Молниезащита антенн

Молниезащита антенн
Молниезащита горизонтальных и проволочных антенн

 

Большие горизонтальные и наклонные КВ антенны (диполи, рамочные, длинные провода) почти никогда не удается разместить целиком в защитной зоне молниеотводов. Для них разумнее всего использовать третий подход: допустить возможность частичного разрушения антенной системы при условии недорогого ремонта и сохранности аппаратуры.

Если антенна сделана из трубок (например, Yagi), то обычно большая часть антенны имеет сечение >100 мм2. Если кабель питания антенны провести до земли внутри металлической мачты и далее под землей (как для вертикальных антенн, включая требования к кабелю), то такую систему можно использовать в качестве молниеотвода. При ударе молнии могут быть повреждены (согнуты, оплавлены) лишь тонкие трубки концов элементов и мы на это соглашаемся.

При такой антенной системе дорогостоящей ошибкой является отведение кабеля в сторону от заземленной мачты выше уровня земли или даже сразу от антенны в сторону помещения, где расположена радиостанция. Оплетка кабеля, расположенного столь неграмотным образом, будет служить прямым путем для части тока разряда молнии в аппаратуру.

Но ведь далеко не всегда возможно провести антенный кабель под землей (например, многоэтажный дом). В таком случае кабель должен идти внутри мачты и далее вдоль токоотвода молниезащитного заземления как можно ниже. А в месте вынужденного ухода кабеля в сторону ставится устройство защиты, описанное ниже. Его смысл в том, чтобы направить основной разряд в токоотвод и далее в молниеприёмное заземление. И ограничить до безопасных величин всплески тока и напряжения в фидере, идущем к радиостанции.

Но вернемся к нашим антеннам. Если КВ антенна проволочная, то чаще всего она вообще не имеет мачты в центре и линия питания свободно свисает вниз. Поэтому из механических соображений линия питания делается легкой и, соответственно, тонкой, как и антенна. Молниезащита такой антенны не имеет экономического смысла. Пусть при ударе молнии они горят, т.к. заменить их дешевле и легче, чем защитить.

Но этого нельзя сказать про часть фидера, идущую внутри дома (представьте, что будет с жилищем, если фидер вспыхнет), и про дорогую приемно-передающую аппаратуру. Поэтому мы делим антенно-фидерную систему на две зоны: опасную (в которой допускаются повреждения при даре молнии, в данном случае это сама антенна и верхняя часть фидера) и безопасную (в которой повреждений не будет: часть фидера в доме и аппаратура).

Пример с проволочной дипольной антенной показан на рис. Всё выше границы (отмечена пунктиром) при попадании молнии может быть повреждено. А всё, что ниже – останется целым. При попадании молнии в антенну или незащищенную часть фидера её ток уйдет в молниеприемное заземление через токоотвод (обычный для токов молнии) и устройство защиты. А в защищенном фидере и подключенной к нему аппаратуре остаточные импульсы тока не приведут к повреждениям.

 

 

Схема устройства защиты для коаксиального фидера показана на рис. ниже. При ударе молнии в антенну её ток с незащищенного фидера стекает в токоотвод и далее в молниеприемное заземление либо прямо с оплетки, либо через разрядник HL1. Этот разрядник должен иметь напряжение зажигания в ~1,5 раза выше, чем максимальное пиковое напряжение в фидере при нормальной работе передатчика (с учётом КСВ) и ток, соответствующий полному току молнии 100 … 200 кА в зависимости от класса защиты.

 

Дроссель, намотанный коаксиальным кабелем, должен отвечать следующим требованиям:

  • Сечение оплетки не менее 1,6 мм2, чтобы пропустить выравнивающие токи.
  • Индуктивность >50 мкГн, чтобы создать достаточно высокое реактивное сопротивление току фронта разряда с тем, чтобы его основная часть ушла не в дроссель, а токоотвод.
  • Межвитковое расстояние не менее 5 см, чтобы избежать межвиткового пробоя скользящим разрядом.

Помимо молниезащиты такой дроссель будет отсекать паразитные токи ВЧ по оплетке фидера при обычной работе антенны.

 

Выходной разрядник HL2 должен иметь напряжение пробоя чуть меньшее, чем HL1, и вдесятеро меньший ток разряда. Назначение HL1 – ограничить выбросы напряжения на защищенном фидере, идущем вниз к радиостанции.

Следует пояснить, почему дроссель, показанный на рис. эффективен против выбросов при ударе молнии. Ведь это обычный развязывающий дроссель, который эффективен только против синфазных помех. А молния явно не ударит сразу в обе половинки антенны (т.е. синфазно). Да, молния этого не сделает. Но это сделали мы, включив на входе разрядник HL1. В какую бы половинку антенны молния не ударила, HL1 загорится, и выровняет (с небольшой разницей на зажигание и горение разрядника) напряжения на оплетке и центральной жиле, т.е. сделает импульс молнии синфазным для дросселя. Поэтому дроссель его эффективно ослабит.

В идеале защитное устройство должно располагаться на уровне грунта, а защищенная часть фидера проходить под землей внутри стальной трубы, которая заодно будет и шиной заземления для радиостанции. Это, в принципе, можно организовать, если вы живете на своей земле. Но в многоэтажном доме такой подход нереален. Поэтому защитное устройство вынужденно располагают на высоте своего этажа, используя в качестве токоотвода внешнюю шину заземления дома.

При таком вынужденном решении на входе дросселя напряжение при ударе молнии будет выше на величину падения на токоотводе, то есть на десятки … сотни киловольт в зависимости от расстояния между точкой подключения защитного устройства и молниезащитным заземлением дома. Это напряжение будет дополнительно приложено к дросселю. С этой прибавкой напряжения дроссель, скорее всего, справится. Но возникнет другая проблема: если на радиостанции есть провода, подключенные непосредственно к молниеприемному заземлению (например, ноль питающей сети), то между ними и экраном фидера возникнут большие выравнивающие токи. Их источник – импульсное падение напряжения на индуктивности токоотвода между точками подключения защитного устройства и молниеприемным заземлением. На пути этих токов будет наш дроссель. Он их уменьшит, но не устранит совсем, что надо учитывать.

Вариант защитного устройства в случае фидера из двухпроводной линии показан на рис. Он отличается более сложным симметричным разрядником, предназначенным для двухпроводных линий. В случае отсутствия такого разрядника вместо него можно использовать два обычных (соединив два вывода разных разрядников вместе на токоотвод).

 

 Источник: http://dl2kq.de