Электробезопасность компьютеров и компьютерных сетей

В настоящее время все больше людей пользуются персональными компьютерами, во многих организациях и учреждениях компьютеры объединены в локальную сеть. Многие слышали о бесперебойных источниках питания и о том, что "для нормальной работы корпус компьютера должен быт заземлен", но вопросы электробезопасности компьютерной техники, не получили достаточного освещения в литературе и периодической компьютерной печати.
Радиоконструкторы на любой вкус

В настоящее время основным документом, регламентирующим проектирование, монтаж и эксплуатацию электроустановок, являются "Правила устройства электроустановок". Рассмотрим средства обеспечения электробезопасности П.1.7.32 ПУЭ регламентирует защитные меры от поражения людей электрическим током: разделительный трансформатор, двойная изоляция, заземление, зануление, защитное отключение, выравнивание потенциалов.

Разделительный трансформатор  это трансформатор, имеющий повышенную изоляцию, благодаря чему в значительной мере снижается возможность перехода напряжения первичной обмотки во вторичную. Разделительные трансформаторы необязательно должны быть понижающими, однако вторичное напряжение не должно быть более 380 В (см. п.1.7.44 ПУЭ), к тому же от разделительного трансформатора разрешается питание только одного электроприемника. Вторичную обмотку разделительного трансформатора и электроприемник, подключенный к ней, не заземляют. При отсутствии заземления прикосновения к частям, находящимся под напряжением, или к корпусу с поврежденной изоляцией не создают опасность, так как вторичная сеть разделительного трансформатора обычно коротка, и токи утечки в ней при исправной изоляции невелики. Если при этом возникает повреждение изоляции и на другой фазе вторичной цепи (двойное замыкание), то на корпусе электроприемника может появиться напряжение по отношению к земле, что в неблагоприятных условиях может оказаться опасным. Чтобы уменьшить вероятность появления двойных замыканий, к разделительному трансформатору согласно п.1.7.42.2 ПУЭ можно присоединять не более одного электроприемника. В эпоху повсеместного применения импульсных блоков питания и стремления максимально снизить материалоемкость изделий формула "один компьютер + один разделительный трансформатор" вряд ли найдет массовое (или даже широкое) применение. Питание малым напряжением (42 В, см. п.1.7.44 ПУЭ) также сопряжено со значительными материальными затратами . необходим понижающий трансформатор достаточной мощности, желательно с повышенной изоляцией между первичной и вторичной обмотками; блоки питания компьютеров должны быть рассчитаны на напряжение 42 В. Автору неизвестен ни один случай использования в IBM-совместимых компьютерах блоков питания с сетевым напряжением 42 В (хотя для школьных компьютеров "Электроника" блоки питания с таким напряжением выпускались), да и вряд ли стоит заниматься их производством. Так что и этот метод не может быть рекомендован для широкого применения.

Электробезопасность компьютерной техники

Рассмотрим метод защиты двойная изоляция. Двойная изоляция, согласно п.1.7.29 ПУЭ . это "совокупность рабочей и защитной (дополнительной) изоляции, при которой доступные прикосновению части электроприемника не приобретают опасного напряжения при повреждении только рабочей или только защитной (дополнительной) изоляции. Блок питания компьютера обычно имеет на входе фильтр, ослабляющий помехи в сети (рис.1). Второй контакт сетевого разъема соединен, как правило, с корпусом компьютера. Конденсаторы С2 и С3 соединены с питающими проводниками и вторыми выводами . с корпусом компьютера. Фактически и фазный, и нулевой провода соединены с корпусом компьютера через конденсаторы. Хотя эти конденсаторы (обычно керамические) и рассчитаны на повышенное (1,5.2 кВ) напряжение, все же нельзя сказать, что они обладают "двойной изоляцией". Следовательно, и блок питания, и весь компьютер не могут считаться электроаппаратами с двойной изоляцией, так что они не подпадают под действие п.1.7.48.5 ПУЭ, где говорится о том, что можно не заземлять (занулять).

Электробезопасность компьютеров и компьютерных сетей

На практике имели место случаи, когда незаземленный корпус компьютера при прикосновении "щипался". Повидимому, большинство подобных случаев связано с ухудшением межобкладочной изоляции конденсаторов С2 и СЗ или, иными словами, с повышенным током утечки этих конденсаторов.

Заземление и зануление. Согласно п.1.7.33 ПУЭ заземление или зануление электроустановок необходимо выполнять при номинальных напряжениях выше 42 В, но ниже 380 В переменного тока в помещениях с повышенной опасностью. Если, например, компьютер стоит на столе, стол  вблизи радиатора отопления, не огороженного изоляционными решетками, и расстояние между компьютером и радиатором составляет 1 м или менее (такая ситуация встречается нередко), то это уже создает повышенную опасность. Если в помещении в течение 24 ч 1 мин продержалась температура +35,1° С, то оно формально должно быть отнесено к помещениям с повышенной опасностью.

Заземление  средство, предназначенное для защиты от поражения напряжением, которое вследствие повреждения изоляции возникает на поверхности металлических или других электропроводящих элементов или частей оборудования, нормально не находящихся под напряжением.

 Электробезопасность достигается применением системы заземляющего устройства, под которой понимается совокупность заземлителей заземляющих проводников. Заземление (защитное заземление) применяется в сетях, работающих с изолированной нейтралью (например 6 или 10 кВ). Сущность защиты с помощью устройства заземления заключается в создании такого заземления, которое обладало бы сопротивлением, достаточно малым для того, чтобы падение напряжения на нем (а именно оно и будет поражающим) не достигло значения, опасного для человека; в поврежденной сети необходимо обеспечить такой ток, который был бы достаточным для надежного срабатывания защитных устройств.

 Зануление это защитное мероприятие, применяемое только в сетях с глухозаземленной нейтралью напряжением ниже 1 кВ, предназначенное для защиты от напряжения, возникающего на металлических частях оборудования, нормально не находящихся под напряжением (но могущих оказаться под напряжением вследствие повреждений изоляции), заключающееся в создании в поврежденной цепи значения тока, достаточного для срабатывания защиты. Зануление . это преднамеренное соединение частей злектроустановки, нормально не находящихся под напряжением, с глухозаземленной нейтралью генератора или трансформатора в сетях трехфазного тока. Таким образом, зануление, повидимому, можно считать более широким понятием, чем заземление, и включающим в себя последнее (если корпус электроприемника занулен, то он одновременно и заземлен; другое дело  используются в сети с глухозаземленной нейтралью повторные заземлители или нет).

Физическую сущность зануления поясняет рис.2, где 1 . источник энергии (понижающий трансформатор 6 кВ/380 В или 10 кВ/380 В с глухозаземленной нейтралью); 2 . заземлитель нейтрали трансформатора (основной заземлитель); 3 . повторный заземлитель; 4 . потребитель энергии (персональный компьютер); 5 . устройство защиты (плавкий или автоматический предохранитель и т.п.).

При замыкании фазного провода на корпус в цепи "фазный провод . нулевой провод" течет ток короткого замыкания Iкз, который вызывает срабатывание защитного устройства. Для снижения напряжения прикосновения используется повторный заземлитель 3. При его отсутствии в случае замыкания фазы на корпус напряжение прикосновения (напряжение на корпусе относительно земли) будет составлять половину фазного, если сопротивление фазного провода равно сопротивлению нулевого провода и больше половины фазного, если сопротивление фазного провода меньше сопротивления нулевого провода (что бывает нередко). Вероятность несрабатывания правильно выбранной защиты (при прикасании оператора к кopпyсу в момент замыкания фазного провода на корпус) достаточно низка, однако полностью исключить ее нельзя, и на корпусе некоторое время может сохраняться напряжение прикосновения. Для его снижения служит повторный заземлитель 3. Возникает цепь, как бы шунтирующая нулевой провод. Сопротивление этой цепи значительно больше сопротивления нулевого провода, и поэтому на значение тока, текущего по нулевому проводу, эта цепь существенно не влияет, однако напряжение относительно земли уменьшается.

Если сопротивление повторного заземлителя (одного или системы) равно сопротивлению нейтрали трансформатора , то напряжение прикосновения относительно земли будет равно половине падения напряжения на нулевом проводе (напряжение прикосновения, например, 110 В поровну распределится между последовательно включенными заземлителями). Соответственно изменяя соотношение повторного и основного заземлителей, можно изменять напряжение прикосновения на корпусе электроприемника (а также на корпусе питающего трансформатора). На практике, однако, на обоих концах (у электоприемника и у трансформатора) имеется большое количество естественных заземлителей (арматура соopyжений, фундаменты, трубопроводы, металлические оболочки кабелей и т.п.); сопротивление заземления этих естественных заземлителей отражается на сопротивлении заземления основного и повторного заземлителей, и учесть это влияние достаточно сложно. Возникает неопределенность, являющаяся недостатком зануления.

Распространенную (и часто практикуемую) схему заземления корпуса компьютера, изображенную на рис.3, следует признать не обеспечивающей электробезопасность, ввиду того что при замыкании фазного провода на корпус ток короткого замыкания Iкз течет не через нулевой провод, а через последовательно включенные основной (2) и повторный (3) заземлители (следует учитывать еще и сопротивление грунта). Этот ток может оказаться недостаточным для срабатывания устройства защиты 5, и на корпусе компьютера 4 может длительно сохраняться напряжение прикосновения, близкое к фазному.

 Защитное отключение быстродействующая защита, обеспечивающая автоматическое отключение электроустановки при возникновении в ней опасности поражения током. Существует большое разнообразие схем защитного отключения, но чаще всего их основой является так называемый трансформатор тока нулевой последовательности. Принцип действия защитного отключения поясняет рис.4.

 Принцип действия защитного отключения

 Трансформатор тока нулевой последовательности 1 представляет собой тороидальный сердечник (обычно из феррита) с тремя обмотками. Работа устройства основана на принципе выделения разности токов Iр, проходящих через нулевой и фазный провода. Обмотки W1 и W2 имеют одинаковое количество витков и включены так, что токи I1 (протекающий в фазном проводе) и I2 (протекающий в нулевом проводе) создают противоположно направленные магнитные потоки. При равенстве токов I1 и I2 результирующий магнитный поток равен нулю, и в обмотке W0 никакого напряжения не наводится. При ответвлении тока (вследствие прикосновения человека к корпусу, на который замкнула фаза) результирующий магнитный поток уже не будет равен нулю, так как токи I1 и I2 не равны (I1=I2+I4), и в обмотке W0 наводится напряжение, вызывающее срабатывание исполнительного устройства 2, которое отключает оба провода питания от нагрузки. Ток установки ( при котором происходит отключение нагрузки) может быть выбран достаточно малым (единицы миллиампер), что не представляет опасности для человека.

 Устройство защитного отключения обладает следующими преимуществами: постоянный контроль изоляции защищаемого участка по отношению к земле; обеспечение электробезопасности как с занулением, так и без зануления корпуса; защита человека в случае прикосновения не только к металлическому корпусу прибора, оказавшегося под напряжением, но и к фазному проводу; отсутствие электрической связи с землей; повышение степени защиты при использовании совместно с занулением.

Устройства защитного отключения (УЗО) выпускались серийно много лет назад. Современная микросхемотехника позволяет создать настолько малогабаритные устройства, что их можно встроить в сетевую вилку. Еще в конце 80-х в журнале "Electronics" была описана микросхема, содержащая основные блоки УЗО. Подобную микросхему (К1182СА1) выпускает и НПЦ "СИТ" (Россия, г.Брянск). Автору пока что не встречались компьютерные кабели, в вилку которых было бы встроено УЗО, а самостоятельно изготовить такой кабель, повидимому, достаточно сложно. Однако вполне возможно встроить такое устройство в колодку питания . коробку из изоляционного материала, на которой закреплены 2.3 компьютерные (с тремя контактами) розетки и к которой подведены обычная двухштырьковая сетевая вилка с кабелем и провод заземления. Таким образом, для обеспечения электробезопасности одиночному пользователю компьютера можно рекомендовать применение УЗО совместно с заземлением; заземление к тому же отводит статический потенциал с корпуса компьютера, что повышает надежность работы оперативной памяти и винчестера компьютера. В случае применения УЗО требования к заземлению становятся не такими жесткими (его сопротивление может быть и больше 4 Ом, больше сопротивления основного заземлителя; это не приведет к увеличению напряжения прикосновения как в системах с занулением). Недостаток применения УЗО . возможная потеря данных при его срабатывании, однако с этим приходится мириться. В локальных компьютерных сетях обеспечение электробезопасности выглядит несколько иначе. Электромонтажная схема локальной сети изображена на рис.5.

Сервер питается через источник бесперебойного питания (ИБП); в этом ИБП вторичные цепи гальванически изолированы от питающей сети. С точки зрения электробезопасности ИБП (в английской транскрипции UPS) можно считать "усовершенствованным аналогом" разделительного трансформатора; ни один из двух выходных питающих проводов заземлению не подлежит (так же, как не заземляется ни один из выводов вторичной обмотки разделительного трансформатора). Разумеется, было бы неплохо оснастить ИБП все компьютеры локальной сети, что исключило бы потерю данных, однако это решение требует достаточно больших затрат. Оснастить свой компьютер ИБП может, конечно, и одиночный пользователь, однако стоимость ИБП, по крайней мере, в несколько раз превышает стоимость УЗО. К тому же существуют ИБП, в которых вторичные цепи гальванически не изолированы от сети; "истинные" ИБП с гальванической изоляцией стоят дороже. ИБП, питающий сервер, питается через УЗО, но это УЗО несколько отличается от "стандартного" (на рис.5), через которое питаются остальные компьютеры локальной сети.

 "УЗО стандартное" отключает питание от компьютера, если появляется ток утечки на землю. УЗО сервера не отключает питание при утечке, а лишь включает звуковой сигнал, свидетельствующий о том, что на корпусе ИБП существует напряжение прикосновения. Можно вставить такое же УЗО между ИБП и сервером, звуковой сигнал в этом случае будет свидетельствовать об ухудшении изоляции в блоке питания сервера. Корпусы всех компьютеров дополнительно соединены отдельными проводниками 8 и 10 с заземляющим контактом колодки питания 1 (или присоединены заземляющим проводником непосредственно к магистрали заземления 5 как сервер). Эти проводники дублируют заземляющий проводник стандартного компьютерного шнура 2. Как показывает опыт, заземляющий контакт стандартной компьютерной розетки не обладает достаточной упругостью, "земляное" соединение иногда нарушается, что чревато серьезными последствиями. В принципе, можно обойтись и без этих дублирующих проводников, но тогда необходим периодический контроль "земляного" соединения, что не всегда удобно. Компьютеры локальной сети соединены отрезками коаксиального кабеля со стандартными наконечниками с помощью Т- коннекторов, на обоих концах линии установлены терминаторы и резисторы с сопротивлением, равным волновому сопротивлению кабеля; один из терминаторов заземляется (заземляющую цепочку 9 на рис.5 можно присоединить к корпусу компьютера).

Заземляющая магистраль 5 присоединена заземляющим проводником 6 к заземлителю (или контуру заземления) 7. В качестве заземляющей магистрали можно использовать, например, медную шину сечением 5.62 мм, она достаточно гибкая, что облегчает ее прокладку. Соединение заземляющих проводников 10 с магистралью заземления 5 должно быть выполнено пайкой. Заземляющий проводник 6 (лучше стальной) соединяется с заземлителем 7 сваркой, а с магистралью заземления пайкой, причем место пайки должно находиться в помещении. Если в здании имеются другие (и тем более мощные) потребители электроэнергии, нуждающиеся в заземлении, то их заземляющие проводники следует присоединить непосредственно к контуру заземления 7.

В противном случае мощный потребитель может создать флуктуации напряжения на заземляющем проводнике 6 или магистрали заземления 5, эти флуктуации могут привести к сбоям в локальной сети. Кабель, питающий колодки питания 1 и 3 присоединяют к питающей сети через стандартные средства защиты (плавкие предохранители или электромагнитные выключатели).