Природа молнии и её влияние на антенну

При приближении грозового облака к Земле напряжённость поля будет возрастать и под воздействием этого электромагнитного поля (или импульса) от вышестоящих предметов (выступающих) относительно поверхности Земли будет выходить ответный стример, соединяющийся с лидером.

 

 

Схема этапов развития наземной молнии.

А,Б – две ступени лидера;

1-облако; 2-стримеры; 3-канал ступенчатого лидера;

4-корона канала; 5-импульсная корона на головке канала;

В-образование главного канала молнии (К)

Рисунок выше показывает, что чем выше располагается антенна от поверхности земли и даже лучше её заземление, тем больше вероятности того, что в неё попадёт молния. Следовательно, любая антенна должна иметь очень надёжное заземление.

Когда молния попадает в антенну импульс разряда пройдёт по кратчайшему пути к “Земле”. Ток при этом может достигать нескольких сотен или тысячи ампер, длительность тока по времени - сотые или десятые доли секунд, а температура канала может превышать 25000 градусов по цельсию.

Основной задачей для любой антенны является приём высокочастотного электромагнитного сигнала (на что изначально и рассчитано). Но помимо полезного сигнала она способна принять и мощный электромагнитный импульс разряда молнии. Такой импульс по амплитуде и мощности обычно превышает полезный сигнал и при отсутствии устройства защиты может вывести выходные каскады трансивера. Чем лучше антенна, тем больший импульс перенапряжения она примет и отдаст подключенному оборудованию.

Устройство, типы и сферы применения газовых разрядников от перенапряжения

Помимо молниеотводов для защиты высокочастотного оборудования используют специальные устройства – газовые разрядники, состоящие из коаксиального элемента с небольшим промежутком (разрядным) между внутренним проводником и патроном разрядника с выводом на землю. В этот промежуток устанавливается газоразрядный элемент в виде таблетки (в большинстве устройств ) в оболочке из керамики или стекла, имеющий с обеих сторон электроды. Внутри него находится газ – неон или аргон. При перенапряжении защита срабатывает : разрядник “поджигается” и его сопротивление резко падает, после чего на нём устанавливается так называемое напряжение дугового разряда величиной примерно 10 Вольт. Любой газовый разрядник должен иметь собственное заземление (для отвода мощных импульсов перенапряжения на контур земли), иначе использование его будет бесполезным.

По конструктивно-техническому исполнению подразделяются на три группы: с использованием газового разрядного элемента, четвертьволновый разрядник и гибридные схемы. Из предыдущего абзаца понятно, что конструкция газового разрядника представляет собой керамическую втулку (или “таблетку”), закрытую герметично с обеих сторон металлическими электродами, сдерживающие специальный газ, находящийся внутри под низким давлением.

Газовый разрядник независимо от назначения и типа первым электродом соединяется с центральной жилой коаксиального кабеля, а вторым – с его заземлённым корпусом. При прохождении высокого импульса большего напряжения разрядник “пробивается” и возникает кратковременное шунтирование центральной жилы кабеля на землю. При этом значение тока в нём уменьшается до ступени гашения дуги и он переходит в разомкнутое состояние (непроводящий режим). Эта “таблетка” (или газоразрядная трубка) обычно является одноразовым элементом разрядника и после каждого срабатывания требует замены. Газовые разрядники зарекомендовали себя при работе в широком диапазоне частот в устройствах защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП)

 

рис. Разновидности газовых разрядников.

А-двухэлектродный газовый разрядник;

Б-трёхэлектродный газовый разрядник;

В-газоразрядный элемент с расположением электродных пластинок на самом корпусе (на противоположных сторонах).

 

рис. Общая схема расположения газоразрядного элемента в устройстве защиты коаксиальных линий (слева) и сам разрядник (справа).

Второй тип – четвертьволновый газовый разрядник обеспечит защиту оборудования от прямого попадания разряда молнии с низким остаточным напряжением. Также их можно использовать в УЗИП, работающих в широком частотном диапазоне. В четвертьволновой технологии изготовления разрядника используется физическая величина, которая достигается путём расчёта и обеспечения бесконечного сопротивления куском проводника, длина которого равняется одной четверти длины волны сигнала.

 

рис. Четвертьволновая технология защиты коаксиальных линий от импульсных перенапряжений (слева схема) и сам разрядник (справа само устройство).

Третий тип – гибридная технология с использованием газовых разрядников совместно со схемой других пассивных элементов: диодами (супрессорные), резисторы, конденсаторы.

 

рис. Схема гибридного устройства по защите коаксиальной линии CXC от перенапряжений (слева) и гибридный разрядник (справа).

Так как кроме разрядника в гибридной схеме защиты установлен фильтр низких частот, работающий на частоте выше 125 МГц (имеет низкий уровень остаточного напряжения меньше 100 Вольт) он способен работать с мощными импульсными перенапряжениями (с частотой ниже 1МГц).

Основные параметры газоворазрядных устройств:

максимальное напряжение в линии (напряжение пробоя);

рабочий частотный диапазон;

метод заземления;

используемый разъём;

мощность сигнала и постоянного тока, передаваемого по кабелю (максимально в/ч), т.е. максимальный ток замыкания – защиты.

 

рис. Подключение разрядника к спутниковой антенне

Для лучшей эффективности отвода мощного грозового импульса совместно с разрядными устройствами устанавливают различные громоотводы.

Основные свойства и характеристики газоразрядников (газовых разрядников)

Любой газовый разрядник должен иметь некоторый ряд электрических свойств или характеристик:

импульсный ток разряда, кА;

ёмкость, пФ;

сопротивление изоляции, ГОм;

статическое напряжение срабатывания;

динамическое напряжение срабатывания.

Номинальный импульсный ток разряда. В соответствии с некоторыми техническими требованиями разрядник способен выдерживать воздействие определённого (номинального) значения (некоторой величины) тока импульса . Причём изменение технических характеристик разрядника при работе должно оставаться в допустимых пределах, определённых требований соответствующих созданных норм. Это значение импульсного тока указывается в технических спецификациях разрядного устройства (при тестовом воздействии): 8/20мкс, 10/1000мкс.

Ёмкость и сопротивление изоляции. Газовый разрядник выдаёт уникальное значение данных параметров – больше 10 Гом и меньше 1пФ. Такая особенность его незаменимым в работе с характеристиками сети.

Статическое напряжение срабатывания. Этот параметр определяет тип газового разрядника, установленного в устройстве защиты УЗИП и равен тому напряжению, при котором возникает зажигание разрядника (при медленном возрастании величины напряжения). Например газовые разрядники от производителя CITEL на срабатывание в пределах величины напряжения от 70В до 3000В (выпускаются в различном конструктивном исполнении).

Динамическое напряжение срабатывания. Это предел, при котором происходит быстрое увеличение напряжения, в результате чего газовый разрядник срабатывает. Величина напряжения срабатывания зависит от величины крутизны фронта импульса. Уровень возрастания напряжения используется следующий: 100В/мкс и 1кВ/мкс (по требованиям национальных и международных стандартов).

Линия перенапряжения: принцип работы газоразрядника (газового разрядника)

Для работы с линией перенапряжения разрядник имеет некоторые характеристики (или для срабатывания защиты), позволяющие мгновенно менять величину сопротивления в случае напряжения пробоя, поэтому их можно рассматривать в качестве быстродействующего выключателя. Любые,предотвращающие перенапряжение разрядники имеют четыре рабочих состояния:

Состояние покоя – ёмкость разрядника ограничивается до нескольких пФ (не превышает), а внутреннее сопротивление выше 1Гом.

Состояние тлеющего разряда – возникает во время достижение напряжения срабатывания (это зависит от типа устройства, в пределах от 70 Вольт до нескольких киловольт) внутри разрядника инертный газ ионизируется и через него начинает идти ток малой величины (напряжение упадёт приблизительно до 80 Вольт). Если же ток, проходящий через разрядник, увеличится и будет равен 0,8 или 1 Ампер, то это приведёт к увеличению напряжения (незначительному).

Состояние возникновения области электрической дуги – во время увеличения тока внутри разрядника на несколько наносекунд (мгновенно) возникает электрическая дуга в виде кратковременной вспышки. В пределах 20-25В напряжение падает и при возрастании значения тока остаётся практически неизменным. В зависимости от типа разрядника величина токового разряда будет равной примерно до 150кА.

Режим гашения – после того, как электрическая дуга погаснет разрядник возвратится в исходное состояние покоя. В данный режим он входит после снижения прикладываемого к нему напряжения до значения, при котором электрическая дуга не сможет возникнуть (или уменьшение тока до определённого уровня, примерно 0,5А).

 

рис. График рабочих режимов газового разрядника.

Ресурс эксплуатации газовых разрядников

Особенность конструктивного оформления газового разрядника позволяет многократно использовать их для отвода импульсов тока, при этом не повреждая или не ухудшая защитные и отводящие свойства.

Любой разрядник можно вывести из строя, даже если через него пройдёт и маломощный импульс тока, но с большой продолжительностью по времени (например на протяжении 15 секунд проходит ток в 10 А).

Некоторые устройства газовых разрядников имеют внешнюю систему информирования о перегрузках или нарушениях некоторых электрических параметров. Такая система называется “Fail-Safe”, которая комплектуется вместе разрядниками, например фирмы CITEL.

Данная система представлена в виде скоб, расположенных на керамическом корпусе разрядника и с помощью легкоплавкого изоляционного материала они удерживаются на определённом расстоянии от электродов самого разрядника. При прохождении мощных импульсов возникает сильный нагрев, изоляционный материал плавится и после чего возникает короткое замыкание разрядника в метах металлических скоб. Устройство контроля фиксирует переход в режим короткого замыкания защищаемой цепи.

От наводок на антенну при недалеко ударившей молнии помогут защитить грозоразрядники. Но надо помнить, что стопроцентной защиты от прямого попадания молнии нет, - всё рассчитывается на определённую вероятность прямого удара для конкретной местности. И всё-таки самый эффективный и простой способ защитить устройства от выхода из строя при разряде молнии - отключать антенну и все остальные приборы из розетки.