Как защитить домашнюю сеть во время грозы
Грозозащита сети
Строителям локальных и домашних сетей безусловно знакомо ощущение, когда запущенная после долгих трудов сеть работает... день-два, а потом - приходится лезть на чердак и менять сгоревший хаб. Грозы - вообще бич сетей. В большой сети ни одна гроза не проходит без потерь.
Намаявшись со сгоревшими хабами, человек, само собой, приходит к вопросу: неужели ничего нельзя сделать? Конечно же можно - и нужно! Необходимо, во первых, правильно спланировать и выполнить кабельную разводку, а во-вторых - использовать устройства грозозащиты (известные также как нетпротекторы).
Такие устройства можно купить. Из имеющихся на рынке можно отметить два класса: "брендовые" и "самопальные". Класс брендовых в основном представлен изделиями фирмы APC - это различные модели под общим названием ProtectNet. Эти устройства отличает довольно высокая цена - и довольно низкая надежность (почему - см. ниже). Что касается самопальных устройств, выпускаемых несколькими ООО и ПБОЮЛ, то все они примерно одинаковы. Их собственная надежность выше, чем у устройств APC, но защитные свойства примерно те же.
Такие устройства можно также изготовить самому. Как - читайте в этой статье.
Прежде - немного рассуждений. Каков диагноз при сгорании хаба? Электрический пробой. Каким образом "лишнее" электричество могло попасть в хаб? Через разъемы BNC, UTP и питания. Механизм образования этого электричества? Накопление статических зарядов на воздушной линии, наведенная ЭДС от высоковольтных линий, наведенная ЭДС от грозового разряда. Способ защиты? Отвод лишнего электричества в землю.
Сразу замечу, что никакое из рассматриваемых в данной статье устройств не способно защитить от прямого удара молнии. Однако, мне пока неизвестны случаи прямых ударов молний в провода локальных сетей.
Изготовить защиту для линии на витой паре можно по следующей схеме:
Рис. 1.
К расположенному слева разъему подключается линия, к расположенному справа - хаб. Разрядники - газовые, на напряжение 300В (я использовал CSG-G301N22). Расстояние от устройства до хаба - минимально возможное.
Принцип работы понятен из схемы. Многофазный диодный мост с защитным диодом в диагонали выполняет функции "выравнивателя" потенциалов, ограничивая максимальную разницу потенциалов любых двух проводов на уровне порядка 10 В. Потенциал, превышающий 300 В относительно земли, гасится разрядником.
Практически все имеющиеся сейчас на рынке устройства выполнены по аналогичной схеме, но есть и важные отличия. Фирма APC использует вместо газовых разрядников так называемые полупроводниковые псевдоискровые разрядники. Эти элементы крайне дешевы, однако их надежность не выдерживает никакой критики. Защитить от статики они способны, но от наведенного электричества при близком ударе молнии сразу выгорают. В грозозащитах, встроенных в ИБП производства APC, использовано другое решение - воздушный искровой промежуток. Такая схема, наоборот, срабатывает только при очень большом наведенном напряжении - когда спасать как правило уже нечего.
Умельцы в различных ООО подметили эту особенность и решили проблему по-своему: практически во всех устройствах российского производства разрядники просто отсутствуют. Вместо них используется "жесткое" (с различными вариациями) соединение с землей. Преимущества такого решения очевидны, недостатки - увы, тоже. При достаточно большой разнице потенциалов между точками заземления с разных концов линии через кабели и устройства начинает течь уравнивающий ток, который может достигать огромных величин и выжигать все на своем пути.
Параметры схемы на рис.1. можно улучшить:
Рис.2.
Здесь каждый провод соединен с землей отдельным разрядником, чем достигается гораздо большее быстродействие защиты (разрядник срабатывает на 3 порядка быстрее чем диод 1N4007 и на порядок быстрее защитного диода). Недостаток этой схемы - большое количество относительно дорогостоящих (2-3 USD) разрядников. Схему можно (но нежелательно) упростить, используя только по одному разряднику на каждой паре (например, только с контактов 1 и 3). В любом случае, необходимо использовать специализированные разрядники. Использование вместо разрядников неоновых лампочек или стартеров от ламп дневного света (как рекомендуют некоторые) возможно, но следует учитывать что они обладают гораздо меньшим быстродействием, большим сопротивлением при пробое и меньшей допустимой энергией пробоя.
Важный момент, о котором забывают практически все производители нетпротектов: защита хаба по питанию. Для обычного хаба, питающегося постоянным напряжением величиной 7.5 В, защиту можно выполнить по следующей схеме:
Рис.3.
Как и в случае с защитой линии на витой паре, это устройство следует располагать как можно ближе к хабу.
Для хабов, имеющих встроенный сетевой блок питания, дополнительная защита не требуется. Единственное условие - наличие надежного защитного заземления, подключенного к среднему контакту сетевой вилки.
Если при протяжке воздушной линии используется проводящая траверса (обычно - полевик), ее необходимо заземлить. Внимание - заземлять траверсу надо только с одного конца (тут мне приходится спорить с авторами других известных в Интернете статей на эту тему).
К сожалению, даже в новостройках при проведении электрической сети далеко не все и не всегда руководствуются требованиями Правил Устройства Электроустановок. Прямо скажем, никто. Я видел дом (современная кирпичная 9-ти этажка, введенная в эксплуатацию, кстати, уже после появления 7-го издания ПУЭ), в котором каждый подъезд запитывается алюминиевым проводом сечением 2.5 кв.мм.!!! Соответственно, если "заземлить" траверсу в таком доме и в доме с нормальным заземлением, через вашу траверсу будет питаться весь дом! :)
Аналогично можно выполнить и защиту линии на основе коаксиального кабеля. Наиболее оптимальное решение: выравнивающий мост подключается к оплетке и средней жиле. В такой схеме понадобится 2 разрядника - с оплетки и жилы на землю. Заземлять оплетку коаксиального кабеля при создании воздушной линии между зданиями я не рекомендую.
В заключение - несколько слов касательно эффективности и необходимости описанных устройств. В ходе тестовой проверки устройства включались в воздушную линию на UTP длиной порядка 60 м. При подключении линии (второй конец - свободный!) наблюдается яркое свечение в разрядниках. После окончательного монтажа линии разрядники "подмигивают" примерно с интервалом в 20-50 секунд, т.е. не самая длинная линия в спокойную погоду набирает 300 В статического потенциала менее чем за минуту!
Питание хабов
Не секрет, что в местах установки хабов далеко не всегда имеется розетка сети 220В. Поэтому приходится либо, скрепя сердце, издеваться над топологией сети ради размещения хабов в более подходящих местах, либо думать о подведении питания издалека.
Столкнувшись с такой проблемой, "ух-мастера" иногда решают ее просто - подводят 220В, используя свободные пары в кабеле (UTP), или используя коаксиал RG-58. Разумеется, такое "решение" никак нельзя считать приемлемым, так как ни о какой электро- и пожаробезопасности в данном случае не может быть и речи. Даже если пожар случится совсем по другой причине, автор подобной проводки гарантированно будет первым кандидатом в виновные.
Более грамотным выглядит проведение сети 220В, используя соответствующий кабель (медный многожильный, в двойной изоляции, не менее 0.75 кв.мм.). При качественном монтаже это вполне можно считать нормальным вариантом; однако, при размещении хаба в неудачной с пожарной точки зрения зоне - например, на чердаке дома с деревянными стропилами - придется уделить внимание размещению и изоляции розетки. Вдобавок, местные электрики очень косо смотрят на любые "чужеродные" линии 220В.
В некоторых случаях (например, хаб или свитч со встроенным блоком питания) проведения сети 220В не избежать. Однако в большинстве вариантов устанавливаются хабы с внешним блоком питания, выходное напряжение которого как правило равно 7.5В. К такому хабу можно подвести питание "по низкому" напряжению. Рассмотрим возможные варианты:
Типовому хабу требуется 7.5В постоянного тока. Рабочий ток хаба как правило несколько меньше 1А. Напряжение 7.5В абсолютно безопасно с точки зрения пробоя изоляции проводов, однако подвести его "издалека" так просто не удастся. Дело в том, что дешевые хабы очень критичны к величине и особенно чистоте питания, а на больших пролетах неизбежно падение напряжения, как и появление наводок.
Решение состоит в установке стабилизатора на величину 7.5-8В непосредственно около хаба, при этом линейное напряжение питания можно увеличить.
Рис.2.1.
Напряжение источника выбрано равным 13.2В (12-14В) исходя из его широкой распространенности (напряжение в бортовой сети автомобиля). Ассортимент имеющихся в продаже блоков питания на это напряжение очень широк. Разумеется, от одного блока питания можно питать несколько хабов, протянув к ним линии и оборудовав каждый из них своим стабилизатором по схеме на рис.2.1. При этом рабочий ток блока питания следует рассчитывать, исходя из 2А на каждый хаб. При количестве хабов более 10 можно считать по 1.5А/хаб. ИМС стабилизатора следует оборудовать радиатором.
Логическим продолжением данной схемы является схема на рис. 2.2.
Рис.2.2.
Здесь стабилизатор дополнен выпрямителем, что позволяет использовать переменное напряжение и сэкономить на стоимости блока питания, заменив его трансформатором. Рабочий ток трансформатора также следует рассчитывать, исходя из 1.5 - 2А на хаб (мы исходим из предположения, что используется хабы с номинальным током 1А). В качестве трансформатора удачно подходят приборы серии ТН (накальные) с соединенными последовательно (или последовательно-параллельно) обмотками, для получения напряжения 12.6В.
Обе рассмотренные схемы содержат элементы защиты от импульсных помех по питанию, от статики, от перенапряжения и переполюсовки.
В качестве питающей линии можно использовать незадействованные пары в UTP. Проводники в них следует соединить попарно параллельно (синий+белосиний, коричневый+белокоричневый). Через UTP категории 5, соединенной таким образом, можно запитать до 3-х хабов. Такое подключение без проблем пройдет при скорости в линии 10Мб/с; на 100Мб/с "распарка" кабеля нежелательна, хотя как правило при аккуратном монтаже все работает без проблем.
Типовая топология в данном случае может выглядеть так: входящая в дом линия подключается к свитчу, расположенному недалеко от розетки 220В. От этой же розетки питается трансформатор. От свитча (и трансформатора) отходят линии UTP к подъездным (этажным) хабам, при этом на каждый хаб нужна только одна нитка UTP.
Также появляется возможность создания длинного "пролета", состоящего из хабов или свитчей, с подключением к питанию только в одном месте.
При использовании в качестве базового варианта по рис.2.2. (с переменным током в линии) удаленно можно подключать и хабы со встроенным блоком питания. Такой хаб подключается с помощью еще одного трансформатора (например, серии ТН), включенного на "повышение".
