وبلاگ

نحوه عملکرد قطعات حفاظتی در برابر صاعقه برای محافظت از سیستم‌های ارتباطی

درک پدیده نوسانات ولتاژ در شبکه‌های ارتباطی

اصل عملکرد: هدایت موج‌های گذرا با ولتاژ بالا به زمین

صاعقه‌گیرها با ایجاد مسیری با کمترین مقاومت به سمت زمین، در شرایط ولتاژ بالا (اضافه‌ولتاژ) عمل می‌کنند. هنگامی که قطعاتی مانند لوله‌های تخلیه گازی متوجه افزایش بیش از حد ولتاژ می‌شوند، در عرض تقریباً ۲۵ نانوثانیه شروع به یونیزه شدن می‌کنند و قادر به تحمل جریان‌های گذرا تا حدود ۱۰۰ کیلوآمپر هستند، پیش از اینکه این جریان را به‌طور ایمن به زمین هدایت کنند. مطالعات حفاظت در برابر اضافه‌جریان نشان داده است که این واکنش سریع، ولتاژهای کاری عادی را به‌خوبی در سطحی پایین‌تر از حد خطر برای تجهیزات الکترونیکی حساس نگه می‌دارد. بسیاری از سیستم‌های مدرن از رویکردهای چندمرحله‌ای استفاده می‌کنند که شامل ترکیب شکاف‌های جرقه سنتی با واریستورهای اکسید فلزی هستند. این ترکیب‌ها به‌طور مؤثری هم با نوسانات ناگهانی ولتاژ و هم با شرایط اضافه‌ولتاژ طولانی‌مدت در کاربردهای صنعتی مختلف مقابله می‌کنند.

زمان پاسخ و ولتاژ قلابی: معیارهای کلیدی عملکرد صاعقه‌گیرها

حفاظت خوب در برابر نوسانات ولتاژ واقعاً به بازکن‌هایی بستگی دارد که بتوانند در کمتر از ۱۰۰ نانوثانیه واکنش نشان دهند، در حالی که ولتاژ قطع‌شده (clamping voltage) آنها متناسب با حد تحمل تجهیزات باقی بماند. به‌ویژه برای تجهیزات مخابراتی، واحدهای با کیفیت بالا سطح ولتاژ قطع‌شده را زیر ۱٫۵ کیلوولت نگه می‌دارند. ما شاهد بوده‌ایم که مدل‌های دارای گواهی UL 1449 تقریباً در برابر ۱۵ هزار نوسان شبیه‌سازی‌شده مقاومت کرده‌اند که این امر اطمینان مهندسان را هنگام انتخاب این اجزا افزایش می‌دهد. اکثر متخصصان موافق هستند که تنظیم ولتاژ قطع‌شده در محدوده‌ای بین ۱۳۰ تا ۱۵۰ درصد ولتاژ حداکثر سیستم بهترین عملکرد را دارد. این محدوده محافظت قوی در برابر نوسانات برق فراهم می‌کند بدون آنکه بیش از حد بر کیفیت سیگنال تأثیر بگذارد؛ موضوعی که اپراتورهای شبکه به‌شدت به آن اهمیت می‌دهند تا قابلیت اطمینان خدمات را حفظ کنند.

کاربردهای کلیدی بازکن‌های صاعقه در زیرساخت‌های مخابراتی

محافظت از برج‌های مخابراتی در برابر ضربه‌های مستقیم و القایی صاعقه

برج‌های ارتباطی در مواجهه با صاعقه با دو مشکل اصلی روبرو هستند: ضربه‌های مستقیم ناشی از صاعقه که به طور مستقیم به آنها برخورد می‌کنند، و نوسانات القایی حاصل از رعد و برق‌های نزدیک. وقتی محافظ‌های صاعقه به درستی در بالای این برج‌ها نصب شوند، حدود ۹۰ درصد از این برخوردهای مستقیم را جذب کرده و جریان‌های الکتریکی عظیمی بالاتر از ۵۰ کیلوآمپر را به سیستم ارت زمین هدایت می‌کنند، همان‌طور که در تحقیق منتشر شده توسط IEEE سال گذشته آمده است. نوسانات القایی داستان دیگری هستند. این نوع نوسانات تقریباً ۳۷ درصد از کل آسیب‌های تجهیزات روی برج‌ها را تشکیل می‌دهند، اما محافظ‌های با کیفیت در اینجا نیز عملکرد بسیار خوبی دارند و نوسانات ناگهانی ولتاژ را حدود ۵۰۰ ولت یا کمتر نگه می‌دارند و بدین ترتیب تجهیزات الکترونیکی حساس در ایستگاه‌های پایه را محافظت می‌کنند. با بررسی داده‌های کمیسیون ارتباطات فدرال (FCC) در یافته‌های اخیرشان در سال ۲۰۲۳ مشاهده می‌شود که برج‌های مجهز به محافظ صاعقه مناسب، تقریباً ۷۸ درصد کاهش در حوادث خرابی ناشی از نوسانات نسبت به برج‌های بدون هیچ گونه محافظت داشته‌اند. این موضوع دلیل قوی‌ای برای سرمایه‌گذاری روی این نوع تجهیزات ایمنی فراهم می‌کند.

حفاظت در برابر نوسانات برای آنتن‌های خارجی و خطوط تغذیه کواکسیال

آنتن‌های خارجی و کابل‌های کواکسیال به عنوان نقاط ورود اصلی نوسانات عمل می‌کنند، که 80٪ آسیب‌های خطوط سیگنال در فاصله 100 متری این قطعات رخ می‌دهد. دستگاه‌های مدرن مصون‌سازی از صاعقه برای پورت‌های ارتباطی با مشخصات زیر طراحی شده‌اند:

• <6 نانوثانیه زمان پاسخ‌گویی برای مهار نوسانات قبل از آسیب به تجهیزات
• سازگاری فرکانسی تا 6 گیگاهرتز جهت جلوگیری از افت سیگنال
• ظرفیت جریان نوسان حداقل 20 کیلوآمپر

این مشخصات اطمینان از عملکرد بدون وقفه در طول طوفان‌ها را فراهم می‌کند و در عین حال افت درجی کمتر از 0.5 دسی‌بل را در فرکانس‌های 5G حفظ می‌کند.

راهبردهای یکپارچه حفاظت: ترکیب میله‌های ساختاری با مصون‌کننده‌های الکترونیکی

اپراتورهای برتر مخابراتی سیستم‌های دفاع لایه‌ای را اجرا می‌کنند:

لایه حفاظتی	عملکرد	شاخص عملکرد
میله‌های ساختاری	مسدود کردن ضربه‌های مستقیم	نرخ ضربه‌گیری 95 درصد
مقررهای محصورکننده مرزی	هدایت انرژی حجیم به مسیر دیگر	ظرفیت نوسان جریان 100 کیلوآمپر
دستگاه‌های حفاظتی در سطح تجهیزات (SPD)	قفل‌کردن ولتاژ دقیق	عبور دادن کمتر از 1,500 ولت

این استراتژی چندمرحله‌ای در طول یک مطالعه 12 ماهه از 150 سایت سلولی (CTIA 2024)، زمان توقف ناشی از نوسان را 63 درصد کاهش داد. عوامل کلیدی موفقیت شامل مقاومت پایین در اتصال به زمین (<5 Ω) و حفظ حداقل فاصله 30 متری هادی بین لایه‌های حفاظتی است.

ارزیابی مشخصات مقررهای ضد صاعقه برای حفاظت قابل اطمینان در برابر نوسانات

ظرفیت جریان نوسانی و رتبه‌بندی جذب انرژی

سیستم‌های حفاظتی باید بتوانند نوسانات جریان بالاتر از ۱۰۰ کیلوآمپر را مطابق استانداردهای IEC در سال ۲۰۲۳ مدیریت کنند و در عین حال یکپارچگی ساختاری خود را حفظ نمایند. از نظر ظرفیت تحمل انرژی، این مقدار را بر حسب ژول اندازه‌گیری می‌کنیم که به طور کلی نشان می‌دهد دستگاه قبل از از کار افتادن چه مقدار ضربه الکتریکی را می‌تواند تحمل کند. به عنوان مثال، ایستگاه‌های مخابراتی ساحلی که در آن‌ها رعد و برق امری رایج است. آزمایش‌های میدانی نشان می‌دهند که زمانی که نصب‌کنندگان از سیستم‌های حفاظتی با ظرفیت حداقل ۴۰ کیلوژول استفاده کرده‌اند، نسبت به گزینه‌های ارزان‌تر، حدود ۷۲ درصد کاهش در مشکلات ناشی از نوسانات ولتاژ مشاهده شده است. این موضوع منطقی است، چرا که این مناطق دائماً در معرض تهدیدات ناشی از اختلالات الکتریکی ناشی از شرایط آب و هوایی قرار دارند.

تطبیق فرکانس عملیاتی برای جلوگیری از کاهش کیفیت سیگنال

انتخاب مهارکننده‌های مناسب برای فرکانس سیستم در عمل بسیار مهم است. هنگام کار با تجهیزات فرکانس رادیویی (RF) که در 900 مگاهرتز کار می‌کنند، به مهارکننده‌هایی نیاز داریم که امپدانسی کمتر از 0.5 اهم در همان فرکانس خاص داشته باشند تا از بازتاب‌های ناخواسته سیگنال جلوگیری شود. آزمایشی میدانی اخیر در سال 2022 نشان داد که عدم تطابق چقدر می‌تواند مشکل‌ساز باشد — افراد در چندین نصب سلول کوچک 5G حدود 18 درصد از سیگنال را از دست دادند. بیشتر مهندسان با تجربه می‌گویند که پایبندی به تکنیک‌های مهار انتخابی فرکانسی، تفاوت بزرگی در حفظ انتقال داده‌های پرسرعت و قابل اعتماد بدون کاهش عملکرد ایجاد می‌کند.

ادعاهای بازاریابی در مقابل عملکرد دنیای واقعی: داده‌ها چه می‌گویند

برخی شرکت‌ها محصولات خود را به عنوان دارای حفاظت کامل در برابر صاعقه تبلیغ می‌کنند، اما آزمایش‌های واقعی داستان دیگری را روایت می‌کنند. حدود یک چهارم قطعات حفاظتی در برابر ولتاژهای ناگهانی، هنگامی که در معرض نوسانات متعدد انرژی مشاهده‌شده در طوفان‌های واقعی قرار می‌گیرند، واقعاً به مشخصات ولتاژ مورد وعده خود دست نمی‌یابند (این موضوع توسط UL در سال 2023 کشف شد). بررسی آنچه در عمل اتفاق می‌افتد، درک بهتری فراهم می‌کند. در 47 محل مخابراتی مختلف در سراسر کشور، تجهیزاتی که دارای علامت‌های معتبری مانند IEC 61643-11 بودند، در طول پنج سال عملیات، حدود 89 درصد از زمان سالم باقی ماندند. تجهیزات بدون گواهی؟ چندان خوب نبودند. در این نصب‌ها، قابلیت اطمینان تنها به 54 درصد کاهش یافت. این شکاف بین محصولات معتبر و غیرمعتبر، روشن می‌کند که چرا شرکت‌های هوشمند باید همواره قبل از انجام خریدهای بزرگ، به دنبال نتایج واقعی آزمایشگاهی باشند.

اثربخشی اثبات‌شده و بهترین روش‌ها در نصب قطعات حفاظتی در برابر صاعقه

مطالعه موردی: جلوگیری از آسیب ناشی از نوسانات در یک ایستگاه مخابراتی روستایی

در یک مرکز کوچک مخابراتی در مناطق روستایی نبراسکا، قبلاً هر ساله حدود ۱۲ مورد خرابی تجهیزات ناشی از نوسانات برق را تجربه می‌کردند، تا قبل از اینکه یک سیستم حفاظتی مناسب را اجرا کنند. پس از نصب قطعات ضد صاعقه (lightning arresters) روی کابل‌های هم‌محور و در پایه‌ی دکل‌هایشان — به‌طور خاص مدل‌های کلاس I که قادر به تحمل جریان‌های صاعقه تا ۱۰۰ کیلوآمپر هستند — و اطمینان از اتصال صحیح به زمین، شرایط به‌طور چشمگیری تغییر کرد. طی سه فصل پیاپی طوفان، بر اساس سوابق تعمیر و نگهداری آن‌ها، هیچ حادثه‌ای ناشی از نوسانات ولتاژ رخ نداد. در این مدت، نوسانات ولتاژ همیشه زیر ۶ کیلوولت باقی ماند که بسیار پایین‌تر از حدی است که معمولاً به تجهیزات شبکه مانند روترها و سوئیچ‌ها آسیب می‌زند. این نوع حفاظت تفاوت واقعی در ادامه‌دار بودن عملیات بدون وقفه در طول طوفان‌های نامنظم تابستانی ایجاد می‌کند.

بینش داده: کاهش ۷۸٪ در خرابی تجهیزات پس از نصب قطعات ضد صاعقه (گزارش FCC)

بر اساس مطالعه‌ای که در سال 2022 توسط FCC روی حدود 450 محل آنتن مختلف انجام شد، پس از نصب دستگاه‌های قطع جریان مطابق با استاندارد IEEE 1410، کاهش قابل توجهی در خرابی تجهیزات ناشی از صاعقه مشاهده شد. اعداد و ارقام نشان‌دهنده کاهشی حدود 78 درصدی در سطح کلی بودند. عامل اصلی عملکرد بهتر این قطع‌کننده‌های جدید چیست؟ عمدتاً به این دلیل که این دستگاه‌ها در کسری از یک میکروثانیه پاسخ می‌دهند و نوسانات ولتاژ را تحت کنترل نگه می‌دارند، به طوری که نسبت ولتاژ کمتر از 2 به 1 باقی می‌ماند. این عملکرد به وضوح بر محافظ‌های قدیمی دیسچارژ گازی برتری دارد و تقریباً 40 درصد حفاظت بهتری فراهم می‌کند. و این هم جالب است: وقتی تکنسین‌ها کابل‌های شیلد‌دار را همراه با این قطع‌کننده‌های مدرن نصب کردند، نرخ خرابی بسیار کاهش یافت. صحبت از این است که به طور متوسط سالانه تنها نیمی از یک حادثه در هر سایت رخ می‌دهد.

استراتژی: حفاظت لایه‌ای در برابر اضافه‌ولتاژ با استفاده از مراحل دفاعی اولیه و ثانویه

اپراتورهای پیشرو از مدل حفاظتی دو مرحله‌ای استفاده می‌کنند:

1. حفاظت اولیه : میله‌های مفتول هر ۵۰ متر یک بار ضربه‌های مستقیم را دریافت می‌کنند، در حالی که سیم‌های محافظ، ولتاژهای ناشی از القا را قبل از رسیدن به زیرساخت‌های حیاتی منحرف می‌کنند
2. حفاظت ثانویه : دستگاه‌های چندمرحله‌ای حفاظت در برابر اضافه‌ولتاژ (SPD) نوسانات باقیمانده را به کمتر از ۱٫۵ کیلوولت محدود می‌کنند

در یک مطالعه موردی شبکه بازگشتی ۵G، این رویکرد قرار گرفتن در معرض انرژی اضافه‌ولتاژ را تا ۹۴٪ کاهش داد، به طوری که سیستم‌های اولیه ۹۰٪ از انرژی را تحمل کردند و قطعات حفاظتی ثانویه بقیه را مدیریت کردند. بررسی سالانه مقاومت اتصال به زمین — که به طور مداوم کمتر از ۵ اهم حفظ شده بود — کلید عملکرد بلندمدت این سیستم بود.

بخش سوالات متداول

صاعقه‌گیرها چه کاربردی دارند؟

صاعقه‌گیرها برای محافظت از سیستم‌های ارتباطی در برابر اضافه‌ولتاژهای ناشی از صاعقه استفاده می‌شوند.

سرعت واکنش صاعقه‌گیرها چقدر است؟

صاعقه‌گیرها می‌توانند در کمتر از ۱۰۰ نانوثانیه واکنش نشان دهند تا تجهیزات در برابر اضافه‌ولتاژ محافظت شوند.

اتصال به زمین در سیستم‌های صاعقه‌گیر چرا مهم است؟

اتصال به زمین مناسب اطمینان حاکم می‌شود که جریان‌های الکتریکی بزرگ به‌طور ایمن به سمت زمین هدایت شوند و خطر آسیب به تجهیزات حساس را به حداقل می‌رسانند.

آیا تمام قطعات ضد صاعقه به یک اندازه مؤثر هستند؟

خیر، اثربخشی قطعات ضد صاعقه ممکن است متفاوت باشد. قطعاتی که دارای گواهی‌های لازم هستند، معمولاً در آزمایش‌های واقعی عملکرد بهتری دارند.