В литературе о любительской службе имеется много информации об антеннах и очень мало — о грозозащите. Защита от молнии — важнейшая специальная область электромагнитной совместимости. Земля, атмосфера и электропроводная ионосфера образуют сферический конденсатор. В невозмущенном состоянии поверхность земли заряжена отрицательно, а нижняя часть ионосферы — положительно. Распределение потенциалов в ионосфере поддерживается «электрическими генераторами» (солнечный ветер, вращение ионосферы вместе с магнитным полем земли). Глобальный ток утечки этого конденсатора колеблется между 1500 А и 1800 А и зависит, в частности, от степени ионизации атмосферы. Однако этот сферический конденсатор не разряжается, так как каждая гроза со средним током около 1 А его снова подзаряжает.
В среднем во всем мире ежесекундно ударяет в землю около 100 молний. В средней Европе необходимо считаться с 1…5 ударами на квадратный километр в год, при этом частота гроз на юге и в горах выше, чем на севере.
Большинство грозовых облаков заряжены вверху положительно, а внизу — отрицательно. Как следствие, заряжены положительно находящаяся под облаком поверхность Земли и все, что с ней связано, в том числе антенны и подводящие провода. Поверхностный заряд имеет противоположный знак (зеркальный заряд).
Вертикальное распространение облака (грозовая башня, тепловая гроза), или низвергающиися холодный воздух и восходящий теплый воздух (фронт грозы) приводят к росту заряда и напряженности поля. Свободные заряды ускоряются. Начиная с напряженности поля в грозовой ячейке примерно в 300 кВ/м, возникают молнии.
Чаще всего разряды молний происходят многократно с интервалом в 10… 100 мс.
Плазма молнии имеет хорошую электрическую проводимость и действует, вероятно, как рефлектор на УКВ, особенно при разрядах облако-облако. Этим можно объяснить кратковременные увеличения напряженности поля при дальней связи на УКВ во время разряда молнии.
Электрически заряженные облака, даже при сравнительно небольшом заряде, могут повредить вход приемника. На рисунке ниже приведен упрощенный пример.
Антенна из изолированного провода на высоте 10 м образует середину емкостного-делителя напряжения облако-антенна-земля; h1 и h2 определяют пропорцию деления. При высоте облака 1000 м и потенциале 1 MB получаем U1=10 кВ. Если при росте потенциала облако разряжается молнией облако-облако или облако-земля, то заряд антенны также меняется молниеносно и с высокой амплитудой. При таких обстоятельствах вход приемника «выбивается» уже за несколько секунд до раскатов грома. При этом в подводящих проводах наводятся блуждающие волны большой энергии, которые подчиняются тем же законам отражения и затухания, что и при согласовании цепей питания.
Все обстоит гораздо сложнее при близких ударах молнии. На рисунке ниже приведен пример установки оборудования.
Трансивер (1) заземлен в подвале через выравнивающую потенциалы шину (4) проводкой заземления (2). Питание трансивера осуществляется подземным кабелем (6) через распределитель (5) и подводящий провод (3). Защитный провод проводки (3) идет от трансивера (1) через распределитель (5) также к выравнивающей шине потенциалов (4). Кроме того, установлены громоотвод (7) и внутренняя антенна (8) с коаксиальным кабелем (9). Будем считать, что наружной антенны (10) нет.
На первый взгляд, это очень надежная защита от удара молнии. Однако если в соседнее строение (с громоотводом) ударит молния, и если путь тока молнии находится на расстоянии r=25 м от середины петли, образованной 1, 2, 3,4, 5, а сам ток молнии достигает максимального значения 200 кА за 1 мкс, то в петле индуцируется напряжение U1 около 30 кВ (!).
Это напряжение не может быть полностью отведено от петли, так как она короткозамкнута, однако часть его может повредить части устройств 1,3 и 5.
В открытой петле, образованной 2, 1,9, 7, индуцируется более высокое напряжение (площадь большей величины). При достаточно малом расстоянии между 7 и 8 может произойти пробой через крышу с возможностью возгорания.
При прямом ударе в громоотвод 7, что бывает редко, но все же возможно, при тех же параметрах молнии в петле индуцируются гораздо более высокие напряжения.
Если сопротивление заземления составляет Re=2 Ом, то при максимальном значении тока молнии 200 кА на нем падает 400 кВ.
При хорошо выполненной уравнивающей и заземляющей шине (4) до такого потенциала поднимутся потенциалы всех приборов и устройств, соединенных с ней. Это, в частности, может привести к повреждению распределителя (5) с подземным кабелем (6), так как нулевой провод распределителя, также приобретает указанный потенциал. Его же внешние провода остаются при 220 В, если измерять относительно удаленной точки заземления сети. Такое повреждение может произойти у любых других кабельных разъемов (телефон, компьютерные и охранные устройства).
Естественно, эти соображения применимы к любому другому оборудованию в доме.
Таким образом, при ударе молнии наименьшим повреждением, на которое можно рассчитывать, являются сожженные электрической дугой главные предохранители в распределителе. Если вместо внутренней антенны (8) имеется внешняя антенна (10) с подключением к громоотводу (7), то часть тока молнии потечет через коаксиальный кабель (9), трансивер (1), провода (2) и (3) к потенциалу земли (к 4, 5 и 6). Это таит новые опасности из-за тока и продольного напряжения.
Для антенны на мачте рядом с домом, попадание в мачту более вероятно.
Хорошо заземленная мачта образует защитную зону с примерными размерами, указанными на рис.5. Однако и в защитной зоне все еще имеется опасность от индуцированных в здании напряжений. Единственное — в этом случае с определенной вероятностью можно не опасаться прямого удара.
Если сопротивление заземления составляет например 4 Ом, а импульс от удара опять имеет максимум 200 кА, то для сосредоточенного заземления потенциал у подножия мачты составляет 800 кВ. С увеличением расстояния от мачты он уменьшается. Может случиться, что (в зависимости от проводимости почвы) потенциал здания поднимется до 400 кВ, т.е. у подножия мачты образуется воронка напряжений.
Если заземление здания и мачты не связаны друг с другом (из боязни статического заряда антенны), и если антенный штекер отсоединен, кратковременно возникает разность потенциалов в 400 кВ. Даже подсоединения только оплетки кабеля к заземлению здания достаточно для серьезных разрушений. Если повезет, то сгорит только кабель питания к антенне.
Так как чаще всего антенны радиолюбителей выше громоотводов, то они прежде всего и отводят основную часть тока.
Поэтому:
- для антенны на крыше мачту и антенну необходимо кратчайшим путем без резких изгибов (индуктивность!) подсоединить к громоотводу проводником с большим поперечным сечением (какие предусмотрены для громоотводов) — примерно 50 мм2;
- если нельзя прямо заземлить антенный провод, необходимо это сделать через искровой разрядник;
- незаземленные антенны на крыше должны находиться на очень большом расстоянии от имеющихся громоотводов, в противном случае их необходимо включить в общую систему громоотводов и выравнивающих потенциал шин;
- громоотвод должен иметь несколько хорошо распределенных отводов (стандарт предписывает один отвод на каждые 20 м периметра проекции крыши на плоскость основания здания). Это уменьшает волновое сопротивление проводов и, тем самым, параллельные токи через антенные подводящие провода. К тому же, уменьшается напряженность магнитного поля и индуцированное в доме напряжение;
- антенные кабели необходимо прокладывать в трубе, тогда при ударе молнии возникают меньшие петлевые напряжения и, вследствие вытеснения тока, соответственно меньшие токи в оболочке кабеля;
- все подводящие к выравнивающей потенциалы шине и заземлению фундамента провода необходимо делать короткими с малой индуктивностью;
- если провода к выравнивающей шине длинные, то надо использовать кольцевой заземлитель, соединяющий все проводники;
- все другие «заземлите- ли» (вода, газ, отопление, арматура, водосточные трубы) должны иметь такой же потенциал, как и выравнивающая шина;
- все приборы, имеющие отношение к антенной установке, следует подсоединить звездообразно ко вторичной шине выравнивания потенциалов.
Здесь необходимо подсоединить постоянно оболочку кабеля питания антенны. Тогда при отсоединенном антенном кабеле индуцированное напряжение не будет действовать в месте отсоединения, и часть тока молнии будет течь к первичной шине выравнивания потенциалов;
- соединение между первичной и вторичный шинами должно быть коротким. Рекомендуется медный провод сечением 16 мм2;
- для антенны на мачте следует стремиться к очень низким сопротивлениям заземления мачты!;
- заземлитель мачты должен быть фиксировано соединен с первичной шиной и заземлением фундамента дома. Соединение должно выдерживать большие токи (больше 16 мм2);
- кабель следует подводить вверх внутри мачты, а в дом — по возможности в земле!
Внутренняя грозозащита направлена на отвод сверхтоков и ограничение перенапряжений. Такие приборы по требованиям делятся на четыре класса: А, В, С и D:
- класс D: ограничитель напряжения, установленный непосредственно в приборе или перед ним для защиты переносных приборов;
- класс С: ограничитель напряжения для защиты стационарного оборудования, установленный например во вторичный распределительный щит;
- класс В: ограничитель напряжения и отвод тока молнии (заземление), в частности для защиты домового распределительного щита. Тем самым обеспечивается выравнивание потенциалов между внешними проводами и заземлением распределителя с кабелем;
- класс А: заземление для использования в воздушных линиях низкого напряжения.
При установке заземлителей тока молнии, которые содержат искровые промежутки, необходимо обязательно выдерживать безопасные расстояния до другого оборудования, так как могут возникнуть электрические дуги с большим потребление энергии.
Выделяются три зоны защиты от перенапряжения:
- зона 0: вне здания, возможно прямое воздействие молнии;
- зона 1: внутри здания, возможны частичные токи молнии и высокие индукционные напряжения;
- зона 2: малоэнергичные переходные процессы.
Важно, чтобы у антенных устройств при переходе антенного кабеля из зоны 0 в зону 1 были предусмотрены заземлитель и выравниватель потенциалов с достаточной пропускной способностью для тока.
Заземлитель и ограничитель, наряду с защитой от молний, дают также защиту от перенапряжений вследствие включений-выключений и коротких замыканий на землю в электросети.
Узлы для заземлителей тока и ограничителей напряжения
Если исходить из максимального импульсного тока молнии 200 кА в защитной проводке, и если далее предположить, что из них 100 кА протекает через заземление фундамента, то оставшиеся 100 кА должна «осилить» система выравнивания потенциалов — по сути дела, кабельное подсоединение здания. Токи такого порядка величины «осиливают» зазем- лители класса требований В. Они содержат специальные искровые промежутки, которые благодаря их конструкции способны сами собой гаснуть после затухания токов молнии. Если бы это было не так, то после их загорания оставалась бы электрическая дуга.
Бывают заземлители- класса В, которые содержат варисторы.
Варисторы имеют большую параллельную емкость и очень малое замедление срабатывания (20…30 мс). Для искровых промежутков оно, как правило, больше. При многократных перенагрузках запорные свойства варисторов могут ухудшаться. При номинальном напряжении обратный ток возрастает, что может привести к недопустимому нагреванию. Поэтому зазем- лители такого типа имеют термическое отключение с сигнализацией.
В ограничителях перенапряжений класса С также используются варисторы, однако по сравнению с В- типом — с меньшими возможностями отвода тока и более низкими напряжениями срабатывания. Такого типа заземлители встроены в распределительные щиты, они также имеют термический отключатель.
Ограничители напряжения класса D реализуются на гораздо меньших вари- сторах и ограничительных диодах.
Защитные элементы грубой и тонкой защиты конструируются также на основе искровых промежутков, заполненных воздухом или инертным газом. Искровые промежутки имеют тот недостаток, что их срабатывание зависит от скорости нарастания напряжения и, если они зажглись, их напряжение горения настолько низкое, что они иногда гаснут только при напряжении, мёньшем чем 25 В. Следовательно, у ограничителей на более высокое напряжение необходимо прерывать переходной ток. Эти ограничивающие элементы имеют сравнительно небольшие параллельные емкости. Они пригодны и как заземлители тока, и как ограничители напряжения для антенного кабеля и предлагаются в коаксиальном исполнении. Естественно, варисторы и ограничительные диоды непригодны для ВЧ-тракта.
Защита от молнии антенного кабеля — всегда проблема, особенно если необходима защита и от перенапряжений, и от токов молнии. Решением могут быть каскадированные искровые промежутки, скомбинированные с фильтром низких частот, солидный корпус которого включается в выравниватель потенциалов и располагается в переходе от защитной зоны 0 до 1.
CQ-DL