Защита систем видеонаблюдения на железнодорожном транспорте от грозовых и коммутационных перенапряжений

Описаны источники и пути проникновения опасных грозовых и коммутационных перенапряжений в технические средства железнодорожной инфраструктуры. Представлены подходы и технические решения по защите систем видеонаблюдения и, в частности, напольного чувствительного оборудования от указанных перенапряжений.

Почему видеонаблюдение на железной дороге нуждается в защите

В настоящее время системы видеонаблюдения получили широкое распространение и продолжают устанавливаться на железнодорожном транспорте в рамках оснащения железнодорожной инфраструктуры техническими средствами обеспечения транспортной безопасности (ТСОБ) [1]. При этом ТСОБ относятся к первой категории надёжности электроснабжения [2]. То есть перерыв в электроснабжении данных систем недопустим.

Следовательно, должна быть обеспечена непрерывность функционирования систем видеонаблюдения. Однако непрерывное функционирование любых систем определяется не только бесперебойностью электроснабжения оборудования, но и их технической исправностью. Одной из основных причин повреждений является занос импульсных перенапряжений по линиям электропитания, а также по другим проводным линиям.

Данная проблема особенно актуальна для объектов железнодорожной инфраструктуры, находящихся в условиях сложной электромагнитной обстановки.

Сложная электромагнитная обстановка: откуда берутся перенапряжения

Сложность электромагнитной обстановки обусловлена множеством воздействующих факторов, вызывающих импульсные перенапряжения большой энергии в проводниках различных низковольтных систем:

1. коммутационные процессы в высоковольтных линиях продольного электроснабжения (переключения, короткие замыкания, аварийные режимы);

2. коммутационные процессы в тяговых сетях (переключения, короткие замыкания, аварийные режимы работы);

3. удары молнии в высоковольтные воздушные линии продольного электроснабжения и в тяговую сеть;

4. удары молнии как вблизи низковольтных кабельных линий, так и непосредственно в сами линии, особенно при их открытой прокладке.

Последний из перечисленных факторов является наиболее опасным, так как наводки в кабельных линиях при близких ударах молнии могут достигать больших значений и вызывать повреждение оборудования. При прямом ударе молнии в линию часть тока молнии непосредственно попадает в проводники и, соответственно, в оборудование.

В условиях железнодорожной инфраструктуры вероятностью такого события пренебрегать не стоит. Железнодорожные системы видеонаблюдения имеют протяжённые кабельные линии, нередко прокладываемые вдоль электрифицированных путей с интенсивным движением поездов. Причём, обычно такие линии прокладываются открытым способом (по ограждениям и опорам, в том числе по опорам контактной сети).

Для оценки возможного уровня воздействий при прямом ударе молнии в кабельную линию можно обратиться к нормам [8], устанавливающим параметры молниевых токов для открытых частей напольного оборудования СЦБ (рельсы, светофоры, приводы стрелок), где возможен прямой удар молнии. Согласно этим нормам, импульсный ток здесь может достигать 25 кА при длительности импульса 10/350 мкс [3], [4].

В связи с этим системы видеонаблюдения, как и другие электрические и электронные системы железнодорожной инфраструктуры, нуждаются в эффективных средствах защиты от импульсных перенапряжений, способных как отводить импульсные токи большой энергии, так и ограничивать уровень остаточного перенапряжения до безопасных для оборудования значений. Даже в случае повреждения кабельной линии применение таких средств позволяет минимизировать ущерб и сократить время восстановления.

Зоновая концепция: защита поэтапно

Решить такую задачу вполне возможно и решается она на основе зоновой концепции защиты от молнии [4]. Несмотря на то, что область применения данного международного документа (МЭК) формально не распространяется на железнодорожные системы, в практике ОАО «РЖД» данная концепция [6] и ГОСТ Р 58232–2018 [11] приняты за основу при построении систем молниезащиты объектов железнодорожной инфраструктуры.

Согласно зоновой концепции, пространство, в котором располагаются защищаемые объекты, разделяется на зоны молниезащиты. Выделяют внешние зоны (0_А и 0_В), где возможен прямой удар молнии или воздействие полного электромагнитного поля молнии, и внутренние зоны (1 и выше), в которых воздействие ослаблено.

Чем выше номер зоны, тем ниже уровень импульсных воздействий и тем более защищено размещённое в ней оборудование. При этом электротехническое оборудование рекомендуется размещать в зоне не ниже 1, а чувствительное электронное оборудование – в зоне не ниже 2 [4].

Границы зон могут быть как физическими (стены зданий, оболочки шкафов и т.п.), так и условными, формируемыми с помощью устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП). При этом УЗИП должны устанавливаться на границах зон независимо от их физической реализации.

Две ступени защиты: почему одного УЗИП недостаточно

Для систем внешнего видеонаблюдения с чувствительным электронным оборудованием, размещённым на открытом воздухе, формирование зоны молниезащиты 2 достигается применением двухступенчатой схемы защиты с использованием УЗИП различных классов испытаний [3]. При этом УЗИП первой ступени формируют зону 1, а второй ступени – зону 2.

УЗИП первой ступени должны быть рассчитаны на воздействие импульсного тока молнии и соответствовать классу испытаний I [3]. Такие УЗИП нормируются импульсным током I_imp длительностью 10/350 мкс, который примерно соответствует длительности первого импульса тока молнии. При этом пропускная способность таких устройств должна превышать ожидаемые значения импульсных токов (свыше 25 кА) с необходимым запасом для возможного воздействия серии импульсов.

В качестве второй ступени применяются УЗИП класса испытаний II (нормируются разрядным током I_n длительностью 8/20 мкс), устанавливаемые на границе зоны 2 или в непосредственной близости от защищаемого оборудования [5]. Дополнительно для электронного оборудования необходимо предусматривать защиту от высокочастотных помех, возникающих при грозовых и коммутационных воздействиях, путём установки помехоподавляющих фильтров.

Следует особо отметить, что двухступенчатая схема защиты реализуется именно двумя согласованными каскадами и не может быть заменена одним комбинированным УЗИП классов испытаний I+II или I+II+III.

Где устанавливать защиту: шкаф питания и полевой PoE-коммутатор

Типовая система внешнего видеонаблюдения представляет собой сеть IP-видеокамер, подключённых к линиям Ethernet с технологией PoE через PoE-коммутаторы. В случае использования оптических линий передачи данных защита от импульсных перенапряжений для них не требуется, однако линии электропитания коммутаторов остаются подверженными всем перечисленным воздействиям.

Таким образом, защита должна обеспечиваться с обеих сторон линии электропитания – как со стороны питающего шкафа, так и на стороне PoE-коммутатора. При этом следует учитывать, что в большинстве случаев применяется оборудование общепромышленного назначения, в котором не учтены специфические условия эксплуатации на железнодорожном транспорте и зачастую отсутствуют встроенные средства защиты от импульсных перенапряжений.

Для питающего шкафа, в котором размещено коммутационное оборудование, как правило, достаточно формирования зоны молниезащиты 1 с применением УЗИП класса испытаний I, в том числе комбинированных устройств классов испытаний I+II или I+II+III.

Для обеспечения надёжной работы PoE-коммутаторов в условиях мощных импульсных воздействий необходимо формирование зоны молниезащиты 2 путём применения двухступенчатой схемы защиты с использованием УЗИП и фильтров высокочастотных помех. Практически это может быть реализовано с помощью специальных щитков защиты от импульсных перенапряжений (ЩЗИП), которые одновременно выполняют функции распределительных устройств с аппаратами токовой защиты. Такие щитки размещаются на той же опоре, что и PoE-коммутатор (рис. 1).

Рис. 1 Примерная схема организации защиты железнодорожной системы видеонаблюдения

Защита питающего шкафа и выбор УЗИП

УЗИП питающего шкафа включаются по выходу фидера питания по схеме защиты от продольных перенапряжений (провод/земля), так как со стороны магистрального кабеля ожидается преимущественно именно этот вид воздействий, при котором импульсное перенапряжение прикладывается одновременно ко всем проводникам кабеля.

В качестве средств защиты целесообразно применять УЗИП ограничивающего типа на базе варисторов, поскольку они обеспечивают более низкий уровень остаточного перенапряжения по сравнению с разрядниками.

Конкретная схема защиты определяется применяемой системой заземления фидера. На практике, как правило, используются системы TN-S или IT (рис. 2).

Зачем нужен отдельный щиток защиты (ЩЗИП)

С учётом того, что через УЗИП могут протекать импульсные токи значительной энергии, их рекомендуется размещать отдельно от защищаемого оборудования. Оптимальным решением является применение отдельного металлического щитка защиты от импульсных перенапряжений (ЩЗИП).

Подключение ЩЗИП может осуществляться как последовательно, так и параллельно. При параллельном подключении длина соединительных проводников должна быть минимальной и не превышать 2 м.

Размещение УЗИП в отдельном щитке обеспечивает:

1. снижение электромагнитного воздействия на оборудование за счёт экранирующего эффекта корпуса;

2. повышение пожарной безопасности при аварийных режимах работы УЗИП.

Дополнительная пожарная безопасность достигается применением УЗИП, оснащённых встроенной тепловой защитой (терморасцепителями).

Следует отметить, что требования по размещению УЗИП в отдельных щитках уже применяются при защите устройств СЦБ [7], где ранее фиксировались случаи возгораний, в том числе при использовании варисторных УЗИП без тепловой защиты.

Токовая защита: как отключить неисправный УЗИП

Для обеспечения непрерывности работы фидеров питания необходимо предусматривать токовую защиту цепей УЗИП при их аварийных режимах, например, при пробое.

Аппараты токовой защиты должны удовлетворять противоречивым требованиям:

1. не срабатывать при прохождении импульсных токов, близких к пропускной способности УЗИП;

2. обеспечивать отключение при длительных токах утечки аварийного УЗИП;

3. соблюдать условие селективности с вышестоящими аппаратами защиты;

4. иметь как можно меньший номинальный ток срабатывания, так как аварийные токи неисправных УЗИП могут составлять единица ампер.

С учётом относительно небольших рабочих токов данных цепей (десятки ампер), этим требованиям соответствуют ограниченное число аппаратов. При этом модульные автоматические выключатели имеют очень низкую стойкость к импульсным токам.

Наиболее предпочтительным решением является использование специализированных устройств безопасного отключения (УБО) с малым номинальным током (не более 3 А).

Контроль состояния защитных устройств

Поскольку срабатывание тепловой или токовой защиты приводит к отключению УЗИП и, как следствие, к отсутствию защиты оборудования, рекомендуется предусматривать контроль состояния защитных устройств.

Контроль может быть:

1. местным (визуальная индикация);

2. дистанционным (сигнализация в систему мониторинга).

Наличие контроля позволяет оперативно выявлять отказ защитных устройств и своевременно принимать меры по восстановлению их работоспособности.

Рис. 2 Примерные схемы защиты трёхфазных фидеров видеонаблюдения систем TN-S и IT

Согласование ступеней защиты PoE-коммутатора

Двухступенчатая схема защиты PoE-коммутаторов может быть реализована единой для любой системы заземления фидера питания.

При этом схема должна обеспечивать защиту:

1. от продольных перенапряжений (провод/земля);

2. от поперечных перенапряжений (провод/провод).

В качестве первой ступени защиты в цепи «провод/земля», на которую приходится основная энергия молниевых токов, могут применяться разрядники класса испытаний I (например, многозазорные), способные отводить импульсные токи до 50 кА (10/350 мкс). Это обеспечивает устойчивость к повторным грозовым воздействиям.

Для корректной работы двухступенчатой схемы необходимо обеспечить согласование ступеней защиты, при котором первая ступень срабатывает раньше второй. Согласование достигается за счёт разнесения ступеней защиты на расстояние не менее 10 м по длине проводников.

Однако в рассматриваемых решениях обе ступени размещаются в одном щитке, что исключает возможность такого разнесения. В этом случае согласование обеспечивается применением специальных импульсных разделительных дросселей, имитирующих требуемую длину линии для импульсного тока путём создания необходимой эквивалентной индуктивности.

Дополнительно для оптимизации компоновки ЩЗИП возможно применение устройств, совмещающих УЗИП второй ступени с помехоподавляющим фильтром (рис. 3).

Рис. 3 Примерная двухступенчатая схема защиты PoE-коммутатора

Заземление: обязательное условие эффективной защиты

Эффективная работа УЗИП невозможна без организации эффективного заземления. Для каждого ЩЗИП необходимо предусматривать локальное заземляющее устройство по месту установки.

Требования для заземляющего устройства:

1. минимальная длина заземляющего проводника;

2. отсутствие петель (индукционных контуров) заземляющего проводника;

3. минимально возможное сопротивление заземления.

Удалённые заземляющие устройства не соответствуют этим требованиям.

Следует отметить, что нормативные значения сопротивления заземления именно для УЗИП не установлены. Поэтому на практике ориентируются на требования к заземлению защищаемого оборудования либо на общие нормы для электроустановок.

При применении системы заземления IT питающего фидера видеонаблюдения требования к заземлению потребителей регламентированы.

В системе заземления TN-S нормируется только заземление источника, а повторное заземление проводника PE у потребителей носит рекомендательный характер и не нормируется [2]. На практике это приводит к тому, что электроснабжающие организации такому заземлению не уделяют должного внимания, и оно не обеспечивает эффективную работу УЗИП.

Такой подход, допустимый с точки зрения электробезопасности, категорически не подходит для задач грозозащиты! В связи с этим, локальное заземление должно выполняться в соответствии с требованиями, предъявляемым к системам молниезащиты, независимо от типа системы заземления питающего фидера.

Особые требования для зоны А электрифицированных путей

Отдельного рассмотрения требуют условия размещения оборудования в зоне А электрифицированных железнодорожных путей [10].

Согласно действующим требованиям [10], металлические корпуса оборудования в данной зоне должны заземляться на рельсовую сеть – напрямую или через разделительные устройства (разрядники или диодные заземлители). Такое заземление обеспечивает электробезопасность при аварийных режимах тяговой сети (падение контактного провода на корпус оборудования).

Однако, с точки зрения защиты от импульсных перенапряжений такое решение является неэффективным и даже опасным:

1. при прямом заземлении оборудование фактически подключается к обратному проводу тяговой сети, что может приводить к затеканию в оборудование части тягового тока;

2. при использовании разделительных устройств эффективное заземление для импульсных токов вообще отсутствует.

Кроме того, при аварийных режимах тяговой сети возможно повреждение подключённого к рельсовой сети оборудования.

В связи с этим для ЩЗИП необходимо предусматривать отдельное заземляющее устройство, изолированное от рельсовой сети.

Практика применения подобных решений существует в системах СЦБ [7]. При этом заземляющее устройство должно:

1. располагаться на расстоянии не менее 10 м от крайнего рельса;

2. не прокладываться параллельно железнодорожному пути;

3. быть электрически изолированным от рельсовой сети.

Для упрощения реализации и повышения безопасности рекомендуется применять корпуса ЩЗИП и прочего оборудования из изолирующих материалов, не поддерживающих горение, что позволяет исключить необходимость их заземления на рельсовую сеть.

Рис. 4 Схема заземления ЩЗИП в зоне А

Практическая реализация и опыт применения

Следует отметить, что все необходимые компоненты для реализации описанных технических решений - УЗИП различных классов испытаний, в том числе интегрированные с фильтрами, со средствами контроля и сигнализации, устройства безопасного отключения (УБО), импульсные разделительные дроссели, комплектные щитки защиты от импульсных перенапряжений - в настоящее время выпускаются, как серийно, так и по заказу, отечественными производителями, специализирующимися на разработке и производстве УЗИП. Более того, описанные технические решения уже применяются на ряде дорог, к примеру, на участках: Москва - Санкт–Петербург (Октябрьская ж. д.), Москва – Петушки (Московская ж. д.), Туапсе – Весёлое, Махачкала – Берикей и Махачкала – Избербаш (Северо-Кавказская ж. д.).   

Список источников

1. Федеральный закон от 09.02.2007 N 16-ФЗ (ред. от 21.04.2025) "О транспортной безопасности";
2. ПУЭ-7 «Правила устройства электроустановок»;
3. ГОСТ IEC 61643-11-2013 «Устройства защиты от перенапряжений низковольтные. Часть 11. Устройства защиты от перенапряжений, подсоединённые к низковольтным системам распределения электроэнергии. Требования и методы испытаний»;
4. ГОСТ Р МЭК 62305-1-2010 «Менеджмент риска. Защита от молнии. Часть 1. Общие принципы»;
5. ГОСТ Р МЭК 62305-4-2016 «Защита от молнии. Часть 4. Защита электрических и электронных систем внутри зданий и сооружений»;
6. Концепция комплексной защиты технических средств и объектов железнодорожной инфраструктуры от воздействия атмосферных и коммутационных перенапряжений и влияний тягового тока.
7. Методические указания по применению устройств защиты от перенапряжения в устройствах ЖАТ. №1225/ЦДИ;
8. СТО РЖД 08.024-2015 «Защита от атмосферных и коммутационных перенапряжений. Требования к характеристикам испытательных импульсов воздействий»;
9. ГОСТ IEC 61643-12-2022 «Устройства защиты от импульсных перенапряжений низковольтные. Часть 12. Устройства защиты от импульсных перенапряжений в низковольтных силовых распределительных системах. Принципы выбора и применения»;
10. ЦЭ-191 «Инструкция по заземлению устройств электроснабжения на электрифицированных железных дорогах»;
11. ГОСТ Р 58232-2018 «Объекты железнодорожной инфраструктуры. Комплексная защита от атмосферных и коммутационных перенапряжений. Общие требования».

Подробнее о технических решениях, особенностях организации защиты и практическом опыте применения систем защиты видеонаблюдения на железнодорожной инфраструктуре читайте в полной статье на сайте К2.