LoRaWANゲートウェイの雷保護と接地：信頼性の高いLoRaWANネットワークのために考慮すべき点

信頼性の高いLoRaWANネットワーク運用を実現するには、無線機器、屋内・屋外アンテナケーブル、電源、無線信号の安定性、ゲートウェイの保護、ゲートウェイの設置場所など、さまざまな側面を確認する必要があります。現場で信頼性の高い機器を確保することが、信頼性の高いネットワーク構築の第一歩です。

屋外機器の現場での信頼性を高めるには、多くの重要な設計要素があります。その一つが、電磁干渉（EMI）の実際の影響への対処です。電磁干渉耐性規格への準拠は、落雷などの深刻な自然現象だけでなく、静電気放電（ESD）、電気的高速過渡現象（EFT）、強力な電界および磁界（EMF）など、人為的な比較的穏やかな現象によって機器に及ぼされる電気的干渉の影響に対処するものです。

同時に、タワー設置型の無線機器は、電磁干渉やあらゆる厳しい自然現象に耐え、長期間にわたりトラブルなく稼働できる必要があります。通常、無線周波数のスムーズな伝送に対する大きな脅威は、IoTゲートウェイが厳しい気象条件下で動作を継続することが困難であることです。この点において、LoRaWANゲートウェイが雷保護と接地機能を備え、リファレンスデザインに完全に準拠していることを保証できる、信頼できるサプライヤーを選択する必要があります。

落雷の脅威と、トラブルのない現場作業を確保する方法

落雷の脅威に対する理解と対処法は、数世紀にわたって進化を遂げてきました。技術と知識の発展に伴い、アンテナの保護システムには特別な配慮が必要であることが認識されるようになりました。18世紀半ばのベンジャミン・フランクリンらによる避雷針に関する実験以来、この理解は発展を続け、現代の避雷システム設計基準へと結実しました。

堅牢なサージ保護装置の規格

新たな発見に伴い、タワー設置型無線機器の雷保護に関する多くの規格が策定され始めました。これらの規格は世界中で認められており、LoRaWANゲートウェイの雷保護を扱うメーカーにとっての基準点となっています。

米国では、全米防火協会（NFPA）のNFPA 780「雷保護システムの設置に関する規格」やIEEE C62.41「低電圧（1000V以下）交流電源回路におけるサージ環境に関するガイド」などの規格が、一般的な設置ガイドラインを提供している。

一方、IEC 62305「雷保護」規格シリーズやITU-T K.39「雷放電による通信施設への損害リスク評価」などの国際規格も指針を提供している。

業界標準、特にヨーロッパの標準では、基本的な電磁干渉耐性要件が規定されていますが、これらの耐性レベルは、電源やデータ供給、アンテナなどを含むタワー設置環境、特に落雷の影響に対しては十分ではありません。そのため、LoRaWANゲートウェイには追加の落雷保護機能が必要となります。

最新のタワー設置型無線機器

電気系統設備の基本的な保護技術は確立されているものの、近年、損傷を受けやすい状況は急速に変化している。これは特にアンテナ利得が関係する場合に顕著である。

例えば、ゲートウェイなどの無線機器は、センサーフィールドへの良好なRF露出を確保するためにアンテナの高さが有利になるように配置されることが多いのですが、この利点は、目的の信号にとっては有利である反面、落雷などによる不要な「信号」にとっては不利になります。そこで、TEKTELIC Communications Inc.は、電磁干渉に耐えられる屋外用ゲートウェイを開発しました。例えば、TEKTELIC KONA Mega Ex Gatewayは、堅牢な筐体を採用しており、過酷な屋外環境でも容易に動作します。さらに、このゲートウェイは、アンテナの保護には特別な配慮が必要であることを十分に理解した上で設計されており、IP67規格の筐体を採用しています。

基準を超える

上記の規格は一般的なサイト保護のベストプラクティスを扱っていますが、設計者はアンテナ付きタワーマウントゲートウェイなど、システム内の特定のコンポーネントに関するガイドラインも必要としています。ITU-T K.44「過電圧および過電流にさらされる通信機器の耐性試験」、Telcordia GR-1089「電磁両立性および電気安全」、またはIEC 61000-4-5「電磁両立性（EMC）－パート4-5：試験および測定技術－サージ耐性試験」などのIEC 61000-4シリーズ規格など、機器のサージ保護に関する業界標準はありますが、これらの規格はアンテナ付きタワーマウントゲートウェイの展開シナリオでの生存を保証するには不十分です。

「IEC 61000-4-5に準拠」といった表現には特に注意してください。これらの規格は幅広い試験設定とレベルを網羅しているだけでなく、規格に準拠した試験だけでは不十分であることは言うまでもありません。このような状況に対処するため、TEKTELIC Communications Inc.は、長年にわたる無線およびアンテナ展開の経験を活かし、タワー設置に適した社内試験を開発しました。

保護と接地

地雷は必ず大地に流れ、それを止めることはできません。雷がタワーに落ちると、エネルギーは最小抵抗の法則に従ってあらゆる経路を通って大地に流れます。タワーに取り付けられた機器も、この雷の経路の一部となります。RFアンテナとそのゲートウェイへの接続部から、DC電源、イーサネット、さらにはゲートウェイの接地導体など、タワーに沿って続くあらゆる電気インターフェースを経て、雷のエネルギーは大地に流れます。

落雷そのもののピーク電流は100kAをはるかに超える可能性がありますが、このエネルギーの大部分は避雷針とタワーの接地ネットワークを通って地面に流れ込むと予想されます。適切な接地が行われていれば、ゲートウェイインターフェースでは10kA程度のサージレベルが発生する可能性があり、サージ保護装置はこのレベルに対応する必要がありますが、それでも考慮すべき点は数多くあります。

接地

通常、システムコンポーネントの中で最も外部に露出するのはアンテナであり、ゲートウェイへのRFフィーダーにかかるサージエネルギーを最小限に抑えるため、アンテナは接地システムにしっかりと接続する必要があります。アンテナ自体を保護するため、雷エネルギーがアンテナに直接到達するのを防ぐために、避雷針と呼ばれる1つ以上の避雷端子を設置する必要があります。避雷針は、アンテナや機器の保護において、しばしば見落とされがちな第一線の防御策です。

アンテナ保護

アンテナ接続部から雷エネルギーが流れ込むため、ゲートウェイの雷保護の第1段階は、ゲートウェイシャーシを接地システムに最適に接地することによって実現されます。TEKTELICの屋外用ゲートウェイ接地コンポーネントには、専用の接地ポイントが設けられており、工業用ダブルスタッド銅製圧縮ラグを介して専用の太い接地線を接続できます。この接地ポイントを、最低でも#10 AWGの銅導体を使用して現場の接地棒または接地電極にできるだけ直接接続することで、雷電流が大地に低インピーダンスで戻る経路が確保されます。

TEKTELICはどのようにしてゲートウェイの接地と保護を確保できるのでしょうか？

TEKTELICは、必要な接地要件と保護規格に準拠した、非常に幅広い屋外ゲートウェイ製品群を提供しています。例えば、TEKTELIC Communicationsが市場に提供している代表的な屋外ゲートウェイは、銅とアルミニウムの接地部品を用いた接地システムを備えており、雷エネルギーがサイトの接地ポイントに到達するための低インピーダンス経路を提供します。

インターフェース保護

落雷によるエネルギーの大部分はゲートウェイシャーシと接地接続部を通ってサイトの接地ポイントに放出されますが、銅製の電源またはデータインターフェースからも相当量のエネルギーが放出されます。同時に、TEKTELICの屋外ゲートウェイインターフェースには、これらのインターフェース上に高電流サージ保護デバイスが内蔵されています。これらの雷保護デバイスは、電源およびデータインターフェースコンポーネントの過電圧破壊を防ぎ、落雷によってエネルギーがアンテナ接続部から抵抗の少ない経路を通って接地へと自由に流れるのを防ぎます。

システム設計

設計の初期段階から、ゲートウェイを通過する雷サージ電流経路を詳細に検討するなど、システム設計には細心の注意が払われています。このプロセスには、機器の雷保護と接地に関するSPICEシミュレーションに加え、実際の実験室での雷サージ試験が含まれます。雷は統計的に繰り返し発生する現象であるため、これらのサージ保護装置は複数回の落雷に耐えられるよう設​​計・定格されています。

TEKTELICのすべてのゲートウェイインターフェースは、規定の雷電流レベルで最低10回の落雷に耐えられるように設計されています。機器が落雷に耐えることが何よりも重要ですが、落雷によるネットワーク運用の中断を最小限に抑えることも望ましいです。そのため、TEKTELICのすべてのゲートウェイは、電源供給の過渡現象による電力障害を最小限に抑えるためのテストも実施しています。電力過渡現象テストでは、落雷に伴う電圧降下、電圧上昇、電圧スパイクなどを対象としています。

覚えておいてください観光

IoTゲートウェイの実際の導入環境では、業界標準で規定されているレベルをはるかに超える電磁干渉にさらされます。雷保護装置が設置されているかどうかは、ほんの始まりに過ぎません。機器自体が、堅牢なサージ保護装置と接地を備え、そのような環境下でも動作するように設計されている必要があります。TEKTELICは長年の設計実績に基づき、現場で信頼性の高い機器を確保するために必要な要件と、それに対応する設計ソリューションを熟知しています。

雷保護機能と接地システムを備えた信頼性の高いゲートウェイを使用することで、ネットワークサーバーの適切な動作が保証されます。ゲートウェイの動作性能を確実に把握したい場合は、 TEKTELICの営業チームにお問い合わせいただき、信頼性の高いIoTデバイスの世界をご体験ください。