов модуль защиты по току на одну пару (см. рис. 2), как правило, устанавливается на станционной стороне кросса и не мешает эксплуатационным измерениям. Однако при возникновении в линии (воздушной или смешанной в сельской или пригородной зоне) больших перенапряжений (грозовой разряд) высока вероятность разрушения элемента токовой защиты, что потребует замены модуля. Во избежание разрушения элементов токовой защиты возможна дополнительная установка разрядников с Us = 350 450 В на линейную сторону кросса, но при этом эксплуатационные измерения проводить крайне затруднительно (заняты обе стороны кросса).