Una stazione radioamatoriale può contenere apparati dal valore considerevole: ricetrasmettitori, amplificatori, alimentatori, computer, modem, hotspot digitali, server, rotori d’antenna e sistemi di telecontrollo.
Tutti questi dispositivi possono essere danneggiati non soltanto dalla caduta diretta di un fulmine sull’antenna, ma anche dalle sovratensioni indotte da scariche atmosferiche avvenute nelle vicinanze.
Proteggere una postazione radioamatoriale non significa semplicemente installare uno scaricatore sul cavo coassiale. È necessario realizzare un sistema coordinato che comprenda:
- messa a terra;
- collegamenti equipotenziali;
- protezione delle linee coassiali;
- protezione dell’alimentazione elettrica;
- protezione delle linee di rete e di comando;
- corretta disposizione dei cavi;
- procedure di disconnessione preventiva.
Il riferimento internazionale per la protezione delle strutture, degli impianti, dei dispositivi elettronici e delle persone è rappresentato dalla serie IEC 62305. La parte 2 riguarda la valutazione del rischio, la parte 3 la protezione contro i danni materiali e la parte 4 le misure contro gli impulsi elettromagnetici generati dai fulmini. In Italia occorre verificare le corrispondenti edizioni CEI ed EN applicabili all’impianto.
Nessun sistema garantisce una protezione assoluta
Un principio deve essere chiarito fin dall’inizio: non esiste una soluzione economica e universale capace di rendere qualsiasi stazione completamente immune dalla fulminazione diretta.
Lo scopo di un impianto di protezione correttamente progettato è:
- ridurre la probabilità di danni;
- offrire alla corrente impulsiva un percorso controllato;
- limitare le differenze di potenziale;
- impedire, per quanto possibile, che l’energia attraversi gli apparati;
- proteggere le persone presenti nella struttura.
La protezione deve quindi essere vista come un sistema, non come la semplice installazione di un singolo componente. La IEC 62305 considera infatti l’insieme delle misure necessarie a ridurre il rischio fino a un livello tollerabile.
Fulminazione diretta e sovratensione indotta
I danni possono verificarsi principalmente in due modi.
Fulminazione diretta
Il fulmine colpisce direttamente:
- il traliccio;
- il palo;
- l’antenna;
- una struttura metallica vicina;
- la linea elettrica o telefonica collegata all’edificio.
In questo caso possono circolare correnti estremamente elevate. L’energia può propagarsi attraverso i cavi coassiali, i conduttori elettrici, le linee dati e qualsiasi collegamento metallico.
Fulminazione indiretta
Il fulmine cade a una certa distanza dalla postazione, ma il suo campo elettromagnetico induce una sovratensione nei conduttori.
Un lungo cavo coassiale, un cavo Ethernet esterno, la linea del rotore o un collegamento tra due edifici possono comportarsi come elementi in grado di raccogliere parte dell’impulso.
Per questo motivo una stazione può subire danni anche quando l’antenna non è stata colpita direttamente. Le norme sugli SPD contemplano proprio dispositivi destinati a limitare le sovratensioni transitorie e a deviare le correnti impulsive prodotte dagli effetti diretti o indiretti dei fulmini.
Le tre “terre” della stazione radioamatoriale
Nel mondo radioamatoriale si utilizza spesso il termine “terra” in modo generico. In realtà è necessario distinguere almeno tre funzioni.
Terra di protezione elettrica
È il collegamento di sicurezza previsto dall’impianto elettrico. Serve a proteggere le persone nel caso in cui un guasto porti la tensione di rete sulle parti metalliche accessibili di un apparato.
Non deve essere rimossa, interrotta o sostituita da collegamenti improvvisati.
Collegamento per la gestione delle correnti RF
Serve a ridurre tensioni e correnti radiofrequenziali indesiderate presenti sui telai, sui cavi o all’interno della stazione.
Può contribuire a limitare:
- rientri di radiofrequenza;
- disturbi audio;
- blocchi dei computer;
- malfunzionamenti delle interfacce;
- problemi di compatibilità elettromagnetica.
Sistema di protezione contro i fulmini
Deve gestire impulsi con caratteristiche completamente diverse dalle normali correnti elettriche e dalle correnti RF.
ARRL sottolinea che sicurezza elettrica, gestione della radiofrequenza e protezione dai fulmini sono funzioni differenti e non devono essere confuse. Una soluzione adeguata per una funzione non è automaticamente adeguata per le altre.
Il principio fondamentale: l’equipotenzialità
Durante una scarica atmosferica, il problema non è soltanto la tensione rispetto al terreno. Il pericolo nasce soprattutto dalla differenza di potenziale che può crearsi tra due parti dell’impianto.
Immaginiamo che il cavo coassiale sia collegato a un dispersore esterno, mentre il ricetrasmettitore e l’alimentatore siano collegati alla terra dell’impianto elettrico dell’edificio.
Durante una sovratensione i due sistemi potrebbero raggiungere potenziali molto diversi. La corrente cercherebbe quindi di riequilibrare la differenza passando attraverso:
- la radio;
- l’alimentatore;
- il computer;
- il cavo USB;
- il cavo Ethernet;
- la schermatura del coassiale.
Per questa ragione, i diversi elementi di terra non devono essere considerati sistemi indipendenti e casualmente separati. Il progetto deve prevedere il loro corretto collegamento equipotenziale secondo le norme applicabili.
Il concetto non è quello di avere “più terre”, ma di creare un sistema coordinato capace di mantenere le apparecchiature, per quanto possibile, allo stesso potenziale durante il transitorio. ARRL descrive questa funzione come essenziale per impedire che l’impulso trovi un percorso attraverso gli apparati della stazione.
Il pannello equipotenziale d’ingresso
Una delle soluzioni più efficaci consiste nel realizzare un punto comune d’ingresso delle linee, spesso chiamato:
- pannello equipotenziale;
- pannello di ingresso;
- single-point ground panel;
- SPGP.
Su questo pannello metallico vengono installati gli scaricatori delle linee che entrano nella stazione.
Il pannello dovrebbe essere collocato il più vicino possibile al punto in cui i cavi attraversano la parete dell’edificio. Da esso parte il collegamento verso il sistema di terra e di equipotenzialità.
Idealmente, attraverso questo punto dovrebbero transitare:
- cavi coassiali;
- linee dei rotori;
- cavi di comando;
- collegamenti provenienti da sensori esterni;
- eventuali linee dati metalliche;
- alimentazioni provenienti da impianti esterni.
Il collegamento verso il sistema di terra deve essere corto, diretto e realizzato con componenti adeguati. Percorsi inutilmente lunghi, anelli e curve accentuate aumentano l’impedenza del collegamento durante un impulso molto rapido. ARRL raccomanda collegamenti diretti e considera il pannello a punto singolo uno degli elementi principali della protezione di una stazione radio.
Schema concettuale della protezione
ANTENNA / TRALICCIO
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Sistema di terra
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CAVO COASSIALE -------+------ Scaricatore coassiale
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Pannello equipotenziale
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Ingresso nella stazione
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Ricetrasmettitore
RETE ELETTRICA ------ SPD nel quadro ------ Alimentazione stazione
LINEA DATI ESTERNA -- Protezione dati ------ Router / computer
Tutti i sistemi devono essere coordinati ed equipotenzializzati.Questo diagramma è soltanto concettuale. Dimensionamento, materiali, distanze e collegamenti devono essere valutati in base all’edificio e all’impianto reale.
Protezione dei cavi coassiali
Lo scaricatore coassiale deve essere installato nel punto in cui il cavo entra nell’edificio, preferibilmente direttamente sul pannello equipotenziale.
Uno scaricatore correttamente scelto deve essere compatibile con:
- frequenza di lavoro;
- potenza del trasmettitore;
- impedenza della linea;
- livello di ROS accettabile;
- connettori utilizzati;
- eventuale passaggio di tensione continua;
- sistema di telealimentazione di preamplificatori o dispositivi remoti.
Scaricatori a gas
Molti dispositivi per uso radio utilizzano un elemento a scarica di gas. Quando la tensione supera una determinata soglia, il dispositivo diventa temporaneamente conduttivo e devia parte dell’impulso verso il sistema di terra.
Il componente deve essere:
- installato su un supporto conduttivo;
- collegato correttamente al sistema equipotenziale;
- protetto dagli agenti atmosferici quando necessario;
- periodicamente controllato;
- sostituito quando presenta segni di deterioramento o dopo eventi importanti, secondo le indicazioni del produttore.
Uno scaricatore montato in serie al coassiale ma privo di un collegamento di terra corto ed efficace offre una protezione fortemente limitata.
Lo scaricatore non basta
Lo scaricatore coassiale è soltanto un elemento del sistema. Non può compensare:
- una cattiva messa a terra;
- l’assenza di equipotenzialità;
- un pannello installato lontano dall’ingresso;
- cavi dati non protetti;
- una linea elettrica priva di SPD;
- un’errata disposizione dei collegamenti.
ARRL mostra gli scaricatori coassiali installati direttamente su staffe o pannelli metallici collegati a terra, all’interno di un sistema più ampio di bonding e protezione.
Protezione dell’alimentazione elettrica
Una sovratensione può entrare nella stazione attraverso la rete elettrica anche quando l’impulso è arrivato dall’antenna.
Il passaggio potrebbe essere:
antenna → coassiale → radio → alimentatore → rete elettricaOppure, in direzione opposta:
rete elettrica → alimentatore → radio → cavo coassiale → antennaÈ quindi necessario valutare l’installazione di dispositivi SPD coordinati:
- all’origine dell’impianto;
- nel quadro elettrico;
- nelle linee che alimentano la sala radio;
- in prossimità degli apparati più sensibili, quando previsto dal progetto.
Una normale multipresa commerciale con la scritta “surge protected” non sostituisce un sistema di SPD correttamente progettato. La serie IEC 61643 stabilisce requisiti e metodi di prova per i dispositivi destinati alla protezione contro sovratensioni transitorie sulle reti elettriche e sui circuiti elettronici.
L’installazione nel quadro elettrico deve essere eseguita da personale qualificato.
Proteggere le linee Ethernet
Nelle moderne postazioni radioamatoriali il cavo Ethernet è spesso uno dei principali punti deboli.
Può collegare:
- hotspot digitali;
- Raspberry Pi;
- ponti DMR;
- sistemi MMDVM;
- computer;
- telecamere;
- router;
- switch;
- access point;
- apparati di telecontrollo.
Se il cavo esce dall’edificio o collega strutture differenti, può trasferire sovratensioni tra due punti con potenziale diverso.
Le possibili soluzioni sono:
- impiegare protezioni specifiche per Ethernet compatibili con la velocità della rete e con l’eventuale PoE;
- far transitare anche la protezione dati attraverso il pannello equipotenziale;
- utilizzare la fibra ottica tra edifici o postazioni differenti.
La fibra ottica, non contenendo un percorso elettrico metallico, permette di ottenere una separazione galvanica molto efficace. Restano però da proteggere le alimentazioni elettriche presenti alle due estremità.
Gli SPD destinati alle reti di telecomunicazione e segnalazione sono trattati dalla IEC 61643-21.
Cavi dei rotori e linee di comando
Il cavo del rotore viene spesso dimenticato, ma può contenere numerosi conduttori che collegano direttamente la struttura esterna alla sala radio.
Lo stesso vale per:
- commutatori d’antenna remoti;
- relè coassiali;
- preamplificatori;
- accordatori automatici;
- sensori meteorologici;
- sistemi di videosorveglianza;
- alimentazioni in corrente continua;
- linee seriali RS-232 o RS-485.
Ogni conduttore metallico che entra nell’edificio deve essere considerato nel progetto di protezione.
Tralicci e pali metallici
Un traliccio o un palo non deve scaricare l’energia attraverso il cavo coassiale.
La struttura deve essere collegata a un sistema di dispersione adeguatamente progettato. In installazioni complesse possono essere impiegati più dispersori interconnessi o una rete di terra.
Il termine importante è sistema: un solo picchetto aggiunto senza analizzare l’impianto esistente non costituisce automaticamente una protezione efficace. ARRL descrive infatti la terra esterna di una stazione protetta come una rete coordinata di elementi interconnessi, non come un dispersore isolato.
La progettazione deve tenere conto di:
- caratteristiche del terreno;
- geometria della struttura;
- lunghezza dei collegamenti;
- impianto di terra dell’edificio;
- presenza di altri servizi;
- rischio di tensioni di passo e di contatto;
- normativa applicabile.
La IEC 62305-3 comprende anche la protezione contro i pericoli derivanti dalle tensioni di contatto e di passo nelle vicinanze di un sistema parafulmine.
Stazione installata ai piani superiori
Una stazione collocata al secondo, terzo o quarto piano presenta difficoltà aggiuntive.
Un lungo filo che dal tavolo radio raggiunge direttamente un dispersore nel terreno può comportarsi, durante un impulso rapido, come un collegamento ad alta impedenza. Potrebbe inoltre creare percorsi non coordinati rispetto all’impianto elettrico dell’edificio.
In questi casi è ancora più importante:
- evitare collegamenti improvvisati;
- studiare un punto comune di ingresso;
- coordinarsi con l’impianto di terra condominiale;
- utilizzare protezioni sulle linee;
- rivolgersi a un tecnico competente.
Non bisogna collegare arbitrariamente la stazione a tubazioni dell’acqua, del gas, del riscaldamento o ad altri elementi metallici dell’edificio.
La disconnessione fisica delle antenne
Quando la stazione non viene utilizzata, la disconnessione fisica dei cavi rappresenta un’ulteriore misura prudenziale.
La disconnessione deve però essere eseguita correttamente.
Non è sufficiente svitare il PL-259 dalla radio e lasciare il cavo coassiale appoggiato dietro al tavolo. In caso di sovratensione, l’impulso potrebbe creare un arco verso:
- il ricetrasmettitore;
- una presa elettrica;
- il computer;
- un termosifone;
- una struttura metallica;
- una persona.
Una soluzione migliore prevede che il cavo venga:
- scollegato prima dell’arrivo del temporale;
- mantenuto lontano dagli apparati e da materiali combustibili;
- commutato o collegato a un punto esterno predisposto;
- gestito attraverso un sistema di sezionamento e messa a terra progettato.
Non si devono toccare cavi d’antenna, spine o apparecchiature collegate all’esterno mentre il temporale è già in corso. Il National Weather Service raccomanda di scollegare preventivamente gli apparecchi, ma precisa di non effettuare la disconnessione durante il temporale a causa del rischio per la persona.
Il commutatore d’antenna è sufficiente?
Un comune commutatore coassiale non deve essere automaticamente considerato un dispositivo di protezione contro i fulmini.
Alcuni modelli, nella posizione inutilizzata, collegano il centrale del connettore a massa. Altri lasciano la linea aperta. Anche quando esiste la posizione di cortocircuito, la capacità di gestire un impulso atmosferico dipende dalla costruzione, dalle distanze interne e dal collegamento del contenitore al sistema equipotenziale.
Il commutatore può far parte della strategia, ma non sostituisce:
- gli scaricatori;
- il pannello d’ingresso;
- il bonding;
- gli SPD di rete;
- una corretta terra esterna.
Quando la stazione non è in uso, ARRL suggerisce anche di commutare il ricetrasmettitore verso un carico fittizio adeguato, all’interno di un sistema di protezione correttamente realizzato.
Errori frequenti
Installare un picchetto separato solo per la radio
Un dispersore indipendente e non coordinato con la terra dell’edificio può creare pericolose differenze di potenziale.
Collegare lo scaricatore con un filo lungo e sottile
Durante un impulso rapido, un collegamento lungo può presentare un’impedenza significativa anche quando la sua resistenza misurata in corrente continua appare bassa.
Proteggere soltanto il cavo coassiale
La sovratensione può entrare dalla rete elettrica, dal cavo Ethernet, dal rotore o da una linea di comando.
Installare lo scaricatore vicino alla radio
Lo scaricatore dovrebbe intercettare l’impulso prima che il cavo entri e percorra l’interno dell’edificio.
Utilizzare le tubazioni come terra
Le tubazioni non devono essere impiegate come sostituto improvvisato di un sistema di terra progettato.
Scollegare l’antenna durante il temporale
Le operazioni devono essere completate prima che il temporale raggiunga la zona.
Credere che una ciabatta protegga tutta la stazione
Una multipresa protetta può rappresentare soltanto l’ultimo elemento di una protezione coordinata. Non sostituisce gli SPD installati nell’impianto.
Controlli e manutenzione
Un sistema di protezione non può essere installato e dimenticato.
Periodicamente occorre verificare:
- serraggio dei collegamenti;
- corrosione;
- continuità dei conduttori;
- stato dei connettori;
- infiltrazioni d’acqua;
- condizioni degli scaricatori;
- indicatori degli SPD;
- integrità del pannello equipotenziale;
- eventuali modifiche introdotte nell’impianto;
- danni successivi a temporali particolarmente intensi.
La IEC 62305-4 comprende progettazione, installazione, ispezione, manutenzione e prova delle misure di protezione contro gli impulsi elettromagnetici dei fulmini.
Lista di controllo per la stazione
Prima della stagione temporalesca è utile verificare che:
- il palo o il traliccio siano collegati al sistema di protezione previsto;
- i dispersori siano correttamente interconnessi;
- esista un pannello equipotenziale all’ingresso dei cavi;
- ogni linea coassiale disponga di uno scaricatore adeguato;
- gli scaricatori siano compatibili con frequenza, potenza e telealimentazione;
- le linee Ethernet esterne siano protette o sostituite da fibra;
- i cavi dei rotori e dei comandi siano considerati;
- l’impianto elettrico disponga degli SPD previsti dal progetto;
- radio, alimentatori e computer siano correttamente equipotenzializzati;
- sia disponibile una procedura semplice per disconnettere la stazione;
- nessuno debba toccare cavi o connettori durante il temporale;
- l’impianto sia stato verificato da un professionista competente.
Sicurezza nelle postazioni remote
Una postazione radioamatoriale remota può rimanere collegata alle antenne per tutto l’anno. Non è quindi possibile affidarsi alla sola disconnessione manuale.
In questi casi è opportuno prevedere fin dalla progettazione:
- un pannello equipotenziale esterno;
- scaricatori su tutte le linee coassiali;
- SPD sull’alimentazione;
- protezioni sulle linee di comando;
- collegamenti dati in fibra ottica;
- commutatori coassiali normalmente collegati a terra;
- controlli periodici;
- sensori per rilevare guasti agli alimentatori e agli apparati;
- ricambi per i dispositivi maggiormente esposti.
I collegamenti Internet realizzati mediante ponti radio o fibra possono ridurre il numero di conduttori metallici provenienti dall’esterno.
Per postazioni strategiche, come ripetitori DMR, nodi della Rete D2ALP o infrastrutture destinate alle comunicazioni di emergenza, la protezione deve essere considerata parte integrante del progetto e non un accessorio da aggiungere successivamente.
Conclusioni
La protezione di una stazione radioamatoriale dai fulmini richiede un approccio coordinato.
I punti principali sono:
- realizzare una corretta equipotenzialità;
- predisporre un punto comune d’ingresso;
- installare scaricatori coassiali adeguati;
- proteggere la rete elettrica con SPD coordinati;
- non dimenticare Ethernet, rotori e linee di comando;
- disconnettere preventivamente gli apparati quando possibile;
- controllare periodicamente l’impianto;
- affidare progettazione e lavori elettrici a professionisti qualificati.
Una buona protezione non serve soltanto a salvare il ricetrasmettitore. Deve prima di tutto ridurre il rischio per le persone e per l’edificio.
Avvertenza
Questo articolo ha finalità divulgative e non sostituisce la valutazione del rischio, il progetto o la verifica effettuati da un tecnico qualificato. Gli impianti di terra, gli SPD, i sistemi parafulmine e i collegamenti equipotenziali devono essere realizzati nel rispetto delle norme CEI applicabili e della legislazione vigente. Il CEI pubblica le norme tecniche utilizzate come riferimento per la realizzazione degli impianti elettrici secondo la regola dell’arte.