Protección contra rayos y conexión a tierra de la puerta de enlace LoRaWAN: qué tener en cuenta para una red LoRaWAN confiable.

Para lograr un funcionamiento fiable de la red LoRaWAN , es necesario verificar diversos aspectos, como el equipo de radio, el cable de antena (tanto para interiores como para exteriores), la fuente de alimentación, la estabilidad de las señales de radio, la protección de la puerta de enlace y su ubicación. Garantizar la fiabilidad del equipo en campo es fundamental para establecer una red fiable.

Existen muchos aspectos de diseño clave para lograr equipos de exterior fiables en condiciones reales. Uno de ellos es cómo afrontar los efectos de la interferencia electromagnética (EMI). El cumplimiento de la normativa de inmunidad a la interferencia electromagnética aborda los efectos de la interferencia eléctrica que sufren los equipos, tanto por fenómenos naturales severos como los rayos, como por fenómenos antropogénicos menos graves, como las descargas electrostáticas (ESD), los transitorios eléctricos rápidos (EFT) y los campos eléctricos y magnéticos intensos (EMF).

Al mismo tiempo, los equipos de radio instalados en torres deben ser capaces de soportar interferencias electromagnéticas y fenómenos naturales severos para garantizar una larga vida útil sin problemas. Generalmente, una de las principales amenazas para la transmisión fluida de radiofrecuencia es la dificultad que tienen las pasarelas IoT para seguir funcionando en condiciones climáticas adversas. Por ello, conviene elegir un proveedor reconocido que garantice que la pasarela LoRaWAN cuente con protección contra rayos y conexión a tierra, y que cumpla plenamente con el diseño de referencia.

La amenaza de los rayos y la manera de garantizar una vida de campo sin problemas

La comprensión y el manejo de la amenaza de los rayos han evolucionado a lo largo de los siglos. Con el desarrollo de las tecnologías y el conocimiento humano, se empezó a comprender que el sistema de protección de las antenas requiere especial atención. Desde los experimentos de Benjamin Franklin y otros a mediados del siglo XVIII relacionados con los pararrayos, esta comprensión ha evolucionado, culminando en los estándares modernos para el diseño de sistemas de protección contra rayos.

Estándares para dispositivos robustos de protección contra sobretensiones

Junto con los nuevos descubrimientos, comenzaron a desarrollarse numerosos estándares para la protección de equipos de radio instalados en torres. Estos estándares son reconocidos a nivel mundial y se consideran un referente para los fabricantes que trabajan con la protección contra rayos de las pasarelas LoRaWAN.

Normas como la NFPA 780 de la Agencia Nacional de Protección contra Incendios (NFPA), "Norma para la instalación de sistemas de protección contra rayos", y la IEEE C62.41, "Guía sobre el entorno de sobretensiones en circuitos de alimentación de CA de baja tensión (1000 V o menos)", proporcionan orientación general sobre la instalación en los EE. UU.

Las normas internacionales, como la serie de normas IEC 62305 “Protección contra rayos” y la norma ITU-T K.39 “Evaluación de riesgos de daños en emplazamientos de telecomunicaciones debido a descargas atmosféricas”, también proporcionan orientación.

Los estándares de la industria, especialmente en Europa, cubren los requisitos básicos de inmunidad a las interferencias electromagnéticas, pero estos niveles de inmunidad no son suficientes para entornos con torres que involucran alimentación eléctrica, transmisión de datos y antenas, sobre todo frente a los efectos de los rayos. Por ello, surge la necesidad de una protección adicional contra rayos para las pasarelas LoRaWAN .

Equipos de radio modernos montados en torres

Si bien las técnicas de protección fundamentales para las instalaciones de sistemas eléctricos están bien establecidas, la susceptibilidad a los daños ha cambiado rápidamente en los últimos tiempos. Esto es especialmente cierto cuando interviene la ganancia de una antena.

Por ejemplo, los equipos de radio, como las pasarelas, suelen desplegarse con una altura adecuada para que sus antenas reciban una buena señal de radiofrecuencia (RF) del campo de sensores. Sin embargo, esta misma ventaja para las señales deseadas se convierte en una desventaja para las señales no deseadas, como las provocadas por rayos. Teniendo esto en cuenta, TEKTELIC Communications Inc. ha desarrollado pasarelas para exteriores que resisten las interferencias electromagnéticas. Por ejemplo, la pasarela TEKTELIC KONA Mega Ex cuenta con una carcasa reforzada y funciona sin problemas incluso en condiciones exteriores adversas. Además, esta pasarela se ha diseñado teniendo en cuenta que la protección de la antena requiere especial atención, por lo que su carcasa cuenta con clasificación IP67.

Ir más allá de los estándares

Si bien las normas mencionadas anteriormente abordan las mejores prácticas para la protección general de las instalaciones, los diseñadores también necesitan directrices para componentes específicos dentro de un sistema, como una puerta de enlace montada en una torre con antenas. Aunque existen normas industriales para la protección contra sobretensiones de equipos, como la ITU-T K.44 "Pruebas de resistencia para equipos de telecomunicaciones expuestos a sobretensiones y sobrecorrientes", la Telcordia GR-1089 "Compatibilidad electromagnética y seguridad eléctrica" ​​o las normas de la serie IEC 61000-4, como la IEC 61000-4-5 "Compatibilidad electromagnética (CEM) - Parte 4-5: Técnicas de ensayo y medición - Prueba de inmunidad a sobretensiones", estas normas no garantizan la supervivencia en el escenario de despliegue de una puerta de enlace montada en una torre con antenas.

Preste especial atención a frases como «cumple con la norma IEC 61000-4-5»; estas normas no solo abarcan una amplia gama de configuraciones y niveles de prueba, sino que, sin duda, cualquier prueba realizada conforme a la norma no es suficiente. Para abordar esta situación, TEKTELIC Communications Inc. ha aprovechado sus décadas de experiencia en el despliegue de radios y antenas para desarrollar pruebas internas adecuadas para instalaciones en torres.

Protección y puesta a tierra

Los rayos que caen a tierra se dirigen a la Tierra; nada puede detenerlos. Cuando un rayo impacta una torre, la energía fluye hacia la Tierra a través de todos los caminos posibles, según la ley de mínima resistencia. Los equipos instalados en la torre forman parte de este camino. Desde una antena de radiofrecuencia y su conexión a la puerta de enlace, pasando por cada interfaz eléctrica que recorre la torre, como la alimentación de CC, Ethernet e incluso el conductor de puesta a tierra de la puerta de enlace, la energía del rayo fluye hacia la Tierra.

Si bien un impacto directo de rayo puede generar una corriente máxima de más de 100 kA, se espera que la mayor parte de esta energía fluya libremente a través de los pararrayos y la red de puesta a tierra de la torre. Con una puesta a tierra adecuada, las interfaces de la puerta de enlace pueden experimentar picos de corriente de alrededor de 10 kA, que los dispositivos de protección contra sobretensiones deben soportar, pero aún quedan muchos aspectos por considerar.

Toma de tierra

Por lo general, el componente más expuesto del sistema es la antena, la cual debe estar bien conectada a tierra para minimizar la sobretensión en el cable de alimentación de RF que llega a la puerta de enlace. Para proteger la antena, se deben instalar uno o más pararrayos, que impiden que la energía del rayo la alcance directamente. Los pararrayos son una primera línea de defensa, a menudo subestimada, para la protección de antenas y equipos.

Protección de antenas

Con la energía del rayo fluyendo desde la conexión de la antena, el primer nivel de protección contra rayos de la puerta de enlace se proporciona mediante la conexión a tierra óptima del chasis de la puerta de enlace al sistema de puesta a tierra. Los componentes de puesta a tierra para puertas de enlace exteriores de TEKTELIC incluyen, a su vez, un punto de puesta a tierra dedicado que facilita la implementación de una conexión de cable de puesta a tierra de gran calibre mediante terminales de compresión de cobre de doble perno de uso industrial. Conectar este punto de tierra lo más directamente posible a las varillas de puesta a tierra o al electrodo de puesta a tierra del sitio utilizando un conductor de cobre de calibre mínimo #10 AWG proporciona una ruta de retorno a tierra de baja impedancia para la corriente del rayo.

¿Cómo puede TEKTELIC garantizar la conexión a tierra y la protección de la puerta de enlace?

TEKTELIC cuenta con una amplia gama de gateways para exteriores que cumplen con los requisitos de puesta a tierra y las normas de protección necesarias. Por ejemplo, el gateway típico para exteriores que TEKTELIC Communications ofrece al mercado dispone de un sistema de puesta a tierra con componentes de cobre y aluminio que proporciona una vía de baja impedancia para que la energía del rayo llegue al punto de conexión a tierra del sitio.

Protección de interfaz

Si bien gran parte de la energía de un rayo se disipará a través del chasis del Gateway y su conexión a tierra, una cantidad significativa seguirá saliendo por las interfaces de alimentación o datos de cobre. Las interfaces de los gateways exteriores de TEKTELIC incorporan dispositivos de protección contra sobretensiones de alta corriente. Estos dispositivos evitan la ruptura por sobretensión de los componentes de las interfaces de alimentación y datos, permitiendo que la energía fluya libremente desde la conexión de la antena a tierra, siguiendo los caminos de menor resistencia.

Diseño de sistemas

Desde la concepción del diseño, se presta especial atención al diseño de los sistemas, estudiando las trayectorias de la corriente de sobretensión por rayo a través de la puerta de enlace. Este proceso incluye la simulación SPICE de la protección contra rayos y la puesta a tierra del equipo, junto con pruebas reales de sobretensión en laboratorio. Dado que los rayos son un fenómeno estadístico repetitivo, estos dispositivos de protección contra sobretensiones están diseñados y clasificados para soportar múltiples impactos.

Todas las interfaces de puerta de enlace TEKTELIC están diseñadas para soportar un mínimo de 10 impactos de rayo con los niveles de corriente especificados. Si bien es fundamental que el equipo sobreviva a un impacto de rayo, también es deseable minimizar la interrupción del funcionamiento de la red. Por ello, todas las puertas de enlace TEKTELIC se someten a pruebas para garantizar una mínima interrupción del suministro eléctrico debido a transitorios en la alimentación. Estas pruebas abarcan caídas, sobretensiones y picos de voltaje asociados a los rayos.

Cosas para recordar

Las implementaciones reales de gateways IoT están sujetas a niveles de interferencia electromagnética muy superiores a los especificados en los estándares de la industria. La cuestión de si se ha instalado protección contra rayos es solo el comienzo. El propio equipo debe diseñarse para soportar dichas implementaciones, con dispositivos de protección contra sobretensiones robustos y una conexión a tierra segura. La amplia experiencia de TEKTELIC en diseño proporciona un profundo conocimiento de lo que se requiere y las soluciones de diseño necesarias para garantizar la fiabilidad del equipo en campo.

El uso de gateways fiables con protección contra rayos y sistemas de puesta a tierra garantizará el correcto funcionamiento de su servidor de red. Por lo tanto, si desea asegurarse de la capacidad operativa de sus gateways, póngase en contacto con el equipo de ventas de TEKTELIC y descubra el mundo de los dispositivos IoT fiables.