Aseman ylijännitesuojaus ja kaapelointi

Taustaa

Ukkossuojauksen tarkoitus on ohjata salaman virta hallitusti muuta kautta kuin laitteiden läpi ja siten pitää laitteiden väliset potentiaalierot pienenä.

Suuri osa salaman virrasta näkyy katolta tulevissa kaapeleissa yhteismuotoisena komponenttina eli virtana, joka kulkee kaikissa johtimissa samaan suuntaan. Tämä virta haluaa jatkaa matkaansa muihin asemaan kytkettyihin kaapeleihin, kuten sähköverkkoon, tietoliikennekaapeleihin ja maadoitukseen. Vaikka maadoitus olisi kuinka hyvin tehty, osa virrasta jakautuu väistämättä silti silti myös sähköverkkoon, joten tällekin virralle on tarjottava reitti jostain muualta kuin laitteiden läpi.

Hallittu reitti virralle luodaan tuomalla kaikki asemalle tulevat kaapelit aseman maadoituskiskon (myös potentiaalintasauskisko) kautta. Maadoituskiskossa kaapelit on sidottu sähköisesti toisiinsa, jolloin suurin osa virrasta kulkee sen kautta. Koaksiaalikaapelien ja muiden suojattujen kaapelien vaipat kytketään suoraan tähän kiskoon. Muut johtimet kytketään kiskoon ylijännitesuojan, kuten purkausputken tai varistorin, kautta. Ylijännitesuoja myös rajoittaa eromuotoisen jännitteen johtimien välillä.

Kiskon induktanssin ja resistanssin takia se ei ole täydellinen, joten kaapeleiden välille jää siitä huolimatta jonkin verran potentiaalieroa. Induktanssit minimoidaan tekemällä kiskosta leveä ja välttämällä pitkiä johtoja kiskon ja ylijännitesuojien välillä.

Sähköverkon ylijännitesuojat

Jos salama iskee, aseman maadoituskiskon potentiaali nousee suhteessa talon sähköverkkoon. Sähköverkon ylijännitesuojan tarkoitus on rajoittaa jännite sähköverkon ja aseman maapotentiaalin välillä sekä tarjota hallittu reitti sähköverkkoon päätyvälle salaman virralle.

Kesäleirillä 2019 käydyssä keskustelussa Vili OH5GE suositteli tähän tarkoitukseen keskitason suojaa kytkettynä aseman maadoituskiskoon.

Lisäksi hienosuojia voidaan käyttää laitteiden lähellä esimerkiksi jatkojohdon päässä. Näin saadaan toteutettua monivaiheinen suojaus, joka kunnolla toimiakseen vaatii jonkin verran kaapelia eri tason suojien välissä.

Katolle menee verkkosähköä pistorasioille ja verkkosähköä vastaavia jännitteitä ison maston rotaattorin moottorille. Näiden suojamaat kytketään maadoituskiskoon, ja kaapeli jatkaa maadoituskiskolta sähkökeskukselle tai taajuusmuuttajakaapille.

Antennikaapelien ylijännitesuojat

Antennikaapelien ensimmäisenä suojaustasona käytetään tyypillisesti purkausputkia, koska niiden kapasitanssi on pieni ja ne kestävät suuria huippuvirtoja. Purkausputkisuojia on saatavilla kaupallisesti ja kerholla on jo muutamia varastossa.

Yhdellä VHF- tai UHF-bandilla käytettävissä kaapeleissa voidaan käyttää lisäksi neljännesaallon oikosuljettua stubia, jos kaapelista ei tarvitse saada tasavirtaa läpi. Suurin osa salamaniskun energiasta on matalammilla taajuuksilla (<1 MHz), joten stubi toimii kaistanpäästösuodattimena, joka vaimentaa näitä matalia taajuuksia oikosulkemalla ne maahan.

Hienosuojia laitteiden lähellä tai laitteiden sisällä käytetään tapauskohtaisesti, jos sille nähdään tarvetta. Tällainen voi olla esimerkiksi kaistanpäästösuodattimen takana oleva PIN-diodilimitteri. Radioissa saattaa olla jonkinlainen suoja jo valmiiksi sisällä.

Ohjaus- ja DC-linjojen ylijännitesuojat

Mastoon menee johtoja muun muassa antennin kääntölaitteille, vahvistimille ja mastovalolle. Näissä käytetään purkausputkilla, varistoreilla ja/tai TVS-diodeilla toteutettuja suojia. Teetetään maadoituskiskoon ruuvattavia piirilevyjä, joissa on rivissä ruuviterminaaleja ja suojauskomponentteja.

Ethernet-kaapelien ylijännitesuojat

Nettiyhteys kerholle tulee kuidulla, jonka kanssa suojausta ei tarvitse miettiä.

Jos katolle viedään nettiä, pyritään käyttämään suojattua CAT-kaapelia, jonka suoja kytketään maadoituskiskoon. CAT-kaapeliin on saatavilla TVS-diodeilla ja/tai purkausputkilla toteutettuja ylijännitesuojia. Näitäkin suojia voidaan haluttaessa rakentaa itse. Esimerkiksi jossain netistä löytyneessä suojassa näyttää olevan suojana ainoastaan purkausputket (ja ilmeisesti sulakkeet).

Maadoitus

Erityisen matalainduktanssinen kytkentä maapalloon ei ylimmässä kerroksessa ole mahdollista, joten maadoituskiskon ja siten kaiken asemakaluston potentiaali nousee väistämättä suhteessa alhaalla olevaan maahan. Maadoituksen tarkoitus on kuitenkin tarjota hallittu reitti suurimmalle osalle salaman virrasta.

Maadoitus tehdään kytkemällä maston juurelle tuotu maajohto maadoituskiskoon.

Muuta

Potentiaalintasausta ei tehdä ainoastaan epätodennäköistä ja harvinaista salamaniskua varten. Se auttaa myös hallitsemaan yhteismuotosia RF-virtoja, mikä voi tarkoittaa pienempiä kohinoita HF:llä ja vähemmän "RF in the shack" -tyyppisiä ongelmia. Tämän kannalta voisi jopa harkita jonkinlaista yhteismuotokuristinta sähköverkossa, jotta sieltä saapuvat RF-häiriöjännitteet aseman maassa saadaan minimoitua.

Toteutus

Konehuoneeseen tuleva rakenne

Suurin osa ylijännitesuojista kiinnitetään 19" räkin peitelevyihin, jotka kiinnitetään kehikkoon, jonka kautta ne kytkeytyvät sähköisesti toisiinsa. Täten rakenne saadaan pilkottua pienempiin osiin, jolloin sitä on helpompi muokata ja laajentaa myöhemmin. Peitelevyihin ja kehikkoon kiinnitetään kuparilevyä resistanssin pienentämiseksi.

Verkkojännitteeseen tulevat suojat laitetaan muovikotelon sisään.

Kaapeliläpivienti koaksiaaleille

Seinän läpi viedään 24 kpl LMR-400-tyyppistä kaapelia. Kaapelit kytketään konehuoneen puolella kolmeen 1U levyyn, joista kuhunkin tulee 8 ylijännitesuojaa. Levyjen väliin jätetään 4U tyhjää.

Konehuoneen ylimmästä paneelista ylämontun ylimpään paneeliin riittää 2.0 m kaapelia (alimpaan tarvittaisi 2.05 m). Konehuoneen keskimmäisestä tulee 1.8 m ja alimmasta 1.6 m. Havainnollistava piirros:

Kerhotilan kaapelointi kouruissa

Katso myös Sähköremppa#Juha_EAN_v2.5_.2806-09.2F2020.29

Kerhotilassa on kaapeleita seuraavilla väleillä tämän verran:

• Radiopöytä - palvelinräkki
  • 2 kpl 12-parinen JAMAK
  • 2 kpl paksu koksi (yhtä pitkät) (TBD)
  • 8 kpl ohut koksi RG-58, numerot 1-8 (yhtä pitkiä) (2 varattu kellonjakelulle)
• Radiopöytä - säätöpöytä
  • 1 kpl 12-parinen JAMAK
  • 6 kpl ohut koksi, numerot 9-14 (yhtä pitkiä)
• Palvelinräkki - säätöpöytä
  • 1 kpl 12-parinen JAMAK
  • 4 kpl ohut koksi, numerot 15-20 (yhtä pitkiä) (2 varattu kellonjakelulle)
• Säätöpöytä - sohva
  • 4 kpl ohut koksi, numerot 21-24 (yhtä pitkiä)

JAMAK-kaapelit tuodaan kourussa DB25-liittimiin tämän kuvan pinoutin mukaan (toinen vastaava kuva). JAMAK-kaapelin uloin suoja kytketään pinniin 13. Liittimen runko on kiinni kourussa.

JAMAKissa on 12 paria, joista 8 menee aina yhteen liittimeen (ylempi, 1) ja loput 4 toiseen (alempi, 2). Alemman liittimen loput pinnit jätetään kytkemättä. Uloin suoja tuodaan molempien liittimien pinniin 13.

- Kellon jakelu huomioitava (10 MHz & 1 PPS) - RG58 BNC-liittimet paneeliasennettava: https://www.tme.eu/fi/en/details/bnc-210/bnc-connectors/ - LMR400 N-liittimet paneeliasennettava: https://www.mouser.fi/ProductDetail/Amphenol-RF/172314/?qs=ZSAEa%2FMl32yojCl1kwXTaA%3D%3D

Kaapelivaihtoehtoja, muut kuin koaksiaalit

Mastoon, seinänläpivientiin ja kouruihin tarvitaan DC- ja signaalikaapeleita, joissa saattaa mennä muutaman ampeerin DC-virtoja. Kaapelit saisivat mielellään olla suojattuna. Monen johtimen kaapelivaihtoehtoja on:

• JAMAK
  • Hyvä: Suojattua, parikierrettyä, kestää UV:ta, parikohtaisten suojien lisäksi myös erillinen koko kaapelin suoja
  • Huono: 1-säikeistä, mikä on ongelma pyörivässä mastossa
• Violetti AES/EBU
  • Hyvä: Suojattua, parikierrettyä, monisäikeistä
  • Huono: Ei kestä UV:ta, joten ei sovi ulos. Parempi myyntitavarana.
• Sääaseman vanha kaapeli
  • Hyvä: Suojattua, monisäikeistä, kestää UV:ta
  • Huono: Ei riitä kaikkeen. Kaikki johdot saman suojan sisällä ja ei kierrettyjä
• Harmaa AES/EBU (Digistar-FRNC)
  • Hyvä: Suojattua, parikierrettyä, monisäikeistä, kestää UV:ta (paremmin kuin violetti)
  • Huono: Hukassa, ei tietoa riittääkö
• Gotham GAC-19
  • Hyvä: suojattua, parikierrettyä, monisäikeistä, todella taipuisaa (sopii mastoon)
  • Huono: ?
  • Tarkistettava: ulkokuoren materiaali - kestääkö UV:ta?
• CAT
  • Hyvä: suojattua (jos löytyy), parikierrettyä, monisäikeistä (jos löytyy)
  • Huono: ohuemmat johtimet kuin ylläolevissa. Kaikki parit saman suojan sisällä

Johtopäätös: Näistä harmaa AES/EBU sopii parhaiten pyörivään mastoon. JAMAK sopii ei-pyöriviin kaapeleihin ulkona. Kouruissa ja seinänläpiviennissä käytetään mieluiten JAMAKia, jota on paljon.

Täten sääasema voidaan myös vetää JAMAKilla, jolloin sääaseman vanha parempi kaapeli jää vapaaksi muuhun käyttöön, esim. pyörivään mastoon.

Lisäksi löytyy jotain ohuempia 1 ja 2 suojatun parin kaapeleita.

Kysymyksiä: tarvitaanko suuremmille DC-virroille jotain paksumpaa suojattua kaapelia, vai kytketäänkö vain riittävän monta paria ylläolevista rinnan?

Muut kaapeliläpiviennit

Katolla ja mastossa olevien laitteiden sähkönsyötöt, rotaattorien ohjauslinjat, sääaseman RS232-linjat ja muut vastaavat viedään JAMAK-kaapelilla seinän läpi.

Patch-paneeliin laitetaan DE9-urosliittimiä. Kuhunkin liittimeen tuodaan 4 JAMAK-kaapelin paria. Pinnijärjestys kerhotilan puolella:

• 1: Ekan parin +
• 2: Ekan parin -
• 3: Tokan parin +
• 4: Tokan parin -
• 5: Kaikkien 4 parin (parikohtaiset) suojat
• 6: Kolmannen parin +
• 7: Kolmannen parin -
• 8: Neljännen parin +
• 9: Neljännen parin -
• Liittimen runko: kontakti patch-paneeliin, kaapelin uloin suoja (kytketty toisiinsa). (Voidaan myös kytkeä yhteen pinnin 5 kanssa etenkin, jos kaapelissa ei ole erillistä ulointa suojaa.)

Konehuoneen puolella JAMAK-kaapelien sekä parikohtaiset että uloimmat suojat kytketään potentiaalintasaukseen joko ylijännitesuojakorttien ruuviliittimien kautta tai heti korttien takana olevan paneelin kautta.

(Pohdintaa ajalta, kun ei muistettu, että JAMAKissa on erillinen uloin suoja: Pääasiassa kaapelien suojat kytketään patch-paneeliin kytkemällä DE9-liittimen runko ja pinni 5 yhteen. Tämä minimoi kerhotilan puolelle jäävät maapotentiaalierot. Harkinnan mukaan nämä voidaan erityisissä tapauksissa jättää erilleen, jos liittimen takana oleva laite on erotettu muualta maasta ja maakontakti erityisesti halutaan tehdä ainoastaan ylijännitesuojakortin kohdalta.)

Parvekemaston rotaattorin pinout (hahmotelma)

• 3,8: Moottorin "+" (2 rinnan)
• 4,9: Moottorin "-" (2 rinnan)
• 1: Potikan yläpää
• 6: Potikan liuku
• 2,7: Potikan alapää

Sääaseman pinout

TBD

WXT520

Ison maston rotaattorin ohjaimen pinout

TBD

Tämä menee tamukaapille, joka on jo ylijännitesuojien takana, joten tätä ei välttämättä viedä ylijännitesuojakortin kautta. Kaapeloinnin selkeyttämiseksi tämä voisi mennä eri kaapelissa kuin ylijännitesuojapaneeliin menevät parit.

Mastovalon (ja ehkä mastokameran?) suoja

Liitin A1-4

• 1,6: Mastokameran +?
• 2,7: Mastokameran -?
• 3,8: Mastovalon + eli parit 2 ja 4 rinnan
• 4,9: Mastovalon - eli parit 2 ja 4 rinnan

Mastovalon suoja on nyt osittain asennettu (21.7.2022). Asennus jäi kesken, koska en löytänyt kerholta sopivia DE9-naarasliittimiä. Lisäksi pari 4 näyttää olevan katki. Vika saattaa olla suojakortin juotoksissa.

Suojakortilla on toistaiseksi pelkät purkausputket maihin ja TVS 3.0SMCJ33A parin yli. Välissä ei ole sarjakelaa. Sen voi lisätä myöhemmin.

Kytkentä ilmeisesti haluttiin pitää DC:llä kokonaan kelluvana (toistaiseksi?), joten TVS:ää maihin ei ole.

Parit 2 ja 4 on kytketty rinnan suojakortilla. Jokainen pari menee omiin liittimiinsä, koska kahden parin tunkeminen samaan liittimeen vaikutti epäluotettavalta. Näin kytkennät myös pysyvät toivottavasti selkeämpinä.

Releet, antennivahvistimet

Näitä ei aluksi laiteta mastoon, mutta varataan näille paikat.

Savupiippumaston rotaattori (liitin varalle)

Varataan tällekin paikka.

Maadoitusjohdotus

Kerholta löytyy 25 mm^2 ja 35 mm^2 maadotusjohtoja.

Maadoitus alhaalta tulee ison maston juurelle (25 mm^2), josta se tuodaan maadoituskiskolle. Toinen maajohdin tulee sähköverkon kaapelia pitkin. Nämä yhdistyvät potentiaalintasauskiskossa, joten tässä "maaluupissa" kulkevat virrat eivät juurikaan näy ylämontun laitteistossa.

Maadoituskiskosta viedään johto molempien mastojen maadoitukseen.

TODO

• Tämän sivun sisältö paisuu ja pitäis ehkä järjestellä uudestaan