Blog

Hogyan Működnek a Villámhárítók a Hírközlési Rendszerek Védelmében

Túlfeszültségek megértése a hírközlési hálózatokban

Működési elv: Nagyfeszültségű tranziensek földelése

A villámhárítók túlfeszültség esetén a föld felé vezető legkisebb ellenállású utat biztosítanak. Amikor olyan alkatrészek, mint például az ívtöltéses csövek, túl magas feszültséget észlelnek, körülbelül 25 nanomásodperc alatt elkezdődik az ionizáció, és akár átmeneti áramokat is elbírnak körülbelül 100 kiloamper erejig, mielőtt ezeket biztonságosan a földbe vezetnék. A túlfeszültség-védelmi tanulmányok kimutatták, hogy ez a gyors reakció hatékonyan fenntartja a normál üzemi feszültségeket az érzékeny elektronikus berendezéseket károsítható szint alatt. Számos modern rendszer többfokozatú megközelítést alkalmaz, amely hagyományos szikraközt kombinál fémoxid varisztorokkal. Ezek a kombinációk hatékonyan kezelik a hirtelen feszültségcsúcsokat és a hosszabb ideig tartó túlfeszültségi állapotokat különböző ipari alkalmazásokban.

Válaszidő és levezérelt feszültség: A villámhárítók kulcsfontosságú teljesítményjellemzői

A jó túlfeszültség-védelem valójában olyan levezetőktől függ, amelyek kevesebb, mint 100 nanomásodperc alatt reagálnak, miközben a megszorítási feszültségük az eszköz által elviselhető szinten marad. Kifejezetten a távközlési berendezéseknél a legjobb minőségű egységek ezt a szintet 1,5 kV alatt tartják. Tapasztaltunk már UL 1449 tanúsítvánnyal rendelkező modelleket, amelyek körülbelül 15 ezer szimulált túlfeszültséggel szemben is ellenálltak, így biztonságot adnak a mérnököknek az ilyen alkatrészek megválasztásakor. A szakértők többsége egyetért abban, hogy a megszorítási feszültséget a rendszer maximális feszültségének 130–150 százaléka között célszerű beállítani. Ez a tartomány hatékony védelmet nyújt a feszültségcsúcsok ellen anélkül, hogy jelentősen befolyásolná a jelminőséget – ami hálózati szolgáltatók számára kiemelten fontos a szolgáltatás megbízhatóságának fenntartása érdekében.

Villámhárítók kulcsfontosságú alkalmazásai a távközlési infrastruktúrában

Távközlési tornyok védelme közvetlen és indukált villámcsapások ellen

A kommunikációs tornyok két fő problémával néznek szembe a villámcsapások tekintetében: a közvetlenül érkező csapások, illetve a közelben történő villámhárításból eredő zavaró túlfeszültségek. Amikor ezeket a levezetőket megfelelően elhelyezik a tornyok tetején, az IEEE tavaly publikált kutatása szerint kb. 90%-át el tudják kapni a közvetlen találatoknak, és az 50 kiloamper feletti hatalmas elektromos áramot a földelőrendszerbe vezetik. Az indukált túlfeszültségek teljesen más történet. Ezek körülbelül 37 százalékát teszik ki az összes toronynál tapasztalt berendezéskároknak, de itt is kiválóan működnek a minőségi levezetők, amelyek kb. 500 volt vagy annál kisebb szinten tartják az egyszeri feszültségtüskéket, így védve a base station-ök érzékeny elektronikus eszközeit. A Federal Communications Commission legfrissebb, 2023-as eredményeiből kiderül, hogy a megfelelő levezetővédelemmel rendelkező tornyoknál majdnem 78 százalékkal kevesebb meghibásodás történt túlfeszültségek miatt, összehasonlítva azokkal a tornyokkal, amelyeknél egyáltalán nem volt ilyen védelem. Ez meglehetősen erős érv e biztonsági felszerelésekbe történő befektetés mellett.

Túlfeszültség-védelem kültéri antennákhoz és koaxiális tápvonalakhoz

A kültéri antennák és koaxiális kábelek elsődleges bejáratokként szolgálnak a túlfeszültségek számára, a jelvonalak károsodásának 80%-a ezen alkatrészek 100 méteres körzetében következik be. A modern villámcsapás-elhárítók kommunikációs portokhoz így készülnek:

• <6 ns válaszidő, hogy lekösse a túlfeszültséget az eszközök károsodása előtt
• Frekvenciakompatibilitás 6 GHz-ig, hogy megelőzze a jelveszteséget
• Minimális túlfeszültség-áramteherbírás: 20 kA

Ezek a specifikációk biztosítják a megszakításmentes működést viharok alatt, miközben a beszúrási veszteség kevesebb, mint 0,5 dB 5G frekvenciákon

Integrált védelmi stratégiák: Szerkezeti rúdok kombinálása elektronikus elhárítókkal

A legjobb telekommunikációs szolgáltatók rétegzett védelmi rendszereket alkalmaznak:

Védőréteg	Függvény	Teljesítménymutató
Szerkezeti rúdok	Közvetlen csapások elkapása	95%-os találati rátával
Peremvédő kisütők	Tömeges energia átirányítása	100 kA túlfeszültség-terhelhetőség
Készülékszintű túlfeszültség-védelmi eszközök (SPD-k)	Pontos feszültségkorlátozás	<1500 V átengedett feszültség

Ez a többfokozatú stratégia 63%-kal csökkentette a túlfeszültségből eredő leállásokat egy 12 hónapos, 150 sejtes helyszínt érintő vizsgálat során (CTIA 2024). A siker kulcsfontosságú tényezői az alacsony földelési ellenállás (<5 Ω) és a védelmi szintek között legalább 30 méter vezetőtávolság megtartása.

Villámhárítók műszaki adatainak értékelése megbízható túlfeszültség-védelem érdekében

Túlfeszültségi áramteherbírás és energiaelnyelési osztályozás

A túlfeszültségvédelmi készülékeknek az IEC 2023-as szabványai szerint több mint 100 kiloamperes áramlökéseket kell kezelniük, miközben megőrzik szerkezeti integritásukat. Az energiaképességet joule-ban mérjük, ami lényegében azt mutatja, mekkora elektromos ütést bír el egy eszköz, mielőtt elkezd hibásodni. Vegyük például a tengerparti távközlési állomásokat, ahol gyakoriak a villámcsapások. Terepi tesztek kimutatták, hogy amikor a szerelők legalább 40 kilojoule-ra méretezett túlfeszültségvédelmi készülékeket választottak a olcsóbb lehetőségek helyett, körülbelül 72 százalékkal kevesebb problémát tapasztaltak feszültségingadozásból adódóan. Teljesen érthető, hiszen ezek a területek folyamatosan veszélyeztetve vannak az időjárás okozta elektromos zavarok miatt.

Működési frekvencia illesztése a jelromlás megelőzésére

Nagyon fontos, hogy a megfelelő levezetőket használjuk a rendszerfrekvenciához. Amikor 900 MHz-en működő RF berendezésekkel dolgozunk, olyan levezetőkre van szükségünk, amelyek impedanciája kevesebb, mint 0,5 ohm ezen a frekvencián, hogy hatékonyan csökkentsük a zavaró jelvisszaverődéseket. Egy 2022-es terepi teszt érzékeltette, milyen súlyos következményekkel járhat az illesztés hiánya: több 5G kis cellás telepítésnél körülbelül 18%-os jelcsillapodást tapasztaltak. A legtöbb tapasztalt mérnök azt mondja, hogy a frekvencia-szelektív foglalási technikák alkalmazása döntő fontosságú ahhoz, hogy megbízható, tiszta nagysebességű adatátvitelt biztosítsunk teljesítményromlás nélkül.

Marketingígéretek vs. valós világbeli teljesítmény: Mit mutatnak az adatok

Egyes vállalatok hangsúlyozzák, hogy termékeik teljes védelmet nyújtanak villámcsapások ellen, de a valódi körülmények között végzett tesztek más történetet mesélnek. A gyakori áramütések során – amelyeket a valós viharokban tapasztalunk – a levezetők mintegy negyede nem éri el a hirdetett feszültségjellemzőket (ezt állapította meg az UL 2023-ban). A gyakorlatban tapasztaltak elemzése világossá teszi a helyzetet. 47 különböző távközlési helyszínen országszerte azt találták, hogy az IEC 61643-11-nek megfelelő tanúsítvánnyal rendelkező berendezések körülbelül 89%-os megbízhatósággal működtek öt év üzemeltetés során. A nem tanúsított eszközök esetében ez nem volt így. Azoknál a telepítéseknél a megbízhatóság csupán 54%-ra esett vissza. Ez a jelentős különbség a tanúsított és a nem tanúsított termékek között egyértelművé teszi, miért fontos az okos vállalkozások számára, hogy nagy beszerzéseik előtt mindig ellenőrizzék a tényleges laboreredményeket.

Igazolt hatékonyság és ajánlott gyakorlatok a villámlevezetők telepítésében

Esettanulmány: túlfeszültség-károk megelőzése egy vidéki távközlési állomáson

Egy kis vidéki telekommunikációs létesítmény Nebraskában korábban évi átlagosan 12 berendezés meghibásodással szembesült áramütések miatt, mielőtt bevezettek egy megfelelő védelmi rendszert. Amint felszerelték a villámhárítókat a koaxiális kábeleken és tornyuk alján – konkrétan olyan I. osztályú modelleket, amelyek 100 kA-es túlfeszültségi áramot képesek elviselni –, és gondoskodtak arról, hogy minden megfelelően legyen leföldelve, drámaian megváltozott a helyzet. Három egymást követő viharos évszakon keresztül a karbantartási naplók szerint egyetlen túlfeszültségi incidens sem történt. A feszültségcsúcsok ezen idő alatt 6 kV alatt maradtak, ami messze az alatt van, ami a legtöbb hálózati eszközt, például routereket és switcheket károsíthatná. Ez a fajta védelem valódi különbséget jelent az üzem zavartalan működésének fenntartásában az előre nem látható nyári viharok idején.

Adatmegfigyelés: 78%-os csökkenés a berendezések meghibásodásaiban a villámhárítók felszerelése után (FCC jelentés)

Egy 2022-ben elvégzett, körülbelül 450 különböző toronyhelyszínt vizsgáló FCC-felmérés szerint, amikor a IEEE 1410 szabványnak megfelelő túlfeszültségvédelmi készülékeket telepítették, jelentős csökkenést tapasztaltak a villámcsapások okozta berendezés-hibákban. A számok azt mutatták, hogy az esetek mintegy 78%-kal csökkentek összességében. Mi tette ennyire hatékonnyá ezeket az új levezetőket? Főként az, hogy töredék mikroszekundumon belül azonnal reagálnak, és a feszültségcsúcsokat olyan arányban tartják mérsékelten, ami 2:1 alatt marad. Ez lényegesen felülmúlja a régi gázkisüléses védőberendezéseket, körülbelül 40%-os jobb védelmet nyújtva. És itt jön a legjobb: amikor a technikusok árnyékolt kábeleket is alkalmaztak ezekkel a modern levezetőkkel együtt, a hibaarányszám is drasztikusan csökkent. Átlagosan évi fél incidensre csökkent minden egyes helyszínen.

Stratégia: Rétegzett túlfeszültség-védelem elsődleges és másodlagos védelmi szintekkel

A vezető szolgáltatók kétszintű védelmi modellt alkalmaznak:

1. Elsődleges védelem : Minden 50 méterenként elhelyezett villámhárító rúd közvetlenül elkapja a villámcsapásokat, míg a védővezetékek az indukált túlfeszültségeket terelik el, mielőtt azok elérnék a kritikus infrastruktúrát
2. Másodlagos védelem : Többfokozatú túlfeszültség-védelmi készülékek (SPD-k) csökkentik a maradék tranzienseket 1,5 kV alá

Egy 5G-es visszacsatoló hálózatra vonatkozó esettanulmány szerint ez a megközelítés 94%-kal csökkentette a túlfeszültség-energia kitettséget, ahol az elsődleges rendszerek az energia 90%-át kezelték le, míg a másodlagos levezetők kezelték a maradékot. Az éves földelési ellenállás-ellenőrzés – amelyet folyamatosan 5 Ω alatt tartottak – kulcsfontosságú volt a hosszú távú hatékonysághoz.

GYIK szekció

Mire használják a villámhárítókat?

A villámhárítókat a kommunikációs rendszerek védelmére használják a villámcsapások okozta magas feszültségű tranziensekkel szemben.

Milyen gyorsan reagálhatnak a villámhárítók?

A villámhárítók kevesebb, mint 100 nanomásodperc alatt reagálhatnak, hogy a berendezéseket biztonságban tartsák a feszültségingadozásoktól.

Miért fontos a földelés a villámhárító rendszerekben?

A megfelelő földelés biztosítja, hogy a nagy elektromos áramok biztonságosan a földbe legyenek terelve, csökkentve ezzel az érzékeny berendezések károsodásának kockázatát.

Egyformán hatékonyak-e minden villámhárítók?

Nem, a villámhárítók hatékonysága eltérő lehet. A megfelelő tanúsítvánnyal rendelkezők valós körülmények között lényegesen jobban teljesítenek.