В 1960-е годы крыши домов в больших городах покрывал лес телевизионных антенн. С появлением кабельного телевидения они исчезли, зато над некоторыми многоэтажными зданиями появились антенны мобильной связи. Возвышаясь над крышей на 10–15 м, они представляют немалое беспокойство для владельца здания, особенно если в нем размещена силовая подстанция, снабжающая электроэнергией жильцов или работников офисных центров. Я не буду касаться норм на высокочастотное электромагнитное излучение – для этого есть свои специалисты, а затрону только возможное изменение грозовой обстановки над домом после установки антенны.

Совершенно очевидно, что, увеличивая суммарную высоту сооружения, антенна повышает частоту разрядов молнии в него. Вопрос о влиянии высоты хорошо изучен и доступен элементарным оценкам. Достаточно построить площадь стягивания молний для собственно здания и для установленной на нем антенны, а затем вычислить площадь, ограниченную внешней огибающей границей общей зоны стягивания. Легко убедиться, что эффект от установки антенны проявится в наибольшей степени при незначительной площади кровли здания. Как максимум число ударов молнии может вырасти в раз.

Здесь и – соответственно высоты здания и собственно антенны. Если, например, высота антенны равна 10 м, то ее установка на крыше 10-этажного здания увеличит частоту поражения молниями не больше, чем в 1,8 раза, а на крыше 20-этажного в 1,4 раза. Эффект не столь уж принципиальный, тем более, что в черте сплошной городской застройки он проявится еще в меньшей степени из-за экранирующего эффекта соседних сооружений.

Тем не менее, от владельца антенны требуют специальных мероприятий по устранению последствий возможного воздействия тока молнии на электрическое и электронное оборудование здания. Целесообразно оценить перспективность их использования, начав с оценки эффективности изолированной молниезащиты. Изолированный молниеприемник можно установить непосредственно на антенной опоре, подняв его на требуемое расстояние над излучающими элементами. Естественно, что изоляция молниеприемника должна выдерживать полную величину импульсного напряжения, инициированного током молнии, а для транспортировки тока молнии к земле следует применить изолированный токоотвод. Если расстояние между жилой токоотвода и внешними металлическими конструкциями равно d, а ток молнии характеризуется максимальной крутизной AI, то напряжение на изоляции токоотвода длиной l может быть приближенно оценено как

где магнитная проницаемость вакуума, а r0 – радиус токонесущей жилы токоотвода.

Приравнивая величину ЭДС магнитной индукции к предельно допустимому напряжению перекрытия изоляции токоотвода , можно найти его предельно возможную длину

К сожалению, электрическая прочность при поверхностном перекрытии изоляции токоотвода не слишком велика. В лучших образцах для ее повышения используют принудительное выравнивание электрического поля по длине токоотвода с помощью полупроводящего покрытия на внешней изоляционной поверхности. Именно так устроен специальный изолированный токоотвод HVI фирмы DEHN + SOHNE. Его допустимая длина в практически значимых условиях при использовании одного токоотвода от молниеприемника приближается к 18 м. Такой длины, безусловно достаточно, чтобы обеспечить защиту самой антенны изолированным молниеотводом, но увести ток молнии из конструктивных элементов здания, тем более, из его заземлителя, вряд ли удастся.

Таким образом, перед проектантом возникают две почти независимые задачи. С одной стороны, надо обеспечить защиту от атмосферного электричества дорогостоящих блоков мобильной связи, а с другой – гарантировать владельцу здания надежное функционирование в грозовой обстановке силового оборудования размещенной там подстанции.

Последняя задача решается достаточно просто, если ориентироваться на современные комбинированные УЗИП класса I+II. Их отличает большая пропускная способность по импульсному току молнии 10/350 мкс и вместе с тем относительно невысокое остаточное напряжение, безопасное для силового оборудования подстанции. Без сомнения подойдет, например, УЗИП класса I+II DEHNventil. Построенный на искровом разряднике, он отличается эффективным автоматическим гашением дуги сопровождающего тока и потому гарантирует бесперебойное электроснабжение оборудования в здании.

Ситуация с антенной более сложная. Для повышения эффективности работы ее высокочастотные блоки предпочитают размещать непосредственно у излучателей, куда по экранированному кабелю поставляется постоянное напряжение питания 48 В. Все это требует надежной защиты. Не стоит дополнительно нервировать владельца здания установкой на крыше отдельно стоящего молниеотвода.

Молниеприемник придется размещать непосредственно на опоре антенны. Здесь все преимущества у изолированной системы, которая не допустит распространения тока молнии непосредственно по антенне и подключенному к ней оборудованию. Расчет зоны защиты стержневого молниеприемника должен производиться по эмпирическим формулам Инструкции по молниезащите СО-153-34.21.122-2003, исходя из надежности, заданной заказчиком (скорее всего, подойдут зоны защиты с надежностью 0,99). Изолированный токоотвод должен донести ток молнии до первого уровня шин уравнивания потенциалов. Как правило, их роль выполнит молниезащитная сетка, уложенная на кровле здания. Токоотвод HVI DEHN + SOHNE успешно справится с такой задачей.

Оптоволоконная линия, поставляющая высокочастотный сигнал к выносным антенным блокам, в молниезащите не нуждается. Защищать придется только кабель постоянного тока на 48 В до выносного кабельного шкафа, что размещен непосредственно на антенне, и кабели питания от шкафа до высокочастотных блоков. По сути дела здесь пригодны УЗИП второго класса, если они, конечно, предназначены для сети постоянного тока 48 В. Фирма DEHN + SOHNE выполнила специальную разработку для этой цели, создав защитное устройство DEHNguard. Его установка на выходе источника 48 В в базовой станции (обычно размещена внутри здания) и в выносном шкафу на антенне решает все проблемы.

Правда, есть одна оговорка. Проект молниезащиты антенных систем мобильной связи скорее всего будет разрабатываться как типовой. В металле он должен быть воспроизведен десятки, если не сотни раз. Это заставляет перестраховаться. Монтаж изолированной молниезащиты требует высокой квалификации. При выполнении массовых работ не исключены ошибки. Они могут привести к прорыву тока молнии на дорогостоящие элементы антенны. Вот почему был подготовлен более совершенный УЗИП класса I DEHNsecure, специально рассчитанный на защиту цепей постоянного тока 48 В.

Каждый разрядник способен пропустить импульс тока 10/350 мкс амплитудой до 25 кА, сохранив остаточное напряжение на уровне 1,5 кВ. В большинстве случаев этим можно ограничиться, потому что выносное оборудование мобильной связи обычно укомплектовывается заводом-изготовителем встроенным УЗИП класса II. Дополнительная постановка УЗИП нужна лишь в исключительных случаях. Естественно, что применение УЗИП класса I DEHNsecure решает и проблему молниезащиты при помощи молниеотводов традиционного исполнения, где молниеприемник непосредственно крепится к металлоконструкциям опоры антенны.

В заключение приходится еще раз обратить внимание на проблему надежности. Для устройств мобильной связи ее значимость не нуждается в доказательствах. Современный УЗИП никак нельзя считать простым техническим устройством. Даже небольшое их число в электрической цепи может негативно сказаться на ее работе, если надежность защитного устройства соизмерима или меньше надежности совокупности тех агрегатов, что подлежат защите. Рекламируя свои УЗИП класса I на основе варисторов, некоторые производители пытаются оправдать их не слишком высокую устойчивость к импульсным токам молнии вводом в электрическую цепь таких дополнительных элементов, как плавкие предохранители или автоматические выключатели. Они размыкают цепь тока при повреждениях УЗИП и на какое-то время оставляют ее в работе, правда, без защиты от грозовых перенапряжений. Решение такого рода вряд ли можно считать конструктивным. Во-первых, вводом дополнительных элементов усложняется структура электрической цепи, что само по себе негативно сказывается на ее надежности, а во вторых – тем самым разработчик оставляет без защиты дорогостоящее оборудование при ударе многокомпонентной молнии.

Стоит разобраться в следующей вполне вероятной ситуации. По последним данным СИГРЭ (Working Group C4.407 2013 г) не менее 80% отрицательных молний является многокомпонентными, причем примерно у 50% из них траектории большинства компонентов совпадают. Это значит, что их ток потечет через ту же точку, что и ток первого компонента. Полная длительность временного интервала между первым и последним из компонентов может достигать 1 с. За столь значительный промежуток времени успеет сработать любой из аварийных выключателей, предусмотренных в цепи вышедшего из строя УЗИП. Если такое произойдет под действием тока первого компонента, электрическая цепь останется без защиты при воздействии импульсных токов всех последующих компонентов. Конечно, при хорошей организации службы контроля поврежденный УЗИП будет обнаружен и заменен, но уже постфактум. У оборудования с поврежденными УЗИП скорее всего не останется никаких шансов. Риск слишком серьезен, когда речь идет о таких дорогостоящих объектах, как антенные системы мобильной связи. Остается еще раз убедиться в справедливости старой русской поговорки «Скупой платит дважды».