Proteção contra raios e aterramento para gateways LoRaWAN: o que considerar para uma rede LoRaWAN confiável

Para garantir o funcionamento confiável de uma rede LoRaWAN , é necessário verificar diversos aspectos, incluindo equipamentos de rádio, cabos de antena internos e externos, fonte de alimentação, estabilidade dos sinais de rádio, proteção do gateway e posicionamento do gateway. Assegurar a confiabilidade dos equipamentos em campo é o primeiro passo para estabelecer uma rede estável.

Existem muitos aspectos de projeto importantes que contribuem para a confiabilidade de equipamentos externos em campo. Um desses aspectos é lidar com os efeitos reais da Interferência Eletromagnética (EMI). A conformidade com a imunidade à Interferência Eletromagnética aborda os efeitos da interferência elétrica imposta aos equipamentos por fenômenos naturais severos, como descargas atmosféricas, bem como por fenômenos mais benignos de origem humana, como Descarga Eletrostática (ESD), Transientes Elétricos Rápidos (EFT) e Campos Elétricos e Magnéticos (EMF) intensos.

Ao mesmo tempo, os equipamentos de rádio instalados em torres precisam ser capazes de suportar interferências eletromagnéticas e quaisquer fenômenos naturais severos para garantir uma longa vida útil e funcionamento sem problemas. Normalmente, uma das principais ameaças à transmissão estável de radiofrequência é a dificuldade dos gateways de IoT em continuarem operando em condições climáticas adversas. Nesse sentido, você deve escolher um fornecedor reconhecido que possa garantir que o gateway LoRaWAN tenha proteção contra raios e aterramento, além de estar em total conformidade com o projeto de referência.

A ameaça dos raios e como garantir uma vida útil do campo sem problemas.

A compreensão e o enfrentamento da ameaça de raios evoluíram ao longo dos séculos. Com o desenvolvimento das tecnologias e do conhecimento humano, as pessoas começaram a entender que o sistema de proteção de antenas exigia atenção especial. A partir dos experimentos de Benjamin Franklin e outros, em meados do século XVIII, relacionados a para-raios, essa compreensão evoluiu, culminando nos padrões modernos para o projeto de sistemas de proteção contra raios.

Padrões de dispositivos robustos de proteção contra surtos

Juntamente com novas descobertas, começaram a surgir muitos padrões para a proteção de equipamentos de rádio montados em torres. Esses padrões são reconhecidos mundialmente e considerados um ponto de referência para fabricantes que trabalham com proteção contra raios para gateways LoRaWAN .

Normas como a NFPA 780 da National Fire Protection Agency, "Norma para Instalação de Sistemas de Proteção contra Raios", e a IEEE C62.41, "Guia sobre o Ambiente de Surtos em Circuitos de Alimentação CA de Baixa Tensão (1000 V e Menos)", fornecem orientações gerais de instalação nos EUA.

Por sua vez, normas internacionais, como a série de normas IEC 62305 “Proteção contra raios” e a ITU-T K.39 “Avaliação de risco de danos a instalações de telecomunicações devido a descargas atmosféricas”, também fornecem orientações.

As normas da indústria, particularmente na Europa, abrangem os requisitos básicos de imunidade a interferências eletromagnéticas, mas esses níveis de imunidade não são suficientes para ambientes com instalações em torres que envolvem alimentação elétrica e de dados, além de antenas, especialmente contra os efeitos de raios. É por isso que surge a necessidade de proteção adicional contra raios para gateways LoRaWAN .

Equipamentos de rádio modernos montados em torres

Embora as técnicas fundamentais de proteção para instalações de sistemas elétricos estejam bem estabelecidas, a suscetibilidade a danos mudou rapidamente nos últimos tempos. Isso é particularmente verdadeiro quando se trata de ganho de antena.

Por exemplo, equipamentos de rádio, como gateways, são frequentemente instalados em locais altos, onde as antenas precisam de uma boa exposição à radiofrequência (RF) para captar os sinais desejados. No entanto, essa mesma vantagem para sinais desejados torna-se uma desvantagem para sinais indesejados, como os provenientes de descargas atmosféricas. Pensando nisso, a TEKTELIC Communications Inc. desenvolveu gateways para uso externo que resistem a interferências eletromagnéticas. Por exemplo, o gateway TEKTELIC KONA Mega Ex possui uma estrutura reforçada e funciona perfeitamente mesmo em condições externas adversas. Além disso, este gateway foi projetado com a plena consciência de que a proteção da antena requer atenção especial, por isso possui classificação IP67.

Indo Além dos Padrões

Embora as normas mencionadas acima tratem das melhores práticas para proteção geral de instalações, os projetistas também precisam de diretrizes para componentes específicos dentro de um sistema, como um gateway montado em torre com antenas. Embora existam normas da indústria para proteção contra surtos em equipamentos, como a ITU-T K.44 “Testes de resistividade para equipamentos de telecomunicações expostos a sobretensões e sobrecorrentes”, a Telcordia GR-1089 “Compatibilidade eletromagnética e segurança elétrica” ou as normas da série IEC 61000-4, como a IEC 61000-4-5 “Compatibilidade eletromagnética (EMC) – Parte 4-5: Técnicas de teste e medição – Teste de imunidade a surtos”, essas normas não garantem a sobrevivência no cenário de implantação de um gateway montado em torre com antenas.

Preste especial atenção a frases como "atende à norma IEC 61000-4-5"; essas normas não apenas abrangem uma ampla gama de configurações e níveis de teste, como também, sem dúvida, qualquer teste realizado de acordo com a norma não é suficiente. Para lidar com essa situação, a TEKTELIC Communications Inc. utilizou suas décadas de experiência em implantação de rádios e antenas para desenvolver testes internos adequados para instalações em torres.

Proteção e Aterramento

Um raio que atinge o solo irá para a terra, nada pode impedi-lo. Quando um raio atinge uma torre, a energia fluirá para a terra por todos os caminhos possíveis, seguindo a lei da menor resistência. Os equipamentos instalados na torre fazem parte desse caminho percorrido pelo raio. Desde uma antena de radiofrequência e sua conexão com o gateway, passando por todas as interfaces elétricas que descem pela torre, como alimentação CC, Ethernet e até mesmo o condutor de aterramento do gateway, a energia do raio fluirá para a terra.

Embora um raio que caia diretamente possa gerar uma corrente de pico bem acima de 100 kA, espera-se que a maior parte dessa energia flua livremente através dos para-raios e da rede de aterramento da torre até o solo. Com um aterramento adequado, as interfaces do gateway podem sofrer surtos na ordem de 10 kA, que os dispositivos de proteção contra surtos devem suportar, mas ainda há muitas questões a serem consideradas.

encalhe

Normalmente, o componente mais exposto do sistema é a antena, que deve estar bem aterrada para minimizar a energia de surto no cabo de radiofrequência que alimenta o gateway. Para proteger a própria antena, um ou mais terminais aéreos, frequentemente chamados de para-raios, devem ser instalados para impedir que a energia do raio atinja a antena diretamente. Os para-raios são uma primeira linha de defesa frequentemente negligenciada na proteção de antenas e equipamentos.

Proteção de antena

Com a energia do raio fluindo da conexão da antena, o primeiro nível de proteção contra raios para gateways é garantido pelo aterramento ideal do chassi do gateway ao sistema de aterramento. Os componentes de aterramento para gateways externos da TEKTELIC, por sua vez, incluem um ponto de aterramento dedicado que facilita a implementação de uma conexão dedicada de fio de aterramento de bitola grossa através de terminais de compressão de cobre industriais de dupla rosca. Conectar este ponto de aterramento o mais diretamente possível às hastes de aterramento ou eletrodo de aterramento do local, utilizando um condutor de cobre de bitola mínima #10 AWG, proporciona um caminho de retorno de baixa impedância para a terra para a corrente do raio.

Como a TEKTELIC pode garantir o aterramento e a proteção do gateway?

A TEKTELIC possui um portfólio bastante extenso de gateways externos, que atendem aos requisitos de aterramento e padrões de proteção necessários. Por exemplo, o gateway externo típico oferecido pela TEKTELIC Communications ao mercado possui um sistema de aterramento com componentes de cobre e alumínio que proporciona um caminho de baixa impedância para que a energia do raio atinja o ponto de aterramento do local.

Proteção de Interface

Embora grande parte da energia de uma descarga atmosférica escape pelo chassi do Gateway e sua conexão de aterramento ao ponto de aterramento do local, invariavelmente uma quantidade significativa de energia ainda escapará por quaisquer interfaces de cobre de alimentação ou dados. Ao mesmo tempo, as interfaces de gateway externas da TEKTELIC contêm dispositivos de proteção contra surtos de alta corrente integrados. Esses dispositivos de proteção contra raios impedem a ruptura por sobretensão dos componentes de alimentação e dados, permitindo que a energia flua livremente da conexão da antena para o solo, seguindo os caminhos de menor resistência.

Projeto de Sistemas

Desde a concepção do projeto, é dada grande atenção ao design dos sistemas, estudando os caminhos da corrente de surto de raios através do gateway. Esse processo inclui simulação SPICE da proteção contra raios e aterramento do equipamento, juntamente com testes reais de surtos de raios em laboratório. Como os raios são eventos estatísticos repetitivos, esses dispositivos de proteção contra surtos são projetados e dimensionados para suportar múltiplos impactos.

Todas as interfaces de gateway da TEKTELIC são especificadas para suportar um mínimo de 10 descargas atmosféricas nos níveis de corrente especificados. Além disso, embora seja fundamental que o equipamento sobreviva a uma descarga atmosférica, também é desejável minimizar a interrupção da operação da rede associada a um evento. Para isso, todos os gateways da TEKTELIC também são submetidos a testes para garantir que ocorra uma interrupção mínima de energia devido a transientes na alimentação elétrica. Os testes de transientes de energia abrangem quedas de tensão, sobretensões e picos associados a descargas atmosféricas.

Coisas para lembrar

As implantações reais de gateways de IoT estão sujeitas a níveis de interferência eletromagnética muito superiores aos especificados nas normas da indústria. A questão da instalação de proteção contra raios é apenas o começo. O próprio equipamento deve ser projetado para suportar tais implantações com dispositivos robustos de proteção contra surtos e aterramento. A experiência da TEKTELIC em projetos proporciona um sólido conhecimento dos requisitos e das soluções de projeto associadas para garantir equipamentos confiáveis ​​em campo.

A utilização de gateways confiáveis ​​com proteção contra raios e sistemas de aterramento garantirá o funcionamento adequado do seu servidor de rede. Portanto, se você deseja ter certeza da capacidade operacional dos seus gateways, entre em contato com a equipe de vendas da TEKTELIC e descubra o mundo dos dispositivos IoT confiáveis.