雷雨、静電気、アンテナ。スキーム、説明

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雷雨、静電気、アンテナ。無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

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雷雨活動中のアンテナとそれに接続された機器の安全な動作の問題は、アマチュア無線の文献で時々議論されてきました。それにもかかわらず、アマチュア無線局を作成するとき、短波および超短波のオペレーターはこれらの問題に最後まで注意を払い、有名なロシアの「おそらくそれが成功するだろう」と期待しているようです。しかし、これは根本的に間違っています。なぜなら...

統計によると、中央ヨーロッパでは平方キロメートルあたり年間平均 100 ～ XNUMX 回の落雷が発生しています。言い換えれば、数年ごとにアンテナから XNUMX m 以内に落雷が発生することを基本的に確信できます (南部および山岳地帯では、この確率が北部や平地よりも高くなります)。そして、そうであれば、損失を後で計算するよりも、事前に準備しておく方がはるかに賢明です。トランジスタトランシーバでは、この場合、受信機の入力回路だけでなく、通常、送信機の出力トランジスタも損失します。」飛び出します"。

雷雨を運ぶアマチュア機器の危険性は何ですか?

1. ゆっくりと蓄積される静電位と、アンテナから離れた場所 (数百メートル以上) での放電中のその急激な変化。

アンテナまたはアンテナの半分が地面から DC 絶縁されている場合 (GP または対称ダイポールなど)、雷雨の前および最中に高い静電位がアンテナに蓄積される可能性があります。

この例を考えてみましょう。高度 2 キロメートルには 1 MB (メガボルト!) の電位を持つ雷雲があり、この場合、地面の電位はゼロです。この巨大なコンデンサの静電界強度は10 kV/mです。つまり、地面から絶縁されたアンテナ、たとえば、高さ 10 m に吊り下げられたダイポールまたは LW では、約 XNUMX kV の静電位が発生します。

それが流れ落ちると、受信機内でパチパチ、ガサガサというノイズが発生します。雲が（別の雲または問題のアンテナから遠く離れた地面に）放出されると、雲の電位、したがってアンテナの電位は突然ほぼゼロに低下します。アンテナで生成される振幅 10 kV のパルスは、トランシーバーを損傷するのに十分です。

2. 地面への落雷が家からそれほど遠くない場所（条件付き、数十メートル）で発生した場合、アンテナだけでなく、電源ネットワークや接地回路にも関連した新たな危険が生じます。電界強度の急激な変化とそれに伴う近くのすべての導体の電位変化に加えて、誘導電流が発生します。電離雷チャネルの放電電流は、最初の 1 ～ 10 μs で 20 ～ 500 アンペアの値に達し、その後 200 ～ 1000 μs でゼロに低下します。これらの巨大な電流は、近くのすべてのワイヤに二次電圧を引き起こします。変圧器のようなものが形成され、一次巻線が避雷針と避雷針、二次巻線が周囲の電線になります。この変圧器の伝達係数はワイヤまでの距離に依存しますが、原理的には非常に小さくなります。しかし、ゲインが 0,001 であっても、周囲のワイヤの閉ループ (グランドループなど) の電流パルスは数百アンペアに達し、これらのループに接続されているデバイスに損傷を与える可能性があります。回路が閉じておらず、その両端間のギャップが小さい場合、回路内に誘導された電圧が数十キロボルトに達し、回路を通過する可能性があります。

例 - 全金属製のガンマ整合波チャネルが、十分に接地されたマストに設置され、マストから斜めに延びるケーブルによって給電されます。無線局の部屋では、ケーブルは追加の接地がないトランシーバーに接続されています。一見すると、それは必要ないように思えます。マストは確実に接地され、アンテナは全金属製で、ケーブル編組によって良好な接地が確保されています。しかし...落雷が近づくと、開回路の「グランド-マスト-ケーブル-トランシーバー」に電圧が誘導され、回路が壊れているエリア、つまりトランシーバーと最も近いものの間でコンセントを探します。 "地面"。その結果、220 V 供給ネットワークを介してアースに絶縁破壊が発生するか、最も近い「アース」 (たとえば、加熱パイプ) にアークが発生します。どちらのオプションもトランシーバーにとって良いことを約束しないことは明らかです。

3. そして最後に、最もまれですが最も深刻なケースは、アンテナまたはアンテナが設置されている避雷針マストへの直接落雷です。避雷針（つまり、地面への雷電流の経路）が存在する必要があるという事実から始めましょう。それが存在しない場合、数十万アンペアの放電電流が、最短と思われる経路に沿って地面に流れることになります。そして、降下ケーブルと装備がこの道に沿って合流すると、それらはほとんど残りません。

XNUMXつの例を見てみましょう。

最初の例。避雷針は別の構造として作られ、太いワイヤーで家の一般的な接地に接続されており、アンテナは避雷針よりもはるかに低い位置にあります。雷が落ちると何が起こるか見てみましょう。避雷針の接地抵抗が 2 オームであるとします (これは非常に良好な接地です)。ピーク電流が 200 万アンペア (平均値) の落雷が発生すると、接地バスとそれに接続されているすべての機器 (ネットワークの中性線を含む) に約 400 kV の電位が発生します。明らかに、家から離れた地点では、接地電位はゼロのままで、最終的に 400 kV すべてがネットワークの中性線に印加され、ヒューズが切れてしまいます。これは直撃雷による損失としては最小です。

2番目の例。全金属製のウェーブチャネルは、接地抵抗 200 オームの自立型で適切に接地されたマストに取り付けられています。降下ケーブルはマストに沿って、次に地上に沿って無線局の敷地まで伸びます。部屋には独自の高品質アースが付いています。ピーク電流 400 万アンペアの落雷時には、マストの基部の接地電位は 100 kV になり、マストの側面に向かって低下し、いわゆる「電圧漏斗」を形成します。建物周囲の接地電位はマストの根元よりも低くなります。 100kVになったとします。これらの 400 kV は、最初の例で説明したのと同じことを行いますが、それだけではありません。アンテナケーブル編組の電位は 100 kV ですが、無線局構内の接地電位は 300 kV しかありません。ケーブルには300kVの差がかかっているようです。断面積が小さいため、編組には大きな均等化電流を流すことができず、ケーブルが焼損します。それで済めば幸いですが、そうでない場合はトランシーバーも損傷します。ケーブルが（雷雨の場合のように）完全に切断されていても、室内の接地された物体からそれほど遠くない場合でも、この XNUMX kV はアーク放電によって数十センチメートルの空気を貫通する可能性があります。そのため、雷雨時にはアンテナからのケーブルをすべて完全に取り外し、十分に遠くに移動する必要があります。

避雷針の保護ゾーン（直撃雷の心配がない）は、避雷針の端に頂点を持ち、地面での半径が約 3/4 の円錐形であることに留意する必要があります。避雷針の高さのXNUMX倍。

破壊を防ぐにはどうすればよいでしょうか？前のセクションで概説した XNUMX つの理由は同様に考えられることを理解してください。

静的電位は誰もが何度も遭遇するものです。雷雨のときだけではありません。

ほぼすべての人が、平均して数年に一度、近くの落雷による誘導電流を経験することになります。

運命があなたを直撃雷から救ってくれるかもしれませんが、偶然を期待するのではなく、そのような可能性について事前に考えておく方が良いでしょう。安くなりますよ！

したがって、アンテナの設計段階で静電電位との戦いを開始する方が良いでしょう。ほとんどの場合、直流電流を介して完全にグランドに接続された設計を選択できます。グランドトラバース上のループダイポール、ループ GP、ガンマおよびオメガマッチングを備えたアンテナ、J アンテナなどです。アンテナがグランドに短絡していない場合は、この状況は、アンテナシートと接地マスト (または同軸ケーブルの編組) の間に 100 つ (不平衡アンテナの場合) と XNUMX つ (対称アンテナの場合) の XNUMX ワット XNUMX kΩ 抵抗を接続することによって大幅に改善されます。これらの抵抗は、ゆっくりと蓄積する静電気を除去する回路を作成し、放電中の受信機入力での電圧サージを最大数十ボルト（雷雲の高さと電位に応じて）まで大幅に低減します。ただし、経路がアンテナから大幅に離れた放電に限ります。

強い静電気放電が発生した場合には、アンテナパネルに自家製の避雷器を取り付けるのが合理的です。端が尖った M5 ～ M8 ボルトです。ボルトの先端は接地プレートまで 1 ～ 1,5 mm (ボルトを回転して調整可能) にする必要があります。

誘導電流の発生を防ぐには、リング状の接地バスを避け、すべてのデバイスをスター型構成で 1 つの共通接地に接続する必要があります。配線システムを注意深く分析して、広い面積の閉回路が存在するかどうかを確認し、それらを排除します。ここでの危険は、閉回路そのものではなく、閉回路に接続されているデバイスにあります。ループアンテナでは、非常に重要な電圧が誘導され、どのスパークギャップを可能な限り最小のギャップ（2 ... XNUMX mm）で電源点に設置する必要があります - 抵抗器では十分ではありません。

可能であれば、アンテナケーブルを金属パイプ内に敷設するか、地中に埋め込むことをお勧めします。

直撃雷から身を守るには、50 つの異なる問題を解決する必要があります。 2 つ目は、適切なアースを備えた高品質の避雷針を作ることです。避雷針自体とその接地線は、少なくとも XNUMX mmXNUMX の断面積を持つ材料で作られており、鋭い曲がりがあってはなりません。これによりインダクタンスが増加し、落雷のような短くて高エネルギーのパルスでは、たとえ少量のインダクタンスでも抵抗が増加します。

数千アンペアの電流で数オーム程度の誘導リアクタンスが発生すると、非常に大きな電圧が発生します。

XNUMX番目の問題は、実際には、まれなアマチュア無線家がアンテナを設置するために避雷針マストを使用する誘惑にかられないために発生します（実際、いつ雷が落ちるのですが、ここでは高いマストはアイドル状態です！）。そして、この作業は、雷放電電流の大部分が接地されたマストを通過し、アンテナを機器に供給するケーブルを最小限に通過することを保証することにあります。つまり、雷電流が地面に流れる経路を、よりはるかに小さい抵抗で舗装する必要があります。ケーブルを通して。

これを行うには、マストの上部がアンテナより 1 ～ 1,5 メートル高いことが非常に望ましいです。マストは、金属パイプまたは太い棒 (ワイヤー) で延長することができ、これにより、大気中の電気のほとんどが、必須の避雷接地を備えたマストに直接流されます。

アンテナ自体はマストにしっかりと接地する必要があります。設計上の理由によりこれができない場合は、火花ギャップを設置する必要があります。

アンテナ電源ポイントのすぐ下で、アンテナ電源ケーブルを数回巻きます。ケーブル内にまだ「飛び込む」電流の部分は、同軸チョークの誘導抵抗に遭遇します。これは、短いパルスとしてはかなり大きく、その両端に電圧降下が発生します。この電圧は避雷器のギャップを通過し、その結果として生じるアークにより、ケーブルを通るよりも障害物の少ないマストを通って地面への電流の漏洩経路が形成されます。マストの接地は、落雷時の接地電位を均等化するために、別の大きな断面積のワイヤ (少なくとも 50 mm2) で家の接地に接続する必要があります。

上記の対策はすべて、機器の電圧サージを完全に排除するものではありませんが、許容可能な非破壊的な値まで電圧サージを下げることができます。

それにもかかわらず、機器自体に追加の保護措置を講じることをお勧めします。受信機の入力に公称値 100 ～ 200 kOhm の抵抗を取り付けることをお勧めします。アンテナ接続コネクタには、最小点火電圧を備えたスパークギャップがあります (送信機の信号によってトリガーされない限り)。 P 回路回路に従って作成された制御ユニットまたはローパスフィルターがある場合、この役割は、空気 (最小限の!) ギャップを備えた出力制御ユニットによって正常に実行されます。ほとんどの産業用トランシーバーの出力にある T 字型制御システムは、この状況には適していません。放電火花がそれらを通って送信機の出力に直接「飛んで」しまいます。

アンテナからのギアボックスやスイッチを制御するための配線 (ケーブル) の回路には、バリスタ、またはできれば避雷器を取り付ける必要があります。

そして最後に、雷雨が近づいたら、すべてのアンテナケーブルを機器から完全に切り離し、後者をネットワークから完全に切り離す必要があることを覚えておいてください。

著者: I.ゴンチャレンコ

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