Blitzschutz und Erdung für LoRaWAN-Gateways: Was Sie für ein zuverlässiges LoRaWAN-Netzwerk beachten sollten

Für einen zuverlässigen LoRaWAN-Netzwerkbetrieb müssen verschiedene Aspekte überprüft werden, darunter Funkgeräte, Antennenkabel für Innen- und Außenbereiche, Stromversorgung, Stabilität der Funksignale, Gateway-Schutz und Gateway-Standort. Die Gewährleistung zuverlässiger Feldgeräte ist die Grundvoraussetzung für den Aufbau eines zuverlässigen Netzwerks.

Es gibt viele wichtige Konstruktionsaspekte, die die Zuverlässigkeit von Außengeräten im Feldeinsatz gewährleisten. Einer dieser Aspekte ist der Umgang mit den realen Auswirkungen elektromagnetischer Störungen (EMI). Die Einhaltung der Anforderungen an die Störfestigkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen bezieht sich auf die Auswirkungen elektrischer Störungen, die auf Geräte durch extreme Naturereignisse wie Blitzeinschläge sowie durch weniger gravierende, vom Menschen verursachte Phänomene wie elektrostatische Entladungen (ESD), elektrische Transienten (EFT) und starke elektrische und magnetische Felder (EMF) einwirken.

Gleichzeitig muss die Funkausrüstung auf Mobilfunktürmen elektromagnetischen Störungen und extremen Naturereignissen standhalten, um einen langen und störungsfreien Betrieb zu gewährleisten. Eine der größten Gefahren für die reibungslose Funkübertragung ist die eingeschränkte Funktionsfähigkeit von IoT-Gateways bei extremen Wetterbedingungen. Daher sollten Sie einen anerkannten Anbieter wählen, der Blitzschutz und Erdung für das LoRaWAN-Gateway garantiert und sicherstellt, dass es vollständig dem Referenzdesign entspricht.

Die Gefahr durch Blitze und wie man einen störungsfreien Feldbetrieb gewährleistet

Das Verständnis und der Umgang mit der Blitzgefahr haben sich über die Jahrhunderte weiterentwickelt. Mit dem Fortschritt von Technologien und dem wachsenden Wissen der Menschen wurde deutlich, dass der Blitzschutz von Antennen besondere Aufmerksamkeit erfordert. Ausgehend von den Blitzableiterexperimenten Benjamin Franklins und anderer Forscher Mitte des 18. Jahrhunderts hat sich dieses Verständnis weiterentwickelt und schließlich zu den modernen Normen für die Konstruktion von Blitzschutzsystemen geführt.

Normen für robuste Überspannungsschutzgeräte

Parallel zu neuen Entdeckungen entwickelten sich zahlreiche Standards für den Blitzschutz von turmmontierten Funkanlagen. Diese Standards sind weltweit anerkannt und gelten als Referenz für Hersteller von Blitzschutzlösungen für LoRaWAN-Gateways .

Normen wie die NFPA 780 der National Fire Protection Agency „Standard for the Installation of Lightning Protection Systems“ und der IEEE C62.41 „Guide on the Surge Environment in Low Voltage (1000 V and Less) AC Power Circuits“ bieten allgemeine Installationsrichtlinien in den USA.

Internationale Normen wiederum bieten Orientierung, wie beispielsweise die Normenreihe IEC 62305 „Schutz gegen Blitzschlag“ und die ITU-T K.39 „Risikobewertung von Schäden an Telekommunikationsanlagen durch Blitzeinschläge“.

Industriestandards, insbesondere in Europa, decken zwar grundlegende Anforderungen an die Störfestigkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen ab, diese sind jedoch für turmmontierte Anlagen mit Strom- und Datenleitungen sowie einer Antenne, insbesondere gegen Blitzeinschläge, nicht ausreichend. Daher besteht Bedarf an zusätzlichem Blitzschutz für LoRaWAN-Gateways .

Moderne turmmontierte Funkgeräte

Obwohl die grundlegenden Schutztechniken für elektrische Anlagen gut etabliert sind, hat sich die Anfälligkeit für Schäden in jüngster Zeit rapide verändert. Dies gilt insbesondere bei Antennengewinn.

Beispielsweise werden Funkgeräte wie Gateways häufig mit einem Höhenvorteil für ihre Antennen eingesetzt, um eine optimale HF-Empfangsreichweite im Sensorfeld zu gewährleisten. Dieser Vorteil für erwünschte Signale wird jedoch zum Nachteil unerwünschter Signale, die beispielsweise durch Blitzeinschläge entstehen. Aus diesem Grund hat TEKTELIC Communications Inc. Outdoor-Gateways entwickelt, die elektromagnetischen Störungen standhalten. Das TEKTELIC KONA Mega Ex Gateway beispielsweise verfügt über ein robustes Gehäuse und funktioniert auch unter rauen Außenbedingungen problemlos. Darüber hinaus wurde bei der Entwicklung dieses Gateways besonderer Wert auf den Schutz der Antenne gelegt, weshalb es die Schutzart IP67 aufweist.

Über die Standards hinausgehen

Während die oben genannten Normen bewährte Verfahren für den allgemeinen Schutz von Anlagen beschreiben, benötigen Entwickler auch Richtlinien für spezifische Systemkomponenten, wie beispielsweise ein turmmontiertes Gateway mit Antennen. Zwar existieren Industrienormen für den Überspannungsschutz von Geräten, wie etwa ITU-T K.44 „Widerstandsprüfungen für Telekommunikationsgeräte, die Überspannungen und Überströmen ausgesetzt sind“, Telcordia GR-1089 „Elektromagnetische Verträglichkeit und elektrische Sicherheit“ oder die Normenreihe IEC 61000-4, beispielsweise IEC 61000-4-5 „Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) – Teil 4-5: Prüf- und Messverfahren – Störfestigkeitsprüfung“, diese Normen reichen jedoch nicht aus, um den Betrieb eines turmmontierten Gateways mit Antennen im Einsatzszenario zu gewährleisten.

Achten Sie besonders auf Formulierungen wie „entspricht IEC 61000-4-5“. Diese Normen decken nicht nur ein breites Spektrum an Testaufbauten und -stufen ab, sondern eine Prüfung nach einer solchen Norm ist zweifellos nicht ausreichend. Um dieser Situation zu begegnen, hat TEKTELIC Communications Inc. seine jahrzehntelange Erfahrung im Bereich Funk- und Antenneninstallationen genutzt, um interne Testverfahren zu entwickeln, die speziell für turmmontierte Installationen geeignet sind.

Schutz und Erdung

Blitzeinschläge in den Boden werden unweigerlich zur Erde geleitet. Wenn ein Blitz in einen Turm einschlägt, fließt die Energie gemäß dem Gesetz des geringsten Widerstands über alle Wege zur Erde. Turmmontierte Geräte sind Teil dieses Blitzpfads. Von der HF-Antenne und ihrer Verbindung zum Gateway über jede elektrische Schnittstelle entlang des Turms, wie z. B. Gleichstromversorgung, Ethernet und sogar den Erdungsleiter des Gateways, fließt die Blitzenergie zur Erde.

Ein direkter Blitzeinschlag kann zwar Spitzenströme von weit über 100 kA erzeugen, doch fließt der Großteil dieser Energie voraussichtlich ungehindert über Blitzableiter und das Erdungsnetz des Turms in die Erde ab. Bei ordnungsgemäßer Erdung können an den Gateway-Schnittstellen Überspannungsspitzen im Bereich von 10 kA auftreten, die von den Überspannungsschutzgeräten abgefangen werden müssen. Dennoch sind noch viele weitere Aspekte zu berücksichtigen.

Erdung

Die Antenne ist üblicherweise die am stärksten exponierte Systemkomponente und muss daher fest mit dem Erdungssystem verbunden sein, um Stoßenergie auf der HF-Zuleitung zum Gateway zu minimieren. Zum Schutz der Antenne selbst müssen ein oder mehrere Blitzableiter installiert werden, um zu verhindern, dass Blitzenergie die Antenne direkt erreicht. Blitzableiter sind eine oft übersehene erste Verteidigungslinie zum Schutz von Antennen und Geräten.

Antennenschutz

Da Blitzenergie vom Antennenanschluss abgeleitet wird, gewährleistet die optimale Erdung des Gateway-Gehäuses an das Erdungssystem den ersten Blitzschutz für das Gateway. Die Erdungskomponenten von TEKTELIC für den Außenbereich verfügen über einen dedizierten Erdungspunkt, der die Installation eines separaten Erdungskabels mit großem Querschnitt über industrielle Kupfer-Doppelbolzen-Klemmklemmen ermöglicht. Durch die möglichst direkte Verbindung dieses Erdungspunktes mit den Erdungsstäben oder der Erdungselektrode vor Ort mittels eines Kupferleiters mit einem Querschnitt von mindestens 10 AWG wird ein niederohmiger Rückweg zur Erde für den Blitzstrom geschaffen.

Wie kann TEKTELIC die Erdung und den Schutz des Gateways gewährleisten?

TEKTELIC bietet ein umfangreiches Portfolio an Outdoor-Gateways, die alle erforderlichen Erdungs- und Schutznormen erfüllen. Beispielsweise verfügt das von TEKTELIC Communications angebotene Outdoor-Gateway über ein Erdungssystem aus Kupfer- und Aluminiumkomponenten, das einen niederohmigen Pfad für die Blitzenergie zum Erdungspunkt vor Ort bietet.

Schnittstellenschutz

Obwohl ein Großteil der Energie eines Blitzeinschlags über das Gateway-Gehäuse und dessen Erdungsverbindung zum Erdungspunkt des Standorts abgeleitet wird, fließt dennoch stets eine erhebliche Menge Energie über Kupferleitungen für Strom und Daten ab. Gleichzeitig verfügen die Outdoor-Gateways von TEKTELIC über integrierte Überspannungsschutzvorrichtungen an diesen Schnittstellen. Diese Blitzschutzvorrichtungen verhindern einen Überspannungsschaden an den Strom- und Datenschnittstellenkomponenten, sodass die Energie des Blitzes ungehindert vom Antennenanschluss zur Erde fließen kann und dabei dem Weg des geringsten Widerstands folgt.

Systemdesign

Von Beginn der Planungsphase an wird bei der Systementwicklung größte Sorgfalt auf die Untersuchung der Blitzstoßstrompfade durch das Gateway gelegt. Dieser Prozess umfasst die SPICE-Simulation des Blitzschutzes und der Erdung der Geräte sowie reale Blitzstoßprüfungen im Labor. Da Blitzeinschläge statistisch wiederholt auftreten, sind diese Überspannungsschutzgeräte für mehrere Blitzeinschläge ausgelegt und entsprechend dimensioniert.

Alle TEKTELIC-Gateway -Schnittstellen sind für mindestens 10 Blitzeinschläge bei den angegebenen Blitzstromstärken ausgelegt. Neben der primären Notwendigkeit, dass die Geräte einen Blitzeinschlag unbeschadet überstehen, ist es wünschenswert, die Netzwerkunterbrechungen im Zusammenhang mit einem Blitzeinschlag so gering wie möglich zu halten. Daher werden alle TEKTELIC-Gateways zusätzlich getestet, um sicherzustellen, dass es durch Spannungsspitzen zu minimalen Stromausfällen kommt. Die Prüfung auf Spannungsspitzen umfasst Spannungsabfälle, -anstiege und -spitzen, die durch Blitzeinschläge verursacht werden.

Dinge zu erinnern,

Der Einsatz von IoT-Gateways in der Praxis ist elektromagnetischen Störungen weit ausgesetzt, die weit über die in Industriestandards festgelegten Grenzwerte hinausgehen. Die Frage nach einem Blitzschutz ist nur der Anfang. Die Geräte selbst müssen so konstruiert sein, dass sie solchen Belastungen standhalten und über robuste Überspannungsschutzgeräte sowie eine zuverlässige Erdung verfügen. TEKTELICs langjährige Erfahrung im Bereich Geräteentwicklung ermöglicht ein tiefes Verständnis der Anforderungen und bietet die entsprechenden Designlösungen für einen zuverlässigen Feldeinsatz.

Der Einsatz zuverlässiger Gateways mit Blitzschutz und Erdungssystemen gewährleistet die einwandfreie Funktion Ihres Netzwerkservers. Um sich von der Leistungsfähigkeit Ihrer Gateways zu überzeugen, kontaktieren Sie das TEKTELIC-Vertriebsteam und entdecken Sie die Welt zuverlässiger IoT-Geräte.