Antennák villámvédelme

Innen: HamWiki

Az alábbi szócikk címe megtévesztő lehet, így tisztázásra szorul. A villámvédelem nem a villámokat védi, hanem a villámok káros hatásai elleni védekezést szolgálja. Továbbá nem játék, ugyanis az antennából a rádiót az antennával összekötő tápvonalra kerül a villám árama, a tápvonalról pedig egyenesen be a rádióamatőr helyiségbe. Ezért kell okvetlen védekezni ellene.

A villámvédelem célja

A villámvédelem célja az emberi élet és a vagyontárgyak védelme a villámcsapás káros hatásai ellen. A vagyontárgyak védelme egyben gazdaságossági kérdés is. Ebből következik, hogy csak azon eszközöket védjük, amelyek a villámvédelem hiányában az emberi életet veszélyeztetik, vagy villámcsapás estén a javításuk, pótlásuk számottevően többe kerül, mint a villámhárító rendszer kiépítése. Ez utóbbi tézisből következik, hogy a rádióamatőr antennát villámcsapás ellen nem védjük, mert a villámvédelme többe kerül, mint villámcsapás esetén a javítása, vagy pótlása. Az antennát általában, mint természetes villámvédelmi felfogót hasznosítjuk. Akkor hát mit is védünk? Röviden a rádióamatőrt és a vele együtt élőket, a lakást, az építményt és a drága elektronikus készülékeket.

A villámvédelemre vonatkozó előírások

  • MSZ EN62305
  • 28/2011. (IX. 6.) BM rendelet az Országos Tűzvédelmi Szabályzatról (a kihirdetését követő 90. napon lép hatályba). A rendelet hatálybalépésével egyidejűleg hatálytalanította az Országos Tűzvédelmi Szabályzat kiadásáról szóló 9/2008. (IX. 6.) ÖTM rendeletet

A villámcsapás káros hatásai

  • olvasztó hatás,
  • gyújtó hatás,
  • dinamikus erőhatás,
  • túlfeszültség (vezetési, induktív, kapacitív)
  • közvetlen életveszélyt okozó áramütés

A villámhárító részei

  • felfogó (jele: V)
  • levezető (jele: L)
  • földelő (jele: F)
  • belső villámvédelem (jele: B)

A jel után írt szám az adott elem általános elrendezési fokozatára utal, mégpedig mennél nagyobb, annál hatékonyabb. A felfogó és a levezető utáni számot kisbetű követi, amely az épülettől való távolságot jelzi, valamint ezt követheti még egy méret fokozatot jelző betű. Ahhoz, hogy a villámhárító részek fokozatait meg tudjuk határozni a védett részt a rendeletben leírtak szerint csoportosítani kell rendeltetés, magasság és környezet, a tetőszerkezet és anyaga, a körítő falak anyaga, a környező levegő szennyezettsége, a másodlagos hatások és túlfeszültségek következménye alapján.

Elektromágneses villámimpulzus elleni védelem

A belső villámvédelem feladata az épületek vagy berendezések belsejében a villám másodlagos hatásai következtében keletkező károk kiküszöbölése, vagy legalábbis csökkentése. A 2001-ben megjelent MSZ 274-3:1981/2M:2001 meghatározza, hogy hol és milyen fokozatú védelemre van szükség. Az elektromágneses villámimpulzus a villámcsapás másodlagos hatásainak összefoglaló neve, a védendő térbe vezetéssel, induktív vagy kapacitív módon csatolódhat.

  • Vezetési csatolás: úgy jön létre, hogy a földelőn lefutó villámáram feszültségemelkedést hoz létre a becsapási hely környezetében. Ezt a potenciált a közelben levő földelt fémtárgyak és vezetékek is átveszik, de gyakorlatilag ugyanakkora potenciálemelkedés lép fel az ott levő szigetelt vezetőkön is. Ezt a potenciált a szigetelt vezetők átviszik más épületbe is, ahol azonban a földelés potenciálja az ideális nulla potenciálhoz képest nem emelkedett meg. Ezen a helyen tehát túlfeszültség keletkezik a szomszédból befutó vezetők és a helyben földelt fémtárgyak vagy vezetők között. Hasonló feszültség keletkezik a villámsújtott épületben is, a távoli föld potenciálját behozó vezetők és a megemelkedett potenciálú helyi föld között.
  • Induktív csatolás következtében úgy keletkezik feszültség, hogy a villámáram pályája körül létrejövő mágneses erőtér kölcsönös indukció révén kapcsolódik a villamos vezetékek által alkotott hurokkal és azokban feszültséget indukál. U=M*(di/dt)
  • Kapacitív csatolás esetén a villámcsatorna alsó részén megjelenő U feszültség több millió volt is lehet. Erre a feszültségre sorba kapcsolódik a villámcsatorna és a vezeték közötti Cv, valamint a vezeték és a föld közötti Cf kapacitás. A vezetékhez csatlakozó készülékeken a kapacitív feszültségosztó által meghatározott U1 feszültség jelenik meg, amely annak ellenére kV nagyságrendű lehet, hogy a Cf földkapacitás sokkal nagyobb, mint Cv kapacitás.

A megfelelő védelem elkészítéséhez a védendő teret villámvédelmi zónákra kell felosztani.

  • LPZ 0A közvetlen villámcsapásnak kitett hely, pl: antenna, légvezeték. Védekezés módja a földelés direkt, vagy szikraközön keresztül.
  • LPZ 0B nincs közvetlen villámcsapás, de az elektromágneses erőtér csillapítatlanul létrejöhet, pl: földkábel. Védekezésre Varisztort használunk.
  • LPZ 1: Az a zóna, ahol a berendezések nincsenek közvetlen villámcsapásnak kitéve, de a zónán belül az áram minden vezetőszerkezetben korlátozva van a OA és a OB zónákhoz képest, továbbá az árnyékolástól függően az elektromágneses erőtér is csillapítva lehet. Védekezésre általában szupresszor diódát használunk.
  • LPZ 2 és további zónák: Amennyiben még kisebb vezetési áramot és/vagy elektromágneses erőteret lehet megengedni egy adott helyen, akkor további zónákat kell bevezetni. A velük szemben támasztott követelményeket a védendő rendszer elektromágneses környezeti jellemzői határozzák meg.

Minden egyes zónánál EPH csomópontot kell kiépíteni (később még lesz szó róla). Az egyes csomópontokat EPH gerincvezetővel kell összekötni. A zónák között legalább 4 m vezetői távolságnak kell lenni, ha ez nincs meg akkor mesterséges impedanciát kell beiktatni, hogy a működésbeli koordináció meglegyen az egyes eszközök között. Koordináció híján elsőként a szupresszor dióda szólalna meg, mert a legkisebb gyújtófeszültséggel rendelkezik, ez pedig az azonnali tönkremenetelét jelentené és nem védené meg a készüléket a villámtól.

A fentiekből látható, hogy egy korrektül működő villámvédelem kiépítéséhez célszerű kikérni a szakember tanácsait.

Gyakorlati tanácsok a felfogóra

Az antenna tartóoszlop általában megfelel villámvédelmi felfogónak, ha a keresztmetszete nagyobb, mint
acél esetén 30 mm2,
alumínium esetén 50 mm2,
réz esetén 35 mm2
és a cső falvastagsága legalább 3 mm (ezek minimum követelmények, környezeti hatások miatt, pl: agresszív maró anyaggal szennyezett légkör, akár háromszorozódhatnak is). GP antennák felfogó céljára általában nem alkalmasak, villámcsapás esetén kamikáze akciót hajtanak végre, egy részük elolvad és szerteszét fröccsen, ezért az éghető szerkezetektől legalább 50 cm-es távolságra kell tenni.

Villámcsapás ellen a GP antennát nem védjük, mert a védelem maga sokkal többe kerülne, mint az antenna. Vigyázat az antenna leföldelése nem keverendő össze az antenna villámvédelmével, ez a földelés nem más, mint az LPZ 0A zóna megteremtése, vagyis a lakást, vagy adószobát védjük azzal, hogy a villámáramoknak utat nyitunk a föld felé. Tehát a tartóoszlopra helyezett GP-t le kell földelni, ha ez közvetlenül nem lehetséges, akkor szikraköz beiktatásával kell megoldani. Szikraköz alkalmazása esetén gondoskodni kell a sztatikus töltések elvezetéséről is (pl: néhány 100 kohmos ellenállással, vagy megfelelő induktivitással a szikraközt áthidaljuk). A szikraköz nagyságát az adóteljesítménye határozza meg (üzemi feszültségen ne üssön át).

Az önálló felfogó rúd legalább 2 m hosszú legyen és teljesítse a fenti keresztmetszeti követelményeket. Egy védendő tárgyra (pl.: antennára, feltéve, hogy nem hangolja el) tehetünk felfogó csúcsot, amely 0,3 … 2 m magasan kell, hogy kiálljon és teljesítse a fenti keresztmetszeti követelményeket.

Gyakorlati tanácsok a levezetőre

Az alábbiak minimum keresztmetszeti követelmények, környezeti hatások miatt, pl: agresszív maró anyaggal szennyezett légköresetén a méretek akár háromszorozódhatnak is:

  • acélhuzal minimum 6 mm-es átmérővel,
  • acélsodrony minimum 8 mm-es átmérővel, amiből az elemi szálak legalább 1,6 mm-es átmérőjűek,
  • acélszalag minimum 10X3 mm-es,
  • acélrúd, cső, idomacél legalább 30 mm2-es keresztmetszettel és a falvastagság legalább 3 mm.
  • Alumíniumhuzal minimum 8 mm-es átmérővel.
  • alumíniumsodrony minimum 50 mm2-es keresztmetszettel, amiből az elemi szálak legalább 2,1 mm átmérőjűek,
  • alumíniumszalag minimum 20X4 mm-es.
  • Rézhuzal minimum 8 mm-es átmérővel.
  • rézsodrony minimum 35 mm2-es keresztmetszettel, amiből az elemi szálak legalább 2,1 mm átmérőjűek,
  • rézszalag minimum 10X3 mm-es.

A levezetőkbe éles törést nem szabad beletenni, valamint szűk réseken nem szabad átvinni, mert a villámáram dinamikus hatása roncsolja a levezetőt és környezetét. A levezető vízszintes vetülete ne legyen több 20 m-nél.

Éghető anyagú héjazatnál (pl: bitumenes szigetelésű lapos tető) legalább 50 cm-es távolságra kell vezetni, egyéb esetben általában 15 cm elegendő. Vezetékek, kábelek lehetőleg ne fussanak párhuzamosa a levezetővel. Veszélyes megközelítési távolság: S<=l/20, ahol l a párhuzamos vezetékszakasz hossza méterben.

1 m-en belülre keresztező vezetékkel se közelítsük meg a levezetőt.

Gyakorlati tanácsok a földelésre

A földelők keresztmetszeti követelményeit a korrózió határozza meg, kerülni kell a több elemi szálból álló földelőket.

  • Réz rúd és horganyzott acélrúd legalább 8 mm átmérőjű legyen,
  • acél korrózió védelem nélkül legalább 12 mm átmérőjű legyen.
  • Réz szalag és horganyzott szalag legalább 60 mm2-es legyen és a vastagsága minimum 3 mm.
  • korrózió ellen nem védett acélszalag legalább 100 mm2-es legyen és a vastagsága minimum 4 mm,
  • acél cső legalább 25 mm átmérőjű legyen és az előző falvastagsági követelményeket elégítse ki.
  • a földelő vezetőre (földeléstől a levezetőig) hasonló méretkövetelmények vonatkoznak.

A földelők fajtái:

  • Rúdföldelő, legalább 2 m hosszú, a faltól legalább 1m távolságra és függőlegesen legyen leszúrva.
  • szalag földelő, legalább 4 m hosszú és 0,7 m alá kel telepíteni, lehetőleg a falra merőlegesen fektetve,
  • betonalap földelő, a beton alapban legalább 0,7 m mélységben vezető folytonosságot biztosító kötésekkel ellátott vaskoszorú,
  • meg kell említeni még a lemezföldelőt, bár ma már ezt egyáltalán nem alkalmazzák.

Véleményem szerint a földelések közül a betonalap földelő a legjobb, mert egyenpotenciált hoz létre a létesítmény alatt. A földelés és a földelő vezető összekötését korrózió ellen védeni kell, bevált módszer a kátrányozás. Több földelés esetén a 20 m-en belül lévő földeléseket össze kell kötni, kivétel ez alól a nagyfeszültségű távvezetéki földelő, amelyet tilos összekötni az egyéb földelésekkel. A földelő vezető és a levezető összekötését oldhatóra kell elkészíteni, hogy az ellenőrző méréseket el lehessen végezni (van néhány speciális kivétel, mint pl: robbanásveszélyes helyek, de ez a rádióamatőr gyakorlatban nem jellemző). A földelési ellenállás biztosan megfelelő, ha az értéke nem több mint 2 ohm. Ha ennél nagyobb akkor a minimálisan megkövetelt földelési ellenállás értéke a következő képlettel számolható:

  • Egyedi földelésnél [math]R\lt =\frac{6\rho}{\sqrt{A}}[/math],
  • csoportos földelésnél [math]R\lt =\frac{3\rho}{\sqrt{A}}[/math], ahol
  • [math]\rho[/math] (ejtsd: ró)= talaj fajlagos ellenállása (ohmm),
  • A = a védett épület alapterülete (m2).

Gyakorlati tanácsok az adószoba kialakítására villámvédelmi szempontból

Mint azt már korábban tárgyaltuk, a villámhárítóval a villámáram nagy részét elvezetjük a földbe, de egy része biztosan be fog hatolni az adószobába is. Alapvetően fontos, hogy az adószobában legyen egy EPH csomópont (Egyen Potenciálú Hálózati csomópont, ami nem más, mint rövidzárban lévő csavaros vezetékkötési lehetőségek sokasága, nulla vagy védővezető elosztóként is nevezik). Ide kötjük be az összes készülék testét, az összes, épp használaton kívüli antennakábel hideg és meleg erét (pl: csatlakozókkal, vagy kapcsolókkal), a földelő vezetőt és az összes nagy kiterjedésű fémtárgyat (pl: radiátor). Ha van a lakásban erősáramú EPH csomópont, akkor ezzel is kössük össze EPH gerincvezető alkalmazásával (10mm2–es zöld/sárga rézvezető).

A rövidhullámú antennáimat és készülékeimet izosztát kapcsoló sorral kapcsolgatom. Ennél a kapcsoló sornál kötöttem be az EPH vezetéket, amely folyamatosan kapcsolatban van a koax kábelek hideg erével. A kapcsolók kikapcsolt állapotban rövidre zárják a kábeleket, bekapcsolt állapotban pedig egy közös vezetékre teszik rá a meleg eret, amely átmegy a készülékeket kapcsolgató izosztát kapcsolósorhoz. Ennek szintén az a funkciója, hogy az éppen üzemelő készüléket rákapcsolja az antennakapcsoló felöl érkező vezetékre, a többi készülék bemenetét pedig rövidzárban tartja. Ezekkel a kapcsolókkal tudom kiválasztani, hogy mely antenna és mely készülék üzemel épp, illetve kikapcsolt állapotban minden bejövő kábel és készülék bemenet egyen potenciálra van hozva. A rövidhullámú készülékeknél amatőr eszközökkel nem mérhető a beiktatott csillapítás, illetve az állóhullám arányt nem rontja. 144 MHz-en viszont ez a megoldás már nem használható, 1-ről 1,2-re rontotta le az SWR-t a beiktatott izosztát kapcsoló. UHF – VHF – SHF koax kábeleknél használhatunk koaxiális relét, vagy egyszerűen csak a koaxiális csatlakozót tesszük használat után a készülékről az EPH csomópontra.

Ha folyamatosan üzemelő adóvevő készülékünk van, akkor a koax kábel adószobába belépő pontjánál célszerű szuppresszor diódás védelmet alkalmazni. A kereskedelmi forgalomban különféle RF csatlakozókkal 400 W-os adóteljesítményig lehet kapni. Ezen eszköz köpeny csatlakozóját kell az EPH-ba bekötni.

Az adószoba elhagyásakor célszerű az erősáramú vezetékeket is átkapcsolni földpotenciálra, persze nem a bejövő oldalt :-) .

Tapasztalat

Villám.jpg

A fent leírt megoldás nagyon hatásos, 2003 júniusában volt nálam egy villámcsapás, amelynek szemtanúja is voltam. Egyik este vihar miatt nem kapcsoltam be a készüléket, nyákrajzolással voltam épp elfoglalva, amikor a villám hatalmas durranással megérkezett. Az összes bejövő koax kábelem kékes fénnyel világított egy pillanatig, aztán sötétség lett a lakásban. Az erősáramú kismegszakítók mindegyike leoldott. A TV, videó és telefon készülékek mind meghibásodtak, mert nem volt védelmük. Az adószobában a radiátor nem volt bekötve az EPH-ba, ide a kb öt cm-re lévő koax áthúzott. Az átívelés energiáját jól jelezte, hogy a radiátor éléből, ahova áthúzott a villám, kb 2mm hosszan és 1 mm mélyen kifröccsent az anyag (persze a koax köpenyből is). Az adószobában semmilyen más kár nem keletkezett. A készülékeim épek maradtak, csak én nem tudtam megmozdulni egy kis ideig az ijedtségtől. A 23 m-es rácsos vasoszlopból kinyúló 2 m hosszú kétcolos forgató cső működött felfogó gyanánt, a rajta lévő Yagi antenna nem sérült. Az oszlop mellett kb 10 cm-re lévő dipólhoz szintén volt átívelés, a 2.5 mm2-es réz szál félig elfröccsent.

Mindenkinek javaslom, hogy a villámvédelemről ne feledkezzen meg, a fentiek alapján már elkészíthető egy hatásosan működő védelem. Aki a védekezés módjáról többet és részletesebben szeretne tudni, annak javaslom, hogy olvassa el Dr, Horváth Tibor Villámvédelem felülvizsgálók, tervezők és kivitelezők kézikönyve című kiadványt. Nagyon olvasmányos és könnyen érthető.
VY 73 HA1SU

Antenna földelése

Rendkívül fontos, hogy az antennáink megfelelő módon le legyek földelve. Villámcsapás esetén a földeletlen antenna a levezető kábelen keresztül beviszi a villámot a lakásba, aminek a következményeit gondolom nem kell különösebben ecsetelni ( a földelt is beviszi, csak kisebb mértékben). De a szimmetrikus huzalantennák statikus feltöltődése sem kellemes dolog, ha rajtunk keresztül egyenlítődik ki.

Yagi és vertikális antennáknál viszonylag könnyű a helyzet. Az antenna általában galvanikusan földelt, így elég az antenna árbocot ill. tartó csövet összekötni megfelelő vastag vezetékkel a házon lévő villámvédelmi rendszerrel, illetve egyedi antennatartó esetén a külön kiépített villámvédelmi földeléssel.

Szimmetrikus ill. földfüggetlen antennák esetén pedig az lehet a megoldás, hogy a tápláló koaxiális vezeték harisnyáját kötjük össze még lehetőleg a tetőn a villámhárító rendszerrel. Erre célszerű egy vízmentes villanyszerelő dobozt használni, amelyben a koaxiális kábelt megszakítjuk, feldugózzuk és egy toldóval kötjük össze. Ezt a toldót pedig egy vastag vezetékkel összekötjük a villámhárítóval. Így a statikus töltéseket könnyedén leviszi ( mivel a szimmetrikus antennáknál kötelező jelleggel jelen lévő balun galvanikusan rövidzár ), esetleges villámcsapásnál pedig az antenna és a földelőpont között lévő kábel „halála” árán jó eséllyel megvédi a többi kábelt illetve a másik végén lévőket.

Természetesen a legjobb minőségű földelés mellett is javallt zivatar esetén hanyagolni a rádiózást és célszerű kihúzni az antenna csatlakozót a készülékből. Megéri...