Ochrona przed przepięciami lokalnych sieci komputerowych

Wstęp Lokalne sieci komputerowe są powszechnie obecne w naszym życiu. Już nie tylko przedsiębiorstwa przemysłowe, obiekty użyteczności publicznej, ale również osiedla, bloki mieszkalne czy pojedyncze mieszkania oplatają kable łączące ze sobą poszczególne komputery   Sieci komputerowe współpracują z innymi urządzeniami, takimi jak faksy, centralki telefoniczne, centralki systemów alarmowych, tworząc niekiedy rozbudowany system połączeń. Wszystkie te urządzenia mają jednak wspólną cechę: niską odporność udarową.

Dotyczy to zarówno odporności urządzeń na bezpośrednie oddziaływanie impulsowego pola elektromagnetycznego, jak i odporności na działanie udarów napięciowych lub prądowych dochodzących do tych urządzeń z sieci zasilającej oraz linii transmisji sygnałów. Różnorodne sposoby przenikania zakłóceń do obiektu z rozbudowaną siecią komputerową Obiekt z lokalną siecią komputerową Systemy antenowe System uziemień roboczych Bezpośrednie oddziaływanie impulsowego pola elektromagnetycznego (LEMP) Linie transmisji sygnałów Instalacja elektryczna nn Połączenia galwaniczne liniami sygnałowymi poszczególnych urządzeń wewnątrz obiektu

Statystyki prowadzone przez towarzystwa ubezpieczeniowe wykazują, że pomimo stosowania przepisów dotyczących EMC przez kraje Wspólnoty Europejskiej, nakłady ponoszone na pokrycie strat w systemach elektronicznych spowodowanych przez zakłócenia elektromagnetyczne stanowią kilkanaście procent ogólnej sumy wypłacanych odszkodowań. Wniosek z tego, że problemy ochrony przepięciowej systemów komputerowych nabierają coraz większego znaczenia. Ich rozwiązanie będzie wymagało kompleksowego potraktowania uwzględniającego wszelkie możliwe zagrożenia, odporność udarową urządzeń i właściwości dostępnych środków ochronnych.

Zagrożenia wynikające z niewłaściwego okablowania obiektu Brak koordynacji w układaniu przewodów różnego rodzaju instalacji wewnątrz obiektu (np. elektrycznych, telefonicznych, alarmowych, komputerowych i odgromowych) może doprowadzić do zagrożenia współpracujących z nimi systemów komputerowych. W tym przypadku groźne mogą być nie tylko przepięcia dochodzące bezpośrednio przewodami, ale również przepięcia powstałe na drodze indukcji elektromagnetycznej w różnego rodzaju pętlach przewodów. Zagrożenia systemów komputerowych spowodowane przez błędy w okablowaniu wnikanie prądu piorunowego do budynku przez system wentylacyjny przepięcia indukowane na skutek sprzężenia pomiędzy przewodami okablowania a instalacją piorunochronną

Jak wynika z danych dostępnych w literaturze, amplitudy zakłóceń mogą osiągać wartość od kilkuset V do kilkudziesięciu kV. Współczesne odbiorniki są bardzo czułe na różnego rodzaju zaburzenia elektromagnetyczne. Jako przykład należy tu wymienić sprzęt informatyczny. Jego rozwój i redukcja gabarytów została w dużym stopniu okupiona obniżeniem odporności na zaburzenia. Jak łatwo obecnie zakłócić pracę urządzeń elektronicznych, obrazuje wielkość energii niezbędnej do trwałego uszkodzenia elementów układu. Dla przekaźników i lamp elektronowych to 10-3 Ws, dla tranzystorów jest to 10-6 Ws, a dla układów scalonych już tylko 10-8 Ws. Zagrożenie systemów komputerowych spowodowane przez wnikanie prądu piorunowego do budynku przez system wentylacyjny

Zagrożenie systemów komputerowych spowodowane przepięciami indukowanymi na skutek sprzężenia pomiędzy przewodami okablowania a instalacją piorunochronną Odporność udarowa całych urządzeń jest znacznie większa od odporności poszczególnych elementów składowych. Zwiększenie odporności udarowej urządzeń do ściśle określonych poziomów jest wymagane przez obowiązujące normy międzynarodowe i europejskie. Zwiększenie odporności udarowej urządzeń nie zapewnia jednak pełnego bezpieczeństwa, gdyż wartości szczytowe przepięć atmosferycznych, powstające podczas uderzenia piorunu w obiekty budowlany, w którym pracują komputery, lub w jego bliskim sąsiedztwie są znacznie większe od wymaganych poziomów odporności udarowej.

Pojawiające się w sieci sygnałowej przepięcie może w przypadku rozległej sieci komputerowej zniszczyć jednocześnie od kilkunastu do kilkudziesięciu kart sieciowych i uszkodzić elementy aktywne sieci.

Ochrona systemów komputerowych oparta na strefowej koncepcji ochrony LPZ Analizując koszty ewentualnych uszkodzeń, należy uwzględnić te spowodowane wyłączeniem z normalnej pracy pewnej części lub nawet – w skrajnym przypadku – całej sieci komputerowej. W bankach, nowoczesnych zakładach przemysłowych, centrach handlowych i biurowych suma strat związana z przestojem może znacznie przewyższyć koszty zniszczonego sprzętu komputerowego. Dopiero prawidłowe wyrównanie potencjałów wszystkich instalacji dochodzących do komputera zabezpiecza nas przed tego rodzaju zagrożeniami. Podstawowym zadaniem ochrony przeciwprzepięciowej jest wyrównanie potencjałów opierające się na strefowej koncepcji ochrony odgromowej, zgodnie z PN-IEC 61312-1.

Zgodnie z normą przestrzeń chroniona obiektu winna zostać podzielona na strefy ochrony odgromowej (LPZ – Lighting Protection Zone). Każda ze stref charakteryzowana jest przez zmianę warunków elektromagnetycznych, jakie występują na jaj granicach. I tak: LPZ 0A – wszystkie elementy rozmieszczone w tej strefie narażone są na bezpośrednie uderzenie pioruna, LPZ 0B – rozmieszczone w tej strefie elementy nie są narażone na bezpośrednie uderzenie pioruna, ale w dalszym ciągu występuje w niej nietłumione oddziaływanie pola elektromagnetycznego (LEMP). LPZ 1 – występujące w tej strefie elementy nie są narażone na bezpośrednie uderzenie pioruna, a pole elektromagnetyczne jest najczęściej tłumione przez elementy konstrukcyjne budynku. Dzięki stosowaniu ograniczników przepięć, prądy udarowe, jakie mogą pojawić się w instalacjach przewodowych, są znacznie mniejsze w stosunku do tych, jakie mogą pojawić się w strefie LPZ 0.  Kolejne strefy wewnątrz obiektu (np. LPZ 2) zapewniają dodatkowe zmniejszenie oddziaływania prądów piorunowych i pola elektromagnetycznego. Wymagania dotyczące poszczególnych stref dopasowane są do poziomu ochrony instalowanych wewnątrz nich urządzeń elektronicznych.

Szczególną uwagę należy zwrócić na połączenia wyrównawcze, których zadaniem jest zmniejszenie różnic potencjałów między metalowymi częściami i instalacjami znajdującymi się wewnątrz przestrzeni chronionej przed oddziaływaniem LEMP. Połączenia na granicy poszczególnych stref należy wykonać za pomocą niskoimpedancyjnych połączeń: bezpośrednich – pomiędzy przewodzącymi instalacjami i urządzeniami, na których nie występuje trwale potencjał elektryczny, za pomocą ograniczników przepięć (SPD) pomiędzy urządzeniami uziemionymi, a urządzeniami izolowanymi od ziemi i znajdującymi się pod napięciem przewodami urządzeń elektrycznych i linii sygnałowych

Ogólne zasady stosowania ograniczników przepięć do ochrony sieci LAN Ochrona przepięciowa w instalacji elektrycznej Obiekty budowlane, w których występują rozległe sieci komputerowe, wymagają stosowania wielostopniowej ochrony przeciwprzepięciowej. Przykład takiej ochrony ilustruje rysunek:

Na wejściu instalacji elektrycznej do budynku (granica stref LPZ 0 i LPZ 1) zainstalowano ogranicznik przepięć spełniający wymagania prób klasy I (ogranicznik przepięć typ P). Zapewnia on skuteczną ochronę instalacji elektrycznej przed przepięciami spowodowanymi bezpośrednim oddziaływaniem prądu piorunowego na sieć zasilającą oraz przepięciami łączeniowymi Kolejny stopień ochrony stanowią ograniczniki przepięć spełniające wymagania prób klasy II (ogranicznik przepięć typ II), których zadaniem jest ochrona instalacji elektrycznej przed przepięciami atmosferycznymi indukowanymi i przepięciami łączeniowymi. W zależności od zaprojektowanego sposobu zasilania sieci komputerowej mogą być one instalowane w rozdzielnicach piętrowych lub wydzielonych tablicach komputerowych, z których zasilane są poszczególne stanowiska (lub grupy stanowisk) komputerowych. Zagrożenie systemu komputerowego spowodowane błędami montażowymi ograniczników przepięć

Jako końcowy stopień ochrony dla wybranych urządzeń informatycznych zastosowano ograniczniki przepięć typ III. Zabezpieczają one wybrane ważne systemowo urządzenia (serwerownia) i urządzenia komputerowe znacznie oddalone od tablic, w których zastosowano ogranicznik przepięć klasy II. Przykład ochrony końcowej urządzeń informatycznych za pomocą ograniczników przepięć klasy III Należy pamiętać, że instalując ograniczniki przepięć należy przestrzegać podstawowych zasad dotyczących długości i przekroju przewodów łączeniowych. Lekceważenie tych zaleceń może doprowadzić do tego, że pomimo zastosowania ograniczników napięciowych poziom ochrony przekroczy poziom odporności udarowej systemu komputerowego.

Ochrona przepięciowa w okablowaniu strukturalnym Ograniczniki przepięć instalowane w okablowaniu strukturalnym mogą zabezpieczyć przed przepięciami pojedyncze tory lub nawet kilka linii sygnałowych. W przypadku kompleksowej ochrony sieci lokalnej zalecane jest umieszczenie ograniczników przepięć: przed serwerem przed koncentratorem – ochrona linii dochodzących do serwerowni od stacji roboczych znajdujących się w odległych pomieszczeniach. Wszystkich linii (telefoniczne, monitoring) dochodzących do serwerowni z zewnątrz budynku. W przypadku stanowisk pracy (końcowe stacje robocze) o stosowaniu środków ochrony decyduje rachunek techniczno-ekonomiczny. W przypadku braku ograniczników należy liczyć się z wystąpieniem możliwości uszkodzenia kart sieciowych lub innych urządzeń peryferyjnych

Przykład kompleksowej ochrony w okablowaniu strukturalnym przedstawia rysunek: Ochrona przeciwprzepięciowa sieci LAN –okablowanie strukturalne

Podsumowanie Poprawnie zaprojektowana i wykonana ochrona przed przepięciami w obiektach budowlanych z sieciami LAN jest jednym z najważniejszych czynników decydujących o niezawodnym działaniu nowoczesnych systemów elektronicznych i komputerowych. Znaczne ograniczenie przepięć indukowanych wewnątrz obiektu można osiągnąć dzięki koordynacji wzajemnego ułożenia instalacji elektrycznych, sygnałowych i instalacji piorunochronnej. Dodatkowym czynnikiem, który powoduje ograniczenie zagrożenia przepięciami pochodzenia atmosferycznego w rozległych sieciach komputerowych, jest odpowiednie uziemianie i ekwipotencjalizacja. Rozwiązanie problemów ochrony przeciwprzepięciowej, najlepiej wykonać we współpracy ze specjalistycznymi firmami zajmującymi się problematyką ochrony odgromowej i przeciwprzepięciowej.

KONIEC

Prezentacja opracowana na podstawie artykułu: „Ochrona przed przepięciami lokalnych sieci komputerowych” – Elektro Info 5/2004