Daños por sobrevoltajes causados ​​por rayos en puertos Ethernet y POTS conectados al cableado interno

Nota del editor: el artículo en el que se basa este artículo se presentó originalmente en el Simposio de la Sociedad de ingeniería de seguridad de productos IEEE de 2014, donde recibió el reconocimiento como el Mejor artículo del simposio. Se reproduce aquí, con permiso, de las actas del Simposio internacional de la Sociedad de ingeniería de seguridad de productos IEEE de 2014 sobre ingeniería de cumplimiento de productos. Derechos de autor 2014 IEEE.

La visión tradicional de los riesgos de rayos para los cables de comunicación alámbricos se ha centrado en los cables tendidos en el exterior, como postes de teléfono u otros entornos expuestos. En general, los cables que se enrutan completamente dentro de un edificio se han considerado inherentemente protegidos contra las sobretensiones por rayos.

Los ingenieros de protección contra rayos siempre han entendido que esta visión no es estrictamente correcta. Existen mecanismos conocidos por los cuales la caída de un rayo cercano puede inducir sobretensiones en los cables internos. Sin embargo, los mecanismos conocidos generalmente entran en juego solo cuando un rayo golpea un objeto cerca del edificio que contiene los cables interiores, o golpea la envoltura exterior del propio edificio. Tales eventos son comparativamente raros.

En los últimos años, se han informado tasas de fallas por sobrecarga más altas de lo esperado para puertos conectados a cables internos. Es posible que el aumento aparente se deba simplemente al hecho de que se están implementando más puertos de cableado internos, lo que hace que los mecanismos de sobretensión convencionales que siempre han estado presentes se vuelvan más evidentes.

Sin embargo, algunos observadores de la industria sospechan que el aumento aparente se debe a cambios en la forma en que se interconectan los sistemas de cableado interno. Estos cambios pueden haber creado nuevos mecanismos de acoplamiento de sobretensiones. Un área particular de interés es la posibilidad de que las sobretensiones en la red eléctrica de CA se acoplen de alguna manera a los cables de comunicación.

Una de las primeras aplicaciones en llamar la atención sobre las fallas de sobretensión en los cables internos fue el uso de terminales de red óptica (ONT). Muchos operadores de telecomunicaciones han implementado sistemas que utilizan un cable de fibra óptica para llevar servicios de voz, datos y video a un hogar o negocio. En algún lugar de la envolvente del edificio o cerca de ella, el cable de fibra termina en la ONT. Desde allí, los puertos de cables metálicos en la ONT se conectan a los cables enrutados completamente dentro del edificio. Los tipos de puertos típicos incluyen Ethernet para servicio de datos, puertos POTS (servicio telefónico antiguo simple) para teléfonos analógicos tradicionales y cable coaxial para servicio de televisión.

En una ONT, los circuitos POTS son circuitos de alimentación de energía conocidos como circuitos de interfaz de línea de suscriptor (o SLIC). Permiten conectar un teléfono convencional a la ONT.

Si bien este artículo utilizará las ONT como un tipo de equipo representativo, el problema de las sobretensiones no se limita a las ONT. Los fabricantes de sistemas telefónicos VOIP que admiten tanto Ethernet como POTS han informado problemas similares.

Como se señaló anteriormente, no está claro si el aumento aparente de las fallas de sobretensión se debe simplemente a que se están desplegando más líneas internas o tal vez a algún otro factor. Por ejemplo, una tasa de falla anual del 1 % podría no llamar mucho la atención de un fabricante con solo 1000 sistemas implementados en el campo. Tener diez sistemas por año que sufran daños por rayos puede no parecer excesivo.

La situación cambia si el fabricante tiene un millón de sistemas desplegados en el campo. Ahora, una tasa de falla anual del 1% corresponde a 10,000 sistemas que fallan por año, por lo que las fallas por rayos pueden atraer más atención.

En el caso de las ONTs, existen varios carriers que cuentan con más de un millón de sistemas en el campo. Y, dado que una falla de ONT da como resultado una llamada de servicio para reemplazar la unidad defectuosa, las fallas de ONT son costosas para el operador.

Para la mayoría de los operadores, una tasa de fallas del 1% es inaceptable. De hecho, algunos operadores consideran que el 0,1% es inaceptable. Por lo tanto, es posible que las fallas de rayos que ahora reciben atención se deban simplemente a que más sistemas son víctimas de los mismos mecanismos de acoplamiento que siempre han estado presentes. Otros observadores piensan que las tasas reales de fallas han aumentado recientemente debido a nuevos mecanismos desconocidos de acoplamiento de sobretensiones. En las siguientes secciones examinaremos ambas posibilidades.

Teoría Convencional

La referencia [1] describe los tres mecanismos de acoplamiento comúnmente aceptados mediante los cuales aparecen sobretensiones por rayos en los cables de comunicación:

En principio, los cables internos son susceptibles a los tres mecanismos anteriores, pero las condiciones para inducir grandes sobretensiones en el cableado interno son limitadas. El mecanismo 1 (acoplamiento de campo lejano) sigue siendo una amenaza para los cables internos porque la mayoría de las estructuras de los edificios brindan una protección relativamente pequeña contra la radiación electromagnética. Las estructuras de madera casi no brindan ningún tipo de protección, y muchos tipos de estructuras de acero solo brindan una protección limitada. Por lo tanto, un cable de 300 metros tendido dentro de un edificio tiene casi la misma exposición al Mecanismo 1 que si estuviera tendido fuera del edificio.

Para el Mecanismo 1, la limitación clave para el cableado interno es simplemente la longitud del cable. Varios estudios de inducción de rayos en cables exteriores [2, 3] han encontrado que un cable de 5000 metros normalmente experimentará sobretensiones máximas de aproximadamente 5 kV en respuesta al Mecanismo 1. Esto implica que la sobretensión máxima en un cable de 300 metros sería proporcionalmente menor, correspondiente a sólo 300 voltios.

El mecanismo 2 (acoplamiento del conductor de bajada) sigue siendo una clara amenaza para los cables internos, pero solo en condiciones limitadas. Este mecanismo requiere que los rayos caigan directamente sobre el edificio o el sistema de protección contra rayos del edificio, y también requiere que el cable interior pase cierta distancia muy cerca de un conductor de bajada que transporte la corriente del rayo. El conductor de bajada puede ser una parte explícita del sistema de protección contra rayos del edificio o puede ser parte del marco de acero del edificio. De hecho, el mecanismo 2 puede ocurrir, pero las condiciones requeridas son lo suficientemente raras como para no explicar las fallas de sobretensión que se observan en el campo.

El mecanismo 3 (GPR) requiere que la corriente del rayo ingrese al suelo cerca del edificio que contiene los cables internos. La proximidad requerida varía con una variedad de factores como la corriente de choque y la conductividad del suelo [4, 5]. Para condiciones típicas, la proximidad requerida para que un rayo genere un gran GPR debajo de un edificio es que la corriente del rayo ingrese al suelo a menos de 100 metros del edificio. Además, el Mecanismo 3 también requiere que un cable afectado dentro del edificio tenga sus dos extremos conectados a diferentes referencias de tierra que estén separadas físicamente.

En principio, la red de distribución de energía eléctrica en un edificio debe tener solo una única referencia a tierra, establecida por una barra de tierra ubicada cerca de la entrada de servicio para el suministro principal de CA, según lo exige el Código Eléctrico Nacional [6]. Si el edificio tiene solo una referencia a tierra, los cables internos no pueden verse afectados por GPR. En la práctica, algunas instalaciones de equipos tienen más de una referencia a tierra, lo que crea las condiciones que permitirían que un rayo cercano indujera sobretensiones a través de GPR.

Para resumir, los tres mecanismos convencionales son de hecho amenazas para los cables enrutados completamente dentro de un edificio, pero la amenaza combinada no parece convincente. Se espera que el mecanismo 1 genere sobretensiones máximas de solo unos pocos cientos de voltios, mientras que el mecanismo 2 y el mecanismo 3 requieren condiciones muy específicas que limitan la probabilidad estadística de que estos mecanismos generen sobretensiones dañinas.

Características inusuales de las fallas observadas

El examen de los puertos ONT dañados [8, 9] ha revelado dos hallazgos bastante sorprendentes:

Por lo tanto, en los cables internos, hay evidencia de picos de voltaje que exceden los 2 kV y evidencia de picos de corriente que exceden el pico de 100 amperios para una forma de onda de 2/10 microsegundos. Dado que la configuración de cableado de Ethernet difiere de la configuración de cableado para POTS, no se puede suponer que el mismo tipo de sobretensión afecta a ambos tipos de puertos. En otras palabras, no se puede suponer que ambos tipos de puertos estén expuestos a sobretensiones de rayos con voltajes de circuito abierto superiores a 2 kV y corrientes de cortocircuito superiores a 100 amperios.

Por ejemplo, dado que los puertos Ethernet contienen una barrera de aislamiento que generalmente evita que la sobrecorriente fluya a tierra, fluirá muy poca corriente a menos que la barrera de aislamiento se rompa. Una vez que la barrera se rompe, solo se requiere una pequeña cantidad de corriente para dañar el chip transceptor de Ethernet. Entonces, en teoría, una forma de onda de sobretensión con un voltaje de circuito abierto de 3 kV y una corriente de cortocircuito de solo 5 amperios podría dañar un puerto Ethernet típico.

La situación inversa se aplica a un puerto POTS. Estos puertos suelen estar referenciados a tierra y están diseñados para generar y absorber corriente. Los protectores contra sobrecorriente que se utilizan normalmente en los ONT sobrevivirán a sobretensiones de rayos de 100 amperios para una forma de onda de 2/10 microsegundos, mientras mantienen el voltaje a menos de 100 voltios. Entonces, en teoría, una forma de onda de sobretensión con un voltaje de circuito abierto de solo 300 voltios y una corriente de cortocircuito de 200 amperios podría dañar un puerto POTS típico.

Es útil tener en cuenta que los proveedores que han aumentado la tolerancia a sobretensiones de sus puertos Ethernet y POTS han visto reducciones significativas en las tasas de fallas de campo. Aumentar la barrera de aislamiento de Ethernet para soportar sobretensiones de modo común de 6 kV parece ser muy útil. De manera similar, se ha demostrado que es muy útil aumentar la tolerancia a sobretensiones del puerto POTS a 500 amperios para una forma de onda de corriente de 2/10. Actualmente no se sabe si estos niveles de tolerancia son realmente necesarios para controlar las fallas de campo, pero parecen ser suficientes.

En resumen, todo lo que se puede afirmar con certeza es que los puertos Ethernet experimentan picos de tensión de circuito abierto entre 2 kV y 6 kV, y los puertos POTS ven picos de tensión de cortocircuito entre 100 amperios y 500 amperios (suponiendo un 2/10 forma de onda de corriente de microsegundos). Actualmente no se conoce la distribución precisa de las sobretensiones dentro de estos rangos.

Ambos rangos exceden lo que normalmente se esperaría para todas las ocurrencias, excepto muy raras, creadas por los mecanismos convencionales descritos en la sección anterior.

Posibles mecanismos de fallas observadas

Dados los altos voltajes de circuito abierto y las corrientes de cortocircuito, combinados con una frecuencia de ocurrencia aparentemente alta, algunos observadores han sugerido que puede haber otros mecanismos de acoplamiento en funcionamiento. Dichos mecanismos podrían estar operando además de los tres mecanismos convencionales descritos anteriormente.

Una fuente cercana de voltaje y corriente suficiente es el suministro de red de CA. Las sobretensiones de rayos que aparecen en un tomacorriente de pared de CA típico pueden ser bastante grandes, con voltajes de circuito abierto de 6 kV y corrientes de cortocircuito de 3 kA [7]. Además, el sistema de red de CA proporciona un camino para que las sobretensiones de los rayos se transporten conductivamente al interior de un edificio. Puede haber algunos mecanismos no obvios que permitan que las sobretensiones en la red de CA se acoplen a los cables de comunicación internos.

Las sobretensiones en la red de CA se consideran una fuente posible porque tienen la energía de sobretensión necesaria y están presentes muy cerca del cableado de comunicaciones interno. En vista de esto, se han propuesto varias teorías para explicar cómo las sobretensiones en la red de CA podrían acoplarse conductivamente al cableado interno para Ethernet y POTS:

La primera teoría es fácil de entender, al menos como teoría de trabajo. La mayoría de los tipos de equipos de clientes conectados a puertos Ethernet y POTS también tienen sus propios puertos de alimentación de CA. Los ejemplos incluirían computadoras y enrutadores conectados a puertos Ethernet y estaciones base de teléfonos inalámbricos conectadas a puertos POTS. Para esta teoría, la pregunta principal que se debe abordar es la probabilidad de experimentar una ruptura del aislamiento desde el puerto de alimentación de CA hasta los puertos Ethernet o POTS.

La segunda teoría (acoplamiento capacitivo) no requiere la ruptura del aislamiento en la fuente de alimentación de CA, pero esta teoría solo se aplica a las fallas de Ethernet. Casi todas las fuentes de alimentación de CA tienen una capacitancia pequeña pero finita entre la red de CA y la salida aislada de la fuente de alimentación. Las sobretensiones con tiempos de subida rápidos en la red de CA pueden acoplar cierta cantidad de energía a través de esta capacitancia. Dado que los puertos Ethernet normalmente contienen su propia barrera de aislamiento, la barrera de aislamiento de Ethernet se coloca en serie con la capacitancia finita dentro de la fuente de alimentación de CA. Esto crea un divisor de voltaje donde una fracción de la sobretensión en la red de CA aparece directamente a través de la barrera de aislamiento de Ethernet.

Esta teoría no se puede utilizar para explicar las fallas de POTS. Los puertos POTS están referenciados a tierra y, por lo general, tienen protección contra sobretensiones del cable a tierra, por lo que generalmente no es posible desarrollar sobretensiones altas en estos puertos. Para dañar un puerto POTS, es necesario forzar una corriente excesiva a través del puerto. La pequeña cantidad de capacitancia a través de la barrera de aislamiento en una fuente de alimentación de CA no es suficiente para acoplar suficiente corriente para dañar un puerto POTS típico.

La tercera teoría (interacciones con protectores contra sobretensiones instalados por el cliente) es la más compleja de analizar, pero esta teoría presenta algunas posibilidades interesantes. Las siguientes secciones discutirán cada una de las tres teorías en mayor detalle.

Teoría 1: avería del aislamiento

La figura 1 muestra una configuración representativa de una ONT con un puerto Ethernet conectado a un enrutador y un puerto POTS conectado a una estación base de teléfono inalámbrico. Las fuentes de alimentación para el enrutador y la estación base del teléfono son fuentes de montaje en pared con un enchufe de alimentación de CA de dos hojas, por lo que estos dos dispositivos no tienen una conexión explícita a tierra. Sin embargo, la fuente de alimentación de la ONT y su circuito interno suelen estar conectados a tierra. Una sobretensión lo suficientemente grande en las entradas de la red de CA del enrutador o del teléfono podría provocar una ruptura catastrófica de las barreras de aislamiento que se encuentran entre esas entradas de la red de CA y la conexión a tierra en la ONT.

Figura 1: Enrutador Ethernet y estación base de teléfono inalámbrico conectados a ONT

Con referencia a la conexión Ethernet que se muestra en la Figura 1, tenga en cuenta que la ruta de sobrevoltaje a través del cable Ethernet tendría que superar tres barreras de aislamiento en serie (Barrera 1, Barrera 2 y Barrera 3). Las pruebas de sobretensión a falla en una muestra aleatoria de equipos de consumo sugieren que la Barrera 1 normalmente tiene una resistencia a la sobretensión de al menos 9 kV, mientras que las Barreras 2 y 3 suelen tener una resistencia a la sobretensión de al menos 2 kV. Por lo tanto, parecería que la ruptura catastrófica de las tres barreras en serie requeriría una sobretensión superior a (9 kV + 2 kV + 2 kV) = 13 kV. Estos picos de tensión pueden aparecer en los puertos de alimentación de CA, pero son estadísticamente raros.

Con referencia a la conexión POTS en la Figura 1, se puede ver que solo hay una barrera de aislamiento (Barrera 4) entre el puerto de alimentación de CA y la referencia a tierra en la ONT.

Dado que la Barrera 4 normalmente soporta sobretensiones de al menos 9 kV, cualquier sobretensión superior a 9 kV presenta el riesgo de una avería catastrófica a través del puerto POTS en la ONT a tierra. Este nivel está dentro del rango de lo que podría ocurrir en un puerto de alimentación de CA, pero estadísticamente sería muy poco frecuente.

El análisis anterior se basa en la suposición de que las barreras 1 y 4 de la fuente de alimentación de CA tienen niveles de ruptura que "normalmente superan los 9 kV", según lo determinado mediante pruebas en una muestra aleatoria de equipos de consumo. Este hallazgo está respaldado por el hecho de que las barreras de suministro de energía de la red de CA están sujetas al cumplimiento de normas de seguridad como UL 60950-1 [10] que especifican rigurosamente la barrera de aislamiento.

Los requisitos de construcción impuestos a la barrera de aislamiento de la red de CA incluyen la distancia de fuga, la distancia libre y la distancia a través del aislamiento sólido. Algunos de los requisitos son más bajos para un suministro de red de 120 VRMS que para un suministro de 240 VRMS, pero la mayoría de los suministros de energía que se venden ahora en los EE. UU. están clasificados para ambos voltajes de entrada.

Para un suministro que cumpla con [10] y esté clasificado para una entrada de 120 a 240 VRMS, la distancia de fuga y la distancia de despeje de la barrera de aislamiento estarán en el rango de 4 mm, la distancia a través del aislamiento sólido excederá los 0,4 mm y el hipot de producción la prueba será de 3000 VRMS (pico de 4242 voltios). En la práctica, las fuentes de alimentación que están diseñadas para cumplir con los requisitos de construcción en [10] suelen tener umbrales reales de sobretensión por encima de 9 kV.

Curiosamente, algunas fuentes de alimentación de reemplazo genéricas compradas en Internet mostraron niveles de ruptura tan bajos como 3 kV. La inspección interna reveló que las barreras de aislamiento en estos suministros no cumplían con [10]. Estos suministros no conformes no tenían marcas de seguridad de laboratorios independientes, aunque tenían la marca CE para la autodeclaración del fabricante en Europa.

En la actualidad, no hay pruebas de que los fabricantes de enrutadores y teléfonos inalámbricos utilicen fuentes de alimentación no conformes. Por lo tanto, a los efectos del presente análisis, se ha asignado un umbral mínimo de ruptura de 9 kV a las fuentes de alimentación de montaje en pared. Sin embargo, vale la pena señalar que algunas fuentes de alimentación disponibles en el mercado tienen umbrales de avería más bajos.

Para las barreras de aislamiento de Ethernet que se encontró que tenían una tolerancia a sobretensiones que "generalmente supera los 2 kV", este hallazgo parece razonable dado que el estándar de Ethernet IEEE 802.3 [11] requiere una barrera de aislamiento con una capacidad nominal de 1500 VRMS, que corresponde a un pico de 2121 voltios. . Tenga en cuenta que [11] es simplemente un estándar de la industria en lugar de un estándar regulatorio, por lo que no existe una aplicación formal de este requisito. Sin embargo, prácticamente todos los transformadores Ethernet disponibles en el mercado están clasificados por sus fabricantes para tener un aislamiento de 1500 VRMS.

La mayoría de las interfaces Ethernet también contienen un condensador que salva la barrera de aislamiento. Este capacitor es el tema de la siguiente sección y se discutirá con mayor detalle allí.

En resumen, la falla catastrófica de las barreras de aislamiento en la Figura 1 parece ser un candidato poco probable para explicar las fallas inusuales de sobrevoltaje que se discuten aquí. Esto es particularmente cierto para los puertos Ethernet, ya que una avería catastrófica probablemente requeriría sobretensiones de más de 13 kV. Incluso para los puertos POTS, el nivel de sobretensión requerido probablemente superaría los 9 kV.

Teoría 2: Acoplamiento capacitivo a través de la fuente de alimentación de CA

La figura 2 muestra una configuración representativa de una ONT con un puerto Ethernet conectado a un enrutador. En este caso, la capacitancia a través de cada una de las tres barreras de aislamiento sucesivas está representada explícitamente por los capacitores C1, C2 y C3.

Figura 2: Ruta de acoplamiento capacitivo a través del enrutador Ethernet

Es importante entender que estas no son solo capacitancias parásitas de parámetros como la capacitancia entre devanados en los transformadores. Más bien, cada capacitor es un capacitor físico de alto voltaje colocado intencionalmente a través de la barrera de aislamiento por el diseñador del circuito.

El condensador C1 aparece en casi todas las fuentes de alimentación conmutadas y tiene un valor típico de 2200 pF. Su finalidad es controlar las emisiones conducidas en la red de CA. El valor máximo de C1 está limitado por los requisitos de seguridad con respecto a la corriente de contacto en la salida aislada de la fuente de alimentación [10]. En algunos casos, C1 puede ser superior a 2200 pF.

Tenga en cuenta que el condensador C1 no es necesario en una fuente de alimentación lineal que combina un transformador reductor de 60 Hz con un regulador lineal, ya que no hay ruido de conmutación que mitigar. En un suministro lineal, la capacitancia representada por C1 es solo la capacitancia parásita entre devanados del transformador de 60 Hz. Los valores típicos para esta capacitancia parásita están en el rango de 100 pF.

Hasta hace unos años, la mayoría de los enrutadores Ethernet pequeños usaban una fuente de alimentación lineal montada en la pared. Debido a los crecientes requisitos normativos para la eficiencia energética, los suministros lineales de montaje en pared se han eliminado en su mayoría a favor de los suministros de conmutación de montaje en pared. Por lo tanto, la presencia de un condensador C1 explícito en la fuente de alimentación para enrutadores Ethernet pequeños es un cambio reciente. Como se verá, el valor de C1 tiene un efecto sobre las sobretensiones que se acoplan desde la red de CA a los puertos Ethernet del enrutador y la ONT.

Los condensadores C2 y C3 se utilizan en la mayoría de los puertos Ethernet para reducir las emisiones de modo común y la susceptibilidad a la RF conducida. Un valor típico es 1000 pF.

Usando valores típicos de 2200 pF para C1 y 1000 pF para C2 y C3, encontramos que para una sobretensión entre la entrada principal de CA del enrutador y la tierra de la ONT, aproximadamente el 18 % de la sobretensión aparece en C1, el 41 % en C2 y 41% en C3. Tenga en cuenta que reducir la capacitancia de C2 y C3 aumentará el porcentaje de la sobretensión que aparece entre ellos. Aumentar la capacitancia de C1 también aumentará el voltaje en C2 y C3.

Por lo general, el capacitor C1 es un capacitor robusto de alto voltaje porque une una barrera de aislamiento de seguridad y está sujeto a un escrutinio cuidadoso durante la evaluación de seguridad de la fuente de alimentación de CA. Será un capacitor llamado "Y1" debido a su clasificación en [12] como un componente que puede puentear una barrera de aislamiento de seguridad. Los condensadores Y1 para redes de 240 VRMS están clasificados para soportar múltiples sobretensiones de 8 kV. Su umbral de falla real suele ser mucho más alto.

Por otro lado, los capacitores C2 y C3 generalmente no son capacitores con clasificación de seguridad porque la barrera de aislamiento en un puerto Ethernet generalmente no se considera una barrera de aislamiento de seguridad. Para la mayoría de las aplicaciones, los cables Ethernet para interiores se clasifican como circuitos SELV según [10]. Esto los coloca en la misma clase que los circuitos internos a los que se conectan en la mayoría de las computadoras y enrutadores, por lo que [10] no requiere ninguna forma de aislamiento de seguridad.

Sin embargo, en un puerto Ethernet diseñado correctamente que cumpla con IEEE 802.3, estos capacitores y el transformador Ethernet asociado estarán clasificados para sobrevivir a una prueba hipot de 1500 VRMS CA o 2250 VCC porque este nivel de aislamiento se menciona en IEEE 802.3. En general, se cree que el requisito de aislamiento en IEEE 802.3 se originó como un requisito funcional destinado a proporcionar una inmunidad sólida a la interferencia de modo común, pero los orígenes reales de este requisito no están claros.

Para el presente análisis, lo importante es comprender que C2 y C3 no suelen tratarse como capacitores con clasificación de seguridad y no son revisados ​​por las agencias de seguridad. Además, el requisito de aislamiento en IEEE 802.3 es solo un requisito funcional que aparece en un estándar industrial voluntario. Por lo tanto, no hay agencias reguladoras que analicen estos condensadores, y hay pocos incentivos para que los ingenieros de diseño presten mucha atención a estos condensadores. La mayoría de los fabricantes ni siquiera realizan la prueba hipot IEEE 802.3 para confirmar que su diseño cumple con el requisito de aislamiento 802.3.

Como resultado, C2 y C3 generalmente son seleccionados por diseñadores individuales que pueden no estar pensando en pruebas hipot y tolerancia a sobretensiones. En la mayoría de los diseños de productos, los condensadores utilizados para C2 y C3 son pequeños componentes de montaje en superficie con clasificaciones de voltaje que apenas les permiten pasar las pruebas de aislamiento en IEEE 802.3.

Esto hace que C2 y C3 sean candidatos probables para la ruptura del aislamiento si se encuentran niveles de sobretensión superiores a los esperados. La energía de sobretensión se puede acoplar de forma capacitiva a través de C1, que normalmente no sufre daños debido a su construcción robusta como condensador con clasificación de seguridad. C2 y C3 son más vulnerables porque son menos robustos y porque frecuentemente tienen valores de capacitancia más bajos que C1. Estos valores de capacitancia más bajos hacen que C1 y C2 experimenten una mayor proporción de la sobretensión total.

El examen de los puertos Ethernet que sufrieron una ruptura del aislamiento en el campo a menudo muestra un capacitor dañado y ningún daño al transformador asociado.

Teoría 3: Interacciones no deseadas con protectores contra sobretensiones instalados por el cliente

Hay varias formas en que los protectores contra sobrevoltaje podrían crear sin querer sobrevoltaje en los puertos Ethernet y POTS. Debido a la gama de posibles configuraciones de instalación del cliente, la variedad de posibles mecanismos es bastante grande y no todos ellos pueden discutirse aquí. La siguiente discusión se centrará en sólo dos posibles mecanismos:

La figura 3 es una fotografía de varios "protectores de sobrevoltaje combinados" representativos. Cada uno de estos dispositivos combina circuitos de protección contra sobretensiones para cuatro tipos de puertos: red de CA, Ethernet, POTS y coaxial. Las variaciones comunes del protector contra sobretensiones combinado omiten uno o más de los cuatro tipos de puertos, pero los esquemas de protección individuales utilizados en cada uno de los tipos de puertos restantes serán similares a los circuitos que se describen aquí.

Figura 3: protectores contra sobretensiones combinados

La Figura 4 muestra un esquema muy simplificado del circuito interno en un protector contra sobretensiones combinado. Es importante comprender que, si bien se utilizan varios componentes de protección contra sobretensiones en puertos multiconductores, como Ethernet y POTS, el diagrama de la Figura 4 los representa como un solo dispositivo en cada tipo de puerto. Esta simplificación se ha realizado para que la discusión pueda centrarse en las sobretensiones de modo común.

Figura 4: Diagrama de cableado doméstico con protector contra sobretensiones combinado instalado

Los componentes de protección contra sobretensiones comúnmente utilizados para la protección en una toma de corriente de CA son varistores de óxido de metal (MOV) con voltajes de umbral de aproximadamente 400 voltios. De manera similar, los MOV son el tipo más común que se usa en los puertos POTS, aunque los voltajes de umbral suelen estar en el rango de 300 voltios. Los componentes más comunes utilizados para la protección de Ethernet son los diodos TVS con umbrales de aproximadamente 70 voltios, generalmente en combinación con un conjunto de diodos de dirección que permiten que un solo diodo TVS proteja los cuatro pares del cable Ethernet. Para la protección coaxial, la mayoría de los protectores contra sobretensiones utilizan tubos de descarga de gas (GDT) con voltajes de umbral de aproximadamente 100 voltios.

El circuito del protector contra sobrevoltaje combinado en la Figura 4 crea oportunidades para que un sobrevoltaje en la red eléctrica de CA pase conductivamente a cada uno de los otros tipos de puertos que el protector contra sobrevoltaje está diseñado para proteger. Cualquier protector contra sobretensiones que combine un puerto de alimentación de CA protegido con cualquier otro tipo de puerto presentará este riesgo.

El riesgo de acoplamiento más simple ocurre si por alguna razón la conexión a tierra utilizada por el protector contra sobretensiones se deja abierta. Dado que el protector contra sobretensiones de la Figura 4 une intencionalmente todos los puertos a través de componentes de protección de voltaje comparativamente bajos, lo único que evita que aparezcan sobretensiones en un puerto en todos los demás puertos es una conexión confiable a tierra.

Esto es fácil de visualizar imaginando que la conexión a tierra en el punto A en la Figura 4 está abierta. Con el punto A abierto, las sobretensiones que aparecen en el puerto de alimentación de CA no se llevan a tierra a través del punto A. El siguiente mejor camino a tierra es a través de uno o más de los puertos protegidos conectados a la ONT.

El punto clave aquí es que las sobretensiones de rayos siempre buscarán el camino de menor impedancia a tierra. El funcionamiento adecuado de los protectores contra sobretensiones como el de la Figura 4 depende completamente de tener una ruta de baja impedancia a tierra a través de su conexión a tierra en el tomacorriente de pared de CA. Si por alguna razón esta tierra se vuelve poco confiable, las sobrecorrientes buscarán el siguiente mejor camino a tierra. Ese camino podría ser a través de una pieza de equipo que el protector contra sobretensiones estaba destinado a proteger. El aspecto irónico de esto es que tener un protector contra sobretensiones combinado con una conexión a tierra no confiable puede ser peor que no tener ningún protector.

Si bien es fácil ver cómo la falta de conexión a tierra en un protector de sobrevoltaje combinado acoplaría fácilmente los sobrevoltajes de la red de CA directamente a cualquier otro puerto, parece poco probable que este mecanismo pueda explicar la cantidad de fallas de sobrevoltaje que se han experimentado en el campo. Después de todo, la mayoría de los protectores contra sobretensiones se enchufan correctamente en un tomacorriente de pared de CA que acepte un enchufe con clavija de conexión a tierra, y la mayoría de los tomacorrientes de pared tienen esta tierra conectada de manera confiable a la varilla de tierra en la entrada de servicio de la red de CA. Ciertamente ocurren excepciones, pero probablemente no estén muy extendidas.

Sin embargo, el tipo de daño que puede ocurrir con una conexión a tierra faltante en el protector contra sobretensiones también puede ocurrir incluso si la conexión a tierra está conectada correctamente a la varilla de conexión a tierra en la entrada de servicio. La razón por la que esto puede ocurrir tiene que ver con la inductancia del cable de tierra.

Un solo cable tiene una cantidad pequeña pero finita de inductancia, típicamente en el rango de 2 microhenrios por metro. Por lo tanto, un cable de tierra de 50 metros que conecta un protector contra sobretensiones a la varilla de tierra tendrá aproximadamente 100 microhenrios de inductancia.

En el caso del cable de tierra asociado con un tomacorriente de CA, una longitud de 50 metros no sería inusual. Los cables de tierra asociados con los tomacorrientes de CA en un edificio generalmente están cableados en una configuración de estrella que se origina en el panel eléctrico en la entrada del servicio de CA. El nodo de tierra central en el panel eléctrico está, a su vez, conectado a una varilla de tierra por un cable que suele ser bastante corto.

Por lo tanto, mientras que el nodo de tierra central en el panel eléctrico se puede considerar como una tierra de baja impedancia, no se puede decir lo mismo de la tierra que se presenta en un tomacorriente dado.

A frecuencias de alimentación de CA de 50/60 Hz, una inductancia de 100 microhenry crea una impedancia insignificante. Sin embargo, para una forma de onda de aumento rápido, esta misma inductancia puede crear una impedancia muy alta. Para entender cómo ocurre esto, recuerde que el voltaje V a través de un inductor L está representado por la siguiente expresión, donde di/dt representa la tasa de cambio de la corriente en el inductor:

V = L(di/dt)

Una sobretensión representativa de un rayo en la red de CA podría tener una forma de onda de corriente de cortocircuito de un pico de 500 amperios con un tiempo de subida de 8 microsegundos [7]. Aplicando estos valores a un inductor de 100 microhenry, el voltaje calculado es de 6,25 kV.

Este cálculo simplifica demasiado la situación de una forma de onda de sobretensión que tiene un tiempo de subida exponencial, pero el principio básico sigue siendo válido. Grandes picos de corriente con tiempos de subida rápidos pueden generar caídas de tensión de varios miles de voltios en un cable de tierra largo.

Volviendo a la Figura 4, considere lo que sucede cuando aparece una sobretensión eléctrica en el tomacorriente de CA. Los componentes de protección P1 y/o P2 se encienden a 400 voltios nominales y la corriente de sobretensión intenta fluir a través del cable a tierra de la salida de CA de regreso al panel eléctrico. Si se desarrolla una caída de voltaje de 6 kV a lo largo del cable de tierra (representado por L-GND en la Fig. 4), todo el nodo de referencia de tierra dentro del protector contra sobretensiones se eleva a un potencial instantáneo de 6 kV por encima de la tierra.

Esto tiene el efecto de elevar el extremo del protector contra sobretensiones de cada cable conectado (red de CA, Ethernet, POTS y coaxial) a un valor instantáneo de 6 kV sobre la tierra. En este punto, las sobretensiones que normalmente se espera que salgan a través de la conexión a tierra pueden encontrar otras rutas más atractivas a tierra a través de los cables conectados.

El punto clave aquí es que una sobretensión de tiempo de subida rápido y alta corriente en la red de CA puede interactuar con la inductancia del cable de tierra para crear una sobretensión de modo común de alto voltaje en cada cable que está conectado al protector contra sobretensiones. En cierto sentido, el protector contra sobrevoltaje toma un sobrevoltaje en la red de CA y lo "transmite" a cada cable que está conectado al protector contra sobrevoltaje. Esto sucede a pesar de que el protector contra sobretensiones se ha instalado correctamente y el cable de tierra de la toma de corriente de CA está conectado correctamente.

Un aspecto interesante de este mecanismo de sobrevoltaje es que el equipo ubicado junto con el protector contra sobrevoltaje generalmente no se daña por el sobrevoltaje, ya que el protector contra sobrevoltaje y todo el equipo ubicado en el mismo lugar tienen aproximadamente el mismo aumento potencial de voltaje con respecto a la tierra. El daño ocurre en el equipo conectado al otro extremo del cable sobre el cual la sobrecorriente logró fluir. Por lo tanto, si la sobretensión encontró una ruta a tierra a través de un puerto Ethernet o un puerto POTS en una ONT, lo único dañado como resultado es el puerto de la ONT. Para el cliente, parece que la ONT tenía algún tipo de problema aislado que no estaba relacionado con ninguna otra parte de la instalación del cliente.

La referencia [13] contiene una excelente descripción de los riesgos creados por el uso inadecuado de protectores contra sobretensiones. En principio, estos riesgos pueden mitigarse mediante un análisis cuidadoso de los equipos interconectados y la puesta a tierra dentro del edificio. Con base en los hallazgos de este análisis, se colocan protectores contra sobretensiones en puntos estratégicos del edificio.

Desafortunadamente, la mayoría de los usuarios no están técnicamente calificados para realizar el análisis requerido. La mayoría de los usuarios simplemente comprarán un protector contra sobretensiones y lo instalarán cerca del equipo que desean proteger. Es posible que no se den cuenta de que hacerlo tiene el efecto de dirigir picos de corriente a otros equipos ubicados en otras partes del edificio.

Resumen

En los últimos años, muchos proveedores de equipos de telecomunicaciones han experimentado tasas más altas de lo esperado de daños por descargas eléctricas en los puertos Ethernet y POTS que se conectan solo al cableado interno. El daño físico resultante indica que se están produciendo picos de tensión que superan los 2 kV en los puertos Ethernet y picos de corriente que superan los 100 amperios (para una forma de onda de corriente supuesta de 2/10 microsegundos) en los puertos POTS. Estos niveles no se explican fácilmente con las suposiciones convencionales sobre cómo las sobretensiones de los rayos se acoplan a los cables que se enrutan por completo dentro de un edificio.

Si bien al menos uno de los mecanismos convencionales conocidos (GPR) es capaz de crear sobretensiones tan grandes, las condiciones requeridas son comparativamente raras. Parece que algunos otros mecanismos pueden estar en el trabajo.

Los expertos de la industria han propuesto varias teorías para mecanismos alternativos. Tres de estas teorías han sido discutidas en detalle. Estas tres teorías se basan en la noción de que las sobretensiones en la red eléctrica de CA se acoplan de alguna manera a los cables internos de Ethernet y POTS.

El análisis sugiere que la primera de estas teorías parece improbable, y la segunda teoría, aunque bastante plausible, solo puede usarse para explicar las fallas que involucran la interrupción del aislamiento en un puerto Ethernet. Esta teoría no explica las fallas de POTS.

Una tercera teoría se centra en los efectos secundarios no deseados de los protectores contra sobretensiones instalados por el cliente. Estos dispositivos se han vuelto más comunes en los últimos años. La tercera teoría puede producir daños que coincidan con las fallas observadas en los puertos Ethernet y POTS.

Un siguiente paso útil para probar estas teorías sería recopilar datos sobre fallas de campo reales para tratar de hacer coincidir sus características con una de las teorías candidatas.

Por ejemplo, la Teoría 1 provocará daños en el equipo conectado al puerto asociado. La teoría 2, que se aplica solo a los puertos Ethernet, no produce daños al equipo conectado y, lo que es más importante, implica corrientes de sobretensión relativamente bajas. El daño resultante de la Teoría 2 mostraría muy poca evidencia física, como rastros de tableros de circuitos derretidos o materiales carbonizados. Sin embargo, una inspección minuciosa puede revelar trazas de arco en ciertas áreas dentro del puerto o daños internos en los circuitos integrados. Theory 3 puede acoplar sobretensiones de muy alta energía en puertos POTS o Ethernet, sin causar daños al equipo conectado. Sin embargo, la Teoría 3 solo se aplica a los casos en los que el cliente ha instalado un protector contra sobretensiones multipuerto.

Desafortunadamente, los fabricantes de equipos con puertos Ethernet y POTS tienen poco control sobre las características del entorno de alimentación y conexión a tierra en el que se instalarán sus equipos. Esto significa que incluso si las evaluaciones de campo confirman que los mecanismos de cualquiera de estas teorías están causando las fallas observadas, es poco lo que los fabricantes pueden hacer para evitar que ocurran las sobretensiones.

Si bien los mecanismos teóricos presentados aquí deben estar sujetos a más estudios, los fabricantes que deseen reducir de inmediato sus tasas de fallas en el campo pueden tomar ciertas medidas sin comprender necesariamente las causas subyacentes.

Parece que aumentar la tolerancia a sobretensiones de modo común de Ethernet a 6 kV es suficiente para eliminar la mayoría de las fallas de la barrera de aislamiento de Ethernet. El aumento de la tolerancia de sobretensión de POTS a 500 amperios para una forma de onda de corriente de 2 × 10 microsegundos parece ser suficiente para eliminar la mayoría de las fallas de sobretensión en los puertos POTS.

Referencias

jose randolph es una consultora independiente con más de treinta años de experiencia en el diseño de equipos de telecomunicaciones. Recibió su título de BSEE del Instituto Politécnico de Virginia y su título de MSEE de la Universidad de Purdue. Su experiencia incluye el diseño de equipos de voz y datos de telecomunicaciones tradicionales, DSL y una amplia variedad de productos emergentes de telefonía VOIP e IP, incluidos dispositivos terminales de red óptica. Sus principales áreas de especialidad son el diseño de circuitos, la protección contra rayos, el cumplimiento normativo internacional y el cumplimiento de estándares de la industria como Telcordia NEBS GR-1089 para equipos de telecomunicaciones de clase portadora en los EE. Comité de la Sociedad de Ingeniería de Seguridad de Productos IEEE. Se puede contactar a Randolph en [email protected].

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