Protecția împotriva trăsnetelor a unui post de radioamator

Mai jos este prezentarea lui Bogdan – YO3BEE, din cadrul emisiunii “Întâlnirea de vineri seara” din data de 10 martie 2023. Articolul este inspirat din documentația radioamatorului Kostas Stamatis – SV1DPI.

https://www.w8ji.com/house_ground_layouts.htm

Lightning Protection of an Amateur Radio Station

” YO3BEE – nume operator Bogdan Andrei Pavel, QTH de bază București NV.

Sunt radioamator de foarte puțin timp, mai exact… astazi se împlinesc 4 luni. Încă de pe băncile Liceului Tehnic pe care l-am urmat, mă jucam cu tot felul de montaje electronice, până la momentul în care am ajuns să construiesc amplificatoare audio. Electronica pentru mine a fost o pasiune, un pic uitată cu începutul erei “PC-urilor”, pasiune pe care încă o mai alimentez lucrând diferite montaje în puținul timp liber pe care îl am. Spun asta pentru că, jobul meu numărul 2 este a doua mea mare pasiune: “Albinăritul” (de aici si indicativul, BEE – albină în limba engleză).

Nu de mult timp, cel mai bun prieten pe care îl poate avea un om (radioamator de altfel – YO3YTT – Florin P.) prieten de peste 20 de ani, a trecut în neființă, dar nu înainte de a-mi insufla pasiunea către radioamatorism. Tot datorită lui, mi-am făcut curaj și am propus spre discutie urmatorul subiect pe care îl consider unul dintre cele mai importante din viața unui radioamator și NU NUMAI.

Protecția împotriva trăsnetelor a unui post de radioamator

Există cu adevărat pericolul ca „cerul să ne cadă în cap”?

Protecția la trăsnet a stației noastre și a casei noastre este întotdeauna o mișcare în direcția corectă. Să vedem cum se face și să examinăm câteva fapte dar și mituri care circulă despre fenomenul fulgerului…

Neînfricoși, galii se temeau de un lucru: să nu le cadă cerul în cap… Cam la fel este și cu radioamatorii: unul dintre singurele lucruri care ne sperie cu adevărat este dacă fulgerul lovește una dintre antene… Câți dintre noi am auzit: „Un fulger te va lovi cu toate antenele pe care le-ai montat!”

Cât de probabil este ca fulgerul să ne lovească în cele din urmă?

Sunt multe mituri pe care le-am creat și multe altele pentru care nu suntem de vină. Statistic, nu există un risc atât de mare de lovire directă a fulgerului… Riscul de a lovi fulgerul direct, poate fi mic din punct de vedere statistic, dar simțirea „mustăților”, așa cum spunem, este ceva care se întâmplă foarte des…

Cum se creează fulgerul este ceva care, în calitate de radioamatori, nu este preocuparea noastră principală. Ceea ce trebuie să știm, spre deosebire de ceea ce se crede în mod obișnuit este că, pe de o parte, nu-l putem respinge și, pe de altă parte, nu este ușor să-l COMBATEM cu facilitățile noastre!

Deci, până la urmă, cu ce risc?

De cele mai multe ori, suntem amenințați de supratensiunile pe care fulgerele le creează într-o zonă mai largă.

Dar cum poate pătrunde un fulger într-un post de radioamator?

Din „conexiunile” noastre cu lumea exterioară, sau mai corect spus din orice cablu care intră sau iese din stația noastră avem urmatoarele probabilități:

1. De pe linia telefonică.
2. De la linia de alimentare.
3. De la linia de alimentare a antenei noastre.
4. De la rotor, comutator, antenă (steppir) cabluri de control.
5. De la pământ (!!!)

Prin urmare trebuie să avem în vedere că pentru o bună protecție împotriva trăsnetului, fiecare conexiune a stației noastre cu lumea exterioară trebuie protejată! Tot ceea ce intră în casa noastră trebuie protejat, astfel încât să nu aducă nimic rău de afară. De cele mai multe ori, nu este suficient să punem un paratrăsnet pe antenă și nici să deconectam antenele în timpul unei furtuni!!!

Dar să ne uităm la cazuri unul câte unul…

1. De la linia telefonică

Cel mai mare coșmar pentru radioamatorii… Fulgerul „lovește” lângă antenă.

Este foarte comun. Companiile de telefonie ar trebui să aibă dispozitive de protecție la supratensiune instalate pe linie. Din păcate, acestea nu există întotdeauna sau uneori întreținerea lor este incompletă și nu funcționează așa cum ar trebui. De obicei, deteriorează routerul – modemul ADSL, dispozitivele telefonice, placa de rețea a computerului nostru, orice comutator Ethernet, camere web, VOIP, Remoterig (dacă avem unul) sau orice altceva conectat la router…

Cum ne descurcăm cu acest caz?

Cel mai puțin din ce putem face este să conectăm linia telefonică prin UPS (atunci când UPS-ul nostru are o astfel de caracteristică de protecție a liniei) sau prin diverse prize de alimentare care au protecție pentru linia telefonică. Din păcate, acest lucru nu ne oferă suficientă protecție.

Figura 2: Protecție la trăsnet Hager SPN505 pentru protecția liniei telefonice ADSL

De asemenea, o soluție bună este conexiunea wireless a dispozitivelor!

Cea mai bună soluție totuși, este instalarea unui dispozitiv dedicat de protecție la supratensiune pe linia telefonică. Costă în jur de 70-100 EUR pentru cele care acceptă și ADSL (Fig. 2). Sunt produse de mai multe companii și puteți găsi o mulțime de aceste dispozitive pe piață.

Există și dispozitive de protecție împotriva trăsnetului pentru protecția cablurilor Ethernet (Fig. 3). Bineînteles, nu va fi neapărat necesar dacă avem protecție pe linia telefonică, dar nu este atât de scump (mai ales cele din China). Le puteți găsi pe ebay căutând paratrăsnet RJ45 și costă de obicei între 6 € și 10 €. Le puteți plasa între router și orice echipament scump are casa dvs. și se conectează prin cabluri Ethernet la router. Nu uitați să păstrați întotdeauna firul de împământare cât mai scurt posibil, deoarece un fir lung poate avea mai multă rezistență decât calea către masă prin cablul ethernet în sine.

Figura 3: Dispozitiv de protecție la supratensiune pentru Ethernet. Acordați atenție lungimii conductorului de împământare.

2. De la linia electrică

Este un fenomen foarte comun. De câte ori nu a pornit televizorul vecinului și au dat vina pe noi? De multe ori se întâmplă ca fulgerele să lovească undeva departe și o supratensiune mare să treacă prin liniile electrice care ajung la noi acasă. Deteriorează orice dispozitiv care are electronică sensibilă, adică în cazul casei de astăzi, totul! Radiouri (de obicei sursa noastră de alimentare), rotoare, unități de aer condiționat (în special Invertoare), frigidere (cele mai noi), televizoare, aparate stereo, boilere (circuitul de control), routere etc.

Cum ne protejăm în aceasta situație?

Soluția corectă este instalarea unui dispozitiv de protecție la supratensiune SPD de tip T1 / T2 si instalarea unei protecții la supratensiune pe priză pentru fiecare dispozitiv separat (tip T3 și există și un SPD T3 montat pe șină dacă există spațiu în instalația electrică). Pentru locuințele din locații rurale sau din locații cu risc ridicat, sunt necesare atât SPD-urile T1, cât și T2, precum și prizele T3. Pentru casele dintr-un cartier urban, tipurile T2 și T3 sunt suficiente. Puteți găsi SPD-uri T1 și T2 în magazinele de profil. PRUDENȚĂ! Lucrările specifice de instalare a acestor dispozitive de protecție împotriva trăsnetului în tabloul electric, trebuie prin regulament, să fie efectuate de un electrician autorizat. Există riscul de electrocutare!

Pentru SPD-urile de priză T3, preferați să achiziționați produse de marcă, deoarece există multe care nu fac treaba în mod corespunzător (nu sunt suficient de rapide sau nu pot „face față” supratensiunii). Aveți grijă să nu conectați prea multe dispozitive la fiecare, deoarece capacitatea lor de gestionare a puterii este limitată (de obicei 16A). De asemenea, Line Interactive & Online UPS (ai grijă… nu toate UPS-urile! ) pot juca acest rol în mare măsură, deși utilizarea unui UPS în acest scop nu este cea mai bună soluție.

Figura 4: SPD tip T2 în tabloul de distribuție electrică. Indicatorul (verde) arată când SPD-ul trebuie înlocuit când devine roșu.

3. De la antenele noastre…

Pentru început, să vedem cum să protejăm antena propriu-zisă… Dacă vrem să protejăm antena în sine, trebuie să instalăm un paratrăsnet cu vârf mult mai înalt. Paratrăsnetul cu vârfuri sunt concepute pentru a proteja suprastructurile. Trebuie amplasat mai sus decât antena astfel încât să creeze un con de protecție sub ea. Cu toate acestea, această instalare nu este obișnuită. Costul unei capcane sau al unui Balun nu este suficient de mare pentru a justifica o astfel de instalare. Mai ales dacă avem antene din aluminiu pur fără circuite…

Dar ce ziceti de pilon? Aici avem o problemă… Dacă fulgerul lovește pilonul și nu găsește nicio altă cale către pământ, va provoca daune semnificative fundației turnului. Fundația de beton în sine „ridică” rezistența la pământ și în cazul unui fulger direct, fundația de beton se va crăpa din cauza temperaturii ridicate. Acest lucru poate duce chiar la prăbușirea pilonului nostru! Deci trebuie să împământăm pilonul. Cel mai simplu mod de a face acest lucru este să plasați mai multe tije de împământare interconectate în jurul perimetrului turnului și să le conectați la picioarele actuale ale turnului pentru a oferi o cale bună pentru fulger la pământ.

Dacă pilonul este instalat pe acoperișul casei noastre, lucrurile devin mai dificile, mai ales dacă locuiești într-un bloc de locuințe suprapuse. Din nou, un conductor de împământare trebuie conectat la acesta, pentru a oferi o cale pentru fulger la pământ. Dar atenție: firul de împământare poate câștiga oricând tensiune (dacă lovește fulgerul) și chiar până la câteva mii de volți. O concepție greșită comună este împământarea pilonului la o conductă de apă. Aceasta ar fi o greșeală. Totul din metal, cum ar fi circuitul de apă, ar trebui să fie împământat. Dar, pe de o parte, nu putem garanta că este și, pe de altă parte, nu ne putem asigura că există o rezistență scăzută pentru conexiunea la pământ atunci când este conectată la conducta de apă. Mitul de aici vine, evident din trecut, când casele aveau împământare directă prin rețeaua de alimentare cu apă. Dar astăzi, cu folosirea instalațiile pe scară largă a conductelor de apă din plastic, nu putem fi deloc siguri că conductele noastre de alimentare cu apă sunt chiar împământate! Ca să nu mai vorbim de o bună împământare…

Diferența de potențial, după cum știți, înseamnă curent… și asta nu duce la lucruri bune…

Ca regulă generală și cea mai bună practică, distanța de siguranță a conductorului de împământare față de alte obiecte metalice este, în general, considerată a fi egală sau mai mare de 1 metru. Adică, dacă conductorul trece la mai puțin de 1 m de balustrade metalice, ferestre, jgheaburi metalice etc., există riscul unui arc.

După împământarea pilonului, trebuie să protejăm calea către antenă prin linia de alimentare. În acest scop, în mod ideal, ar trebui:

     Dacă pilonul dvs. are o înălțime mai mică de aprox 23 metri, scutul ar trebui să fie lipit de sus ȘI de jos. Pentru un turn mai înalt, scutul ar trebui să fie lipit de turn la fiecare 75 de picioare.

     Și, în sfârșit, să-l reîmpământați prin instalarea unui protector de supratensiune numit de obicei arrestor, eclator (paratrăsnet în lumea HAM Radio) înainte de a intra în stație.

Al treilea pas (instalarea unui protector de supratensiune / paratrăsnet) este cel puțin considerat absolut esențial… Atenție, alegem cu multă atentie împotriva supratensiunii care sunt potrivite:

• pentru puterea maximă de ieșire utilizată (adică amplificator liniar)
• frecvența maximă de funcționare
• impedanța caracteristică a liniei de transmisie (de obicei 50Ω)

Aveți grijă ca impedanța să se potrivească cu linia de alimentare (de obicei 50 ohmi). Există multe SPD-uri de 75 ohmi pe piață care sunt folosite pentru a proteja televizoarele. De asemenea, rețineți că aluminiul și cuprul nu merg bine împreună (coroziunea galvanică)! Deci nu ar trebui să conectăm cuprul direct la aluminiu, ar trebui să se facă numai prin fitinguri din alamă. În caz contrar, există riscul ca cuprul să „mânânce” aluminiul și în curând să nu mai existe o legătură bună. De asemenea, oțelul galvanizat nu reacționează foarte bine la cupru, așa că, dacă este necesar, utilizați piese din oțel inoxidabil…

Figura 5: Paratrăsnet Cushcraft LAC4H

TREBUIE să clarificăm din nou că, în orice caz, un paratrăsnet nu protejează întreaga casă, ci doar o structură metalică situată sub conul său de protecție. Să nu mai vorbim de un paratrăsnet îndepărtat al unei alte structuri din vecinătatea casei noastre…

Figura 5a: un paratrăsnet cu cost redus de la MFJ

Cabluri de control

Fiecare cablu care intră în CASA trebuie protejat așa cum sa menționat mai sus. Asa ca nu trebuie sa uităm să protejam cablul rotorului, comutatorul antenei, cablul SteppIR (dacă deținem unul) și multe altele, în funcție de complexitatea instalației noastre.

Figura 6: Protecție împotriva trăsnetului pentru cablurile de control de la Array Solutions

Cea mai ușoară soluție este să cumpărați un dispozitiv de protecție la supratensiune gata făcut pentru cablurile de control. Sunt disponibile unele și pe ebay. Toate sunt disponibile la un cost relativ ridicat și cu aproape același dezavantaj: se distrug! Din păcate, majoritatea se bazează pe varistori care își pierd parțial sau toate proprietățile de fiecare dată când sunt lovite. Lucrul rău este că, în cele mai multe cazuri, nu veți ști când varistorul s-a defectat dacă nu există daune vizuale și dacă nu aveți echipament de testare… Deci, la un moment dat , va trebui să le înlocuiți ca măsură de precauție.

Atunci de ce să nu le faci singur! Cum intrebi? Pe fiecare linie de control, pe fiecare cablu, introducem un varistor și un condensator, în paralel unul cu celălalt, și conectați la masă. Varistoarele potrivite sunt V82ZA12P (68 VDC – 4500A- 2500 pF – piesa mouser nr 576- V82ZA12P) și ca condensatori 0,01 μF / 1500 VDC (piesa Mouser nr 594-S103M69Z5U283L). Atât de simplu… Cost minim (ambele 1,5 EUR pe Mouser). Adică, dacă aveți șapte fire într-un rotor, atunci aveți nevoie de șapte perechi din acestea, adică doar aproximativ 10 €.

Figura 7: Componentele de protecție la supratensiune sunt plasate între fiecare conductor de pe un cablu de comandă și placa de împământare de pe panoul de intrare al stației, care la rândul său este împământat corespunzător (vezi text).

4. Din pământ?

Ei bine, putem fi serios loviți de la sol? Dar cum? Deoarece împământarea este menită să ne protejeze, nu? Este corect! Dar numai atunci când este făcut corect!

În primul rând, toate metodele de mai sus necesită o împământare bună. Dacă pământul nu este bun (rezistența este mare), curentul de supratensiune va trece și va cauza daune! Toate dispozitivele de protecție la supratensiune trebuie să aibă cea mai scurtă, cea mai scăzută cale de rezistență la masă posibilă. Energia de la lovitură va călători întotdeauna pe calea cu cea mai mică rezistență la masă, așa că, chiar dacă aveți instalat un ARESTOR DE FULGER, acesta nu vă va proteja dacă nu prezintă calea cea mai scurta la pământ cu o rezistență mai mică decât cablurile conectate la echipamentul dvs. …

Este cea mai bună practică să conduci toate cablurile la o intrare comună în casă și acolo să faci un portal de intrare (Panoul de intrare), care este bine împământat cu un cablu scurt la masă (Fig. 8).

Figura 8: Intrarea cablurilor coaxiale și de control la stația SV1DPI. Placa metalică este punctul de împământare al tuturor conductoarelor de intrare.

Importanța unei bune împămantări

Aici se face adesea a doua greșeală: existența a două sau mai multe împământări independente.

Toate împământarile trebuie să fie „comune, indivizibile și co-existente”: împământare pentru fulger, împământarea liniei electrice, împământarea router/telefonului, împământarea casei, împământarea pilonului, împământarea RF și orice altă împământare pe care mintea umană o poate găsi trebuie să aibă un potențial comun și acesta trebuie să fie zero!

Așadar, dacă trebuie să punem o împământare într-o poziție diferită de cea a împământării rețelei de alimentare 220 V (pe care o consider preexistentă), trebuie să o conectăm la cea existentă astfel încât, să aibă întotdeauna potențial egal. În caz contrar, în cazul unui fulger, din cauza rezistenței pământului și pe măsură ce fulgerul lovește pământul, va exista un potențial diferit pe o împământare decât pe cealaltă. Diferența de potențial, după cum știți, înseamnă curent… și asta nu duce la lucruri bune…

Un caz clasic de astfel de deteriorare este atunci când în repetoare fără duplex, au două antene separate instalate, de obicei departe una de cealaltă (RX și TX). Dacă sunt împământate, în cazul unui fulger, poate exista o diferență potențială între cele două și… kaboom!

O bună împământare înseamnă împământare cu rezistență scăzută

Câte repetoare au fost avariate în acest fel și nu am putut găsi care a fost cauza… atât de strict O SINGURĂ împământare…. și fă una bună! Este foarte important în casă, ca toate echipamentele noastre să fie împământate, astfel încât să fie la același potențial! Da, ai inteles bine. Chiar dacă acesta nu este zero (în momentul fulgerului acest lucru se poate întâmpla indiferent cât de scurte sunt drumurile noastre către pământ), este important ca toate echipamentele noastre să fie împământate în același punct, astfel încât să aibă un potențial comun. La urma urmei, ceea ce contează este diferența de potențial…

O bună împământare înseamnă… împământare cu rezistență scăzută. Majoritatea dintre noi nu avem instrumentele adecvate pentru a o măsură. Dar trebuie, în orice caz, să facem cea mai buna împământare posibilă. Astăzi, construcțiile noi de clădiri necesită, de obicei, împământarea clădirii, care este cea mai bună. Alternativ, cea mai ușoară și cea mai bună soluție este binecunoscutul triunghi în sol. În acest caz, plasați 3 tije de împământare în pământ la distanță una de alta, cel puțin cât de 2 ori lungimea tijelor și interconectați-le. Atentie!  Altfel construit triunghiul, nu va funcționa corect!

Totuși, cea mai mare problemă este că punctul de conectare la pământ este de obicei îngropat și imposibil de verificat. Ar trebui să existe și o intrare de serviciu în șanțul de la sol, prin care se va putea verifica.

De asemenea, este necesară o atenție specială dacă și când sunt utilizate tije de aluminiu. Este posibil ca reglementările din zona dumneavoastră să nu permită utilizarea aluminiului ca tijă de împământare, deoarece conexiunea directă cu aluminiu la cupru provoacă coroziune galvanică și distrugerea conexiunii. După cum am menționat mai sus, trebuie să folosim fitinguri din alamă.

Concluzii

În concluzie, cel mai important lucru pentru o bună protecție împotriva trăsnetului este o bună împământare. Trebuie să fie ca Sfânta Treime: comună, coexistentă și indivizibilă…

Diferența de protecție împotriva trăsnetului dintre un turn comercial de telecomunicații din vârful unui munte și al nostru este calitatea sistemului de împământare. De obicei, în turnul comercial, împământarea este mai bine construită, mai fiabilă și mai scumpă decât una de amatori. Prin urmare, mult mai eficientă.

Cel mai important lucru pentru o bună protecție împotriva trăsnetului este o bună împământare.

De acolo încolo, totul este ușor. Protejați cablurile care intră în casă și veți fi în mare parte în largul lor.

Ceea ce este descris mai sus este suficient pentru radioamatorul mediu. Vă protejează pe deplin aceste măsuri? Dacă fulgerul lovește în vecinătatea dvs. generală, da. Dacă te lovește direct, probabil că nu. Probabil pentru că împământarea noastră nu va fi suficient de bună pentru a putea absorbi toată energia de lovitură, fără nici un fel de „vătămare”.

În orice caz, nu există nicio cerință ca un post de radioamator să funcționeze 24 de ore pe zi. Dacă vedem fulgere și nu vrem să suferim un atac de cord, cea mai bună practică este să deconectăm imediat conectorii noștri de alimentare de la echipamentul nostru… Și ar trebui să fim bine… adică dacă nu avem două motive „diferite” …

Kostas Stamatis deține o diplomă în Inginerie Electrică de la Școala Politehnică a Universității Democritus din Tracia și menține un birou tehnic în Agrinio ca inginer electrician certificat. Este Radioamator Licențiat din 1996. Face parte din Consiliul de Administrație al R.A.A.W.G. și este membru al echipei SZ1A. El este pe ARRL Nr. 1 Tabloul de onoare DXCC și este un CQ Magazine Award Checker. Concurent pasionat și DXer, a participat și la mai multe expediții DX, în special EP6T în Iran. Astăzi se bucură de operațiuni CW, RTTY și Telefon/SSB.”

Mulțumim lui Bogdan – YO3BEE pentru documentare și inițiativă!

’73

Cristina – YO7JYL