W celu ochrony i zapewnienia niezawodności systemów VSS powinny być one zabezpieczone przed oddziaływaniem wyładowań atmosferycznych, które stanowią istotne zagrożenie dla ich poprawnego funkcjonowania.

1. Wstęp

Systemy telewizji przemysłowej (VSS ang. video surveillance system, dawniej CCTV ang. closed-circuit television) wykorzystywane są do nadzoru oraz zwiększenia bezpieczeństwa obiektów wewnątrz budynków oraz w ich otoczeniu.  Szkody wywołane przez bezpośrednie lub pośrednie (przepięcia indukowane) oddziaływanie prądu pioruna mogą skutkować nie tylko poważnymi stratami finansowymi związanymi z fizycznym uszkodzeniem sprzętu ale przede wszystkim z utratą funkcjonalności systemu zmniejszając bezpieczeństwo obiektu.

2. Źródła zagrożeń

Istnieje wiele dróg przeniku przepięć stanowiących zagrożenie dla poszczególnych podzespołów systemu VSS, w skład którego wchodzą urządzenia w centrum nadzoru wizyjnego oraz punkty kamerowe rozmieszczone często na rozległych przestrzeniach.

Kamery umieszczane na zewnętrznej konstrukcji budynków lub na słupach w terenie otwartym narażone są na bezpośrednie oddziaływanie prądu piorunowego. Energia jaką niesie impuls pioruna może spowodować zniszczenie nie tylko sprzętu znajdującego się na zewnątrz budynku, ale może także przeniknąć poprzez linie zasilające i sygnałowe do jego wnętrza powodując jeszcze poważniejsze straty w centrum nadzoru wizyjnego. O ile uszkodzenie pojedynczej kamery powoduje jedynie częściową utratę usług to awaria urządzeń w centrum systemu może spowodować całkowitą przerwę w jego funkcjonowaniu a także utratę ważnych danych. W związku z tym wszelkie elementy zewnętrzne systemu powinny znajdować się w strefie ochronnej instalacji odgromowej (LPS ang. lightning protection system) zgodnie z obowiązującymi normami serii PN-EN 62305 [1].

Istotne źródło zagrożenia stanowią przepięcia pochodzące z zewnętrznych linii zasilających obiekt. Przy bezpośrednim wyładowaniu w linie energetyczne prąd pioruna przy braku odpowiednich zabezpieczeń zagraża wszystkim podzespołom wymagającym zasilania. Ze względu na często znaczne długości tras kablowych zagrożenie dla systemu stanowią także przepięcia indukowane. W tym przypadku zagrożone są nie tylko połączenia z punktami kamerowymi na zewnątrz budynku, ale także w jego wnętrzu. Na przepięcia narażone są zarówno linie zasilające (AC lub DC), jak i sygnałowe (tory wizji i sterowania kamer). Poziomy odporności zdefiniowane w normach dotyczących systemów alarmowych, w tym systemów VSS, opisano w PN-EN 50130-4 [2]. Wartości szczytowe udarów stosowane w badaniach kompatybilności urządzeń (maksymalnie do 2 kV udar 1,2/50 µs) oraz maksymalne napięcia wytrzymywane przez te urządzenia są znacznie mniejsze od wartości przepięć jakie mogą pojawić się w okablowaniu wskutek wyładowań atmosferycznych w związku z czym konieczne jest stosowanie środków ochrony przed przepięciami.

Niestety praktyka pokazuje, że sami projektanci i wykonawcy systemów VSS zwiększają zagrożenie nie tylko dla samego systemu ale także dla życia ludzkiego poprzez złe rozmieszczanie punktów kamerowych i błędne prowadzenie tras kablowych. Wynika to przede wszystkim z braku podstawowej wiedzy z zakresu ochrony odgromowej. W przypadku instalowania podzespołów systemu VSS na istniejących budynkach rzadko zwraca się uwagę na zachowanie bezpiecznych odstępów izolacyjnych pomiędzy kamerami a zwodami lub przewodami odprowadzającymi instalacji odgromowych. Przykłady często popełnianych błędów montażowych przedstawiono na rysunku 1. W przypadku bezpośredniego wyładowania pioruna w budynek, przy przepływie prądu przez przewody odprowadzające LPS może nastąpić przeskok iskry do umieszczonych zbyt blisko instalacji (kamer lub przewodów). Prowadzenie kabli wzdłuż przewodów odprowadzających stwarza możliwość przeniku częściowego prądu pioruna do wewnętrznych instalacji systemu powodując nie tylko zniszczenia urządzeń elektronicznych ale także stwarzając zagrożenie porażenia istot żywych.

^{Rys. 1. Błędy przy montażu kamer systemu VSS: niezachowanie bezpiecznych odstępów izolacyjnych i prowadzenie kabli wzdłuż przewodu odprowadzającego instalacji odgromowej}

3. Ochrona odgromowa

Koncepcja ochrony przedstawiona w serii norm PN-EN 62305 zakłada podział obiektu na strefy ochrony odgromowej (LPZ, ang. lightning protection zone), które można zdefiniować jako:

LPZ 0A – strefa na zewnątrz budynku, w której występuje zagrożenie wyładowania bezpośredniego oraz oddziaływanie całkowitego prądu pioruna i całkowitego pola magnetycznego;

LPZ 0B – strefa na zewnątrz budynku, w której nie występuje zagrożenie wyładowania bezpośredniego ale możliwe jest oddziaływanie częściowego prądu pioruna lub prądów indukowanych oraz całkowitego pola magnetycznego;

LPZ 1…N – strefy wewnątrz obiektu, w których nie występuje zagrożenie wyładowania bezpośredniego, ale możliwe jest oddziaływanie ograniczonego prądu pioruna lub prądów indukowanych oraz całkowitego lub stłumionego pola magnetycznego.

Wszystkie kamery umieszczane na zewnętrznych ścianach lub dachu budynku oraz na słupach kamerowych, powinny znajdować się w strefie LPZ 0B tworzonej przez konstrukcję budynku lub układ zwodów pionowych i poziomych instalacji odgromowej. Strefę 0B wyznacza się metodą wirtualnej kuli toczonej po powierzchni obiektu (metoda bardziej dokładna) lub na podstawie kąta osłonowego α w przypadku zwodów pionowych. W części trzeciej serii norm PN-EN 62305 zdefiniowano cztery klasy LPS, odpowiadające poszczególnym poziomom ochrony odgromowej (LPL ang. lightning protection level). Dla każdej z klas zdefiniowano między innymi wymagania dotyczące minimalnych odstępów między zwodami i przewodami odprowadzającymi instalacji odgromowej, promienia toczonej kuli r oraz wartości kątów osłonowych α dla zwodów pionowych (Tablica 1).

^{Rys. 2. Zależność kąta osłonowego α od wysokości H zwodu pionowego względem płaszczyzny odniesienia i poziomu ochrony odgromowej LPL}

Kamery umieszczane na słupach także powinny znajdować się w strefie osłonowej tworzonej przez zwody pionowe. Zwody te powinny być połączone z uziomem obiektu.

Przy projektowaniu rozmieszczenia kamer i tras kabli na budynku należy uwzględnić możliwość przeskoków iskrowych z elementów LPS przewodzących prąd pioruna. Wszelkie instalacje powinny znajdować się w bezpiecznych odstępach izolacyjnych od zwodów i przewodów odprowadzających, które nie powinny być mniejsze niż:

s = ki / km × kc × l

gdzie:

ki – współczynnik zależny od wybranej klasy LPS: 0,08, 0,06 lub 0,04 odpowiednio dla LPS klasy I, II lub III i IV
km – współczynnik zależny od materiału izolacji, przyjmujący wartości 1 dla powietrza lub 0,5 dla betonu, cegieł lub drewna
kc – współczynnik zależny od rozpływu prądu w elementach LPS
l – długość (w m) wzdłuż przewodu LPS od punktu w którym rozpatrywany jest odstęp s do punktu najbliższego połączenia wyrównawczego

W pierwszej edycji norm PN-EN 62305 (przywołanej w Rozporządzeniu Ministra Infrastruktury) wartość współczynnika kc wyznaczana była w zależności od liczby przewodów odprowadzających oraz od typu uziemienia (uziom poziomy/pionowy typu A lub uziom otokowy typu B). W drugiej edycji norm przedstawiono natomiast metodę uproszczoną oraz metodę dokładną. Metoda uproszczona zakłada wartości kc równe 1, 0,66 lub 0,44 w zależności od liczby przewodów odprowadzających odpowiednio dla 1, 2 lub 3 i więcej przewodów. Metoda dokładna pozwala na oszacowanie czy możliwe są mniejsze odstępy s jednak wymaga głębszej analizy rozpływu prądu pioruna w instalacji LPS. W niektórych przypadkach możliwe jest także wybranie wartości kc na podstawie przedstawionych w normie przykładów.

4. Ochrona przed przepięciami

Ochrona przed przepięciami powinna być projektowana zgodnie ze strefową koncepcją ochrony opisaną w serii norm PN-EN 62305. Poza opisanymi wcześniej strefami zewnętrznymi LPZ 0A i LPZ 0B w ogólnym przypadku analizy systemów VSS można zdefiniować także dwie strefy wewnętrzne:

• LPZ 1 – wnętrze budynku;
• LPZ 2 – pomieszczenie centrum nadzoru wizyjnego (LPZ 2 zawiera się w LPZ 1).

W przypadku niewielkich budynków może nie występować potrzeba określania strefy LPZ 2. Strefowa koncepcja ochrony zakłada stosowanie układów do ograniczania przepięć na granicach poszczególnych stref. Chronione powinny być wszelkie linie zasilające oraz sygnałowe, do których zalicza się tory wizji i sterowania kamer. Wewnątrz budynku układy ochronne powinny być stosowane na wejściu wszystkich linii do pomieszczenia centrum nadzoru wizyjnego (granica LPZ 1/2) co pozwala na zabezpieczenie znajdujących się tam urządzeń do których zaliczyć można monitory, rejestratory, krosownice czy pulpity sterownicze. Poszczególne punkty kamerowe znajdujące się wewnątrz budynku wymagają także dodatkowego zabezpieczenia gdy długość tras kablowych od strefy LPZ 2 jest większa niż kilkanaście metrów ze względu na możliwe przepięcia indukowane. Kamery umieszczane na zewnętrznej konstrukcji budynku i słupach wymagają także zabezpieczenia. W przypadku gdy kamera jest umieszczana na ścianie budynku wszelkie linie zasilające i sygnałowe powinny być wprowadzone do wnętrza jak najkrótsza drogą. Linie z kamer znajdujących się w terenie zaleca się wprowadzać do budynku i zabezpieczać w jednym punkcie (granica LPZ 0/1). Koncepcja strefowej ochrony przed przepięciami systemu VSS przedstawiona została na rysunku 3.

^{Rys. 3. Koncepcja strefowej ochrony przed przepięciami systemu VSS (CCTV)}

4.1. Ochrona zasilania

Ograniczniki przepięć stosowane w liniach zasilających powinny spełniać wymagania zwarte w PN-EN 61643-11 [5] gdzie opisano metody badań takich układów. Zdefiniowano trzy typy ograniczników opisane w tablicy 1.

^{Tablica. 1. Typy ograniczników przepięć dla sieci rozdzielczych niskiego napięcia}

^{Rys. 4. Przykład stosowania ograniczników różnego typu w sieci zasilającej typu TN-C-S}

Ochrona od strony zasilania energetycznego powinna być zapewniona już w rozdzielnicy głównej na wejściu linii zasilającej do budynku (granica stref LPZ 0A/1). Należy stosować tam ograniczniki typu 1. Obecnie są to najczęściej iskiernikowe ograniczniki przepięć wykonywane w technologii bezwydmuchowej zdolne do odprowadzenia prądu piorunowego o wartości szczytowej nawet do 100 kA impulsu 10/350 µs. Ograniczniki typu 1 zapewniają zazwyczaj poziom ochrony poniżej 4 kV lub 2,5 kV, stąd niezbędne jest stosowanie drugiego stopnia ochrony w postaci ograniczników typu 2 w rozdzielnicy lokalnej zasilającej centrum nadzoru wizyjnego (granica stref LPZ 1/2). Ograniczniki przepięć w rozdzielnicy lokalnej powinny zapewnić ograniczenie wartości szczytowych udarów poniżej maksymalnych wartości napięć wytrzymywanych przez znajdujące się tam urządzenia.

Dopuszcza się także stosowanie ograniczników typu 1+2 zdolnych do odprowadzenia prądu piorunowego i ograniczających napięcia do niższych poziomów (rys. 5).

^{Rys. 5. Schemat ogranicznika Leutron typu CT-T1+2/3+1-350-FM (ogranicznik typu 1+2)  do zabezpieczenia rozdzielni głównej}

Jeżeli długość linii zasilającej pomiędzy danym urządzeniem w centrum nadzoru lub punktem kamerowym a rozdzielnicą lokalną jest większa niż kilkanaście metrów to bezpośrednio przy urządzeniu końcowym należy stosować także ograniczniki przepięć typu 3 w celu ochrony przed przepięciami indukowanymi. Ograniczniki przepięć należy dobierać odpowiednio dla napięcia znamionowego zasilania kamer – najczęściej jest to napięcie przemienne 230 V lub 24 V, lub napięcie stałe 12 V. Przy zasilaniu napięciem niższym niż 230 V często bezpośrednio przy kamerach stosowane są przetwornice, w takim przypadku ochrona przed przepięciami powinna być zastosowana na wejściu napięcia zasilającego przetwornicę.

4.2. Ochrona torów sygnałowych

Ograniczniki przepięć stosowane do linii sygnałowych powinny spełniać standardy zgodne z normą PN-EN 61643-21. W kartach katalogowych takich ograniczników można spotkać się z oznaczeniami kategorii C1, C2, C3, D1 lub D2.

Kategorie te definiują poziomy udarów na jaki narażony jest dany typ ogranicznika podczas badań a tym samym określają jego odporność udarową. Obecnie większość układów posiada kategorie C1/C2/C3. Ograniczniki kategorii D1 charakteryzują się wyższym poziomem odporności i są w stanie odprowadzić nawet częściowy prąd pioruna. Charakterystykę poszczególnych kategorii przedstawiono w tablicy 2.

^{Tablica. 2. Parametry udarów prądowych i napięciowych stosowanych w badaniach ograniczników przepięć dla linii sygnałowych}

W systemach VSS do transmisji sygnału wizji wykorzystywane są różne standardy sygnałów z wykorzystaniem linii koncentrycznych (zarówno sygnały analogowe jak i różne warianty transmisji cyfrowej), transmisja po parze oraz Ethernet – w tym często z wykorzystaniem zasilania kamer w standardzie PoE. W niektórych przypadkach dodatkowo zabezpieczenia wymaga obwód sterowania kamery w standardzie RS485 czy RS422. Ograniczniki przepięć powinny być dobierane z uwzględnieniem napięć znamionowych i zakresów częstotliwości sygnałów stosowanych w danym systemie. Napięciowy poziom ochrony ogranicznika powinien być mniejszy niż maksymalne napięcie wytrzymywane przez chronione urządzenie. Przykłady ograniczników przepięć dla linii sygnałowych przedstawiono na rysunku 6.

a) RST CCTV BNC-I 

b) RST NET PoE

c) RST Guard 5V HF

^{Rys. 6. Przykłady ograniczników przepięć linii sygnałowych różnych standardów:
a) linia koncentryczna; b) Ethernet/PoE; c) para żył}

Obecnie dostępnych jest wiele rozwiązań dedykowanych do ochrony przed przepięciami systemów VSS. Na rysunku 7a przedstawiono przykłady układów do ochrony multiplekserów lub rejestratorów w centrum nadzoru wizyjnego. Układ RST Safe CCTV pozwala na zabezpieczenie torów wizji po parze oraz obwodów sterowania kamer.

Układ RST Safe NET PoE z kolej pozwala na zabezpieczenie do 10 torów transmisji Ethernet z zasilaniem w standardzie PoE. Rysunek 7b przedstawia z kolei układ do kompleksowego zabezpieczenia punktu kamerowego z ochroną przed przepięciami toru wizji oraz zasilania kamery w jednej obudowie układu RST TV. Takie rozwiązanie może być stosowane bezpośrednio przy kamerze umieszczonej na ścianie na zewnątrz budynku lub słupie kamerowym.

^{Rys. 7. Dedykowane układy do ochrony systemów VSS (CCTV):
a) ochrona torów sygnałowych centrum dozoru wizyjnego;
b) złącze ochrony przed przepięciami punktu kamerowego}

5. Podsumowanie

Ochrona odgromowa i przed przepięciami wykonana zgodnie z obowiązującymi normami pozwala na uniknięcie strat materialnych oraz zwiększa niezawodność systemów nadzoru wizyjnego VSS. Należy przy tym zwracać szczególną uwagę na rozmieszczenie punktów kamerowych i prowadzenie tras kablowych względem elementów LPS z zachowaniem bezpiecznych odstępów izolacyjnych. Układy ograniczników przepięć powinny być stosowane nie tylko do ochrony poszczególnych punktów kamerowych ale także do zabezpieczenia centrum nadzoru wizyjnego.

^{Literatura
PN-EN 62305-1 Ochrona odgromowa — Część 1: Zasady ogólne
PN-EN 62305-3 Ochrona odgromowa — Część 3: Uszkodzenia fizyczne obiektów i zagrożenie życia
PN-EN 62305-4 Ochrona odgromowa — Część 4: Urządzenia elektryczne i elektroniczne w obiektach
PN-EN 50130-4 Systemy alarmowe — Część 4: Kompatybilność elektromagnetyczna — Norma dla grupy wyrobów: Wymagania dotyczące odporności urządzeń systemów sygnalizacji pożarowej, sygnalizacji włamania, sygnalizacji napadu, CCTV, kontroli dostępu i osobistych
PN-EN 61643-11 Niskonapięciowe urządzenia do ograniczania przepięć — Część 11: Urządzenia do ograniczania przepięć w sieciach rozdzielczych niskiego napięcia — Wymagania i próby
PN-EN 61643-21 Niskonapięciowe urządzenia ograniczające przepięcia — Część 21: Urządzenia do ograniczania przepięć w sieciach telekomunikacyjnych i sygnalizacyjnych — Wymagania eksploatacyjne i metody badań}