Protection contre la foudre et mise à la terre des passerelles LoRaWAN : points à prendre en compte pour un réseau LoRaWAN fiable

Pour garantir le bon fonctionnement d'un réseau LoRaWAN , il est essentiel de vérifier plusieurs aspects, notamment l'équipement radio, les câbles d'antenne intérieurs et extérieurs, l'alimentation électrique, la stabilité des signaux radio, la protection et l'emplacement de la passerelle. La fiabilité de l'équipement sur le terrain est primordiale pour établir un réseau performant.

De nombreux aspects de conception essentiels garantissent la fiabilité des équipements d'extérieur sur le terrain. Parmi ceux-ci figure la prise en compte des effets concrets des interférences électromagnétiques (IEM). La conformité aux normes d'immunité aux IEM traite des effets des interférences électriques subies par les équipements, qu'elles proviennent de phénomènes naturels extrêmes comme la foudre, ou de phénomènes d'origine humaine plus bénins comme les décharges électrostatiques (DES), les transitoires électriques rapides (TER) et les champs électromagnétiques (CEM) intenses.

Parallèlement, les équipements radio installés sur les pylônes doivent résister aux interférences électromagnétiques et aux intempéries afin de garantir une longue durée de vie et un fonctionnement sans incident. Généralement, la principale menace pour la transmission radiofréquence réside dans la difficulté pour les passerelles IoT de continuer à fonctionner dans des conditions météorologiques extrêmes. À cet égard, il est essentiel de choisir un fournisseur reconnu capable de garantir que la passerelle LoRaWAN sera protégée contre la foudre, mise à la terre et conforme à la conception de référence.

La menace de la foudre et les moyens de garantir une vie sur le terrain sans incident

La compréhension et la gestion de la menace de la foudre ont évolué au fil des siècles. Avec le développement des technologies et des connaissances humaines, on a pris conscience de la nécessité d'accorder une attention particulière aux systèmes de protection des antennes. Depuis les expériences menées au milieu du XVIIIe siècle par Benjamin Franklin et d'autres chercheurs sur les paratonnerres, cette compréhension a évolué, aboutissant aux normes modernes de conception des systèmes de protection contre la foudre.

Normes relatives aux dispositifs de protection contre les surtensions robustes

Parallèlement aux nouvelles découvertes, de nombreuses normes ont été élaborées pour la protection des équipements radio installés sur les pylônes. Ces normes sont reconnues dans le monde entier et font référence pour les fabricants de solutions de protection contre la foudre pour passerelles LoRaWAN.

Des normes telles que la norme NFPA 780 de la National Fire Protection Agency « Norme pour l’installation des systèmes de protection contre la foudre » et la norme IEEE C62.41 « Guide sur l’environnement de surtension dans les circuits d’alimentation CA basse tension (1000 V et moins) » fournissent des conseils généraux d’installation aux États-Unis.

Les normes internationales, telles que la série de normes CEI 62305 « Protection contre la foudre » et la norme ITU-T K.39 « Évaluation des risques de dommages aux sites de télécommunications dus aux décharges de foudre », fournissent également des orientations.

Les normes industrielles, notamment européennes, couvrent les exigences de base en matière d'immunité aux interférences électromagnétiques, mais ces niveaux d'immunité sont insuffisants pour les environnements de pylônes comportant des lignes d'alimentation et de données ainsi qu'une antenne, en particulier face aux effets de la foudre. C'est pourquoi une protection supplémentaire contre la foudre est nécessaire pour les passerelles LoRaWAN .

Équipement radio moderne monté sur tour

Bien que les techniques de protection fondamentales des installations électriques soient bien établies, leur sensibilité aux dommages a considérablement évolué ces dernières années, notamment en présence d'un gain d'antenne.

Par exemple, les équipements radio, tels que les passerelles, sont souvent déployés en hauteur afin d'optimiser l'exposition de leurs antennes au champ de détection. Cependant, cet avantage, qui facilite la réception des signaux utiles, se transforme en inconvénient face aux interférences électromagnétiques, comme celles provoquées par la foudre. C'est pourquoi TEKTELIC Communications Inc. a développé des passerelles extérieures capables de résister aux perturbations électromagnétiques. La passerelle TEKTELIC KONA Mega Ex, par exemple, est dotée d'un boîtier renforcé et fonctionne même dans des conditions extérieures difficiles. De plus, sa conception a été pensée pour une protection optimale de l'antenne, ce qui lui confère un indice de protection IP67.

Aller au-delà des normes

Bien que les normes susmentionnées traitent des bonnes pratiques en matière de protection générale des sites, les concepteurs ont également besoin de lignes directrices pour des composants spécifiques d'un système, comme une passerelle montée sur pylône avec antennes. Si des normes industrielles existent pour la protection des équipements contre les surtensions, telles que l'UIT-T K.44 « Essais de résistance des équipements de télécommunications exposés aux surtensions et aux surintensités », Telcordia GR-1089 « Compatibilité électromagnétique et sécurité électrique » ou les normes de la série CEI 61000-4, notamment la CEI 61000-4-5 « Compatibilité électromagnétique (CEM) – Partie 4-5 : Techniques d'essai et de mesure – Essai d'immunité aux surtensions », ces normes ne garantissent pas la continuité de service d'une passerelle montée sur pylône avec antennes.

Soyez particulièrement vigilant face à des expressions telles que « conforme à la norme IEC 61000-4-5 » ; non seulement ces normes couvrent un large éventail de configurations et de niveaux de test, mais il est indéniable que de tels tests, même réalisés conformément à la norme, ne suffisent pas. Pour pallier cette situation, TEKTELIC Communications Inc. a mis à profit ses décennies d’expérience dans le déploiement de systèmes radio et d’antennes afin de développer des tests internes adaptés aux installations sur pylônes.

Protection et mise à la terre

La foudre se propage vers la terre, rien ne peut l'arrêter. Lorsqu'elle frappe un pylône, l'énergie s'écoule vers la terre par tous les chemins possibles, selon le principe de moindre résistance. Les équipements installés sur le pylône font partie intégrante de ce chemin. De l'antenne RF et sa connexion à la passerelle, en passant par toutes les interfaces électriques présentes le long du pylône (alimentation CC, Ethernet, voire conducteur de mise à la terre de la passerelle), l'énergie de la foudre se propage vers la terre.

Bien qu'un impact de foudre direct puisse générer un courant de crête largement supérieur à 100 kA, la majeure partie de cette énergie est normalement évacuée vers la terre par les paratonnerres et le réseau de mise à la terre du pylône. Avec une mise à la terre adéquate, les interfaces de la passerelle peuvent supporter des surtensions de l'ordre de 10 kA, que les dispositifs de protection contre les surtensions doivent pouvoir gérer. Cependant, de nombreux autres facteurs restent à prendre en compte.

Sens des Réalités

L'élément le plus exposé du système est généralement l'antenne, qui doit être correctement reliée à la terre afin de minimiser les surtensions sur le câble d'alimentation RF vers la passerelle. Pour protéger l'antenne elle-même, un ou plusieurs paratonnerres doivent être installés afin d'empêcher la foudre de l'atteindre directement. Les paratonnerres constituent une première ligne de défense souvent négligée pour la protection des antennes et des équipements.

Protection d'antenne

L'énergie de la foudre provenant de la connexion d'antenne constitue le premier niveau de protection contre la foudre pour la passerelle. Cette protection est assurée par une mise à la terre optimale du châssis de la passerelle au système de mise à la terre. Les composants de mise à la terre des passerelles extérieures TEKTELIC comprennent un point de mise à la terre dédié, permettant la connexion d'un câble de terre de forte section grâce à des cosses de compression industrielles en cuivre à double borne. Le raccordement direct de ce point de terre aux piquets de terre ou à l'électrode de terre du site, à l'aide d'un conducteur en cuivre d'une section minimale de 10 AWG, offre un chemin de retour à la terre à faible impédance pour le courant de foudre.

Comment TEKTELIC peut-il garantir la mise à la terre et la protection des passerelles ?

TEKTELIC propose une gamme étendue de passerelles extérieures, conformes aux exigences de mise à la terre et aux normes de protection en vigueur. Par exemple, la passerelle extérieure standard proposée par TEKTELIC Communications est équipée d'un système de mise à la terre composé de conducteurs en cuivre et en aluminium, offrant ainsi un chemin à faible impédance pour l'énergie de la foudre jusqu'au point de mise à la terre du site.

Protection d'interface

Bien qu'une grande partie de l'énergie d'un impact de foudre s'échappe par le châssis de la passerelle et sa mise à la terre, une quantité significative s'échappe inévitablement par les interfaces d'alimentation ou de données en cuivre. Cependant, les interfaces des passerelles extérieures TEKTELIC intègrent des dispositifs de protection contre les surtensions. Ces dispositifs empêchent la foudre de claquer les composants d'alimentation et de données en cas de surtension, permettant ainsi à l'énergie de circuler librement de l'antenne vers la terre en suivant le chemin de moindre résistance.

Conception de systèmes

Dès la conception, une attention particulière est portée à la conception des systèmes, notamment à l'étude des trajets des courants de surtension dus à la foudre à travers la passerelle. Ce processus inclut une simulation SPICE de la protection contre la foudre et de la mise à la terre des équipements, ainsi que des essais de surtension en laboratoire. La foudre étant un phénomène statistiquement répétitif, ces dispositifs de protection contre les surtensions sont conçus et dimensionnés pour résister à de multiples impacts.

Toutes les interfaces de passerelle TEKTELIC sont conçues pour résister à au moins 10 impacts de foudre aux niveaux de courant spécifiés. Enfin, bien qu'il soit primordial que les équipements résistent à la foudre, il est également souhaitable de minimiser les perturbations du réseau lors d'un tel événement. À cette fin, toutes les passerelles TEKTELIC sont soumises à des tests afin de garantir une coupure de courant minimale due aux transitoires du réseau électrique. Ces tests couvrent les chutes de tension, les surtensions et les pics de tension associés à la foudre.

Choses dont il faut se rappeler

Les déploiements concrets de passerelles IoT sont soumis à des niveaux d'interférences électromagnétiques bien supérieurs aux normes industrielles. La présence d'une protection contre la foudre n'est que le point de départ. L'équipement lui-même doit être conçu pour résister à de telles conditions, avec des dispositifs de protection contre les surtensions et une mise à la terre robustes. L'expertise de TEKTELIC en matière de conception lui confère une solide compréhension des exigences et des solutions de conception associées, garantissant ainsi la fiabilité des équipements sur le terrain.

L'utilisation de passerelles fiables, protégées contre la foudre et dotées d'une mise à la terre, garantit le bon fonctionnement de votre serveur réseau. Pour vous assurer des performances optimales de vos passerelles, contactez l'équipe commerciale de TEKTELIC et découvrez l'univers des objets connectés fiables.