Мифы о заземлении и источниках бесперебойного питания

В последнее время в связи с широким распространением электронного оборудования, бурным развитием сетевых технологий, электронной коммерции и ежегодным ростом денежного оборота в этой сфере все больше компаний на российском рынке признают, что финансовые и имиджевые потери от сбоев в работе компьютерного оборудования становятся чрезвычайно ощутимыми. Исследование, проведенное Лондонской школой бизнеса совместно с компанией Connect, предоставляющей консалтинговые услуги в области ИТ, установило, что прямые потери фирм по всему миру, связанные со сбоями в работе технологий, составляют ежегодно 48 млрд. долларов [1].

Возникает резонный вопрос, что следует предпринять и какие технические решения воплотить в жизнь, чтобы обеспечить должный уровень работоспособности и помехоустойчивости подобных устройств? В нашей стране из-за стремительного внедрения информационных технологий практически во все сферы бизнеса персонал, обслуживающий инженерные системы зданий, оказался не готов к столь быстрому изменению ситуации, поэтому довольно быстро были найдены простые решения возникающих проблем. Происходит повсеместное внедрение источников бесперебойного питания (UPS), кроме того, ведтся разработка и монтаж чистой системы заземления для компьютерного и сетевого оборудования.

К сожалению, подобные технические мероприятия не только не решают возложенные на них задачи, но в большинстве случаев приводят к обратному эффекту. Иными словами, позаимствованные российскими специалистами у зарубежных коллег технические решения являются необходимыми, но далеко не достаточными и поэтому зачастую оказываются не только ошибочными с точки зрения безаварийной работы, но и опасными (с точки зрения обеспечения электро- и пожаробезопасности).

Мифы об UPS

Основное заблуждение по поводу установки источников бесперебойного питания сводится к концепции, которую проповедуют большинство российских компаний, предлагающих подобные и смежные им устройства на рынке. В целом эта концепция сводится к утверждению, что UPS спасает от всех существующих и возможных будущих проблем в системе электроснабжения. В связи с этим необходимо напомнить, что несмотря на постоянное техническое совершенствование выпускаемых устройств, главная функция источников бесперебойного питания заключается в защите оборудования от длительных перерывов в электроснабжении. В то же время главная задача систем бесперебойного питания — это результирующая надежность, которая подразумевает гарантию сохранности данных и оборудования, а также гарантию от простоев в работе.

Практика обследования систем бесперебойного электропитания ряда офисных зданий Москвы, а также международные стандарты и нормативная документация по этой тематике (МЭК, IEEE, ANSI, IEC) показывают, что для решения всех поставленных задач необходимо провести полномасштабное обследование системы электроснабжения здания. Кроме обязательных стандартных проверок: сопротивления изоляции, сопротивления петли фаза-ноль, проверки работоспособности автоматических выключателей, необходимо обследовать электроустановку здания на предмет ошибок в выполнении системы заземления (которые приводят к возникновению токов утечки), а также провести длительный мониторинг напряжений и токов, проанализировать существующую систему молниезащиты и систему защиты от грозовых и коммутационных перенапряжений.

Для чего это нужно? Во-первых, наличие токов утечки в системе электроснабжения здания приводит к искажению картинки на компьютерных мониторах, сбоям в работе оборудования и потере информации при передаче данных по сети. Во-вторых, неправильно выполненная система молниезащиты и система защиты от перенапряжений при определенном стечении обстоятельств (в результате прямого и/или удаленного удара молнии) почти гарантированно приведет к физическому выходу из строя электронного оборудования.

В нашей практике имел место случай, когда источник бесперебойного питания, установленный в офисном здании и питающий группу ответственных электропотребителей, часто и необоснованно переходил на питание от аккумуляторных батарей. Длительный мониторинг питающего UPS напряжения не показал значительных отклонений от нормы. Кроме того, было проведено обследование систем защитного зануления и заземления. В ходе проверки были выявлены грубые ошибки в выполнении вышеуказанных систем, после их устранения и приведения в соответствие с требованиями отечественной и международной нормативной документации количество частых переключений источников бесперебойного питания на аккумуляторные батареи резко снизилось. Исходя из этого можно сделать вывод о высокой чувствительности современных UPS средней и большой мощности к повышенному и изменяющемуся напряжению между системами рабочего и защитного заземления, порожденному токами, протекающими по РЕ-проводникам источника бесперебойного питания.

Мифы о заземлении

В отличие от систем бесперебойного электропитания, применение которых является дополнительным средством обеспечения надежности, заземление прежде всего выполняет функции защиты людей от поражения током, а также обеспечивает пожаробезопасность зданий и сооружений. Сейчас все чаще выдвигаются предположения, что для нормального функционирования компьютерной техники, информационных сетей и систем связи необходимо применять отдельное, чистое заземление, изолированное от общей системы защитного заземления здания. Однако реализация этих решений является не только ошибочной и приводящей к выходу из строя электронных устройств, но в ряде случаев и опасной для здоровья и жизни людей.

Чтобы развеять этот миф, рассмотрим простую ситуацию. Допустим, что для заземления компьютерной техники в каком-либо помещении была выполнена чистая система заземления, то есть все металлические корпуса компьютерной техники, сетевых и прочих устройств присоединены к выделенному контуру заземления, не связанному с системой защитного заземления здания (рис. 1).

Рисунок иллюстрирует путь тока при коротком замыкании (КЗ) между фазным проводником, питающим компьютер, и корпусом, которое возникает вследствие пробоя конденсатора в сетевом фильтре на входе в устройство. Обратный путь тока КЗ будет проходить через два контура: общий контур защитного заземления здания и компьютерное заземление . Сопротивление контура заземления трансформаторной подстанции (ТП) обычно составляет не более 4 Ом, сопротивление чистого заземления составляет порядка 10 Ом. Поэтому при питании оборудования напряжением 220 В максимальный ток КЗ, протекающий по поврежденной линии, составит:

Этого тока недостаточно для срабатывания автоматического выключателя, установленного на поврежденной линии. Если на линии установлен автоматический выключатель с номинальным током 16 А, то для быстрого отключения тока короткого замыкания должен сработать электромагнитный расцепитель, величина уставки которого находится в пределах от 45 до 100 А. Следовательно, при протекании тока величиной 15,7 А устройство защиты просто не поймет , что протекающий по нему ток возник в результате аварийной ситуации в системе электроснабжения, и не отключит поврежденную линию. При прикосновении к корпусу такого электрооборудования люди попадают под напряжение; кроме того, небольшие по сечению соединительные провода и интерфейсные элементы оборудования будут интенсивно нагреваться. Нагрев происходит из-за разности потенциалов между корпусом и экранами сетевых кабелей. Таким образом, по ним будет протекать ток, что может привести к выходу их из строя и возгоранию. Потенциал, который будет возникать на корпусе оборудования, легко подсчитать следующим образом: j=15,7-10=157 B.

Следовательно, если дотронуться до корпуса, возникнет разность потенциалов, равная 157 В, и через тело человека (сопротивление которого в среднем равно 1 кОм) потечет ток:

Хотя поражение электрическим током зависит от множества факторов (состояния нервной системы, кожи и т. д.), тем не менее, очевидно, что при неотпускающем токе 20?30 мА протекающий через тело человека ток в 155 мА — смертелен.

В то же время существуют методы выполнения заземления, которые соответствуют всем нормам, являются безопасными и уменьшают разности потенциалов между корпусами электронного оборудования и близко расположенными заземленными объектами, а также обеспечивают стабильную работу оборудования. Главная идея заключается в том, что все заземляемые части оборудования (нулевые защитные проводники, металлические трубопроводы коммуникаций, металлические части каркаса здания, металлические части централизованных систем вентиляции и кондиционирования, заземляющие устройства системы молниезащиты, заземляющие проводники рабочего заземления, металлические оболочки телекоммуникационных и сетевых кабелей) должны быть объединены в основную систему уравнивания потенциалов (рис. 2). Для соединения с основной системой уравнивания потенциалов все указанные части должны быть присоединены к главной заземляющей шине [3].

Подобный подход минимизирует помехи, возникающие от протекания токов по системе заземления в аварийных режимах, обеспечивая тем самым надежное функционирование оборудования и безопасность людей. В этом случае по поврежденной линии будет протекать гораздо больший ток (определяемый сопротивлением петли фаза-нуль), что позволит электромагнитному расцепителю автоматического выключателя быстро отключить поврежденную линию, а ток равномерно растечется по системе заземления и не вызовет помех благодаря наличию системы уравнивания потенциалов.

Необходимо напомнить, что в нормальном режиме работы по системе заземления не должно протекать никаких токов. Тем не менее, имеются несколько источников вероятного появления помех в системе заземления. Это перенапряжения, вызванные прямыми и/или удаленными ударами молнии, а также коммутациями в системе электроснабжения. Кроме того, могут возникать повреждения в измерительных цепях и цепях релейной защиты и автоматики. Не стоит также недооценивать токи утечки на металлоконструкции и трубопроводы здания. Если компьютер находится в помещении, по стенам, за потолком или под полом которого проходят кабельные линии с токами утечки, вызывающие повышенный уровень магнитного поля, то изображение на мониторе может заметно искажаться ( плыть или дрожать ). Известны случаи, когда картинка покрывается цветными пятнами, а иногда изображение полностью или частично пропадает на несколько секунд и появляется вновь. Естественно, работать за таким монитором невозможно и вредно. Протекание токов по системе РЕ здания, а значит, и по защитным экранам интерфейсных и сетевых кабелей компьютеров может вызывать сбои и зависания компьютерных сетей и невозможность нормальной работы другого офисного и электронного оборудования. Подобные проблемы возникают из-за изменения потенциала в системе защитного заземления, которая, в свою очередь, является системой опорного потенциала для компьютерной техники.

Кроме того, перенапряжения, вызванные прямыми и/или удаленными ударами молний, а также коммутациями в системе электроснабжения могут инициировать помехи, протекающие по системе опорного потенциала здания; эти помехи имеют разную частоту (от единиц герц до десятков мегагерц), в связи с чем в системе заземления, выполненной по одноточечному принципу (рис. 2), могут протекать значительные помехи, вызванные резонансными явлениями в защитных проводниках.

Для подавления высокочастотных помех основную систему защитного заземления можно дополнять установкой рабочего (функционального) заземления. Однако необходимо помнить, что функциональное заземление служит только для обеспечения работы оборудования, но ни в коем случае не для обеспечения электробезопасности. Поэтому использовать рабочее заземление в качестве единственной системы заземления категорически запрещается.

Все вопросы по выполнению и установке рабочего заземления требуют отдельного рассмотрения, но эта тема уже для другой статьи.

Список использованных источников
[1] Еженедельник Computerworld , #01, 2003 // Издательство Открытые Системы .
[2] Правила устройства электроустановок. Издание 7. Раздел 6, Раздел 7, Главы 7.1, 7.2 М., Издательство НЦ ЭНАС, 1999.
[3] Правила устройства электроустановок. Издание 7. Раздел 1, Раздел 7, Главы 1.1, 1.2, 1.7, 1.9, 7.5, 7.6, 7.10. — М.: Издательство НЦ ЭНАС, 2002.
[4] Правила устройства электроустановок. Изд. 6. ? М., ГлавГосЭнергонадзор России, 1998.
[5] IEEE Std. 1100-1999, IEEE Recommended practice for powering and grounding electronic equipment (IEEE Emerald Book).
[6] Манойлов В.Е. Основы электробезопасности. — М.: Энергоатомиздат, 1991, 480 с.