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संचार प्रणालियों की सुरक्षा के लिए लाइटनिंग अरेस्टर कैसे काम करते हैं

संचार नेटवर्क में वोल्टेज सर्ज की व्याख्या

संचालन का सिद्धांत: भूमि पर उच्च-वोल्टेज ट्रांजिएंट को मोड़ना

लाइटनिंग अरेस्टर ओवरवोल्टेज की स्थिति में पृथ्वी तक न्यूनतम प्रतिरोध के मार्ग प्रदान करके काम करते हैं। जब गैस डिस्चार्ज ट्यूब जैसे घटक बहुत अधिक वोल्टेज का पता लगाते हैं, तो वे लगभग 25 नैनोसेकंड में आयनित होना शुरू कर देते हैं और उन्हें सुरक्षित रूप से भू-तल पर भेजने से पहले लगभग 100 किलोएम्पीयर की ट्रांजिएंट धारा को वास्तव में संभाल सकते हैं। सर्ज सुरक्षा अध्ययनों ने दिखाया है कि संवेदनशील इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को नुकसान पहुँचाने वाले स्तर से काफी कम सामान्य संचालन वोल्टेज को बनाए रखने में यह त्वरित प्रतिक्रिया सहायक होती है। कई आधुनिक प्रणालियाँ धातु ऑक्साइड वेरिस्टर के साथ पारंपरिक स्पार्क गैप को मिलाकर बहु-स्तरीय दृष्टिकोण का उपयोग करती हैं। इन संयोजनों का उपयोग अचानक आने वाले वोल्टेज स्पाइक्स और लंबे समय तक चलने वाली ओवरवोल्टेज स्थितियों दोनों से विभिन्न औद्योगिक अनुप्रयोगों में काफी प्रभावी ढंग से निपटने के लिए किया जाता है।

प्रतिक्रिया समय और क्लैम्पिंग वोल्टेज: लाइटनिंग अरेस्टर के लिए प्रमुख प्रदर्शन मापदंड

अच्छी सर्ज सुरक्षा वास्तव में उन अरेस्टरों पर निर्भर करती है जो 100 नैनोसेकंड से कम समय में प्रतिक्रिया कर सकते हैं, जबकि उनके क्लैंपिंग वोल्टेज उपकरण द्वारा संभाले जा सकने योग्य स्तर पर बनाए रखते हैं। विशेष रूप से दूरसंचार उपकरणों के लिए, शीर्ष गुणवत्ता वाली इकाइयाँ उन क्लैंपिंग स्तरों को 1.5 kV के निशान से नीचे रखती हैं। हमने देखा है कि UL 1449 प्रमाणित मॉडल लगभग 15,000 अनुकरित सर्ज के दौरान भी टिके रहते हैं, जिससे इंजीनियरों को इन घटकों के चयन में आत्मविश्वास मिलता है। अधिकांश विशेषज्ञों का मानना है कि क्लैंपिंग वोल्टेज को प्रणाली के अधिकतम वोल्टेज के 130 से 150 प्रतिशत के बीच में सेट करना सबसे उत्तम होता है। यह सीमा बिजली के झटकों के खिलाफ मजबूत सुरक्षा प्रदान करती है बिना सिग्नल गुणवत्ता को प्रभावित किए, जिसके प्रति नेटवर्क ऑपरेटर सेवा विश्वसनीयता बनाए रखने के लिए गहरी चिंता रखते हैं।

दूरसंचार बुनियादी ढांचे में लाइटनिंग अरेस्टर के प्रमुख अनुप्रयोग

प्रत्यक्ष और प्रेरित तड़ित आघातों से दूरसंचार टावरों की सुरक्षा

संचार टावरों को बिजली के मामले में दो मुख्य समस्याओं का सामना करना पड़ता है: सीधे उन पर आघात करने वाले वास्तविक आघात, और आसपास की बिजली की चमक से उत्पन्न होने वाले उत्प्रेरित सर्ज। जब इन टावरों के शीर्ष पर उचित ढंग से स्थापित किए जाते हैं, तो अरेस्टर लगभग 90% सीधे आघातों को पकड़ लेते हैं, जो विशाल विद्युत धारा—50 किलोएम्पीयर से अधिक—को भू-तंत्र में निर्देशित करते हैं, जैसा कि पिछले वर्ष IEEE द्वारा प्रकाशित शोध में बताया गया है। उत्प्रेरित सर्ज का मामला पूरी तरह अलग है। इनके कारण टावरों पर देखी जाने वाली सभी उपकरण क्षति का लगभग 37 प्रतिशत हिस्सा होता है, लेकिन उच्च गुणवत्ता वाले अरेस्टर यहाँ भी बेहतरीन काम करते हैं, जो आधार स्टेशनों पर संवेदनशील इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों की रक्षा करते हुए अचानक के वोल्टेज स्पाइक को लगभग 500 वोल्ट या उससे कम पर नियंत्रित रखते हैं। संघीय संचार आयोग के नवीनतम 2023 के आंकड़ों को देखते हुए, हम पाते हैं कि उचित अरेस्टर सुरक्षा वाले टावरों में बिना किसी सुरक्षा वाले टावरों की तुलना में सर्ज के कारण होने वाली विफलता की घटनाओं में लगभग 78% की कमी देखी गई। इस प्रकार के सुरक्षा उपकरण में निवेश करने के पक्ष में यह एक मजबूत तर्क है।

बाहरी एंटीना और समाक्षीय फीड लाइनों के लिए सर्ज सुरक्षा

बाहरी एंटीना और समाक्षीय केबल सर्ज के प्रवेश के प्राथमिक बिंदु के रूप में कार्य करते हैं, जहां सिग्नल लाइन के 80% नुकसान इन घटकों के 100 मीटर के भीतर होता है। संचार पोर्ट के लिए आधुनिक लाइटनिंग अरेस्टर को निम्नलिखित के साथ डिज़ाइन किया गया है:

• <6 नैनोसेकंड प्रतिक्रिया समय उपकरण क्षति से पहले सर्ज को क्लैंप करने के लिए
• सिग्नल नुकसान को रोकने के लिए 6 गीगाहर्ट्ज तक आवृत्ति संगतता
• न्यूनतम सर्ज धारा क्षमता 20 kA

ये विनिर्देश तूफान के दौरान बिना बाधा के संचालन सुनिश्चित करते हैं जबकि 5G आवृत्तियों पर 0.5 डीबी से कम इंसर्शन नुकसान बनाए रखते हैं।

एकीकृत सुरक्षा रणनीति: संरचनात्मक छड़ों को इलेक्ट्रॉनिक अरेस्टर के साथ जोड़ना

शीर्ष-स्तरीय दूरसंचार ऑपरेटर परतदार रक्षा प्रणाली लागू करते हैं:

सुरक्षा परत	कार्य	प्रदर्शन मीट्रिक
संरचनात्मक छड़	सीधे प्रहारों को अवरुद्ध करें	95% प्रहार कैप्चर दर
परिमापीय अवरोधक	बल्क ऊर्जा को मोड़ें	100 kA सर्ज क्षमता
उपकरण-स्तर के एसपीडी	सटीक वोल्टेज क्लैम्पिंग	<1,500V लेट-थ्रू

इस बहु-स्तरीय रणनीति ने 150 सेलुलर साइटों के 12-महीने के अध्ययन में सर्ज से संबंधित बंद होने की समयावधि में 63% की कमी की (CTIA 2024)। महत्वपूर्ण सफलता के कारकों में कम भू-संपर्क प्रतिरोध (<5 Ω) और सुरक्षा परतों के बीच कम से कम 30 मीटर के चालक की दूरी बनाए रखना शामिल है।

विश्वसनीय सर्ज सुरक्षा के लिए लाइटनिंग अरेस्टर विनिर्देशों का मूल्यांकन

अतिभार धारा क्षमता और ऊर्जा अवशोषण रेटिंग

2023 के IEC मानकों के अनुसार, अतिभार रोधकों को संरचनात्मक बनावट बनाए रखते हुए 100 किलोएम्पीयर से अधिक के धारा उछाल का प्रबंधन करने की आवश्यकता होती है। ऊर्जा संभाल क्षमता के मामले में, हम इसे जूल में मापते हैं, जो हमें यह बताता है कि उपकरण खराब होने लगने से पहले कितनी विद्युत झटका सहन कर सकता है। उदाहरण के लिए तटीय दूरसंचार स्टेशनों को लीजिए, जहां बिजली गिरना आम बात है। फ़ील्ड परीक्षणों में दिखाया गया है कि जब स्थापनाकर्ताओं ने सस्ते विकल्पों के बजाय कम से कम 40 किलोजूल रेटेड अतिभार रोधकों का चयन किया, तो उन्होंने वोल्टेज स्पाइक्स के कारण होने वाली समस्याओं में लगभग 72 प्रतिशत की कमी देखी। यह तो तर्कसंगत है क्योंकि इन क्षेत्रों को मौसम-संबंधी विद्युत व्यवधानों से लगातार खतरा होता है।

सिग्नल गिरावट को रोकने के लिए संचालन आवृत्ति का मिलान करना

प्रणाली आवृत्ति के लिए सही अरेस्टर प्राप्त करना व्यवहार में बहुत महत्वपूर्ण होता है। जब 900 MHz पर चल रहे RF उपकरणों के साथ काम किया जाता है, तो हमें ऐसे अरेस्टर की आवश्यकता होती है जो उस विशिष्ट आवृत्ति पर 0.5 ओम से कम की प्रतिबाधा दर्शाएँ, ताकि अवांछित सिग्नल प्रतिबिंब को नियंत्रित रखा जा सके। 2022 में किए गए एक हालिया क्षेत्र परीक्षण ने यह दिखाया कि अमिलत कितना खराब हो सकता है - कई 5G छोटे सेल स्थापनाओं में लगभग 18% सिग्नल हानि देखी गई। अधिकांश अनुभवी इंजीनियर आपको बताएंगे कि स्पष्ट और विश्वसनीय उच्च गति डेटा संचरण बनाए रखने के लिए प्रदर्शन को नुकसान पहुंचाए बिना आवृत्ति चयनात्मक क्लैम्पिंग तकनीकों का पालन करना सब कुछ बदल सकता है।

विपणन दावे बनाम वास्तविक दुनिया का प्रदर्शन: डेटा क्या कहता है

कुछ कंपनियां अपने उत्पादों को बिजली गिरने के खिलाफ पूर्ण सुरक्षा प्रदान करने वाला बताती हैं, लेकिन वास्तविक दुनिया के परीक्षण एक अलग कहानी सुनाते हैं। वास्तविक तूफानों में हम जिन बार-बार आने वाले विद्युत झटकों को देखते हैं, उनके अधीन होने पर लगभग चौथाई अरेस्टर वादा किए गए वोल्टेज विशिष्टताओं तक वास्तव में नहीं पहुंचते (UL ने 2023 में यह पाया)। व्यवहार में क्या होता है, इस पर नज़र डालने से चीजें स्पष्ट होती हैं। देश भर में 47 अलग-अलग दूरसंचार स्थानों पर, IEC 61643-11 जैसे उचित प्रमाणन चिह्न ले जाने वाले उपकरण लगभग पांच वर्षों के संचालन के दौरान लगभग 89% समय तक कार्यात्मक रहे। गैर-प्रमाणित उपकरण? इतना अच्छा नहीं। उन स्थापनाओं में उनकी विश्वसनीयता घटकर केवल 54% रह गई। प्रमाणित और गैर-प्रमाणित उत्पादों के बीच यह अंतर स्पष्ट करता है कि बड़े खरीदारी निर्णय लेने से पहले समझदार व्यवसायों को हमेशा वास्तविक प्रयोगशाला परिणामों की जांच क्यों करनी चाहिए।

बिजली अरेस्टर के तैनाती में सिद्ध प्रभावशीलता और सर्वोत्तम प्रथाएं

केस अध्ययन: एक ग्रामीण दूरसंचार स्टेशन में सर्ज क्षति को रोकना

ग्रामीण नेब्रास्का में एक छोटे संचार सुविधा केंद्र में, उन्हें उचित सुरक्षा प्रणाली लागू करने से पहले प्रत्येक वर्ष लगभग 12 उपकरण विफलताओं का सामना करना पड़ता था जो विद्युत झटकों के कारण होती थीं। एक बार जब उन्होंने समाक्षीय केबल्स के साथ-साथ अपने टावरों के आधार पर विशेष रूप से 100 kA की झटका धारा को संभालने में सक्षम कक्षा I मॉडल के लाइटनिंग अरेस्टर लगा दिए और सुनिश्चित कर लिया कि सब कुछ ठीक से भू-संपर्कित (ग्राउंडेड) है, तो स्थिति में नाटकीय बदलाव आया। लगातार तीन तूफानी मौसम के दौरान उनके रखरखाव लॉग के अनुसार एक भी झटका घटना नहीं हुई। इस अवधि के दौरान वोल्टेज स्पाइक 6 kV से कम बने रहे, जो राउटर और स्विच जैसे अधिकांश नेटवर्क उपकरणों को नुकसान पहुँचाने के लिए आवश्यक स्तर से काफी कम है। इस तरह की सुरक्षा उन अप्रत्याशित ग्रीष्मकालीन तूफानों के दौरान संचालन को निर्बाध रखने में वास्तविक अंतर लाती है।

डेटा अंतर्दृष्टि: अरेस्टर स्थापना के बाद उपकरण विफलताओं में 78% की कमी (FCC रिपोर्ट)

2022 में FCC द्वारा लगभग 450 अलग-अलग टावर स्थानों को देखकर किए गए एक अध्ययन के अनुसार, जब उन्होंने IEEE 1410 के अनुपालन वाले अरेस्टर लगाए, तो बिजली गिरने के कारण उपकरण विफलताओं में वास्तव में काफी उल्लेखनीय गिरावट आई। आंकड़ों में कुल मिलाकर लगभग 78% की कमी दिखाई दी। इन नए अरेस्टरों के इतना अच्छा काम करने का मुख्य कारण क्या था? मुख्य रूप से इसलिए क्योंकि वे एक माइक्रोसेकंड के अंशों के भीतर लगभग तुरंत प्रतिक्रिया करते हैं और वोल्टेज स्पाइक को 2 से 1 के अनुपात से कम रखकर नियंत्रित करते हैं। यह पुराने गैस डिस्चार्ज सुरक्षा उपकरणों की तुलना में काफी बेहतर है, जिससे लगभग 40% अधिक सुरक्षा मिलती है। और यह सुनिए - जब तकनीशियनों ने इन आधुनिक अरेस्टरों के साथ शील्डेड केबल भी जोड़ दीं, तो विफलता दर में भी भारी कमी आई। औसतन प्रत्येक स्थान पर हर वर्ष केवल आधी घटना होने की बात हो रही है।

रणनीति: प्राथमिक और द्वितीयक रक्षा चरणों का उपयोग करके परतदार सर्ज सुरक्षा

अग्रणी ऑपरेटर दो-चरणीय सुरक्षा मॉडल को तैनात करते हैं:

1. प्राथमिक सुरक्षा : हर 50 मीटर पर स्थापित लाइटनिंग रॉड सीधी चपेट में आने वाले आघातों को अवरुद्ध करते हैं, जबकि शील्ड तार उन उत्प्रेरित भार को हटा देते हैं जो महत्वपूर्ण बुनियादी ढांचे तक पहुँचने से पहले उत्पन्न होते हैं
2. द्वितीयक सुरक्षा : बहु-स्तरीय सर्ज सुरक्षा उपकरण (SPDs) अवशिष्ट ट्रांजिएंट को 1.5 kV से नीचे सीमित कर देते हैं

एक 5G बैकहॉल नेटवर्क के केस स्टडी में, इस दृष्टिकोण ने सर्ज ऊर्जा के अवरोधन को 94% तक कम कर दिया, जिसमें प्राथमिक प्रणालियों ने 90% ऊर्जा को संभाला और द्वितीयक अरेस्टर्स शेष का प्रबंधन किया। भू-प्रतिरोध का वार्षिक सत्यापन—लगातार 5 Ω से कम बनाए रखा गया—दीर्घकालिक प्रभावशीलता के लिए महत्वपूर्ण था।

सामान्य प्रश्न अनुभाग

लाइटनिंग अरेस्टर्स का उपयोग किस लिए किया जाता है?

लाइटनिंग अरेस्टर्स का उपयोग बिजली गिरने के कारण उत्पन्न होने वाले उच्च-वोल्टेज ट्रांजिएंट से संचार प्रणालियों की रक्षा के लिए किया जाता है।

लाइटनिंग अरेस्टर्स कितनी तेज़ी से प्रतिक्रिया कर सकते हैं?

लाइटनिंग अरेस्टर्स वोल्टेज सर्ज से उपकरणों की सुरक्षा के लिए 100 नैनोसेकंड से भी कम समय में प्रतिक्रिया कर सकते हैं।

लाइटनिंग अरेस्टर प्रणालियों में ग्राउंडिंग का महत्व क्यों है?

उचित भू-संपर्कन सुनिश्चित करता है कि विशाल विद्युत धाराओं को सुरक्षित ढंग से पृथ्वी में प्रवाहित किया जा सके, जिससे संवेदनशील उपकरणों को होने वाले नुकसान का जोखिम कम हो जाता है।

क्या सभी लाइटनिंग अरेस्टर समान रूप से प्रभावी होते हैं?

नहीं, लाइटनिंग अरेस्टर की प्रभावशीलता में भिन्नता हो सकती है। उचित प्रमाणन वाले अरेस्टर वास्तविक परिस्थितियों में परीक्षणों में काफी बेहतर प्रदर्शन करते हैं।