Protezione contro i fulmini e messa a terra del gateway LoRaWAN: cosa considerare per una rete LoRaWAN affidabile

Per garantire un funzionamento affidabile della rete LoRaWAN , è necessario verificare una serie di aspetti, tra cui le apparecchiature radio, i cavi delle antenne interne ed esterne, l'alimentazione elettrica, la stabilità dei segnali radio, la protezione del gateway e il suo posizionamento. Assicurarsi che le apparecchiature sul campo siano affidabili è il primo passo per realizzare una rete sicura.

Esistono numerosi aspetti progettuali fondamentali che contribuiscono all'affidabilità sul campo delle apparecchiature per esterni. Uno di questi aspetti riguarda la gestione degli effetti concreti delle interferenze elettromagnetiche (EMI). La conformità all'immunità alle interferenze elettromagnetiche si occupa degli effetti delle interferenze elettriche generate da fenomeni naturali estremi come i fulmini, nonché da fenomeni di origine antropica meno gravi come le scariche elettrostatiche (ESD), i transitori elettrici veloci (EFT) e i forti campi elettrici e magnetici (EMF).

Allo stesso tempo, le apparecchiature radio installate sulle torri devono essere in grado di resistere alle interferenze elettromagnetiche e a qualsiasi fenomeno naturale avverso, per garantire una lunga e affidabile durata sul campo. Solitamente, una delle principali minacce alla trasmissione a radiofrequenza è la difficoltà per i gateway IoT di continuare a funzionare in condizioni meteorologiche avverse. A tal proposito, è fondamentale scegliere un fornitore affidabile che possa garantire che il gateway LoRaWAN sia dotato di protezione contro i fulmini, messa a terra e che corrisponda pienamente a un progetto di riferimento.

La minaccia dei fulmini e i modi per garantire una vita sul campo senza problemi

La comprensione e la gestione della minaccia dei fulmini si sono evolute nel corso dei secoli. Con lo sviluppo delle tecnologie e delle conoscenze umane, si è iniziato a comprendere che i sistemi di protezione delle antenne richiedono particolare attenzione. A partire dagli esperimenti sui parafulmini condotti a metà del XVIII secolo da Benjamin Franklin e altri, questa comprensione si è evoluta fino a culminare negli standard moderni per la progettazione di sistemi di protezione contro i fulmini.

Standard per dispositivi di protezione da sovratensioni robusti

Parallelamente alle nuove scoperte, si sono sviluppati numerosi standard per la protezione delle apparecchiature radio installate sulle torri. Questi standard sono riconosciuti a livello mondiale e considerati un punto di riferimento per i produttori che si occupano della protezione contro i fulmini dei gateway LoRaWAN.

Normative come la NFPA 780 della National Fire Protection Agency "Standard for the Installation of Lightning Protection Systems" e la IEEE C62.41 "Guide on the Surge Environment in Low Voltage (1000 V and Less) AC Power Circuits" forniscono linee guida generali per l'installazione negli Stati Uniti.

Anche gli standard internazionali, come la serie di norme IEC 62305 "Protezione contro i fulmini" e la norma ITU-T K.39 "Valutazione del rischio di danni ai siti di telecomunicazione dovuti a scariche elettriche da fulmine", forniscono indicazioni.

Gli standard di settore, in particolare quelli europei, coprono i requisiti di base di immunità alle interferenze elettromagnetiche, ma questi livelli di immunità non sono sufficienti per gli ambienti con installazione su torre che prevedono alimentazione, trasmissione dati e un'antenna, soprattutto contro gli effetti dei fulmini. Per questo motivo, si rende necessaria una protezione aggiuntiva contro i fulmini per i gateway LoRaWAN.

Apparecchiature radio moderne montate su torre

Sebbene le tecniche di protezione fondamentali per gli impianti elettrici siano ben consolidate, la suscettibilità ai danni è cambiata rapidamente negli ultimi tempi. Ciò è particolarmente vero quando è coinvolto il guadagno di un'antenna.

Ad esempio, le apparecchiature radio come i gateway vengono spesso installate in posizioni elevate, necessarie alle antenne per garantire una buona esposizione RF al campo del sensore. Tuttavia, questo stesso vantaggio per i segnali desiderati diventa uno svantaggio per i "segnali" indesiderati provenienti da un fulmine. Con questo in mente, TEKTELIC Communications Inc. ha sviluppato gateway per esterni in grado di resistere alle interferenze elettromagnetiche. Ad esempio, il gateway TEKTELIC KONA Mega Ex è dotato di un robusto involucro e funziona senza problemi anche in condizioni esterne difficili. Inoltre, questo gateway è stato progettato tenendo conto della necessità di proteggere in modo specifico l'antenna, motivo per cui è classificato con grado di protezione IP67.

Andare oltre gli standard

Sebbene gli standard sopra menzionati trattino le migliori pratiche per la protezione generale del sito, i progettisti necessitano anche di linee guida per componenti specifici all'interno di un sistema, come ad esempio un gateway montato su torre con antenne. Sebbene esistano standard di settore per la protezione delle apparecchiature dalle sovratensioni, come ITU-T K.44 "Prove di resistenza per apparecchiature di telecomunicazione esposte a sovratensioni e sovracorrenti", Telcordia GR-1089 "Compatibilità elettromagnetica e sicurezza elettrica" ​​o gli standard della serie IEC 61000-4 come IEC 61000-4-5 "Compatibilità elettromagnetica (EMC) - Parte 4-5: Tecniche di prova e misurazione - Prova di immunità alle sovratensioni", questi standard non sono sufficienti a garantire la sopravvivenza nello scenario di implementazione di un gateway montato su torre con antenne.

Presta particolare attenzione a espressioni come "conforme alla norma IEC 61000-4-5"; non solo questi standard coprono un'ampia gamma di configurazioni e livelli di prova, ma, indubbiamente, qualsiasi test eseguito secondo tali standard non è sufficiente. Per gestire questa situazione, TEKTELIC Communications Inc. ha sfruttato la sua esperienza pluridecennale nell'installazione di sistemi radio e antenne per sviluppare test interni specifici per le installazioni su torre.

Protezione e messa a terra

Un fulmine che colpisce un'antenna si scarica a terra, nulla può fermarlo. Quando un fulmine colpisce una torre, l'energia fluisce verso terra attraverso tutti i percorsi possibili, secondo la legge della minima resistenza. Le apparecchiature installate sulla torre fanno parte di questo percorso del fulmine. Dall'antenna RF e dal suo collegamento al gateway, passando per ogni interfaccia elettrica che si estende lungo la torre, come l'alimentazione CC, Ethernet e persino il conduttore di messa a terra del gateway, l'energia del fulmine fluirà verso terra.

Sebbene un fulmine diretto possa generare picchi di corrente ben superiori a 100 kA, si prevede che la maggior parte di questa energia fluisca liberamente verso terra attraverso i parafulmini e la rete di messa a terra della torre. Con una messa a terra adeguata, le interfacce del gateway potrebbero subire picchi di corrente nell'ordine dei 10 kA, che i dispositivi di protezione contro le sovratensioni devono essere in grado di gestire, ma restano comunque molti aspetti da considerare.

messa a terra

Solitamente, il componente del sistema più esposto è l'antenna, che deve essere ben collegata al sistema di messa a terra per ridurre al minimo le sovratensioni sul cavo RF che alimenta il gateway. Per proteggere l'antenna stessa, è necessario installare uno o più terminali aerei, spesso chiamati parafulmini, per impedire che l'energia del fulmine raggiunga direttamente l'antenna. I parafulmini rappresentano una prima linea di difesa, spesso trascurata, nella protezione di antenne e apparecchiature.

Protezione antenna

Con l'energia del fulmine che fluisce dalla connessione dell'antenna, il primo livello di protezione contro i fulmini del gateway è fornito dalla messa a terra ottimale dello chassis del gateway al sistema di messa a terra. I componenti di messa a terra per gateway esterni TEKTELIC includono, a loro volta, un punto di messa a terra dedicato che facilita l'implementazione di una connessione di un cavo di messa a terra dedicato di grosso calibro tramite capicorda a compressione in rame a doppio perno di tipo industriale. Collegando questo punto di messa a terra il più direttamente possibile alle aste di messa a terra del sito o all'elettrodo di messa a terra utilizzando un conduttore in rame di almeno #10 AWG, si ottiene un percorso di ritorno a terra a bassa impedenza per la corrente del fulmine.

In che modo TEKTELIC garantisce la messa a terra e la protezione del gateway?

TEKTELIC vanta un portafoglio piuttosto ampio di gateway per esterni, conformi ai requisiti di messa a terra e agli standard di protezione necessari. Ad esempio, il tipico gateway per esterni offerto da TEKTELIC Communications è dotato di un sistema di messa a terra con componenti in rame e alluminio che fornisce un percorso a bassa impedenza per consentire all'energia del fulmine di raggiungere il punto di messa a terra del sito.

Protezione dell'interfaccia

Sebbene gran parte dell'energia di un fulmine si disperda attraverso lo chassis del Gateway e il suo collegamento di terra al punto di messa a terra del sito, una quantità significativa di energia si disperderà comunque attraverso le interfacce di alimentazione o dati in rame. Allo stesso tempo, le interfacce dei gateway per esterni TEKTELIC integrano dispositivi di protezione contro le sovratensioni ad alta corrente. Questi dispositivi di protezione contro i fulmini impediscono la scarica per sovratensione dei componenti delle interfacce di alimentazione e dati, consentendo all'energia di fluire liberamente dal collegamento dell'antenna a terra seguendo i percorsi di minor resistenza.

Progettazione di sistemi

Fin dalle prime fasi di progettazione, viene prestata grande attenzione alla progettazione dei sistemi, studiando i percorsi della corrente di sovratensione da fulmine attraverso il gateway. Questo processo include la simulazione SPICE della protezione contro i fulmini e della messa a terra delle apparecchiature, insieme a test di laboratorio effettivi sulle sovratensioni da fulmine. Poiché i fulmini sono un evento statistico ripetitivo, questi dispositivi di protezione contro le sovratensioni sono progettati e dimensionati per resistere a scariche multiple.

Tutte le interfacce gateway TEKTELIC sono progettate per resistere ad almeno 10 fulmini ai livelli di corrente specificati. Infine, sebbene sia fondamentale che le apparecchiature resistano a un fulmine, è altrettanto auspicabile ridurre al minimo le interruzioni del funzionamento della rete associate a tale evento. A tal fine, tutti i gateway TEKTELIC vengono sottoposti a test per garantire che si verifichino interruzioni minime dell'alimentazione a seguito di transitori di corrente. I test sui transitori di corrente comprendono cali, sovratensioni e picchi di tensione associati ai fulmini.

Cose da ricordare

Le implementazioni reali dei gateway IoT sono soggette a livelli di interferenza elettromagnetica ben superiori a quelli specificati dagli standard di settore. La questione della presenza di una protezione contro i fulmini è solo l'inizio. L'apparecchiatura stessa deve essere progettata per resistere a tali implementazioni con robusti dispositivi di protezione contro le sovratensioni e una corretta messa a terra. L'esperienza di TEKTELIC nella progettazione si traduce in una solida comprensione di ciò che è necessario e delle relative soluzioni progettuali per garantire apparecchiature affidabili sul campo.

L'utilizzo di gateway affidabili con protezione contro i fulmini e sistemi di messa a terra garantirà il corretto funzionamento del vostro server di rete. Pertanto, se desiderate avere la certezza delle capacità operative dei vostri gateway, contattate il team di vendita di TEKTELIC e scoprite il mondo dei dispositivi IoT affidabili.