Электропитание и защитное заземление оборудования в локальных сетях

В локальных сетях проблемы разводки электропитания и заземления стоят особенно остро, поскольку здесь, как правило, имеется большое количество компьютеров и коммуникационного оборудования, соединенных между собой интерфейсными кабелями и значительно разнесенных в пространстве (локальная сеть может охватывать и многоэтажное здание). Каждое сетевое устройство (компьютер, принтер, повторитель, хаб и т. д.) питается от электросети и обычно имеет сетевой фильтр с конденсаторами, пропускающими высокочастотные помехи на его корпус, связанный со схемной «землей» (см. Рис. 1). По правилам техники безопасности корпус должен заземляться или зануляться, и, как было сказано выше, несоблюдение этого правила приводит к появлению на корпусе включенного устройства переменного напряжения около 110 В и разности потенциалов между корпусами различных устройств. Если два незаземленных устройства соединяются интерфейсом, не обеспечивающим гальванической развязки (например, через СОМили LPT-порты), то через общий провод интерфейсного кабеля потечет уравнивающий переменный ток с высокочастотными составляющими, приводящий к помехам. В случае неконтакта в общем проводе разность потенциалов между корпусами будет приложена к сигнальным цепям интерфейса, что, как правило, приводит к выгоранию микросхем адаптеров и даже всего устройства.

При заземленных корпусах устройств, сильно разнесенных территориально, между их корпусами будет разность потенциалов, обусловленная падением напряжения на заземляющих проводах. Эта разность будет особенно ощутимой, если разводка питания и заземления выполнена двухпроводным кабелем (см. рис. 4). В ряде случаев практикуется прокладка отдельного кабеля или шины для цепи заземления. Однако разводка заземления отдельным кабелем не всегда удобна и часто неэффективна с точки зрения защиты от помех, поскольку при этом могут образовываться замкнутые.

контуры с широким охватываемым пространством (своеобразные антенны). С точки зрения борьбы с помехами разводку питания к устройствам целесообразно выполнять трехпроводным кабелем, один из проводов которого используется для защитного заземления. При этом древовидная схема заземления получается естественным образом (рис. 6), защитный провод в корневой части этого дерева заземляют или зануляют (обязательно с гарантией того, что этот нуль не станет фазой). Все устройства, электрически соединяемые между собой, желательно питать от одной фазы сети, хотя с точки зрения энергетиков это требование часто трудновыполнимо. Дополнительные проблемы при разводке электропитания для компьютеров обусловлены ярко выраженной динамической нелинейностью входной цепи бестрансформаторных блоков питания. Традиционные электросети рассчитаны на более или менее линейную нагрузку, у которой в спектре тока основная мощность приходится на 1-ю гармонику. В трехфазной сети с равномерно распределенной по фазам линейной нагрузке в идеале через нейтральный провод ток практически не течет, поскольку токи от нагрузок всех трех фаз компенсируют друг друга. Учитывая это свойство, в большинстве четырехпроводных кабелей сечение проводника для нейтрали существенно меньше, чем сечение фазных проводников. При нелинейной симметричной нагрузке фаз при большом уровне 3-й гармоники тока (что характерно для бестрансформаторных блоков питания) взаимной компенсации токов не происходит, и действующее значение тока в нулевом проводе оказывается даже больше, чем в каждом из фазных. Таким образом, при подключении большого числа компьютеров к традиционной 4-проводной трехфазной проводке происходит перегрузка нулевого провода. Эта перегрузка приводит к следствиям разной степени тяжести — от «набегания» помехи переменного тока на нулевом проводе до перегорания нулевого провода, который никогда не защищают от перегрузки — все автоматы защиты ставятся только в фазных проводах. Во избежание перегрузки нулевого провода и в случае питания от трехфазной сети силовую разводку к розеткам от распределительного щита следует опять-таки вести трехпроводным кабелем. Перегрузки нулевого провода подводящего силового кабеля можно избежать, установив в распределительном щите развязывающий трехфазный трансформатор 380/220 В. К этому трансформатору входное напряжение подводится по схеме «треугольника», а выходные обмотки соединяют по схеме «звезда» .

Все адаптеры локальных сетей (Ethernet, ARCNet и пр.), использующих в качестве среды передачи электрический кабель, имеют гальваническую развязку выходного разъема от схемной земли, обеспечивающую их нечувствительность к разности потенциалов между схемными землями устройств в пределах гарантированного напряжения изоляции. Для интерфейсов с внутренними трансиверами (ARCNet, Ethernet тонкий и на витой паре) типовое напряжение изоляции — 100 В, что подразумевает необходимость заземления аппаратуры. При использовании внешнего трансивера Ethernet с гарантированным напряжением изоляции 5 кВ острота проблемы снимается, хотя требования заземления остаются в силе.

Каждый сегмент коаксиального кабеля локальной сети должен заземляться в одной, и только одной, точке. Для этого предусмотрены специальные терминаторы с заземляющим проводником (рис. 7). Типовое требование заземления одного из терминаторов не всегда разумно, поскольку изменение топологии может приводить к блужданию этого окончания сегмента, а заземление через корпус компьютера штатным коротким «хвостиком» нарушит заземление сегмента при необходимости отключения шнура питания компьютера от сети. Разумный вариант-это заземление сегмента около главного сервера или другого ответственного и неподвижного узла сети с помощью хомута, надетого на Т-коннектор. Следует помнить, что Т-коннектор, присоединенный к разъему сетевого адаптера, не должен соприкасаться с другими разъемами, в противном случае.

Рис. 7 (а).

Рис. 7 (б).

возможны помехи в сети. Проблема изоляции разъемов не возникает при использовании внешних трансиверов, подключенных через кабель-спуск. В случае необходимости связи компьютеров в тяжелых условиях питания (высоковольтная аппаратура, импульсные помехи, перепады земляного потенциала, например на электростанциях и подстанциях) идеальное решение это применение оптоволоконного кабеля.

Неэкранированная витая пара (UTP) не предусматривает заземления каких-либо проводов. Пластмассовые разъемы RJ-45 обеспечивают недоступность токоведущих частей (в отличие от BNC-разъемов коаксиала). Современные хабы часто выпускаются в малогабаритном пластмассовом исполнении с внешним источником питания, включаемым в обычную двухполюсную розетку. Заземление таких хабов не предусматривается, но при этом подразумевается, что все подключенные к нему узлы заземлены. При незаземленных устройствах между портами хаба может появиться напряжение порядка 100−180 В, что вполне может вывести хаб и адаптеры из строя. А если хаб интеллектуальный, то денежные потери будут ощутимыми. Более солидные («профессиональные») хабы имеют нормальный трехполюсный разъем питания с заземляющим контактом. Такой хаб, будучи заземленным, является барьером на пути выгорания интерфейсов. Высокий потенциал на линиях одного порта скорее всего выведет из строя только этот порт, а дальше разрушение не распространится. Правила заземления в документации по импортной аппаратуре приводятся не всегда, поскольку подразумевается, что трехполюсная вилка всегда должна включаться в соответствующую розетку с заземлением, а не в двухполюсную с рассверленными отверстиями.