DŁUŻNIEWSKI Artur 1 JOHN Łukasz 2 LASKOWSKI Mieczysław 3 Ochrona odgromowa stacjonarnych obiektów łączności radiowej WPROWADZENIE Ochrona odgromowa stacjonarnych obiektów łączności radiowej jest zagadnieniem złożonym. Wynika to z faktu, że bezpośrednie wyładowanie atmosferyczne w budynek, w którym znajdują się urządzenia łączności radiowej jest powszechnie uznawane za najgroźniejsze naturalne źródło zaburzeń elektromagnetycznych o dużej energii. Może nastąpić uszkodzenie urządzenia nadawczoodbiorczego nawet w sytuacji, kiedy nie nastąpiło bezpośrednie wyładowanie w system antenowy. Powstające impulsowe pole elektromagnetyczne podczas wyładowania w promieniu nawet 1,5 km od obiektu może być przyczyną indukowania się przepięć o znacznej amplitudzie w instalacji zasilania obiektu i torze sygnałowym. Maszty antenowe instalowane są najczęściej na dachach budynków nastawni, dworców kolejowych, stanowiąc obiekt najczęściej narażony na bezpośrednie wyładowanie. Należy zaznaczyć, że pełna ochrona obiektu i zainstalowanych w nim urządzeń przed wyładowaniami atmosferycznymi nie jest możliwa, ponieważ maksymalna efektywność ochrony wynosi tylko 98%. Problematyka ta dlatego staje się również bardzo ważna z tego względu, że występuje w ostatnich latach znaczące nasilenie gwałtowności zjawisk atmosferycznych, o czym informują często media. Jednocześnie urządzenia łączności radiowej są zasilane z sieci energetycznej niskiego napięcia, w której mogą się indukować przepięcia o znacznych amplitudach pochodzenia atmosferycznego oraz występować równie groźne przepięcia pochodzenia komutacyjnego. Zatem ochrona urządzeń musi być przeprowadzona w sposób kompleksowy obejmując wszystkie możliwe drogi dotarcia przepięć do konkretnych urządzeń. Jak wspomniano, znaczącym źródłem zaburzeń elektromagnetycznych o charakterze impulsowym są stany nieustalone w sieciach elektroenergetycznych, powstające podczas nagłych zmian napięcia zasilającego lub zmiany konfiguracji układu połączeń poszczególnych elementów w systemie elektroenergetycznym. Generowane przepięcia w sieciach wysokiego oraz średniego napięcia przedostają się przez transformatory obniżające do sieci niskiego napięcia zasilającej urządzenia elektroniczne. Przeciętnie w ciągu roku w dowolnym punkcie sieci zasilającej rejestrowano przepięcia o następujących amplitudach [6]: 300 500 V kilkaset przypadków, 500 1000 V kilkadziesiąt przypadków, 1000 5000 V kilkanaście przypadków, ponad 5000 V kilka przypadków. 1 PARAMETRY CHARAKTERYZUJĄCE WYŁADOWANIE GŁÓWNE Wyładowania atmosferyczne mogą mieć charakter dodatni lub ujemny. Około 90% wyładowań doziemnych ma charakter ujemny. Wartości amplitud prądu podczas wyładowań wynoszą od 10 ka do 200 ka. W Polsce w zależności od lokalizacji geograficznej liczba dni burzowych może wynosić od 20 dni do 32 dni w roku. Dane statystyczne dotyczące rozkładu amplitud wyładowań atmosferycznych doziemnych wskazują, że najwięcej wyładowań grupuje się wokół wartości 20 ka i są to wyładowania o charakterze ujemnym [7]. 1 Instytut Kolejnictwa, Laboratorium Automatyki i Telekomunikacji; 04-275 Warszawa; ul. J. Chłopickiego 50; Tel. 22 47 31 399; Fax. 22 47 31 036; e-mail: adluzniewski@ikolej.pl 2 Instytut Kolejnictwa, Laboratorium Automatyki i Telekomunikacji; 04-275 Warszawa; ul. J. Chłopickiego 50; Tel. 22 47 31 421; Fax. 22 47 31 036; e-mail: ljohn@ikolej.pl 3 Instytut Kolejnictwa, Zakład Sterowania Ruchem Kolejowym i Teleinformatyki; 04-275 Warszawa; ul. J. Chłopickiego 50; Tel. 22 47 31 358; Fax. 22 47 31 036; e-mail: mlaskowski@ikolej.pl 3122
Z punktu widzenia zagrożeń najważniejsze jest wyładowanie główne. Jest ono poprzedzone wyładowaniami wstępnymi, które są źródłem od kilkudziesięciu do kilkuset impulsów elektromagnetycznych. Wartości szczytowe tych impulsów są znacznie mniejsze w porównaniu z impulsami powstającymi podczas wyładowania głównego. W czasie wyładowania w wytworzonym kanale płynie zwykle kilka następujących po sobie fal prądowych. Wartości szczytowe prądów w kolejnych wyładowaniach są znacznie mniejsze niż w wyładowaniu głównym. Przeciętne wartości natężenia pola elektrycznego występujące w odległości kilku metrów od miejsca uderzenia pioruna osiągają wartość kilkaset kv/m. Najwyższa zarejestrowana wartość wynosiła 400 kv/m. Czasy narastania odpowiadające pierwszemu udarowi prądowemu wynoszą od kilkuset nanosekund do kilku mikrosekund. W miarę oddalania się od miejsca uderzenia pioruna wartość natężenia pola elektrycznego maleje. 2 REALIZACJA ZEWNĘTRZNEJ OCHRONY ODGROMOWEJ 2.1 Mechanizm oddziaływania prądu piorunowego na urządzenia Podczas wyładowania atmosferycznego do instalacji odgromowej obiektu cały prąd płynąc przez instalacje odgromową wytwarza wokół impulsowe pole elektromagnetyczne, które indukuje prądy i napięcia we wszystkich istniejących w pobliżu obwodach. Obwody te zachowują się jak anteny odbiorcze. Indukowana w tych obwodach energia elektryczna może przepłynąć do urządzeń jako prąd płynący przez połączenia galwaniczne i sprzężenia indukcyjne. Zatem przy projektowaniu optymalnej ochrony należy uwzględnić wszystkie drogi przenikania energii elektromagnetycznej do urządzeń radiowych. Należy przede wszystkim uwzględniać głównie możliwość powstawania silnych sprzężeń indukcyjnych. Dlatego szczególnie narażone są kable energetyczne zasilające, kable antenowe umiejscowione w pobliżu instalacji odgromowej obiektu. Energia indukowana w poszczególnych obwodach w wyniku wystąpienia wyładowania atmosferycznego musi być porównana z progami wytrzymałości energetycznej poszczególnych urządzeń dołączanych do instalacji zasilania, przesyłania sygnałów i instalacji antenowej w celu określenia prawdopodobieństwa uszkodzenia. Zatem w wymienionych obwodach powinny być instalowane urządzenia zabezpieczające o odpowiednio dobranych parametrach. Tylko prawidłowo zaprojektowana kompleksowa ochrona odgromowa i przeciwprzepięciowa jest w stanie zapewnić niezawodną pracę urządzeń łączności radiowej przy efektywności wynoszącej tylko 98%. 2.2 Budowa instalacji odgromowej obiektu stacjonarnego Ochrona odgromowa obiektu powinna zapewnić zabezpieczenie ludzi pracujących w obiekcie, urządzeń elektronicznych przed bezpośrednimi i pośrednimi skutkami wyładowań atmosferycznych. Należy przyjąć założenie, że dany obiekt powinien być wyposażony w instalację odgromową III stopnia, wykonaną zgodnie z zaleceniami norm [1], [2], [3], [4]. W przypadku wystąpienia udaru pioruna w dowolny element instalacji odgromowej energia wyładowania powinna zostać rozproszona w bezpieczny sposób, zaś w przypadku pośrednich oddziaływań wyładowań atmosferycznych (np. na system zasilania, fidery i inne instalacje kablowe) przepięcia indukowane powinny mieć ograniczoną amplitudę do tolerowanych poziomów przez poszczególne urządzenia. Zainstalowane środki ochrony powinny ograniczać możliwość powstawania różnic potencjału również w innych metalowych konstrukcjach przewodzących, ograniczają w ten sposób zagrożenie dla personelu. Typowa instalacja odgromowa składa się ze zwodów przyjmujących cały prąd piorunowy, przewodów odprowadzających, przewodów uziemiających i uziomów. Przykładowy schemat instalacji odgromowej jest pokazany na rysunku nr 1. 3123
5,1 m Złącze typu krzyżowego Zwód poziomy Złącze typu T Przewód odprowadzający Zwód poziomy 5 m 5 m 5 m 5 m Zacisk do przyłączania szyny wyrównawczej Zacisk probierczy Przewód odprowadzający Złącze typu T Zacisk probierczy Przewód wyrównawczy otokowy Przewód wyrównawczy otokowy 1,8 m Rys. 1. Schemat instalacji odgromowej obiektu Rys. 2. Przykładowe rozwiązanie uziomu otokowego z widokiem ogólnym oraz podłączenie przewodu odprowadzającego z uziomem Prawidłowo wykonany i sprawnie działający uziom wchodzi również w skład instalacji przeciwporażeniowej, co jest bardzo ważne dla personelu obsługi. 2.3 Budowa instalacji odgromowej anteny Najczęstszym miejscem trafień wyładowań atmosferycznych jest wierzchołek konstrukcji antenowej oraz sama antena. W przypadku udaru w maszt kratownicowych przepływ prądu wyładowania atmosferyczne nie jest groźny, ponieważ elementy kratownicy stanowią dobry element do odprowadzania prądu piorunowego. Natomiast uszkodzeniu mogą ulec anteny, jeśli przepływający prąd będzie posiadał wystarczająco duże natężenie i wtedy może spowodować nadtopienie anteny w punkcie trafienia. Najczęściej nie ma pewności, czy zastosowana antena jest zdolna wytrzymać wyładowanie atmosferyczne. Podstawowy sposób ochrony anteny polega na umieszczeniu jej w strefie osłonowej utworzonej przez konstrukcję masztu antenowego lub przez odpowiednio rozmieszczone zwody umieszczone na konstrukcjach wsporczych ponad anteną. Dla masztów kratownicowych o wysokości 15 m występuje duże zagrożenie bezpośrednim trafieniem pioruna w najwyższe jego sekcje i wtedy należy zastosować zwody o bardziej złożonej geometrii, np. z prętami wychodzącymi poziomo z wierzchołka konstrukcji. Sama konstrukcja kratownicowa masztu zapewni dobre odprowadzenie prądu piorunowego. 3124
Przykładowe rozwiązanie zwodu pionowego i zwodów prętowych poziomych ilustruje rysunek 3a i 3b. Kable koncentryczne lub zasilające mają cienkie powłoki i nie mogą służyć jako przewody odprowadzające w przypadku masztów wykonanych z materiałów izolacyjnych. Rys. 3. Przykładowe rozwiązanie zwodu pionowego i zwodów prętowych poziomych a) pojedynczy, prętowy, pionowy dla konstrukcji niskich, b) dodatkowe pręty poziome Podczas wyładowania atmosferycznego do masztu antenowego część energii może przedostać się kablem koncentrycznym do urządzenia nadawczo-odbiorczego. O wartości tej energii decydować będzie wartość prądu wyładowania i stopnia sprzężenia pomiędzy kablem koncentrycznym i masztem. Dlatego konieczne jest stosowania elementów zabezpieczających w kablu koncentrycznym przed indukowanymi przepięciami. Wobec tego jedynym rozsądnym rozwiązaniem jest zastosowanie takiego rozwiązania, aby antena lub zespół anten nie stanowiły najwyższego nie uziemionego punktu lub obszaru narażonego na bezpośrednie wyładowanie. polegające na odcinaniu stałoprądowej drogi przepływu przepięcia w środkowej żyle kabla koncentrycznego oraz zabezpieczenia oparte o linie ćwierćfalowe. Wielu producentów, w tym między innymi firm, produkują elementy ograniczające przepięcia w koncentrycznym kablu antenowym i są one dostosowane do różnego rodzaju złącz koncentrycznych, zakresów częstotliwości pracy urządzeń radiowych ze względu na dopuszczalne tłumienie sygnałów użytecznych. Rys. 4. Instalacja antenowego ogranicznika przepięć [5] 3125
Na rysunku 4 pokazano fotografię przykładowego antenowego ogranicznika przepięć firmy DEHN, który jest przystosowany do zainstalowania w kablu koncentrycznym. 3 ZASADY BUDOWY WEWNĘTRZNEJ OCHRONY ODGROMOWEJ STACJONARNEGO OBIEKTU ŁĄCZNOŚCI RADIOWEJ Kompleksowe zabezpieczenie obiektu, jak wspomniano wcześniej, polega również na zbudowaniu wewnętrznej ochrony odgromowej, zwanej często ochroną przeciwprzepięciową. Poprawne zabezpieczenie urządzeń radiowych zainstalowanych wewnątrz budynku i zasilanych z energetycznej sieci niskiego napięcia wymaga zastosowania co najmniej dwustopniowej ochrony przeciwprzepięciowej, zbudowanej z ograniczników klasy B i C, a w niektórych przypadkach nawet dodatkowo ogranicznika klasy D. Pierwszy stopień ochrony zbudowany jest z ograniczników klasy B, których zadaniem jest ochrona instalacji przed bezpośrednimi udarami piorunowymi i przepięciami typu komutacyjnego docierającymi z sieci energetycznej. Jego zadaniem jest ograniczenie amplitudy przepięcia do wartości 4 kv. Powinien on wytrzymać przepływ prądu udarowego co najmniej 25 ka o kształcie 10/350 s. Kolejny ogranicznik klasy C ma za zadanie ograniczyć amplitudy przepięć do wartości od 1,2 kv do 1,5 kv. W przypadku, kiedy odległość pomiędzy ogranicznikiem klasy C umieszczonym w rozdzielnicy na parterze, a urządzeniem wyniesie kilkanaście metrów, to należy zastosować dodatkowo ogranicznik klasy D. Na rysunku 5 pokazano schemat trójfazowej instalacji elektrycznej z ogranicznikami przepięć klasy B i C dla układu TN-S. Rys. 5. Układ połączeń ograniczników przepięć klas B, C, D dla systemu TN-S Czołowi producenci produkują również ograniczniki tzw. kombinowane, które w jednej obudowie zawierają ogranicznik klasy B i C. Jest to atrakcyjny ogranicznik, ponieważ na jego wyjściu amplituda przepięcia nie przekracza wartości 1,5 kv i można go stosować z powodzeniem w obiekcie zasilanym z sieci energetycznej z kablem podziemnym. Zaprojektowana i wykonana prawidłowo instalacja powinna zapewnić ochronę urządzeń radiokomunikacyjnych w przypadkach zagrożeń atmosferycznych z prawdopodobieństwem nie mniejszym niż 80%, na tyle bowiem jest szacowana ochrona dla III stopnia zabezpieczenia. Wyższe stopnie ochrony zarezerwowane są dla ochrony obostrzonej. Ostatnim elementem decydującym o jakości wykonanych zabezpieczeń w dziedzinie ograniczania przepięć jest prawidłowo wykonana instalacja wyrównywania potencjałów pomiędzy poszczególnymi zabezpieczanymi obwodami, ponieważ podczas wyładowania atmosferycznego w budynek z instalacją odgromową mogą powstawać nadmierne różnice potencjałów pomiędzy różnymi instalacjami znajdującymi się w budynku. W celu wyrównywania potencjałów można stosować połączenia galwaniczne pomiędzy różnymi urządzeniami i metalowymi przedmiotami. 3126
Instalacja wyrównywania potencjałów wiąże się również z bezpieczeństwem obsługującego urządzenia. 4 ILUSTRACJA SKUTKÓW NIEPRAWIDŁOWO WYKONANEJ INSTALACJI ODGROMOWEJ I PRZECIWPRZEPIĘCIOWEJ Nieprawidłowy dobór ograniczników przepięć oraz brak prawidłowej koordynacji następujących po sobie kolejnych stopi ochrony może doprowadzić do uszkodzenia lub całkowitego zniszczenia elementów dołączonych do sieci elektrycznej lub transmisji sygnałów. Taka sytuacja została przedstawiona na rysunku 6, kiedy to w wyniku złej koordynacji poszczególnych stopni ochrony uległy całkowitemu zniszczeniu elementy ochrony przeciwprzepięciowej. Rys. 6. Wygląd nieprawidłowej instalacji przepięciowej po wyładowaniu atmosferycznym [8] Kolejnym przykładem popełnianych błędów jest sytuacja jaką pokazano na rysunku nr 7, gdzie antena zainstalowana na maszcie antenowy nie była w żaden sposób zabezpieczona przed wyładowaniem atmosferycznym. Skutkiem takiej sytuacji było uszkodzenie radiotelefonu dyspozytorskiego znajdującego się w pomieszczeniu dyspozytora. Dodatkowym skutkiem braku zabezpieczenia toru antenowego było zniszczenie urządzeń elektronicznych znajdujących się na biurku dyspozytora. Taka sytuacja wystąpiła w wyniku sprzężenia pomiędzy instalacją antenową a instalacją elektryczną. Prawidłowy sposób zabezpieczenia instalacji antenowych przedstawiono na rysunkach 8 i 9. Rys. 7. Jak nie należy wykonywać instalacji antenowej 3127
Rys. 8. Zalecany sposób rozwiązania ochrony odgromowej dla anteny dookólnej [5] Rys. 9. Wygląd prawidłowej instalacji zespołu anten na dachu [5] Rysunki 8 i 9 przedstawiają antenę dookólną najczęściej stosowaną w systemach dyspozytorskich, która poprzez zastosowanie odpowiednio dobranych zwodów pionowych oraz zachowanie odległości pomiędzy zwodami pionowymi a torem antenowym przy zachowaniu odpowiedniego stopnia ochrony pozwala na minimalizację skutków wyładowania bezpośredniego lub pośredniego. Streszczenie W referacie przedstawiono zasady realizacji ochrony odgromowej dla obiektów stacjonarnych łączności radiowych. Zapewnienie odporności urządzeń w przypadku wystąpienia wyładowania musi być rozwiązane w sposób kompleksowy. Dotyczy to zabezpieczenia anten instalowanych na dachu obiektu oraz urządzeń 3128
znajdujących się w budynku. Anteny na dachu budynku narażone są na bezpośrednie wyładowanie atmosferyczne. Natomiast urządzenia wewnątrz budynku narażone są na impulsowe pole elektromagnetyczne pochodzące od wyładowania. W obu przypadkach zabezpieczenie polega na prawidłowym doborze ograniczników przepięć i ich prawidłowej instalacji. W artykule pokazano przykład wystąpienia wyładowania piorunowego w budynek i jego skutki w wyniku wadliwej instalacji ograniczników przepięć. Podano też zasady prawidłowej instalacji ochrony odgromowej dla anteny. Lightning protection stationary objects of radio communication Abstract The paper presents the rules for the implementation of lightning protection for stationary objects to radio communications. Providing immunity devices in the event of a discharge must be solved in a comprehensive manner. This applies to protection of antennas installed on the roof of the facility and equipment in the building. Antenna on the roof of the building are exposed to direct lightning discharge. And the equipment inside the building on the pulse electromagnetic field coming from the discharge. In both cases, protection consists in the correct choice of surge arresters and their installation. The article shows an example of the lightning in the building and its effect as a result of faulty installation of surge arresters. Given the principle that proper installation of lightning protection for the antenna. BIBLIOGRAFIA 1. PN-EN 62305-1:2011 Ochrona odgromowa -- Część 1: Zasady ogólne. 2. PN-EN 62305-2:2012 Ochrona odgromowa -- Część 2: Zarządzanie ryzykiem. 3. PN-EN 62305-3:2011 Ochrona odgromowa -- Część 3: Uszkodzenia fizyczne obiektów i zagrożenie życia. 4. PN-EN 62305-4:2011 Ochrona odgromowa -- Część 4: Urządzenia elektryczne i elektroniczne w obiektach. 5. DEHN Protects Antenna Feeders. 6. Sowa A., Ochrona przed przepięciami w instalacji elektrycznej w obiektach budowlanych. Zasady doboru ograniczników przepięć. KONTEKST Warszawa- Kraków 1999 (dotyczy wyrobów firmy DEHN - informacja autora). 7. Sowa A., Ochrona odgromowa anten na obiektach budowlanych oraz urządzeń do nich dołączonych. Elektroinstalator nr 9/1997. 8. Aniserowicz K., Przykłady szkód spowodowanych w obiektach radiokomunikacyjnych przez wyładowania atmosferyczne. Krajowa Konferencja Radiokomunikacji, Radiofonii i Telewizji KKRRiT 11-13 czerwiec 2014. 9. Kachel L., Laskowski M., Ochrona urządzeń radiokomunikacyjnych pracujących w sieci przed zaburzeniami elektromagnetycznymi o dużej energii. Krajowa Konferencja Radiokomunikacji, Radiofonii i Telewizji KKRRiT 11-13 czerwiec 2014. 3129