Ochrana ICT před škodlivým působením blesku

Abstrakt

Článek je zaměřen na popis ucelené ochrany informačních a komunikačních technologií (dále jen ICT) před negativním působením blesku. První část článku popisuje vnitřní a vnější systém ochrany LPS. Ve druhé části je analyzován systém ochrany před přepětím. Závěrečná část se zaměřuje na ochranu před elektromagnetickými poli.

ABSTRACT

The article is focused to description of comprehensive protection of information and communication technologies (ICT) against the negative effects of lightning. The first part of the article describes internal and external lightning protection system LPS. In the second part, there is analyzed the surge protection system. The final section focuses on protection against electromagnetic fields.

1 úvod

Blesk je přírodní fenomén, jehož působení může mít závažný dopad na vybavení budovy, její obyvatele a samotnou konstrukci budovy. Účelem tohoto článku je analýza současného stavu ochrany před negativním působením blesku. Blesk jako takový má řadu negativních projevů, jako jsou jeho: tepelné účinky, destruktivní mechanické projevy, jiskření, elektrodynamické účinky a elektromagnetické působení. Tyto negativní projevy blesku mohou závažně ohrozit citlivé elektronické zařízení, mezi které jsou zahrnuty i prvky ICT.

Elektronizace bezmála všech oblastí lidské činnosti zapříčinila zvýšení jejich efektivity. Získaná pozitiva však vyvažují možné hrozby, které snovou technologií přicházejí. Náchylnost citlivých elektronických systémů vůči negativním projevům blesků je vdnešní době poměrně vysoká. Zvláště pak ohroženou skupinou je oblast kritické infrastruktury. Vtomtopřípadě by výpadek poskytovaných služeb měl závažný dopad na obyvatelstvo, popřípadě stát samotný.

Zkoumaná problematika je vČeské republice upravena prostřednictvím skupiny norem ČSN EN 62305. Vrámci těchto norem je rozdělen systém ochrany před bleskem (dále jen LPS) do čtyř skupin. Ty se od sebe odlišují mírou poskytované ochrany, přičemž největší ochranu vůči bleskům poskytuje skupina I a nejmenší skupina IV. Ty se dále dělí na vnější a vnitřní LPS. Zdůvodu zaměření tohoto článku na oblast ochrany ICT je vhodné využívat vždy nejpřísnější skupinu ochrany před bleskem. Vtomto smyslu je vhodné využít všech ochranných opatření popsaných v článku.

2 Vnitřní systém ochrany

Jedná se o důležitou oblast ochrany před bleskem, která je soustředěna na vnitřní prostor chráněného objektu. Předpokládá se, že v důsledku bleskového proudu mohou vznikat nebezpečná jiskření mezi vnější LPS a prvky jako:

• kovové instalace,
•  vnitřní systémy,
•  vnější vodivé části a vedení připojené ke stavbě.[1]

Pro eliminaci hrozby nebezpečného jiskření se využívá ekvipotencionálního pospojování nebo využití elektrické izolace.

2.1 Ekvipotencionální pospojování

Vdůsledku bleskového proudu procházejícího chráněným objektem vznikají různé napěťové hladiny. Snažíme se o vyrovnání potenciálů a snížení magnetického pole prostřednictvím pospojování vodivých částí se zemí. Toho lze dosáhnout propojením LPS s:

• kovovými částmi stavby,
•  kovovými instalacemi,
•  vnitřními systémy,
• vnějšími vodivými částmi a vedeními připojenými ke stavbě.[1]

Vdůsledku toho je zřejmé, že bleskový proud může protékat vnitřními systémy chráněného objektu. Tudíž systémy a vodiče využívající energie nebo signálů musí být opatřeny ochranou proti přepětí, kterou zajišťuje přepěťové ochranné zařízení (dále jen SPD). Vobrázku 1 je znázorněno možné ekvipotencionální pospojování.

Obrázek 1 – příklad ekvipotencionálního pospojování[1]

Vrámci ekvipotencionálního pospojování uvnitř budovy je nutné pospojovat i elektronická zařízení. Toto pospojování je znázorněno vobrázku 2.

Obrázek 2 – ekvipotencionální zapojení do hvězdy a začlenění do mříže[10]

2.2 Elektrická izolace

Jedná se o minimální vzdálenost mezi vnější ochranou LPS a kovovými částmi a systémy nacházejícími se uvnitř chráněné budovy. Ta zamezuje vytvoření elektrického oblouku. Výpočet vzdálenosti se řídí pomocí vztahu 1.

[m] (1)

Kde:

ki - je koeficient závislý na zvolené třídě,

kc - koeficient závislý na bleskovém proudu tekoucím svody,

km - koeficient závislý na materiálu elektrické izolace,

l - délka v metrech podél jímací soustavy nebo svodu od bodu, kde je zjišťována dostatečná vzdálenost k nejbližšímu bodu ekvipotenciálního pospojování.[1]

3 Vnější systém ochrany

Vnější ochrana před blesky (LPS) je umístěna vně chráněného objektu. Jejím hlavním účelem je zachycení bleskového proudu, který je následně sveden do země. Vnější LPS je nutné umístit takovým způsobem, aby nebyl chráněný objekt ohrožen tepelnými a elektromagnetickými projevy blesků. Takto definovaný systém se běžně nazývá hromosvod, který se skládá zjímací soustavy, soustavy svodů a uzemňovací soustavy. Nejčastěji se provádí hromosvod vpasivním provedení, které vytváří vodivou cestu pro odvedení bleskového proudu do uzemňovací soustavy. Zfyzikálního hlediska funguje pasivní hromosvod jako Faradayova klec.

Naproti tomu aktivní hromosvod emituje sérii pulzů, které ionizují okolí hrotu jímače. Tento proces způsobí vytvoření vstřícného náboje, který je spojen s vůdčím výbojem, následovaný průběhem samotného blesku. Mezi hlavní výhody aktivního hromosvodu patří řízený průběh blesku a pokrytí většího povrchu budovy vporovnání stradičním pasivním hromosvodem.

Mezi tradiční aktivní hromosvody je zahrnut hromosvod selektronickým spouštěním. Ten je tvořen kovovou tyčí, ve které je umístěna elektronika, jež napomáhá kionizaci vzduchu. Ta probíhá pomocí generovaných bleskových jisker. Ty jsou generovány pomocí vysokonapěťového generátoru, který je napájený zbaterie a elektrostatického pole vokolí hromosvodu. Toto pole zajišťuje předběžnou aktivaci aktivního hromosvodu.[6] Na obrázku 3 je znázorněno schéma aktivního hromosvodu selektrickým spouštěním.

Obrázek 3 – aktivní hromosvod selektrickým spouštěním[6]

3.1 Jímací soustava

Jedná se o část hromosvodu, jež obvykle bývá umísťována na střechách chráněných objektů. Často je tvořena různými vodivými tyčemi, které jsou jako první zasaženy bleskem. Jejich hlavním účele je poskytování ochranného prostoru před bleskem.

Podle normy ČSN EN 62305-3 se pro výpočet prostoru chráněného pomocí jímací soustavy využívá tří základních metod:

• metoda ochranného úhlu,
•  metoda valící se koule,
•  metoda mřížové soustavy.[1]

Vobrázku 4 jsou znázorněny jednotlivé metody pro určení chráněného prostoru před blesky vzávislosti na třídě LPS.

Obrázek 4 – jednotlivé metody pro výpočet chráněného prostoru[2]

Jednotlivé metody lze používat odděleně nebo kombinovaně. Nejpoužívanější a nejpřesnější je metoda valící koule. Ta se hodí pro všechny typy budov. Metoda ochranného úhlu je využitelná především pro budovy, jejichž tvar není příliš složitý. Poslední metoda mřížové soustavy je využitelná vpřípadě rovinných profilů budov. Všechny metody mají docílit stavu, kdy každé elektronické zařízení umístěné na střeše budovy i samotná budova budou chráněny před úderem blesku.

3.2 Soustava svodů

Jedná se o soustavu, jež zajištuje přesun bleskového náboje od jímací soustavy do uzemňovací soustavy. Svody je nutné umisťovat tak aby:

• bylo více paralelních drah bleskového proudu,
•  délka dráhy bleskového proudu byla co možná nejkratší,
•  bylo provedeno ekvipotenciální pospojování mezi vodivými částmi budovy.[1]

3.3 Uzemňovací soustava

Důležitá součást vnější ochrany před bleskem je uzemnění. Tato část je odpovědná za svedení bleskových proudů do země a tím bylo minimalizováno nebezpečné přepětí. Uzemňovací soustavy jsou závislé na tvaru zemniče. Podstatné je také umístit zemnič do takové hloubky, ve které půda nezamrzne. Jako zemniče mohou dobře posloužit různé kovové materiály, které jsou vhodně umístěny vzemi. Obrázek 5 názorně ukazuje některé příklady zemničů.

Obrázek 5 – příklady možných zemničů[2]

4 Ochrana před přepětím

Přepětí lze definovat jako napětí, které velikostí své amplitudy převyšuje nejvyšší provozní napětí. Přepětí vzniká vdůsledku zavlečení nebezpečných proudů do vodičů vchráněném objektu. Vzniklé přepětí vnechráněné síti má většinou za následek fatální dopady na elektronické zařízení uvnitř objektu. Vpřípadě přepětí způsobeného bleskovým výbojem je možné jej charakterizovat jako krátkodobé.

Ochrana před přepětím je prováděna pomocí přepěťových ochran SPD. Ty se dělí do tří základních kategorií. Pro účelnou ochranu elektronických systémů uvnitř budovy se využívá kombinace všech tří SPD. Každé SPD sníží přepětí na předem stanovenou hodnotu, což vede kpostupné eliminaci přepětí. SPD jsou umisťovány tak aby byly přesně na pomezí mezi jednotlivými zónami ochrany před bleskem (dále jen LPZ). Kombinace jednotlivých tříd SPD je názorně zobrazena vobrázku 6.

Obrázek 6 – ukázka zapojení jednotlivých SPD[2]

Jako SPD se nejčastěji využívají přepěťové ochrany na bázi jiskřiště, varistoru a supresorové diody. Každý ztěchto prvků zajišťuje odlišnou ochranu před přepětím. Podle toho disponují rozdílnými parametry.

4.1 SPD typu 1

Typ 1, také nazýván jako hrubá ochrana, je umísťován na pomezí LPZ 0 a LPZ 1. Vpřípadě chráněného objektu je tato přepěťová ochrana umísťována na sítě a vodiče voblasti vstupu do chráněného objektu. Ztoho vyplývá, že SPD typu 1 se obvykle umisťuje do hlavního rozvaděče.

Tato přepěťová ochrana je ve formě svodu na bázi jiskřiště. Stará se o svedení bleskových proudů do uzemňovací soustavy a filtruje velkou část přepětí prostřednictvím srovnávání potenciálů. Vobrázku 7 je znázorněna zjednodušená konstrukce jiskřiště. Zobrázku je patrné, že jiskřiště je sestaveno ze dvou elektrod, mezi nimiž je mezera vyplněná plynem. Při normálním provozu se jiskřiště chová jako rozpojené. To je zapříčiněno velkou impedancí mezi svorkami. Pří dosáhnutí zapalovacího napětí na svorkách jiskřiště dochází kionizaci plynu. Vjeho důsledku se sníží impedance a vytvoří se obloukový výboj. Vdůsledku něho dojde kvyrovnání potenciálů a svedení výboje do země.

Obrázek 7 – ukázka schématického znázornění jiskřiště[3]

Dalším prvkem přepěťové ochrany využívající jiskřiště je bleskojistka. Vpodstatě se jedná o sériové zapojení jiskřiště svaristorem. Tento nelineární prvek zajišťuje eliminaci vzniklého elektrického oblouku. Využito je proměnlivosti odporu varistoru vzávislosti na napětí. Při přepětí je velké napětí na varistoru, tudíž jeho odpor je poměrně malý a náboj je sveden do země. Po chvíli přepětí klesá a zároveň se zvyšuje odpor na varistoru, což má za následek snižování proudu vobvodu a přerušení elektrického oblouku.

Vobrázku 8 je znázorněna voltampérová (V-A) charakteristika bleskojistky. Kde: Uzap – zapalovací napětí, Un – jmenovité napětí, Inásl – následný proud, Im – zkratový proud a Uzmax – přepětí.

Obrázek 8 – V-A charakteristika bleskojistky[4]

4.2 SPD typu 2

Zařízení, která jsou často nazývána jako střední ochrana proti přepětí. SPD typu 2 se umisťují na rozmezí ochranných zón LPZ 1 a LPZ 2. Jejich základní součást, která poskytuje ochranu před přepětím, je varistor. Tento nelineární prvek je charakteristický svým proměnlivým odporem, který se mění vzávislosti na napětí. Tuto závislost vyjadřuje vztah 2 pro V-A charakteristiku, podle kterého je K -koeficient varistoru závisící na jeho geometrii, α – exponent, který se odvíjí především od použitého materiálu, ze kterého je varistor sestaven.

[A] (2)

Částečné grafické znázornění vztahu 2 je zobrazeno vobrázku 9.

Obrázek 9 – částečný průběh V-A charakteristiky varistoru[7]

Z obrázku 9 je patrné, že přivedeme-li na varistor prahové napětí Un, pak začne varistor rychle snižovat svůj odpor, což vede krychlému nárůstu proudu. Ze stejného obrázku lze také vypozorovat degradaci V-A charakteristiky znázorněnou jako přerušovaná čára, která je způsobená stárnutím varistoru.

I když lze konstatovat, že jiskřiště a varistor fungují na odlišných fyzikálních principech, tak zelektrického hlediska se chovají podobně. Existují zde však určité rozdíly. Jiskřiště zkratuje nebezpečné přepětí na vstupu chráněného zařízení, zatímco varistor jej omezí na určitou úroveň. Tento rozdíl je znázorněn na obrázku 10.

Obrázek 10 – porovnání průběhu přepětí na varistoru a jiskřišti[6]

4.3 SPD typu 3

Pro zabezpečení úplné ochrany proti přepětí se využívá třetího typu SPD. Tato přepěťová ochrana se využívá kochraně velmi citlivých elektronických zařízení, přičemž se připojuje na vstupní obvody těchto zařízení. SPD vtéto třídě je většinou reprezentován supresorovými diodami zapojenými proti sobě. To jsou v podstatě Zenerovy diody, které disponují rychlou odezvou na příchozí přepěťový impuls a schopností absorbovat velké energie signálu a vyšší proudovou zatížitelností vzávěrné Zenerově oblasti. Hlavní výhodou supresorových diod je velmi rychlá reakce na přepětí, což jim umožnuje ochranu zařízení před velmi rychlými přepěťovými impulsy[5] Strmost V-A charakteristiky supresorové diody je velmi velká (viz. Obrázek 11) a podobá ze V-A charakteristice varistoru.

Obrázek 11 – průběh V-A charakteristiky supresorové diody[8]

Supresorová dioda se chová stejně jak vpropustném směru, tak vnepropustném směru. Za normálních provozních podmínek je supresorová dioda vnevodivém stavu. Po překročení průrazného napětí UBR začíná být vodivou. Za normálního provozu dioda pracuje při napětí menším, než je napětí jmenovité UR.

Možný způsob zapojení znázorňuje obrázek 12. Zde je supresorová dioda spojena se zemí. Toto zapojení způsobuje při přepětí svedení nebezpečného proudu na zem.

Obrázek 12 – zapojení obvodu využívající supresorovou diodu[9]

4.4 Kombinace jednotlivých typů SPD

Žádné jedno SPD určitého typu neposkytuje, úplnou ochranu před účinky bleskového proudu. Pro zajištění úplné ochrany prvků ICT před přepětím se doporučuje zapojit všechny tři typy SPD na společné vedení. Ukázku takového zapojení poskytuje obrázek 13, kdy tento obvod je vystaven přepětí.

Obrázek 13 – kombinace tří stupňů přepěťové ochrany[5]

Jako první prvek přepěťové ochrany byla zvolena bleskojistka. Ta redukuje amplitudu přepětí na 600 V. Varistor dále snižuje přepěti na 200 V, které nakonec Zenerova dioda snižuje na úroveň 40 V. Aby přepěťová vlna nebyla první redukována varistorem nebo Zenerovou diodou, tak se mezi jednotlivé SPD umísťují RC nebo RL zpožďovací články. [5]

5 Ochrana před LEMP

LEMP neboli lightning electromagnetic impulse je škodlivý fenomén, který vzniká vdůsledku průběhu úderu blesku, prostřednictvím elektromagnetické interference. LEMP se projevuje devastujícím dopadem na elektrické a elektronické systémy. Vdůsledku elektronizace vpodstatě všech činností, jimiž se člověk zabývá, vyvstala otázka, jak elektronické systémy uchránit. Ztohoto důvodu byly podle normy ČSN EN 62305 – 4 vytvořeny vnější a vnitřní ochranné zóny LPZ.

Možné rozdělení LPZ zón znázorňuje schématický obrázek 14. Vněm je objekt rozdělen do tří LPZ. Na rozhraní jednotlivých zón je účelné umisťovat přepěťové ochrany SPD na inženýrské sítě a další vodivé cesty.

Obrázek 14 – rozdělení LPZ zón[10]

Vnější zóna LPZ 0 představuje vnější prostor okolo chráněného objektu. Elektronické přístroje nacházející se vtéto zóně jsou namáhány plným nebo dílčím impulzním proudem a netlumeným elektromagnetickým polem[10]. Vnější zóna LPZ je rozdělena na zóny:

• LPZ 0A – jedná se o zónu, která není chráněná vnějším LPS, a tudíž může dojít kpřímému úderu blesku vtéto zóně. Elektronická zařízení umístěná vtéto zóně jsou vystavena účinkům neztlumeného elektromagnetického pole způsobeného bleskem. Projevy blesku mohou způsobit namáhání elektronických a elektrických systémů uvnitř stavby prostřednictvím plných impulzních bleskových proudů.[10]
• LPZ 0B – oproti zóně LPZ 0A je tato zóna chráněna před přímým úderem blesku prostřednictvím vnějšího LPS. Před elektromagnetickým polem však není nijak chráněna. Projevy blesku mohou způsobit namáhání elektronických a elektrických systémů uvnitř stavby prostřednictvím dílčích impulzních bleskových proudů.[10]

Vnitřní zóny LPZ 1…n představují vnitřní prostor chráněného objektu. Jsou to prostory, které je účelné chránit před LEMP zdůvodu přítomnosti citlivých elektronických a elektrických systémů. Vnitřní zóny LPZ se značí od čísla 1 až do čísla reprezentující množství zón, které je nutné pro zajištění ochrany elektronických a elektrických systémů. Každá zóna je vnořena do své přecházející zóny, přičemž zóna LPZ 1 je svrchní zónou a poslední zóna LPZ n je poslední nejvíce vnořená zóna. Také lze konstatovat, že čím více je zóna vnořena, tím více je vní elektronické zařízení ochráněno před elektromagnetickým polem a impulzními proudy.

Každá zóna připouští přítomnost úrovně elektromagnetického pole o určité hodnotě. Ta je určena podle hodnoty elektromagnetické odolnosti elektronického zařízení, které je přítomné vdotyčné zóně. Nákres vnitřních LPZ sestavených kochraně elektronického zařízení je znázorněn vobrázku 15.

Obrázek 15 – využití LPZ se stíněním a SPD pro ochranu elektronického zařízení[10]

Elektronický přístroj je díky SPD dobře chráněný před případným přepětím, jelikož U0 > U1 > U2. Podobně je tomu sochranou před elektromagnetickými poli. Díky aplikaci prostorového stínění mezi jednotlivými LPZ je elektromagnetické pole redukované na přípustnou míru jelikož H0 > H1 > H2.

Pro snížení úrovně elektromagnetického pole mezi LPZ je využíváno prostorového stínění. To může být souvislé nebo mřížové. Pro prostorové stínění lze využít konstrukční prvky chráněného objektu, jako jsou například kovové části střech, fasád, či samotné armování budovy. Všechny využité části budovy proti LEMP je nutno pospojovat do celistvé prostorové ochrany. Příklad prostorové ochrany je znázorněn vobrázku 16.

Obrázek 16 – prostorová ochrana před LEMP[10]

V podstatě jde o to vybudovat Faradayovu klec kolem chráněného prostoru, která funguje na principu, že elektrický náboj je soustředěn na povrchu vodiče nikoliv uvnitř vodiče, kde nejsou žádné náboje, tudíž je zde nulová intenzita elektrického pole. Faradayova klec napomáhá kredukci elektromagnetických polí uvnitř chráněného prostoru.

Prostorové stínění není však vždy účelné. Pro ochranu jednotlivých elektronických zařízení je využito lokální ochrany samotného přístroje. Tento případ znázorňuje obrázek 17.

Obrázek 17 – lokální ochrana elektronického přístroje[10]

V obrázku 17 je znázorněna situace, ve které LPZ 1 není chráněna prostorovým stíněním. To znamená, že magnetická pole vLPZ 1 a LPZ 0 jsou na stejné úrovni. Vzhledem kpřítomnosti citlivého elektronického zařízení LPZ 1 bylo využito lokálního stínění, které se vtomto případě skládá ze stínění kabeláže a samotného přístroje.

Závěr

Srozvojem trendu elektronizace veškeré lidské činnosti vyvstala velká otázka. Jestliže budeme zpravovat více kompetencí prostřednictvím ICT, jak poté tyto systémy ochráníme. Můžeme konstatovat, že většina ICT jsou velmi zranitelné přepětím a elektromagnetickými poli. Všemi těmito negativními projevy disponuje často velice náhodný bleskový výboj. Ten může, vpřípadě kritické infrastruktury, znamenat potencionální ohrožení obyvatelstva. Ochranu před negativními projevy blesku však upravuje sada norem ČSN EN 62305–1 až 4. Vnich je definovaná řada opatření, která mají minimalizovat všechny negativní účinky blesku. Tato opatření je vhodné využít všechna ve vzájemné kombinaci, jak naznačuje obrázek 18.

Obrázek 18 – ukázka plně zabezpečeného objektu před blesky[2]

Vobrázku 18 je znázorněn modelový příklad zabezpečení objektu, ve kterém jsou přítomna citlivá elektronická zařízení. Je zde využito celé řady ochranných zařízení, jako vnitřní a vnější LPS a SPD. Celý objekt je rozdělen do tří vnitřních LPZ, podle nutnosti eliminace magnetického pole. Vtomto případě jsou elektronická zařízení vobjektu reprezentována prostřednictvím počítačové stanice, u které je využito lokální LPZ druhého stupně a vysoce náchylné datové úložiště umístěno vlokální LPZ třetího stupně.

Reference

[1] ČSN EN 62305-3.Ochrana před bleskem: Část 3: Hmotné škody na stavbách a nebezpečí života. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2006.
[2] Ochrana před bleskem. Ostrava, 2007. Dostupné z:http://fei1.vsb.cz/kat420/vyuka/Bakalarske/prednasky/pred_ZEP/Ochrana%20pred%20bleskem-CSN.pdf. Technická univerzita Ostrava.
[3] BURANT, Jiří.Blesk a přepětí: systémová řešení ochran. Praha: FCC Public, 2006, 252 s. ISBN 80-865-3410-3.
[4] KOSTKA, Tomáš a Ondřej TOPOLÁNEK.Elektrotechnika II: elektrické přístroje. HAVÍŘOV, 2003. střední odborné učiliště technické.
[5] Encyklopedie elektromagnetické kompatibility[online]. [cit. 2014-12-30]. Dostupné z:http://www.radio.feec.vutbr.cz/emc/index.php?src=home
[6] KOBRLE, Pavel.Elektrické přístroje. Ústí nad Labem, 2014. Střední průmyslová škola.
[7] Měření přepěťových ochran (SPD).Elektroprumysl[online]. 2014 [cit. 2014-12-30]. Dostupné z:http://www.elektroprumysl.cz/merici-technika/mereni-prepetovych-ochran-spd-1-dil
[8] DOLNÍK, Bystrík.ODOZVA POLOVODIČOVÝCH PRVKOV NA RÔZNE TYPY VNÚTENÝCH NAPÄTÍ. Dostupné z:http://people.tuke.sk/dusan.medved/OPS/vnu_CT.pdf. Technická Univerzita v Košiciach.
[9] What is a Silicon Transient Voltage Suppressor and how does it work?[online]. 2007 [cit. 2014-12-31]. Dostupné z:http://www.vishay.com/docs/88436/appnote.pdf
[10] ČSN EN 62305-4.Ochrana před bleskem: Část 4: Elektrické a elektronické systémy ve stavbách. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2006.