コンピュータおよびコンピュータネットワークの電気的安全性。スキーム、説明

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コンピュータおよびコンピュータネットワークの電気的安全性。無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

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現在、パーソナルコンピュータを使用する人がますます増えており、多くの組織や機関でコンピュータがローカルネットワークに接続されています。無停電電源装置について、また「通常の動作のためには、コンピュータのケースを接地する必要がある」ということを多くの人が聞いたことがあると思いますが、著者の意見では、コンピュータ機器の電気的安全性の問題は、文献やコンピュータの定期刊行物で十分に取り上げられていません。

現在、電気設備の設計、設置、運用を規制する主な文書は「電気設備の建設に関する規則」[1]です。

電気的安全性を確保する手段を検討してください。

第 1.7.32 条 PUE は、人に対する感電に対する保護措置を規定しています。絶縁変圧器、二重絶縁、接地、接地、保護停止、電位均等化です。

絶縁トランス - これは絶縁性を高めた変圧器であり、そのため一次巻線から二次巻線への電圧伝達の可能性が大幅に減少します。絶縁変圧器は必ずしも降圧である必要はありませんが、二次電圧は 380 V を超えてはなりません (電気設備規則の 1.7.44 項を参照)。さらに、XNUMX つの受電器のみが電源から電力を供給できます。絶縁変圧器。絶縁変圧器の二次巻線とそれに接続されている受電器は接地されていません。接地がない場合、充電部や絶縁が損傷したハウジングに触れても危険はありません。これは、絶縁変圧器の二次ネットワークが通常短く、絶縁が良好な場合の漏れ電流が小さいためです。この場合、二次回路の別の相で絶縁損傷が発生した場合（二重短絡）、接地に対して受電器の本体に電圧が現れる可能性があり、不利な条件では危険となる可能性があります。

二重短絡の可能性を減らすために、電気設備法第 1.7.42.2 項に従って、絶縁変圧器に接続できる受電器は 42 つだけにしてください。スイッチング電源が広く使用され、製品の材料消費量を最小限に抑えることが求められている時代においては、「1.7.44 台のコンピュータ + 42 台の絶縁トランス」という公式が大量に (または広範囲に) 適用される可能性は低いです。低電圧電源 (42 V、PUE の第 XNUMX 項を参照) も材料コストが高くつきます。十分な電力の降圧変圧器が必要です。できれば一次巻線と二次巻線の間の絶縁を強化してください。コンピュータの電源は XNUMX V の電圧に合わせて設計する必要があります。著者は、IBM 互換コンピュータで主電源電圧 XNUMX V の電源が使用されている事例を XNUMX 件も知りません (ただし、この電圧の電源は学校用に製造されました)コンピューター「エレクトロニクス」）、その生産に従事する価値はほとんどありません。したがって、この方法は広く使用することはお勧めできません。

二重絶縁保護方式を検討してください。二重絶縁第 1.7.29 条によると、PUE は「動作絶縁と保護 (追加) 絶縁のセットであり、動作絶縁のみまたは保護 (追加) 絶縁のみの場合、接触可能な受電器の部分に危険な電圧がかかることはありません。コンピュータの電源には通常、入力にフィルタがあり、ネットワークへの干渉を軽減します (図 1)。

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ネットワークコネクタの 2 番目のピンは通常、コンピュータのケースに接続されます。コンデンサ C3 と C1,5 は電源導体に接続され、第 2 端子はコンピュータケースに接続されます。実際、相線と中性線の両方がコンデンサを介してコンピュータのケースに接続されています。これらのコンデンサ (通常はセラミック) は、高電圧 (1.7.48.5 ～ XNUMX kV) 向けに設計されていますが、それでも「二重絶縁」とは言えません。したがって、電源とコンピュータ全体は二重絶縁電気装置とみなされないため、接地 (ゼロ) しないことが可能であると規定する PUE の第 XNUMX 条の対象にはなりません。

実際には、接地されていないコンピュータケースに触れると「挟まれる」ケースがありました。明らかに、これらのケースのほとんどは、コンデンサ C2 および C3 のプレート間絶縁の劣化、言い換えれば、これらのコンデンサの漏れ電流の増加に関連しています。

接地と接地。 PUE の第 1.7.33 条によれば、危険性が高まる地域では、電気設備の接地または接地は、AC 42 V を超え、AC 380 V 未満の定格電圧で実行する必要があります。たとえば、コンピューターがテーブルの上にあり、そのテーブルが断熱グリルで囲まれていない加熱ラジエーターの近くにあり、コンピューターとラジエーターの間の距離が 1 m 以下である場合 (この状況は頻繁に発生します)、次のようになります。すでに危険が増大しています。部屋の温度が 24 時間 1 分間 +35,1°C に維持された場合、その部屋は正式に高リスク部屋として分類される必要があります。

接地 - 電圧損傷から保護することを目的とした手段。絶縁損傷により、通常は通電されていない金属やその他の導電性要素、または機器の部品の表面に発生します。[2]。

電気的安全性は、接地装置システム (接地線と接地線のセットを意味します) を使用することによって実現されます。接地 (保護接地) は、絶縁された中性点 (6 または 10 kV など) で動作するネットワークで使用されます。接地装置を使用した保護の本質は、その両端の電圧降下 (つまり、損傷) が人間にとって危険な値に達しないように、抵抗が十分に小さい接地を作成することです。損傷したネットワークでは、保護装置が確実に動作するのに十分な電流を供給する必要があります。

ゼロ化 - これは、1 kV 未満のしっかりと接地された中性点電圧を持つネットワークでのみ使用される保護手段であり、通常は通電されていない (ただし、絶縁損傷により通電される可能性がある) 機器の金属部分に生じる電圧から保護するように設計されています。損傷した回路に、保護を作動させるのに十分な電流値が生成されます [2]。接地とは、三相電流網の発電機または変圧器のしっかりと接地された中性点によって通常は通電されていない電気設備の部品を意図的に接続することです。したがって、明らかに、接地は接地よりも広い概念と考えることができ、後者も含まれます (受電器のハウジングが接地されている場合、それも接地されます。繰り返しの接地導体がネットワーク内で使用されるかどうかは別の問題です)。しっかりと接地された中性点かどうか）。

接地の物理的本質は図 2 で説明されています。ここで 1 はエネルギー源 (中性点がしっかり接地された降圧変圧器 6 kV/380 V または 10 kV/380 V) です。 2 - 変圧器の中性接地線（主接地線）。 3 - 繰り返しの接地線。 4 - エネルギー消費者（パーソナルコンピュータ）。 5 - 保護装置（ヒューズまたは自動ヒューズなど）。

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相線がハウジングに短絡すると、「相線－中性線」回路に短絡電流Iskが流れ、保護装置がトリップします。タッチ電圧を低減するには、反復接地スイッチ 3 が使用されます。このスイッチが存在しない場合、ハウジングへの相短絡が発生した場合、タッチ電圧 (アースに対するハウジングの電圧) は、次の場合に相電圧の半分になります。相線の抵抗は中性線の抵抗に等しく、相線の抵抗が中性線の抵抗より小さい場合（これはよく起こります）、相電圧の半分以上になります。正しく選択された保護が故障する確率 (相線がハウジングに短絡した瞬間にオペレータがハウジングに触れた場合) は非常に低いですが、完全に排除することはできず、接触電圧がしばらくハウジングに残る可能性があります。。

これを軽減するために反復接地スイッチ 3 が使用され、あたかも中性線を分路するような回路が現れます。この回路の抵抗は中性線の抵抗よりもはるかに大きいため、この回路は中性線を流れる電流値に大きな影響を与えませんが、接地に対する電圧は減少します。再接地電極 (110 つまたはシステム) の抵抗が変圧器の中性点の抵抗と等しい場合、接地に対する接触電圧は中性線の電圧降下の半分に等しくなります (接触電圧、たとえば、XNUMX V が直列接続された接地電極間に均等に分配されます)。したがって、二次接地導体と主接地導体の比率を変更することにより、受電器のハウジング（および供給変圧器のハウジング）上のタッチ電圧を変更することが可能である。しかし、実際には、両端 (受電側と変圧器側) には多数の自然接地導体 (構造物、基礎、パイプライン、金属ケーブルの被覆など) があります。これらの自然接地導体の接地抵抗は、主接地導体および二次接地導体の接地抵抗に反映され、この影響を考慮することは非常に困難です。不確実性が生じますが、これがゼロ調整の欠点です。

図 3 に示す一般的な (そして頻繁に実施されている) コンピュータケースの接地方式は、相線がケースに短絡すると、短絡電流 Is が流れないため、電気的安全性が保証されないことを認識する必要があります。中性線ですが、直列に接続された主線 (2) と繰り返し (3) の接地線を介して接続されます (土壌抵抗も考慮する必要があります)。この電流は保護装置５を作動させるには不十分である可能性があり、相電圧に近いタッチ電圧がコンピュータケース４に長時間残る可能性がある。

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安全シャットダウン - 感電の危険がある場合に電気設備を自動的に停止する即効性の保護機能。保護シャットダウン回路にはさまざまなものがありますが、ほとんどの場合、いわゆるゼロシーケンス変流器に基づいています [4]。保護停止の動作原理を図4で説明します。

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ゼロシーケンス変流器 1 は、1 つの巻線を備えたトロイダルコア (通常はフェライト) です。この装置の動作は、中性線と相線を流れる電流 Iр の差を絶縁する原理に基づいています。巻線 W2 と W1 は同じ巻数を持ち、電流 I2 (相線を流れる) と I1 (中性線を流れる) が逆向きの磁束を生成するように接続されています。電流 I2 と I0 が等しい場合、結果として生じる磁束はゼロとなり、巻線 W1 に電圧は誘導されません。電流が分岐すると (位相が短絡している人体に触れたために)、電流 I2 と I1 が等しくない (I2=I4+I0) ため、結果として生じる磁束はゼロではなくなります。電圧が巻線 W2 に誘導され、アクチュエータデバイス XNUMX が動作し、両方の電源線が負荷から切断されます。設置電流 (負荷がオフになるとき) は、人体に危険を及ぼさない十分に小さい値 (数ミリアンペア) を選択できます。残留電流デバイスには次の利点があります。

地面に対する保護区域の隔離の絶え間ない監視;
ハウジングを接地する場合と接地しない場合の両方で電気的安全性を確保します。通電されている装置の金属本体だけでなく、相線に触れた場合の人の保護。
地面との電気的接続の欠如;
ゼロ化と組み合わせて使用すると、保護の程度が向上します。

残留電流デバイス (RCD) は何年も前に大量生産されました [4]。最新の超小型回路により、ネットワークプラグに組み込むことができる非常に小さなデバイスを作成することが可能になります。 80 年代後半、エレクトロニクス誌は、RCD の主要ブロックを含む超小型回路について説明しました。同様の超小型回路 (K1182CA1) も科学生産センター「SIT」 (ロシア、ブリャンスク) によって製造されています [5]。筆者はプラグにRCDが組み込まれたコンピュータケーブルにまだ出会ったことがなく、そのようなケーブルを自作するのはかなり難しいようです。

ただし、そのようなデバイスを電源、つまり2〜3個のコンピュータ（XNUMXつの接点を持つ）ソケットが固定され、ケーブル付きの通常のXNUMXピン電源プラグが取り付けられている絶縁材料で作られたボックスに組み込むことはかなり可能です。とアース線が接続されています。

したがって、電気的安全性を確保するために、単一のコンピュータユーザーには接地と組み合わせて RCD を使用することが推奨されます。また、接地によりコンピュータのケースから静電電位が除去され、コンピュータの RAM とハードドライブの信頼性が向上します [6]。 RCD を使用する場合、接地要件はそれほど厳しくなくなります (その抵抗は 4 オームを超え、主接地電極の抵抗より大きくなる可能性があります。これにより、接地のあるシステムのようにタッチ電圧が増加することはありません)。。 RCD を使用する場合の欠点は、トリガーされたときにデータが失われる可能性があることですが、これは我慢する必要があります。

ローカルコンピュータネットワークでは、電気的安全性の確保は多少異なります。ローカルネットワークの配線図を図5に示します。

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サーバーには無停電電源装置 (UPS) から電力が供給されます。この UPS では、二次回路は主電源から電気的に絶縁されています。電気的安全性の観点から、UPS (英語表記 UPS) は絶縁変圧器の「改良された類似物」と考えることができます。 XNUMX 本の出力電源線はいずれも接地されません (絶縁トランスの XNUMX 次巻線の端子がいずれも接地されないのと同様です)。

もちろん、ローカルネットワーク上のすべてのコンピュータに UPS を装備すれば、データ損失をなくすことができますが、このソリューションは非常に高価です。もちろん、5 人のユーザーが自分のコンピュータに UPS を装備することもできますが、UPS のコストは RCD のコストより少なくとも数倍高くなります。さらに、二次回路がネットワークから電気的に絶縁されていない UPS もあります。「真の」電気的に絶縁された UPS はより高価です。サーバーに電力を供給する UPS は RCD を通じて電力を供給されますが、この RCD はローカルネットワーク上の残りのコンピュータに電力を供給する「標準」のもの (図 8) とは多少異なります。「標準 RCD」は、アースへの漏れ電流が発生した場合、コンピュータからの電源を遮断します。サーバー RCD は、漏電が発生した場合に電源をオフにせず、UPS ケースに接触電圧があることを示す音声信号をオンにするだけです。 UPS とサーバーの間に同じ RCD を挿入することもできます。この場合、音声信号はサーバーの電源の絶縁劣化を示します。すべてのコンピュータのケースは、別個の導体 10 および 1 によって電源ブロック 5 の接地接点にさらに接続されます (または、サーバーとして接地線 2 に直接接地導体によって接続されます)。これらの導体は、標準のコンピュータコード XNUMX の接地導体と同じです。経験が示すように、標準のコンピュータソケットの接地接点には十分な弾性がなく、「接地」接続が破損することがあります。これは深刻な結果を伴います。原則として、これらの冗長導体がなくても問題ありませんが、その場合は「アース」接続を定期的に監視する必要があり、必ずしも便利であるとは限りません。

ローカルネットワークコンピュータは、T コネクタを使用した標準チップを備えた同軸ケーブルのセクションによって接続され、ケーブルの特性インピーダンスに等しい抵抗を持つ終端器と抵抗器がラインの両端に取り付けられます。ターミネータの 9 つは接地されています (図 5 の接地チェーン 5 をコンピュータのケースに接続できます)。接地線 6 は、接地導体 7 によって接地電極 (または接地ループ) 5 に接続されています。接地線としては、たとえば、断面積が 62 ～ XNUMX mm の銅バスバーを使用できます。非常に柔軟なので、敷くのが簡単です。

接地導体１０と接地線５との接続は、はんだ付けによって行われなければならない。接地導体 10 (鋼が望ましい) は溶接によって接地導体 5 に接続され、はんだ付けによって接地線に接続されます。はんだ付け点は屋内に配置する必要があります。建物内に接地が必要な他の (そしてさらに強力な) 電力消費者がいる場合は、その接地線を接地ループ 6 に直接接続する必要があります。そうしないと、強力な消費者が接地線 7 または接地線 7 に電圧変動を引き起こす可能性があります。接地線 6 が接続されていない場合、これらの変動によりローカルネットワークに障害が発生する可能性があります。電源ブロック 5 および 1 に電力を供給するケーブルは、標準の保護手段 (ヒューズまたは電磁スイッチ) を介して主電源に接続されています。後者の選択は、PUE の要件に従って実行されます。

文学：

ソ連エネルギー省の電気設備建設規則 / PUE - 第 6 版、改訂。そして追加の- M.: エネルギーアトミズダット、1987 年。
マノイロフ V.E. 電気安全の基本。第 3 版、改訂。そして追加の- L.: エネルギー、1976 年。
Tulchin I.K.、Nudler G.I. 住宅および公共の建物の電気ネットワークと電気機器。 - 第 2 版、改訂。そして追加の- M.: エネルギーアトミズダット、1990 年。
Arakelyan M.K.、Vainshtein L.I. 住宅用建物の電気的安全性。 - M.: エネルギーアトミズダット、1983 年。
Radioamator. - 1998. - No. 9.
Muller S. パソコンの近代化と修理 / 翻訳英語から - M.: Eastern Book Company、1996 年。

著者：V。I. Vasilenko

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