Proteksi Petir atau Pentanahan pada Menara Telekomunikasi

Petir dan tegangan lebih transient adalah masalah yang banyak terjadi untuk saluran telekomunikasi. Terutama di daerah tropis dengan intensitas sambaran petir yang lebih tinggi. Menurut data, petir menyebabkan kerugian jutaan dolar pada instalasi radio selular dan telekomunikasi tiap tahun. Kerugian pada peralatan telekomunikasi di USA sendiri diperkirakan US$1 milyar per tahun, belum termasuk kerugian produktivitas dari industri dan bisnis.

Energi yang besar dari tegangan lebih transient mungkin berasal dari sambaran petir langsung ke tower-tower antena atau mungkin disalurkan pada kabel tenaga dan kabel telepon yang masuk bangunan dan fasilitas-fasilitas. Tegangan lebih transient terinduksi mungkin juga berasal dari dekat sambaran karena kopling kapasitif atau induktif.

• Arus puncak dapat melampaui 200 kA dengan bentuk gelombang 10/350 μs (I.E.C. 61024-1).
• Perubahan waktu arus naik antara 0.1 – 100 μs. 
• Surja multipulsa dialami lebih dari 70 persen kondisi sambaran langsung.
• Arus lanjutan 200-500 A selama 1-2 detik mungkin juga terjadi.

Perkiraan awal untuk kepekaan terhadap kerusakan akibat sambaran petir dapat dilihat dari jumlah “hari guruh” tiap tahun :

• Indonesia: 180-250 
• Malaysia / Brunei: 180-200
• Singapura: 160-190
• Thailand: 120-170
• Filipina: 110-150ü Vietnam: 90-140
• Hong Kong, China : 80-100
• Darwin, Australia : 80-90

Di Indonesia, salah satu menara komunikasi di Jawa Barat terbukti peka terhadap sambaran petir. Semenjak waktu konstruksinya pada Februari 1993 sampai Oktober 1995, menara diserang oleh petir di 34 kali (pada enam belas hari terpisah) dengan kerugian peralatan terparah terjadi di hari ke sembilan.

Prinsip Proteksi BTS

Tidak ada teknologi yang dapat mengatasi resiko dari sambaran petir dan transiennya dengan tingkat keamanan 100 %.

Enam prinsip perencanaan proteksi yang direkomendasikan :

1. Menangkap sambaran petir langsung pada suatu titik yang dipilih pada terminal udara yang telah dirancang sesuai dengan tujuan . 
2. Menyalurkan arus petir ke ground dengan aman melalui suatu sistem saluran konduktor ke tanah sesuai tujuan perancangan untuk mengurangi bahaya dari side-flashing.
3. Mengalirkan energi ke ground dengan meminimalkan kenaikan potensial ground melalui suatu sistem grounding impedansi rendah.
4. Menghilangkan loop-loop pentanahan dan diferensial dengan menciptakan bidang equipotensial grounding dalam kondisi transient.
5. Melindungi peralatan dari surja dan transient pada saluran daya.
6. Melindungi peralatan dari surja dan transient pada saluran telekomunikasi dan sinyal untuk mencegah kerusakan peralatan dan biaya operasional selama terjadi gangguan.

1. Menangkap Sambaran Petir

Secara umum, titik yang paling peka pada sambaran langsung adalah pada titik tertinggi pada suatu struktur. Ini mungkin menara logam atau berbagai antena yang menonjol di puncak menara yang merupakan bagian paling peka terhadap sambaran langsung. Sistem antena satelit yang besar dan peralatan kendalinya adalah jenis yang peka terhadap sambaran langsung.

Dengan menerapkan suatu terminal udara yang dirancang sesuai dengan tujuan pada puncak menara komunikasi, sambaran petir langsung dapat diarahkan ke suatu titik yang dipilih yang terletak jauh dari antena dan kabel untuk mengurangi resiko kerusakan peralatan akibat energi dan kekuatan langsung dari suatu discharge petir.

Suatu rancangan terminal udara baru – Dynasphere – memotong discharge petir pada titik yang dipilih lebih awal daripada teknik proteksi kilat konvensional. Terminal udara ini dikembangkan berdasar riset tentang formasi korona dan efek muatan ruang disekitar titik-titik yang di-ground dalam batasan waktu seperseribu detik terutama untuk pengembangan aliran petir.

Konstruksi ruang floating Dynasphere adalah pasif didekat badai, dan menghasilkan korona yang minimal. Dalam seperseribu detik, sebagai pendekatan dari datangnya petir yang lebih dahulu, menjadi aktif melalui coupling kapasitif, itu menyerap energi dan membantu memicu pemotongan discharge yang menaik untuk menangkap dan mengendalikan downleader utama. Dynasphere adalah non-radioaktif yang tidak memerlukan sumber tenaga eksternal atau baterei.

2. Menyalurkan Arus Petir ke Ground Secara Aman

Saat petir telah ditangkap di suatu titik yang dipilih, perlu untuk manyalurkan arus discharge secara aman ke ground, dan untuk meminimalkan penyaluran arus petir pada konduktor ancillary seperti kabel feeder coaxial yang dapat membawa energi petir yang berbahaya secara langsung ke rak peralatan.

3. Mendisipasi Energi ke tanah

Energi yang sangat besar dari petir dibuang petir dengan tetap menjaga agar kenaikan potensial tanah seminimal mungkin dengan menggunakan impdansi yang kecil.

4. Menghilangkan loop

Hal yang perlu diperhatikan adalah untuk menjaga casing peralatan pada referensi ground yang tetap, yang tidak menghasilkan interaksi resonansi dengan sinyal telekomunikasi itu sendiri. Oleh karena itu perlu bonding yang efektif dan menyeluruh pada semua peralatan dan system yang mengandung logam. Bonding dari berbagai casing peralatan tersebut di interkoneksikan dalam satu busbar untuk diketanahkan ke ekipotensial tunggal.

Perlengkapan untuk menyusun grounding yang ideal.

1. Setiap system grounding (petir, tenaga listrik, telekomunikasi, dll) harus secara individual dalam satu kesatuan bonding. Hal ini ditujukan untuk mengamankan pada kondisi transient.
2. Ring Interkoneksi grounding harus dipasang di sekeliling ruangan yang berisi peralatan elektronik yang sensitif. Interkoneksi meliputi tower, ground instalasi tenaga listrik, dan peralatan logam lainnya. Sistem juga harus dihubungkan dengan ground ring di garis sekeliling (seperti pagar). Hal ini akan mengurangi resiko gradien potensial di sekitar area. 
3. Proteksi untuk petir harus dengan langsung dibonding ke ground ring.
4. Ground ring harus mterbuat dari konduktor dengan ukuran tertentu dan dikubur 900mm di bawah tanah. BC-50 sepanjang 2 meter atau rod stainless stell dipasakkan di sekeliling groung ring dengan interval 3 sampai 4 meter. Untuk memastikan referensi grounding yang permanent.
5. Hanya ada satu titik tunggal untuk grounding semua peralatan
6. Sistem grounding (pengetanahan) yang efektif juga penting di mana menara diletakkan pada puncak dari atap. Beberapa kasus telah diamati di mana sebuah saluran ground tunggal dilewatkan sejauh 10-20 lantai di samping bangunan pada sebuah batang pentanahan terisolasi tunggal. Hal ini belum cukup aman.

Teknologi untuk membantu konstruksi jaringan pentanahan yang efektif atau untuk sistem grounding:
 
1. Bahan campuran khusus dapat digunakan untuk memperbaiki (memperkecil) impedansi grounding pada lokasi di mana resistivitas tanah tinggi seperti di daerah berbatu, daerah berpasir atau wilayah pegunungan dengan ukuran partikel tanah yang besar. Untuk menyesuaikan dengan kondisi lingkungan yang bervariasi, bahan yang sesuai dibutuhkan untuk menahan seperti harus tidak melepas ion konduktif ke air tanah yang tercemar atau sekeliling tanah.
 
2. Molekul eksotermik (campuran tembaga dan campuran besi-tembaga) untuk grounding dan sistem proteksi petir akan memberikan keuntungan :

• Permanent, tetap, kuat

• Resistansi rendahü Sambungan yang bebas karat

• Tidak menjadi rentan dan lemah karena usia 

5. Peralatan proteksi dari surja dan transient pada saluran tenaga

Bahkan untuk sebuah struktur yang telah disediakan dengan sebuah sistem proteksi langsung yang terintegrasi, tetap terdapat resiko-resiko yang disebabkan tegangan lebih transient yang melalui kabel eksternal.

Energi yang besar dari tegangan lebih transient dapat meningkat dari coupling kapasitif dan induktif dari sambaran petir terdekat sebagai tambahan pada switching tenaga dan dari distribusi tenaga yang tidak teratur. Clamping dan filtering yang efektif dari daya transient pada saluran saluran daya hingga fasilitas adalah penting untuk mengurangi resiko kerusakan fisik dari peralatan, kerugian operasi dan kerugian ekonomi.

Peralatan proteksi surja sederhana yang dipasang pada papan switch tidak cukup kuat untuk melindungi. Untuk melindungi peralatan yang peka, perlu untuk membatasi tegangan sisa kurang dari tingkat kekebalan internal peralatan. Untuk peralatan yang dioperasikan pada sistem 230 Vrms, kerusakan komponen mungkin dihasilkan dalam waktu sesaat dengan nilai puncak 700 V.

Beberapa pembuat charger (pengisi) baterai dan penyearah menetapkan toleransi puncak di bawah 800 V.

Beberapa peralatan yang dihubungkan secara paralel dapat memenuhi tegangan yang direkomendasikan, Rating dari kenaikan arus dapat mencapai 10 kA/microsecond dari nilai awalnya dan magnitude menjadi lebih tinggi untuk sambaran selanjutnya pada sambaran petir yang terjadi berulang kali. Nilai dI/dt dan dV/dt yang sangat tinggi dapat menginduksi tegangan tinggi yang merusak sepanjang konponen, menyebabkan kerusakan peralatan dan kegagalan.

Teknologi low pass filter (LPF) yang dirancang dengan tepat akan mengurangi tegangan puncak sisa dan mengurangi tingkat kenaikan arus dan tegangan pada peralatan. Surja Reduction Filters (SRFs) dan filter DINLINE menyediakan berbagai tingkat pelemahan surja dengan clamping dan kemudian disaring.

Tingkat proteksi yang baik ditawarkan oleh SRFs berarti meningkatkan keandalan operasional untuk peralatan elektronik dan telekomunikasi yang dihubungkan catu daya utama dari filter tegangan. Proteksi seharusnya juga dipasang pada catu daya eksternal sebagai pelindung terhadap arus dan tegangan lebih transient.

6. Peralatan proteksi dari surja dan transient pada saluran telekomunikasi

Peralatan proteksi surja coaxial (CSP = Coaxial Surge Protector) penting untuk proteksi terhadap tracking transient dari menara secara langsung ke peralatan transmisi dan telemetri melalui kabel RF. Meskipun tujuan perancangan konduktor membatasi arus petir secara luas, akan terjadi induksi ke kabel coaxial dengan sambaran ke menara atau sebagai hasil dari coupling magnetic dan kapasitif komponen saluran udara dari sambaran petir.

CSPs didasarkan pada peralatan arrester gas yang diletakkan pada blok kuningan pipih yang dikrom. Peralatan ini memiliki ketelitian mesin untuk mencocokan impedansi dengan kabel coaxial. Proteksi yang disediakan pada tingkat daya 50 W dan beroperasi pada frekuensi di atas 3GHz. Secara khusus, CSPs seharusnya secara langsung dihubungkan ground pada titik masuk dari kabel feeder ke dalam fasilitas untuk menyediakan proteksi yang maksimal. Telecommunications line protectors (TLPs) didesain untuk melindungi terminal dan interface peralatan dari gejala transient yang terbawa pada saluran transmisi