Daños por sobrecarga eléctrica en los puertos Ethernet y POTS conectados al cableado interno

Sep 13, 2023

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 Mejor artículo del simposio. Se reimprime aquí, con permiso, de las actas del Simposio internacional de 2014 de la IEEE Product Safety Engineering Society sobre ingeniería de cumplimiento de productos. Copyright 2014 IEEE.

La visión tradicional de los riesgos de rayos para los cables de comunicación alámbricos se ha centrado en cables tendidos en el exterior, como postes telefónicos u otros entornos expuestos. En general, los cables tendidos íntegramente dentro de un edificio se consideran inherentemente protegidos contra las sobretensiones causadas por rayos.

Los ingenieros de protección contra rayos siempre han entendido que esta opinión no es estrictamente correcta. Se conocen mecanismos por los cuales la caída de un rayo cercano puede provocar sobretensiones en los cables internos. Sin embargo, los mecanismos conocidos generalmente sólo entran en juego cuando un rayo cae sobre un objeto cercano al edificio que contiene los cables interiores, o golpea la envoltura exterior del propio edificio. Estos acontecimientos son comparativamente raros.

En los últimos años, se han informado tasas de fallas por sobretensiones más altas de lo esperado para los puertos conectados a cables internos. Es posible que el aparente aumento 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 aparente aumento 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 oleadas. Un área de particular 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 que llamó la atención sobre las fallas por 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 él, el cable de fibra termina en la ONT. Desde allí, los puertos de cables metálicos de la ONT se conectan a cables tendidos íntegramente dentro del edificio. Los tipos de puertos típicos incluyen Ethernet para servicio de datos, puertos POTS (servicio telefónico antiguo) 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 abonado (o SLIC). Permiten conectar un teléfono convencional a la ONT.

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

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

La situación cambia si el fabricante tiene un millón de sistemas desplegados sobre el terreno. 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 ONT, existen varios operadores que cuentan con más de un millón de sistemas en el campo. Y, dado que una falla de la ONT resulta en una llamada de servicio para reemplazar la unidad defectuosa, las fallas de la ONT son costosas para el operador.

Para la mayoría de los transportistas, una tasa de fracaso del 1% es inaceptable. De hecho, algunas compañías consideran que el 0,1% es inaceptable. Por lo tanto, es posible que las fallas por rayos que ahora reciben atención se deban simplemente a que más sistemas sean 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 mecanismos de acoplamiento de sobretensiones nuevos y desconocidos. 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 en los cables de comunicación:

En principio, los cables interiores son susceptibles a los tres mecanismos anteriores, pero las condiciones para inducir grandes sobretensiones en el cableado interior son limitadas. El mecanismo 1 (acoplamiento de campo lejano) sigue siendo una amenaza para los cables interiores porque la mayoría de las estructuras de los edificios proporcionan comparativamente poco blindaje contra la radiación electromagnética. Las estructuras de madera casi no proporcionan ningún tipo de protección, y muchos tipos de estructuras de estructura de acero sólo proporcionan 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 interior 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 más pequeño, correspondiente a sólo 300 voltios.

El mecanismo 2 (acoplamiento del conductor de bajada) sigue siendo una clara amenaza para los cables interiores, pero sólo en condiciones limitadas. Este mecanismo requiere que el rayo caiga directamente sobre el edificio o el sistema de protección contra rayos del edificio, y también requiere que el cable interior se tienda a cierta distancia cerca de un conductor de bajada que transporta 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 de la estructura de acero del edificio. De hecho, el mecanismo 2 puede ocurrir, pero las condiciones requeridas son lo suficientemente raras como para que no parezca explicar las fallas por 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 según una variedad de factores, como la corriente de ataque y la conductividad del suelo [4, 5]. En 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 físicamente separadas.

En principio, la red de distribución de energía eléctrica en un edificio debe tener una única referencia a tierra, establecida por una pica de tierra ubicada cerca de la entrada de servicio de la red eléctrica de CA, tal como lo exige el Código Eléctrico Nacional [6]. Si el edificio tiene sólo una referencia a tierra, los cables interiores 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 induzca sobretensiones a través de GPR.

En resumen, los tres mecanismos convencionales son de hecho amenazas para los cables tendidos enteramente dentro de un edificio, pero la amenaza combinada no parece convincente. Se espera que el Mecanismo 1 genere sobretensiones máximas de sólo unos pocos cientos de voltios, mientras que el Mecanismo 2 y el Mecanismo 3 requieren condiciones muy específicas que limiten 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:

Entonces, en el interior de los cables, hay evidencia de sobretensiones que exceden los 2 kV y evidencia de sobretensiones que exceden los 100 amperios máximos para una forma de onda de 2/10 microsegundos. Dado que la configuración del cableado de Ethernet difiere de la configuración del cableado de POTS, no se puede suponer que el mismo tipo de sobretensión esté afectando a ambos tipos de puertos. En otras palabras, no se puede suponer que ambos tipos de puertos estén expuestos a sobretensiones con tensiones 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, sólo se requiere una pequeña cantidad de corriente para dañar el chip transceptor 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 para un puerto POTS. Estos puertos suelen tener referencia a tierra y están diseñados para generar y absorber corriente. Los protectores contra sobrecorriente que normalmente se usan en los ONT sobrevivirán a sobrecorrientes 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 señalar 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 en 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 en el campo, pero parecen ser suficientes.

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

Ambos rangos exceden lo que normalmente se esperaría para todos los casos, excepto los muy raros, creados por los mecanismos convencionales descritos en la sección anterior.

Posibles mecanismos para fallas observadas

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

Una fuente cercana de voltaje y corriente suficiente es la fuente de alimentación de CA. Las sobretensiones que aparecen en una toma de pared típica de CA 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 de forma conductiva al interior de un edificio. Puede haber algunos mecanismos no obvios que permitan que las sobretensiones en la red eléctrica de CA se acoplen a los cables de comunicación internos.

Las sobretensiones en la red eléctrica de CA se consideran una posible fuente 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 eléctrica de CA podrían acoplarse conductivamente al cableado interno para Ethernet y POTS:

La primera teoría es fácil de entender, al menos como teoría operativa. La mayoría de los tipos de equipos de cliente 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 a abordar es la probabilidad de experimentar una falla de aislamiento desde el puerto de alimentación de CA a los puertos Ethernet o POTS.

La segunda teoría (acoplamiento capacitivo) no requiere una ruptura del aislamiento en la fuente de alimentación de CA, pero esta teoría solo se aplica a fallas de Ethernet. Casi todas las fuentes de alimentación de CA tienen una capacitancia pequeña pero finita entre la red eléctrica de CA y la salida aislada de la fuente de alimentación. Las sobretensiones con tiempos de aumento rápidos en la red eléctrica 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 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 eléctrica 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 tienen referencia a tierra y normalmente tienen protección contra sobretensiones desde el 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 presenta algunas posibilidades interesantes. Las siguientes secciones discutirán cada una de las tres teorías con 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 CA de dos clavijas, por lo que estos dos dispositivos no tienen una conexión explícita a tierra. Sin embargo, la fuente de alimentación de la ONT y sus circuitos internos suelen estar conectados a tierra. Una sobretensión suficientemente grande en las entradas de la red eléctrica de CA del enrutador o teléfono podría causar una falla catastrófica de las barreras de aislamiento que se encuentran entre esas entradas de la red eléctrica de CA y la 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 sobretensión 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 hasta falla en una muestra aleatoria de equipos de consumo sugieren que la barrera 1 generalmente tiene una sobretensión de al menos 9 kV, mientras que las barreras 2 y 3 generalmente tienen una sobretensión de al menos 2 kV. Entonces, parecería que una falla catastrófica de las tres barreras en serie requeriría una sobretensión superior a (9 kV + 2 kV + 2 kV) = 13 kV. Estas sobretensiones pueden aparecer en los puertos de la red eléctrica de CA, pero son estadísticamente raras.

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 de tierra en la ONT.

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

El análisis anterior se basa en el supuesto de que las barreras 1 y 4 del suministro de energía eléctrica de CA tienen niveles de falla que “normalmente exceden 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 eléctrica 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 eléctrica de CA incluyen distancia de fuga, distancia de separación y distancia a través de aislamiento sólido. Algunos de los requisitos son menores para una fuente de alimentación de 120 VRMS que para una fuente de 240 VRMS, pero la mayoría de las fuentes de alimentación que se venden actualmente en los EE. UU. están clasificadas para ambos voltajes de entrada.

Para un suministro que cumple con [10] y está clasificado para una entrada de 120 a 240 VRMS, la distancia de fuga y la distancia de separación 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] generalmente tienen umbrales de ruptura de sobretensiones reales superiores a 9 kV.

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

En la actualidad, no hay pruebas de que fabricantes de enrutadores y teléfonos inalámbricos de marca utilicen fuentes de alimentación no conformes. Por lo tanto, para los fines 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, cabe señalar que algunas fuentes de alimentación disponibles en el mercado tienen umbrales de avería más bajos.

Para las barreras de aislamiento de Ethernet que tenían una tolerancia a sobretensiones que “normalmente excede los 2 kV”, este hallazgo parece razonable dado que el estándar Ethernet IEEE 802.3 [11] requiere una barrera de aislamiento con una clasificación 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 comercialmente están clasificados por sus fabricantes para tener un aislamiento de 1500 VRMS.

La mayoría de las interfaces Ethernet también contienen un condensador que une la barrera de aislamiento. Este condensador es el tema de la siguiente sección y se analizará 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 que se discuten aquí. Esto es particularmente cierto para los puertos Ethernet, ya que una avería catastrófica probablemente requeriría sobretensiones superiores a 13 kV. Incluso para los puertos POTS, el nivel de sobretensión requerido probablemente excedería 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 comprender 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 requisitos de seguridad relacionados con la corriente de contacto en la salida aislada de la fuente de alimentación [10]. En algunos casos, C1 puede ser mayor que 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 de esta capacitancia parásita están en el rango de 100 pF.

Hasta hace unos años, la mayoría de los enrutadores Ethernet pequeños utilizaban una fuente de alimentación lineal montada en la pared. Debido a los crecientes requisitos regulatorios para la eficiencia energética, los suministros lineales de montaje en pared se han ido eliminando en su mayoría en favor de los suministros de conmutación de montaje en pared. Entonces, la presencia de un condensador C1 explícito en la fuente de alimentación para pequeños enrutadores Ethernet es un cambio reciente. Como se verá, el valor de C1 tiene efecto sobre las sobretensiones que se acoplan desde la red eléctrica AC a los puertos Ethernet del router y de 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 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 sobretensión que aparece a través de ellos. Aumentar la capacitancia de C1 también aumentará el voltaje en C2 y C3.

Normalmente, el condensador C1 es un condensador robusto de alto voltaje porque puentea una barrera de aislamiento de seguridad y está sujeto a un cuidadoso escrutinio durante la evaluación de seguridad de la fuente de alimentación de CA. Será el llamado condensador "Y1" debido a su clasificación en [12] como un componente que puede puentear una barrera de aislamiento de seguridad. Los condensadores Y1 para redes principales de 240 VRMS están clasificados para soportar múltiples sobretensiones de 8 kV. Su umbral de fracaso 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 ningún tipo de aislamiento de seguridad.

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

Para el presente análisis, lo importante que hay que entender es que C2 y C3 normalmente no se tratan como condensadores con clasificación de seguridad y no son revisados ​​por las agencias de seguridad. Además, el requisito de aislamiento de IEEE 802.3 es solo un requisito funcional que aparece en un estándar voluntario de la industria. Por lo tanto, no hay agencias reguladoras que analicen estos capacitores y hay pocos incentivos para que los ingenieros de diseño les presten mucha atención. La mayoría de los fabricantes ni siquiera realizan la prueba de 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 de 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 tensiones nominales que les permiten pasar apenas las pruebas de aislamiento en IEEE 802.3.

Esto hace que C2 y C3 sean candidatos probables para una ruptura del aislamiento si se encuentran niveles de sobretensión superiores a los esperados. La sobretensión se puede acoplar capacitivamente a través de C1, que normalmente no sufre daños, debido a su construcción robusta como capacitor 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 falla de 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 sobretensiones podrían crear sobretensiones involuntariamente en los puertos Ethernet y POTS. Debido a la variedad de posibles configuraciones de instalación del cliente, la variedad de mecanismos posibles es bastante grande y no todos se pueden analizar aquí. La siguiente discusión se centrará en sólo dos mecanismos posibles:

La Figura 3 es una fotografía de varios "protectores contra sobretensiones 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 descritos aquí.

Figura 3: Protectores contra sobretensiones combinados

La Figura 4 muestra un esquema muy simplificado del circuito interno de 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 el debate pueda centrarse en las sobretensiones en 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 metálico (MOV) con voltajes umbral de aproximadamente 400 voltios. De manera similar, los MOV son el tipo más común utilizado en los puertos POTS, aunque los voltajes umbral suelen estar en el rango de 300 voltios. Los componentes más comunes utilizados para la protección de Ethernet son 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 umbral de aproximadamente 100 voltios.

El circuito del protector contra sobretensiones combinado en la Figura 4 crea oportunidades para que una sobretensión en la red eléctrica de CA pase de manera conductiva a cada uno de los otros tipos de puertos para los cuales el protector contra sobretensiones está diseñado para proteger. Cualquier protector contra sobretensiones que combine un puerto de red 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 bajo, 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 los 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 deja de ser confiable, las corrientes de sobretensión buscarán el siguiente mejor camino a tierra. Ese camino podría ser a través de un equipo que el protector contra sobretensiones debía proteger. El aspecto irónico de esto es que tener un protector contra sobretensiones combinado con una conexión a tierra poco confiable puede ser peor que no tener ningún protector.

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

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 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. Entonces, 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 a una toma de corriente alterna, una longitud de 50 metros no sería inusual. Los cables de tierra asociados con las tomas de corriente de CA en un edificio generalmente están cableados en una configuración en estrella que se origina en el panel eléctrico en la entrada de servicio de la red de CA. El nodo de tierra central del cuadro eléctrico está, a su vez, conectado a una varilla de tierra mediante un cable que suele ser bastante corto.

Entonces, si bien el nodo de tierra central en el panel eléctrico puede considerarse como una tierra de baja impedancia, no se puede decir lo mismo de la tierra presentada en un tomacorriente determinado.

A frecuencias de alimentación de CA de 50/60 Hz, una inductancia de 100 microhenrios 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 eléctrica de CA podría tener una forma de onda de corriente de cortocircuito de 500 amperios máximo con un tiempo de subida de 8 microsegundos [7]. Aplicando estos valores a un inductor de 100 microhenrios, el voltaje calculado resulta 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 sobrecorrientes con tiempos de aumento rápidos pueden generar caídas de voltaje de varios miles de voltios en un cable de tierra largo.

Volviendo a la Figura 4, considere lo que sucede cuando aparece una descarga eléctrica en la toma de corriente de CA. Los componentes de protección P1 y/o P2 se encienden a 400 voltios nominales y la sobrecorriente intenta fluir a través del cable de tierra del tomacorriente 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 sobre 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 tierra. En este punto, las sobrecorrientes que normalmente se esperaría que salieran a través de la conexión a tierra pueden encontrar otros caminos más atractivos a tierra a través de los cables conectados.

El punto clave aquí es que una sobretensión de alta corriente y tiempo de aumento rápido en la red eléctrica 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 sobretensiones toma una sobretensión en la red eléctrica de CA y la "transmite" a cada cable que está conectado al protector contra sobretensiones. Esto sucede a pesar de que el protector contra sobretensiones se haya instalado correctamente y el cable de tierra de la toma de corriente de CA esté conectado correctamente.

Un aspecto interesante de este mecanismo de sobretensión es que el equipo ubicado junto con el protector contra sobretensiones generalmente no resulta dañado por la sobretensión, ya que el protector contra sobretensiones y todos los equipos ubicados conjuntamente tienen aproximadamente el mismo aumento de potencial de voltaje con respecto a la tierra. Se producen daños en el equipo conectado al extremo más alejado del cable por el que logró fluir la sobrecorriente. Entonces, si la sobrecorriente encontró un camino 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 de la conexión 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 las sobrecorrientes a otros equipos ubicados en otras partes del edificio.

Resumen

En los últimos años, muchos proveedores de equipos de telecomunicaciones han experimentado índices de daños por sobretensiones más altos de lo esperado en los puertos Ethernet y POTS que se conectan únicamente 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 que se están produciendo 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 mediante suposiciones convencionales sobre cómo las sobretensiones de los rayos se acoplan a los cables tendidos enteramente 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 pueden estar funcionando algunos otros mecanismos.

Los expertos de la industria han propuesto varias teorías sobre mecanismos alternativos. Tres de estas teorías se han discutido 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, sólo puede usarse para explicar fallas que involucran fallas de 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 tanto en los puertos Ethernet como en los POTS.

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

Por ejemplo, la Teoría 1 resultará en daños al equipo conectado al puerto asociado. La teoría 2, que se aplica sólo a los puertos Ethernet, no produce daños al equipo conectado y, lo que es más importante, implica sobrecorrientes relativamente bajas. Los daños resultantes de la Teoría 2 mostrarían muy poca evidencia física, como rastros de placas de circuitos derretidos o materiales carbonizados. Sin embargo, una inspección minuciosa puede revelar rastros de arco en ciertas áreas dentro del puerto o daños internos a los circuitos integrados. La teoría 3 puede acoplar sobretensiones de energía muy altas en puertos POTS o Ethernet, sin causar daños al equipo conectado. Sin embargo, la Teoría 3 sólo 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 se produzcan sobretensiones.

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

Parece que aumentar la tolerancia a sobretensiones en modo común de Ethernet a 6 kV es suficiente para eliminar la mayoría de las fallas de la barrera de aislamiento de Ethernet. Aumentar la tolerancia a las sobretensiones del 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 por sobretensión en los puertos POTS.

Referencias

Jose Randolph es un consultor independiente con más de treinta años de experiencia en el diseño de equipos de telecomunicaciones. Recibió su título BSEE del Instituto Politécnico de Virginia y su título MSEE de la Universidad Purdue. Su experiencia incluye el diseño de equipos tradicionales de telecomunicaciones de voz y datos, DSL y una amplia variedad de productos emergentes de telefonía IP y VOIP, incluidos dispositivos terminales de red óptica. Sus principales áreas de especialidad son el diseño de circuitos, protección contra rayos, cumplimiento normativo internacional y cumplimiento de estándares industriales como Telcordia NEBS GR-1089 para equipos de telecomunicaciones de clase operador en los EE. UU. Es miembro senior de IEEE y forma parte del Consejo Asesor de Telecomunicaciones. Comité de la Sociedad de Ingeniería de Seguridad de Productos IEEE. Puede comunicarse con Randolph en [email protected].

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