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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Elektrische Sicherheit von Computern und Computernetzwerken. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Computer Heutzutage nutzen immer mehr Menschen Personalcomputer, in vielen Organisationen und Institutionen sind Computer mit einem lokalen Netzwerk verbunden. Viele haben von unterbrechungsfreien Stromversorgungen gehört und dass „das Computergehäuse für den normalen Betrieb geerdet sein muss“, aber die Fragen der elektrischen Sicherheit von Computergeräten werden nach Meinung des Autors in der Literatur und in Computerzeitschriften nicht ausreichend behandelt . Das derzeit wichtigste Dokument, das die Planung, Errichtung und den Betrieb elektrischer Anlagen regelt, sind die „Regeln für die Errichtung elektrischer Anlagen“ [1]. Berücksichtigen Sie die Mittel zur Gewährleistung der elektrischen Sicherheit. P.1.7.32 PUE regelt Schutzmaßnahmen gegen elektrischen Schlag für Personen: Trenntransformator, doppelte Isolierung, Erdung, Erdung, Schutzabschaltung, Potenzialausgleich. Trenntransformator - Dies ist ein Transformator mit erhöhter Isolierung, wodurch die Möglichkeit eines Spannungsübergangs von der Primärwicklung auf die Sekundärwicklung erheblich verringert wird. Trenntransformatoren müssen keine Abwärtstransformatoren sein, die Sekundärspannung sollte jedoch nicht mehr als 380 V betragen (siehe Abschnitt 1.7.44 der PUE), außerdem darf nur ein elektrischer Empfänger von einem Trenntransformator gespeist werden . Die Sekundärwicklung des Trenntransformators und der daran angeschlossene elektrische Empfänger sind nicht geerdet. Ohne Erdung stellt das Berühren spannungsführender Teile oder eines Gehäuses mit beschädigter Isolierung keine Gefahr dar, da das Sekundärnetz eines Trenntransformators in der Regel kurz ist und die Ableitströme darin bei guter Isolierung gering sind. Kommt es gleichzeitig zu einem Isolationsschaden in einer anderen Phase des Sekundärkreises (doppelter Kurzschluss), kann es am Gehäuse des Leistungsempfängers zu einer Spannung gegen Erde kommen, die unter ungünstigen Bedingungen gefährlich sein kann. Um die Wahrscheinlichkeit von Doppelstromkreisen zu verringern, darf gemäß Abschnitt 1.7.42.2 des Elektroinstallationsgesetzes nicht mehr als ein elektrischer Empfänger an einen Trenntransformator angeschlossen werden. Im Zeitalter der weit verbreiteten Verwendung von Schaltnetzteilen und dem Wunsch, den Materialverbrauch von Produkten zu minimieren, ist es unwahrscheinlich, dass die Formel „ein Computer + ein Trenntransformator“ massenhaft (oder sogar weit verbreitet) Anwendung findet. Die Niederspannungsversorgung (42 V, siehe Abschnitt 1.7.44 der PUE) ist ebenfalls mit erheblichen Materialkosten verbunden – es ist ein Abwärtstransformator mit ausreichender Leistung erforderlich, vorzugsweise mit erhöhter Isolierung zwischen Primär- und Sekundärwicklung; Computer-Netzteile müssen für eine Spannung von 42 V ausgelegt sein. Dem Autor ist kein einziger Fall bekannt, in dem Netzteile mit einer Netzspannung von 42 V in IBM-kompatiblen Computern verwendet wurden (obwohl Netzteile mit einer solchen Spannung für Elektronika hergestellt wurden). Schulcomputer), und es lohnt sich kaum, sich mit deren Herstellung zu beschäftigen. Daher kann diese Methode nicht für eine breite Anwendung empfohlen werden. Betrachten Sie die doppelte Isolationsschutzmethode.DoppelisolierungGemäß Abschnitt 1.7.29 der PUE handelt es sich um „eine Kombination aus Arbeits- und Schutzisolierung (zusätzliche) Isolierung, bei der die berührbaren Teile des elektrischen Empfängers keine gefährliche Spannung erhalten, wenn nur die Arbeits- oder nur die Schutzisolierung ( (zusätzliche) Isolierung ist beschädigt. Das Computer-Netzteil verfügt normalerweise über einen Filter am Eingang, der Störungen im Netzwerk reduziert (Abb. 1).
Der zweite Kontakt des Netzwerksteckers ist in der Regel mit dem Computergehäuse verbunden. Die Kondensatoren C2 und C3 sind mit den Versorgungsleitern und den zweiten Anschlüssen mit dem Computergehäuse verbunden. Tatsächlich sind sowohl die Phasen- als auch die Neutralleiter über Kondensatoren mit dem Computergehäuse verbunden. Obwohl diese Kondensatoren (meist Keramik) für erhöhte Spannung (1,5-2 kV) ausgelegt sind, kann man nicht von einer „doppelten Isolierung“ sprechen. Folglich können sowohl das Netzteil als auch der gesamte Computer nicht als doppelt isolierte Elektrogeräte betrachtet werden und unterliegen daher nicht der Klausel 1.7.48.5 des PUE, die besagt, dass eine Erdung (Null) nicht möglich ist. In der Praxis gab es Fälle, in denen ein nicht geerdetes Computergehäuse bei Berührung „eingeklemmt“ wurde. Offensichtlich sind die meisten dieser Fälle mit einer Verschlechterung der Zwischenschichtisolierung der Kondensatoren C2 und C3 oder, anders ausgedrückt, mit einem erhöhten Leckstrom dieser Kondensatoren verbunden. Erdung und Erdung. Gemäß Abschnitt 1.7.33 der Elektroinstallationsordnung muss die Erdung bzw. Erdung elektrischer Anlagen bei Nennspannungen über 42 V, in Räumen mit erhöhter Gefährdung jedoch unter 380 V Wechselstrom erfolgen. Wenn der Computer beispielsweise auf einem Tisch steht, sich der Tisch in der Nähe eines Heizkörpers befindet, der nicht von Isoliergittern umgeben ist, und der Abstand zwischen Computer und Heizkörper 1 m oder weniger beträgt (diese Situation ist keine Seltenheit), dann dadurch entsteht bereits eine erhöhte Gefahr. Wenn im Raum 24 Stunden und 1 Minute lang eine Temperatur von +35,1 °C aufrechterhalten wurde, sollte dieser offiziell als Raum mit erhöhter Gefahr eingestuft werden. Erdung - ein Mittel zum Schutz vor Spannungsschlägen, die aufgrund von Isolationsschäden auf der Oberfläche von Metall oder anderen elektrisch leitenden Elementen oder Teilen von Geräten auftreten, die normalerweise nicht unter Spannung stehen [2]. Die elektrische Sicherheit wird durch den Einsatz eines Erdungsgerätesystems erreicht, worunter man eine Reihe von Erdungsleitern versteht. Die Erdung (Schutzerdung) wird in Netzen verwendet, die mit einem isolierten Neutralleiter (z. B. 6 oder 10 kV) betrieben werden. Der Kern des Schutzes mithilfe einer Erdungsvorrichtung besteht darin, eine solche Erdung zu schaffen, deren Widerstand klein genug ist, damit der Spannungsabfall an ihr (nämlich erstaunlich) keinen für den Menschen gefährlichen Wert erreicht; In einem beschädigten Netz muss ein Strom bereitgestellt werden, der für den zuverlässigen Betrieb der Schutzeinrichtungen ausreicht. Zanulenie - Hierbei handelt es sich um eine Schutzmaßnahme, die nur in Netzen mit einem nicht geerdeten Neutralleiter mit einer Spannung unter 1 kV zum Schutz vor Spannungen an Metallteilen von Geräten verwendet wird, die normalerweise nicht unter Spannung stehen (aber aufgrund von Isolationsschäden unter Spannung stehen können). , die darin besteht, in einem beschädigten Stromkreis den Stromwert zu erzeugen, der ausreicht, um den Schutz auszulösen [2]. Beim Nullabgleich handelt es sich um eine bewusste Verbindung von Teilen einer elektrischen Anlage, die normalerweise nicht mit Strom versorgt werden, mit einem erdfreien Neutralleiter eines Generators oder Transformators in Drehstromnetzen. Somit kann die Nullung offenbar als ein weiter gefasstes Konzept als die Erdung betrachtet werden, und letzteres einschließlich (wenn das Gehäuse des Stromempfängers geerdet ist, dann ist es gleichzeitig geerdet; eine andere Sache ist, ob in einem Netzwerk mit a wiederholte Erdungsleiter verwendet werden fest geerdeter Neutralleiter oder nicht). Abbildung 2 erklärt die physikalische Essenz der Nullung, wobei 1 eine Energiequelle ist (Abwärtstransformator 6 kV / 380 V oder 10 kV / 380 V mit einem nicht geerdeten Neutralleiter); 2 - Erdung des Transformator-Neutralleiters (Haupterdung); 3 - wiederholte Erdungselektrode; 4 - Energieverbraucher (Personalcomputer); 5 - Schutzvorrichtung (schmelzbare oder automatische Sicherung usw.).
Bei einem Kurzschluss des Phasenleiters mit dem Gehäuse fließt im Stromkreis „Phasenleiter – Neutralleiter“ ein Kurzschlussstrom Ikz, der zum Ansprechen der Schutzeinrichtung führt. Um die Berührungsspannung zu reduzieren, wird ein wiederholter Erdungsleiter 3 verwendet. Fehlt dieser, beträgt die Berührungsspannung (Spannung am Gehäuse relativ zur Erde) bei einem Kurzschluss zwischen Phase und Gehäuse die Hälfte des Phasendrahtes wenn der Widerstand des Phasendrahtes gleich dem Widerstand des Neutralleiters und mehr als die Hälfte des Phasendrahtes ist, wenn der Widerstand des Phasendrahtes geringer ist als der Widerstand des Neutralleiters (was häufig vorkommt). Die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls eines richtig ausgewählten Schutzes (wenn der Bediener das Gehäuse berührt, während der Phasendraht mit dem Gehäuse verbunden ist) ist recht gering, kann jedoch nicht vollständig ausgeschlossen werden, und die Berührungsspannung kann für einige am Gehäuse verbleiben Zeit. Um es zu reduzieren, wird eine wiederholte Erdungselektrode 3 verwendet. Es entsteht ein Stromkreis, als würde er den Neutralleiter umgehen. Der Widerstand dieses Stromkreises ist viel größer als der Widerstand des Neutralleiters, und daher beeinflusst dieser Stromkreis den Wert des durch den Neutralleiter fließenden Stroms nicht wesentlich, aber die Spannung relativ zur Erde nimmt ab. Wenn der Widerstand der Wiedererdungselektrode (Einzel- oder Systemelektrode) gleich dem Widerstand des Neutralleiters des Transformators ist, dann ist die Berührungsspannung relativ zur Erde gleich der Hälfte des Spannungsabfalls am Neutralleiter (der Berührungsspannung). B. 110 V, wird gleichmäßig auf die in Reihe geschalteten Erder verteilt). Dementsprechend ist es durch Ändern des Verhältnisses der Sekundär- und Haupterdungselektroden möglich, die Berührungsspannung am Gehäuse des Leistungsempfängers (sowie am Gehäuse des Versorgungstransformators) zu ändern. In der Praxis gibt es jedoch an beiden Enden (am elektrischen Empfänger und am Transformator) eine große Anzahl natürlicher Erdungsleiter (Verstärkungskonstruktionen, Fundamente, Rohrleitungen, Metallummantelungen von Kabeln usw.); Der Erdungswiderstand dieser natürlichen Erdungsleiter spiegelt sich im Erdungswiderstand der Haupt- und Sekundärerdungsleiter wider und es ist ziemlich schwierig, diesen Effekt zu berücksichtigen. Es entsteht Unsicherheit, was ein Nachteil des Nullings ist. Das in Abb. 3 dargestellte übliche (und häufig praktizierte) Erdungsschema des Computergehäuses bietet keine elektrische Sicherheit, da beim Schließen des Phasendrahtes am Gehäuse der Kurzschlussstrom Ikz auftritt fließt nicht durch den Neutralleiter, sondern durch die in Reihe geschalteten Haupt- (2) und wiederholten (3) Erdungselektroden (der Erdungswiderstand sollte ebenfalls berücksichtigt werden). Dieser Strom reicht möglicherweise nicht aus, um die Schutzvorrichtung 5 auszulösen, und die Berührungsspannung nahe der Phasenspannung kann am Computergehäuse 4 für lange Zeit aufrechterhalten werden.
Sicherheitsabschaltung - Hochgeschwindigkeitsschutz, der die elektrische Anlage bei Gefahr eines Stromschlags automatisch abschaltet. Es gibt eine Vielzahl von Schutzabschaltsystemen, am häufigsten basieren sie jedoch auf dem sogenannten Nullstromwandler [4]. Die Funktionsweise der Schutzabschaltung wird in Abb.4 erläutert.
Der Nullstromtransformator 1 ist ein Ringkern (normalerweise aus Ferrit) mit drei Wicklungen. Der Betrieb des Geräts basiert auf dem Prinzip der Trennung der Differenz der Ströme Ip, die durch die Neutral- und Phasendrähte fließen. Die Wicklungen W1 und W2 haben die gleiche Windungszahl und sind so verbunden, dass die Ströme I1 (fließend im Phasendraht) und I2 (fließend im Neutralleiter) entgegengesetzt gerichtete magnetische Flüsse erzeugen. Wenn die Ströme I1 und I2 gleich sind, ist der resultierende magnetische Fluss Null und es wird keine Spannung in der Wicklung W0 induziert. Bei einer Stromverzweigung (weil eine Person das Gehäuse berührt, an dem die Phase geschlossen ist) ist der resultierende magnetische Fluss nicht mehr gleich Null, da die Ströme I1 und I2 nicht gleich sind (I1 = I2 + I4). , und in der Wicklung W0 wird eine Spannung induziert, die die Betätigungseinrichtung 2 veranlasst, die beide Leistungsadern von der Last trennt. Der Installationsstrom (bei dem die Last abgeschaltet wird) kann so klein gewählt werden (einige Milliampere), dass er keine Gefahr für den Menschen darstellt. Der Fehlerstromschutzschalter bietet folgende Vorteile:
Fehlerstromschutzschalter (RCDs) wurden schon vor vielen Jahren in Massenproduktion hergestellt [4]. Moderne Mikroschaltungstechnik ermöglicht es, so kleine Geräte zu bauen, dass sie in einen Netzwerkstecker eingebaut werden können. Bereits Ende der 80er Jahre wurde in der Zeitschrift Electronics eine Mikroschaltung beschrieben, die die Hauptblöcke eines RCD enthielt. Ein ähnlicher Chip (K1182CA1) wird auch von SPC SIT (Russland, Brjansk) hergestellt [5]. Computerkabel mit eingebautem FI-Schutzschalter im Stecker sind dem Autor noch nicht begegnet, und es ist offenbar recht schwierig, ein solches Kabel selbst herzustellen. Es ist jedoch durchaus möglich, ein solches Gerät in einen Powerblock einzubauen – eine Box aus Isoliermaterial, an der 2-3 Computersteckdosen (mit drei Pins) befestigt sind und an die ein herkömmlicher zweipoliger Netzstecker mit Kabel angeschlossen wird und ein Erdungskabel angeschlossen sind. Um die elektrische Sicherheit zu gewährleisten, kann daher einem einzelnen Computerbenutzer empfohlen werden, einen FI-Schutzschalter in Verbindung mit einer Erdung zu verwenden. Durch die Erdung wird auch statisches Potenzial vom Computergehäuse entfernt, was die Zuverlässigkeit des RAM und der Festplatte des Computers erhöht [6]. Im Falle eines RCD werden die Anforderungen an die Erdung nicht so streng (sein Widerstand kann mehr als 4 Ohm betragen, mehr als der Widerstand der Haupterdungselektrode; dies führt nicht zu einer Erhöhung der Berührungsspannung wie in Systemen mit Nullstellen). Der Nachteil bei der Verwendung eines RCD ist der mögliche Datenverlust beim Auslösen, der allerdings in Kauf genommen werden muss. In lokalen Computernetzwerken sieht die elektrische Sicherheit etwas anders aus. Der Verdrahtungsplan des lokalen Netzwerks ist in Abb. 5 dargestellt.
Der Server wird von einer unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) mit Strom versorgt; Bei dieser USV sind die Sekundärkreise galvanisch vom Netz getrennt. Aus Sicht der elektrischen Sicherheit kann die USV (in der englischen Transkription UPS) als „verbessertes Analogon“ eines Trenntransformators angesehen werden; Keine der beiden Ausgangsversorgungsleitungen ist geerdet (ebenso wie keiner der Ausgänge der Sekundärwicklung eines Trenntransformators geerdet ist). Natürlich wäre es schön, alle Computer im lokalen Netzwerk mit einer USV auszustatten, was den Datenverlust verhindern würde, aber diese Lösung ist ziemlich teuer. Natürlich kann auch ein einzelner Benutzer seinen Computer mit einer USV ausstatten, allerdings sind die Kosten für eine USV mindestens um ein Vielfaches höher als die Kosten für einen RCD. Darüber hinaus gibt es USVs, bei denen die Sekundärkreise nicht galvanisch vom Netz getrennt sind; „echte“ USVs mit galvanischer Trennung sind teurer. Die USV, die den Server speist, wird über den RCD mit Strom versorgt, dieser RCD unterscheidet sich jedoch etwas vom „Standard“ (in Abb. 5), über den die übrigen Computer im lokalen Netzwerk mit Strom versorgt werden. „RCD-Standard“ unterbricht die Stromversorgung des Computers, wenn ein Leckstrom zur Erde vorhanden ist. Der FI-Schutzschalter des Servers schaltet die Stromversorgung im Falle eines Lecks nicht ab, sondern schaltet lediglich ein akustisches Signal ein, das darauf hinweist, dass am USV-Gehäuse Berührungsspannung anliegt. Sie können den gleichen FI-Schutzschalter zwischen USV und Server schalten. Das Tonsignal weist in diesem Fall auf eine Verschlechterung der Isolierung im Netzteil des Servers hin. Die Gehäuse aller Computer sind zusätzlich über separate Leiter 8 und 10 mit dem Erdungskontakt des Powerblocks 1 verbunden (bzw. über einen Erdungsleiter direkt mit der Erdungsleitung 5 als Server verbunden). Diese Leiter duplizieren den Erdungsleiter eines Standard-Computerkabels 2. Wie die Erfahrung zeigt, weist der Erdungskontakt einer Standard-Computersteckdose keine ausreichende Elastizität auf, die „Masse“-Verbindung wird manchmal unterbrochen, was schwerwiegende Folgen hat. Im Prinzip kann auf diese redundanten Leiter verzichtet werden, allerdings ist dann eine periodische Überwachung der „Masse“-Verbindung notwendig, was nicht immer praktisch ist. Lokale Netzwerkcomputer werden durch Segmente eines Koaxialkabels mit Standardkabelschuhen mit T-Steckern verbunden; an beiden Enden der Leitung sind Abschlusswiderstände und Widerstände mit einem Widerstand gleich der Wellenimpedanz des Kabels installiert; Einer der Abschlusswiderstände ist geerdet (die Erdungskette 9 in Abb. 5 kann an das Computergehäuse angeschlossen werden). Die Erdungsleitung 5 ist über einen Erdungsleiter 6 mit der Erdungselektrode (oder Erdungsschleife) 7 verbunden. Als Erdungsleitung können Sie beispielsweise eine Kupferschiene mit einem Querschnitt von 5-62 mm verwenden, sie ist flexibel genug, was das Verlegen erleichtert. Die Verbindung der Erdungsleiter 10 mit der Erdungsleitung 5 muss durch Löten erfolgen. Der Erdungsleiter 6 (vorzugsweise Stahl) wird durch Schweißen mit der Erdungselektrode 7 und durch Löten mit der Erdungsleitung verbunden, wobei die Lötstelle im Raum liegen sollte. Verfügt das Gebäude über andere (und noch leistungsfähigere) Stromverbraucher, die geerdet werden müssen, sollten deren Erdungsleiter direkt an die Erdungsschleife 7 angeschlossen werden. Andernfalls kann ein leistungsstarker Verbraucher Spannungsschwankungen am Erdungsleiter 6 oder an der Erdungsleitung 5 verursachen Diese Schwankungen können zu Ausfällen im lokalen Netzwerk führen. Das Versorgungskabel der Leistungsblöcke 1 und 3 ist über handelsübliche Schutzeinrichtungen (Sicherungen oder elektromagnetische Schalter) mit dem Stromnetz verbunden. Die Auswahl des Letzteren erfolgt gemäß den Anforderungen der PUE. Литература:
Autor: V. I. Vasilenko
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