Zasada "jednopunktowego uziemienia" w projektowaniu bezpieczeństwa systemów

1. Podstawowe pojęcie „jednopunktowego uziemienia”

Jednopunktowe uziemienie odnosi się do konfiguracji, w której główny host systemu jest podłączony do ziemi w jednym punkcie, podczas gdy wszystkie zdalne urządzenia, w tym kamery i inne sprzęty, muszą pozostać elektrycznie izolowane od ziemi. Dokładniej, „jednopunktowe uziemienie” oznacza, że dla każdego „systemu”, w którym komponenty są bezpośrednio połączone elektrycznie, centralny punkt agregujący (czyli główny host systemu lub host podsystemu) musi być uziemiony tylko w jednym punkcie.

Na przykład, w systemie transmisji światłowodowej: wielokanałowe nadajniki światłowodowe na froncie działają jako hosty podsystemów. Ich obudowy są uziemione w jednym punkcie do ziemi, podczas gdy wszystkie kamery podłączone kablami do tych nadajników światłowodowych muszą pozostać izolowane od ziemi. To stanowi „jednopunktowe uziemienie” dla systemu z bezpośrednim połączeniem elektrycznym. Uziemienie głównego hosta systemu z tyłu nie może zastąpić tego, ponieważ światłowód zapewnia izolację elektryczną między oboma końcami.

2. Wymagania inżynieryjne dla „jednopunktowego uziemienia”

Główny host musi być uziemiony w jednym punkcie, a wszystkie zdalne urządzenia w systemie muszą pozostawać pływające względem ziemi. Elektrostatyczne ładunki generowane w systemie są odprowadzane przez punkt uziemienia hosta, utrzymując statyczną równowagę potencjałów z ziemią, aby zapewnić bezpieczeństwo operacyjne.

Po zaimplementowaniu jednopunktowego uziemienia, „potencjał gruntu” systemu odnosi się do potencjału systemu względem zerowego potencjału ziemi – konkretnie, potencjału w punkcie uziemienia systemu.

W forach branży bezpieczeństwa niektórzy zwolennicy tzw. „profesjonalnej ochrony przed piorunami” opisują indukowane napięcia elektromotoryczne (EMF) na kablach terminami takimi jak „nadnapięcie” lub „wysoki potencjał”, twierdząc, że „uziemienie ograniczników przepięciowych na obu końcach kabla może skłócać oba końce do tego samego potencjału”.

Jednak analiza wysokiej częstotliwości pokazuje, że dla indukowanych EMF na kablach, nawet jeśli opór uziemienia ogranicznika przepięciowego wynosi zero i potencjały gruntu na obu końcach są równe, napięcia zaporowe ograniczników przepięciowych na obu końcach będą zawsze „równe co do wartości, ale przeciwne co do polaryzacji”. Nie ma żadnego prawdziwego stanu równego potencjału. Ponadto, „ścieżka rozładowania do ziemi” obejmuje całkowity impedancję AC/DC kabla i przewodów uziemienia, a także sam opór uziemienia. Koncepcja „skutecznego odprowadzenia prądu piorunowego” w takich konfiguracjach jest tylko iluzją.

Indukowane EMF nie ma związku z ziemią; nie ma problemu z odprowadzaniem prądu do ziemi. „Jednopunktowe uziemienie” ma na celu wyłącznie odprowadzanie elektrostatycznych ładunków w systemie, dlatego nie wymaga niskiego oporu uziemienia ani dedykowanej siatki uziemienia. Zasadniczo różni się od tradycyjnego uziemienia piorunochronu, uziemienia systemu energetycznego lub uziemienia ograniczników przepięciowych zaprojektowanych do obsługi dużych prądów. Proste połączenie zwykłą drutem z armaturą budynku lub rurociągiem wodnym jest wystarczające.

3. Analiza racjonalności „jednopunktowego uziemienia”

„Jednopunktowe uziemienie” eliminuje wszystkie pętle uziemiające, efektywnie blokując ścieżki wtargnięcia „potencjału gruntu indukowanego przez pioruny” i „potencjału gruntu sieci energetycznej” do niskonapięciowych systemów elektronicznych. Jest to najbardziej efektywna podstawowa technika ochrony przed piorunami, tłumieniem przepięć i zapobiegania zakłóceniom.

Z kolei wielopunktowe uziemienie wprowadza interferencje potencjału gruntu, przepięcia sieci energetycznej i napięcia powrotne piorunowe. Wiele rzeczywistych przypadków w inżynierii bezpieczeństwa potwierdziło, że wielopunktowe uziemienie doprowadziło do zniszczenia zarówno sprzętu bezpieczeństwa, jak i urządzeń ochrony przed piorunami.

„Jednopunktowe uziemienie” w systemach bezpieczeństwa nie tylko jest zgodne z ochroną przed indukowanymi piorunami – jest to, w rzeczywistości, podstawowe zasady i niezbędne warunki wstępne dla właściwego projektowania ochrony przed piorunami w takich systemach.

Bezpośrednie uderzenia pioruna nie powinny – i nie mogą – polegać na uziemieniu żadnej części systemu do odprowadzenia. Ochrona przed indukowanymi piorunami wymaga tylko obwodów ochronnych, które tłumią indukowane napięcia na portach sprzętu do poziomu poniżej „maksymalnie bezpiecznego napięcia” sprzętu. Takie obwody ochronne nie muszą być połączone z ziemią.

Przy „jednopunktowym uziemieniu” cały system pływa w tym samym potencjale co punkt uziemienia. Sztuczne tworzenie wielopunktowego uziemienia przy próbach osiągnięcia „równopotencjalności” jest teoretycznie i praktycznie niemożliwe dla szeroko obszarowych systemów informacyjnych.

Przestrzeganie zasady bezpieczeństwa „jednopunktowego uziemienia” pomaga uniknąć wprowadzania w błąd przez mity dotyczące „uziemienia jako ochrony przed piorunami” i zapobiega niepotrzebnym inwestycjom w zbyt skomplikowane systemy uziemienia.