Kiedy stosować izolację galwaniczną i czy to wystarczy?
Odpowiadając krótko na pierwszą część pytania - niemal zawsze w otoczeniu przemysłowym, szczególnie gdy odległości pomiędzy elementami układu automatyki przekraczają kilkanaście metrów lub część systemu stanowią urządzenia elektryczne dużej mocy. Świadome stosowanie izolacji galwanicznej wymaga jednak szerszego wyjaśnienia. (Ze względu na pewną różnicę pojęciową pomiędzy izolacją galwaniczną a separacją sygnału, ograniczymy się tu do przedyskutowania ochronnej roli izolacji. Zagadnienia zachowania integralności sygnału zostały szerzej omówione w artykule: "Do czego służy separacja galwaniczna?".)
O izolacji galwanicznej myśli się głównie przy okazji rozpatrywania zagrożeń ze strony wyładowań atmosferycznych lub skutków przepięć w procesach łączeniowych, często mając na uwadze wyłącznie ochronę wejść i wyjść nadrzędnego systemu kontrolno-pomiarowego. Tymczasem, z punktu widzenia ochrony wejść i wyjść systemu, izolacja galwaniczna nie jest jedyną i często niewystarczającą metodą obrony przed tymi zjawiskami. Tak więc odpowiedź na drugą część tytułowego pytania brzmi - nie, nie zawsze wystarczy jeśli ma pełnić funkcję ochronną. Izolacja galwaniczna ma skończoną wytrzymałość i chroni przed przepięciami tylko do pewnego poziomu napięcia. Ponadto, izolacja galwaniczna umieszczona przy czujniku oddalonym o kilkadziesiąt, czy kilkaset metrów od wejścia systemu, w żaden sposób nie chroni tego wejścia przed przepięciami indukowanymi w liniach sygnałowych (choć chroni je przed różnicą potencjałów masy czujnika i systemu). Mamy nadzieję, że prezentowane poniżej wyjaśnienie zadań izolacji galwanicznej i jej ograniczeń pomoże uniknąć części kłopotów z uruchomieniem systemów automatyki i ograniczyć liczbę awarii.
Zacznijmy od od podstaw, nie przywołując na razie zagrożeń wspomnianych na wstępie. Charakterystyczną cechą systemów automatyki jest rozproszenie obiektów i urządzeń kontrolno-pomiarowych lub sterujących. Głównym zadaniem izolacji galwanicznej jest rozdzielenie gałęzi obwodu tak, aby różnice potencjałów pomiędzy nimi nie powodowały przepływu prądu. W najprostszym przypadku mamy do czynienia z dwoma elementami systemu połączonymi liniami sygnałowymi.
Pracujące urządzenia zasilane z sieci energetycznej powodują przepływ prądu przez wspólną impedancję uziemienia. (Składają się na to prądy wyrównawcze płynące na skutek niesymetrii obciążenia sieci, impedancji przejściowych transformatorów, odbiorników energii oraz sił elektromotorycznych indukowanych przez rozproszone zmienne pola magnetyczne). Na rysunku grubą kreską zaznaczono linie uziemienia w dwóch oddalonych częściach obiektu przemysłowego. W rzeczywistości, żadne punkty wspólnej linii uziemienia nie znajdują się na tym samym potencjale, ale efekt całkowity reprezentuje (zmienna w czasie) różnica potencjałów masy pomiędzy dwiema częściami układu. Przez linie sygnałowe i rezystancje wewnętrzne obu części układu do masy utworzy się zamknięty obwód, przez który będą płynęły prądy mogące uszkodzić wewnętrzne elementy elektroniczne. Jeśli, jak to zwykle ma miejsce, jeden z przewodów sygnałowych stanowi linię odniesienia, połączoną bezpośrednio lub przez niewielką rezystancję z masą, to przejmie on większość prądów zakłócających chroniąc częściowo wnętrze układu. Nadal jednak do sygnału dodawać się będzie spadek napięcia na rezystancji linii odniesienia, a linia ta, wraz z uziemieniem utworzy tzw. pętlę masy.
Oprócz prądów wynikających z różnicy potencjałów (sprzężenie galwaniczne), zakłócenia wnikają do układu poprzez sprzężenia indukcyjne i pojemnościowe. Zmienne pola magnetyczne pochodzące od przewodów zasilających i maszyn (również od prądów płynących przez wspólną linię uziemienia) indukują przepływ prądu we wszelkich zamkniętych obwodach elektrycznych - tym większy, im większa jest powierzchnia obwodu wystawionego na działanie pola. Dotyczy to zarówno linii sygnałowych zamykanych do masy przez rezystancję wewnętrzną układu, jak i pętli masy.
Izolacja galwaniczna pozwala przerwać pętlę masy, ratując nas zarówno przed różnicą potencjałów odniesienia, jak i (częściowo) sprzężeniem indukcyjnym z zewnętrznymi polami magnetycznymi. Aby uniknąć indukowania prądów zakłócających w liniach sygnałowych stosuje się tak zwaną skrętkę. Splecenie przewodu sygnałowego razem z przewodem odniesienia zmniejsza do minimum wpływ pola magnetycznego (dzieląc powierzchnię, przez którą przenika pole magnetyczne na wiele mniejszych o różnej orientacji).
Jeśli przewody sygnałowe biegną obok kabli zasilających, lub innych przewodów i powierzchni pod napięciem, znajdą się w polu elektrycznym indukującym w nich ładunki elektryczne (sprzężenie pojemnościowe). Głównym sposobem obrony przed sprzężeniem pojemnościowym jest właściwe ekranowanie - co jednak wiąże się z dużymi kosztami. Należy więc przestrzegać zasady oddzielnego prowadzenia przewodów sygnałowych - z daleka od wszelkich przewodów i powierzchni przewodzących pod napięciem. ('Pod napięciem' w stosunku do przewodów sygnałowych prowadzonych z innej części obiektu mogą się również znajdować np. rury centralnego ogrzewania.) Pojemności rozproszone pomiędzy przewodami sygnałowymi i liniami zasilającymi powodują powstawanie zakłóceń dodających się równolegle do sygnału (sprzężenie indukcyjne powoduje zakłócenia szeregowe). W przypadku stosowania skrętki przewodów sygnałowych, wpływ tych zakłóceń będzie niemal symetryczny, co, przy zastosowaniu izolacji galwanicznej pozwoli na ich znaczącą redukcję.
(W niniejszym tekście, pisząc o liniach sygnałowych mamy także na myśli linie zasilające niskiego napięcia stałego prowadzone na dłuższe odległości. Niestety, zdolność tłumienia zakłóceń i przepięć pochodzących z linii zasilających przez elementy automatyki takie jak np. przetworniki sygnałowe zależy od producenta i często jest wysoce niezadowalająca. Choć to już obecnie rzadkość, radzimy wystrzegać się urządzeń o nominalnym napięciu zasilania z wąską tolerancją - np. +/-10%. Może to oznaczać brak zabezpieczeń i nieprzewidywalną reakcję na zakłócenia i przepięcia.)
W powyższych uwagach rozważano w zasadzie zagrożenia wynikające z zakłóceń wolnozmiennych (głównie o częstotliwości sieci energetycznej) i miejsce izolacji galwanicznej w ograniczaniu ich wpływu na pracę układów automatyki. Wszystkie dotychczasowe uwagi mają jednak charakter uniwersalny i dotyczą również zagrożeń wspomnianych na wstępie, do których teraz wrócimy.
Największy udział w awariach urządzeń elektronicznych (w tym
także elementów systemów kontrolno-pomiarowych) mają przepięcia przekraczające
górną granicę tolerancji układu elektronicznego. Przepięcia powstają przy procesach
łączeniowych, wyładowaniach atmosferycznych i elektrostatycznych poprzez sprzężenie indukcyjne,
pojemnościowe lub galwaniczne z liniami zasilającymi i sygnałowymi. Efektem są zakłócenia o
bardzo szerokim paśmie częstotliwości i dużej amplitudzie a ich sposób propagacji jest
taki sam jak w przypadku zakłóceń wolnozmiennych. Jako najczęstsze przyczyny
powstawania przepięć przyjmuje się procesy łączeniowe - przełączanie urządzeń i maszyn
o dużych mocach elektrycznych oraz przełączenia i zwarcia w sieci energetycznej.
Jak już wiemy, izolacja galwaniczna może chronić wejścia i wyjścia elementów systemu automatyki
tylko przed napięciami wspólnymi (i tylko do pewnego poziomu) - napięcia różnicowe w liniach sygnałowych mogą stłumić jedynie odpowiednie zabezpieczenia nadnapięciowe. Wszystkie elementy automatyki produkcji CCIBA zawierają takie zabezpieczenia (również na zaciskach zasilania). Niestety, o ile wprowadzenie dyrektywy o kompatybilności elektromagnetycznej zmusiło producentów do stosowania zabezpieczeń, to realizacja tych zabezpieczeń nie zawsze jest właściwa. Cóż z tego, że zabezpieczenia przechodzą testy narzucone normami jeśli zawodzą w realnych warunkach. Na przykład wciąż zbyt często zdarza się, że wejście lub wyjście, choć zawiera elementy zabezpieczające przed przepięciami, to brak jest ochrony przed będącymi ich skutkiem przetężeniami i nawet zwarcie do linii zasilającej powoduje uszkodzenie modułu. Jeśli nie ma pewności, że stosowany element automatyki jest odpowiednio zabezpieczony, najlepiej wybrać inny ;), ewentualnie zastosować oddzielne moduły ochronne zawierające, jak to zostało schematycznie zaznaczone na poniższym rysunku, oba rodzaje zabezpieczeń.
W swojej ofercie posiadamy moduł T600 będący ratunkiem dla linii narażonych na zwarcia z innymi przewodami lub przepięcia łączeniowe. Moduł jest przeznaczony do ochrony wejść prądowych elementów automatyki przemysłowej o zakresach 0-20mA lub 4-20mA. Podstawowym blokiem modułu T600 jest ogranicznik prądu łączony szeregowo z chronionym wejściem. Dodatkowo, chronione wejście jest zabezpieczone przed zmianą kierunku przepływu prądu, oraz przed przepięciami mogącymi wystąpić na przewodach sygnałowych. Jeśli napięcie na zaciskach wejściowych przekroczy 100V, a energia impulsu będzie zbyt duża aby mogła zostać rozproszona wewnątrz modułu, wejście zostanie trwale odłączone. Całość jest umieszczona w obudowie produkcji WAGO o szerokości 10mm wyposażonej w złącze bagnetowe pozwalające na łatwe połączenie z montowanymi na listwach zaciskami tego samego producenta.
Przepięcia mogą się dostać do układu również poprzez niewłaściwie zaprojektowany zasilacz. Dobry zasilacz posiada wbudowane ograniczenie napięcia wyjściowego, które powinno uniemożliwić uszkodzenie zasilanych urządzeń nawet w wypadku awarii zasilacza. Tłumienie przepięć pochodzących z linii energetycznej powinno natomiast mieć miejsce już w części wejściowej zasilacza. Niestety, znane nam są przypadki 'oszczędności' ze strony zarówno producentów, jak i projektantów systemów automatyki korzystających z ich wyrobów, prowadzące do uszkodzenia sprzętu o wartości znacznie przekraczającej cenę zasilacza, o stratach z powodu przestojów nie wspominając. Szczególnie należy uważać przy zakupie 'zbyt tanich' zasilaczy impulsowych, których awaryjność jest wysoka.
Wracając do ograniczeń izolacji galwanicznej, w sposób oczywisty nie może ona chronić przed bezpośrednim wyładowaniem atmosferycznym - poziom ochrony rzędu kilku kV nijak się ma do milionów wolt typowego wyładowania, nie mówiąc już o wchodzącej w grę energii. Jeśli linie sygnałowe wychodzą poza obiekt budowlany, to wątpliwa jest też ochrona w wypadku uderzenie pioruna w obiekt lub w jego bliskim sąsiedztwie. Gdy przewody sygnałowe są długie, nawet w wypadku wyładowania w chmurach może dojść do przepięcia przekraczającego napięcie izolacji. Powłoka chmur i powierzchnia ziemi stanowią ogromny kondensator i ruch ładunków w chmurach znajduje swoje odzwierciedlenie na powierzchni ziemi. Przewody sygnałowe wychodzące poza obiekt budowlany powinny być chronione ogranicznikami tłumiącymi przepięcia do poziomu poniżej odporności bariery galwanicznej i zdolnymi do odprowadzenia do uziemienia prądów udarowych o amplitudzie kilku kA.
Często niedoceniane są zagrożenia wynikające z gromadzenia się ładunku elektrycznego. Choć wejścia i wyjścia modułów automatyki powinny wytrzymywać wyładowania elektrostatyczne, ich zabezpieczenia w najlepszym przypadku spełniają założenia unormowanych modeli wyładowań i przeznaczone są do ochrony przed wyładowaniami pomiędzy przewodami sygnałowymi. Zbyt duże pole elektryczne odkładające się na izolacji galwanicznej może doprowadzić do jej przebicia. Dlatego też nieuziemione czujniki, które mogą przejąć ładunek elektryczny z otoczenia (np. zjonizowanych gazów lub naładowanych cząstek) powinny mieć uziemioną osłonę a przewody doprowadzeniowe powinny być chronione uziemionym ekranem.
Nie będziemy się w tu zajmowali ochroną urządzeń podłączonych bezpośrednio do sieci energetycznej - jest to problem wymagający osobnego omówienia. Na zakończenie poruszymy natomiast sprawę stosowania wspólnego dla kilku kanałów wejściowych lub wyjściowych poziomu odniesienia (masy). Z pewnością każdy zdaje sobie sprawę z tego, że karta wejść/wyjść o wspólnej masie jest znacznie bardziej narażona na uszkodzenie niż pojedyncze wejście lub wyjście. Często stosowana przez producentów kart izolacja grupowa chroni jedynie wnętrze systemu, natomiast różnice potencjału pomiędzy źródłami sygnałów wejściowych będą powodowały błędy pomiaru lub doprowadzą do uszkodzenia układów wejściowych karty. Właściwym rozwiązaniem w przypadkach, gdy mogą się pojawić różnice potencjału (czytaj - gdy źródła sygnału są rozproszone lub pracują w warunkach dużych zakłóceń) jest izolacja źródeł sygnału. Rysunek przedstawia przykładowe rozwiązanie dla wejść 4...20mA systemu pomiarowego o grupowej izolacji.
(Pozostaje jeszcze mieć nadzieję, że wejścia karty są zabezpieczone przed przepięciami indukowanymi w przewodach sygnałowych.)
Początek strony
Wstecz