Guía completa para dispositivos de protección contra sobretensiones para alumbrado público LED

Impulsado por la conservación global de la energía, la reducción de emisiones y el desarrollo de una ciudad inteligente, las luces de las calles LED se han convertido en la opción convencional para las carreteras urbanas, los parques industriales, las carreteras y la iluminación de infraestructura pública. En comparación con las lámparas de sodio de alta presión tradicionales y las lámparas de halogenuro metálico, las luces de calle LED ofrecen ventajas significativas en eficiencia energética, vida útil y control inteligente de la luz. Sin embargo, en aplicaciones de ingeniería prácticas, un riesgo muy subestimado pero altamente destructivo continúa socavando la estabilidad de los sistemas de luces de calle LED: las sobretensiones eléctricas y las sobretensiones.

Numerosos casos de ingeniería demuestran que las fallas tempranas en las luces de las calles LED no son causadas por los propios chips LED, sino por los impactos de sobretensión en los sistemas de control de entrada o de potencia. En consecuencia, los dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) han evolucionado de “configuraciones opcionales” a “componentes técnicos obligatorios”.

Este artículo analiza sistemáticamente los principios de trabajo, los criterios de selección, los estándares de instalación y el valor económico de SPD para luces de calle LED Desde una perspectiva de práctica de ingeniería, proporcionando una guía técnica integral para proyectos de iluminación.

¿Por qué las luces de calle LED deben estar equipadas con dispositivos de protección contra sobretensiones?

Los sistemas de alumbrado público LED consisten en módulos de fuentes de luz LED, controladores y unidades de control, con componentes centrales que dependen en gran medida de dispositivos semiconductores. En comparación con las fuentes de luz inductivas como las lámparas tradicionales de sodio de alta presión, las luces de calle LED emplean fuentes de alimentación de conmutación de alta frecuencia y de bajo voltaje. Esta estructura reduce significativamente su tolerancia a sobretensiones transitorias y picos de voltaje, lo que requiere capacidades efectivas de protección contra sobretensiones.

Desde una perspectiva ambiental, las luces de las calles LED funcionan continuamente en entornos eléctricos al aire libre muy expuestos. La iluminación de carreteras municipales generalmente se basa en líneas eléctricas de larga distancia o de larga distancia, que se extienden a cientos de metros o más, desde gabinetes de distribución hasta postes de luz. En regiones con actividad de rayos frecuentes, estos sistemas son altamente susceptibles a la energía de rayos inducida. Incluso sin un golpe directo, los intensos campos electromagnéticos pueden generar altos voltajes transitorios dentro de las líneas eléctricas, que luego se propagan a lo largo de las líneas hacia las luminarias.

Además, la altura y la estructura metálica de los postes de farola los hacen propensos al acoplamiento de energía con sistemas de puesta a tierra durante las tormentas eléctricas, colocándolos a la vanguardia de los impactos de sobretensión. Además, los sistemas de iluminación vial suelen emplear un control centralizado, donde numerosas luces se encienden/apagan sincrónicamente al atardecer y al amanecer. Esta conmutación frecuente de cargas de alta potencia genera repetidamente sobretensiones en la red, sometiendo a los conductores de LED a impactos continuos.

Sin protección contra sobretensiones, las fallas más comunes en los proyectos incluyen daños frecuentes de la fuente de alimentación del conductor, luminarias atenuadas o parpadeantes, fallas de módulos LED localizados y fallas en lotes de luminarias en la misma sección. El análisis de fallas indica que el daño se concentra predominantemente en la etapa de entrada de la fuente de alimentación y en las áreas de los dispositivos de conmutación, exhibiendo características típicas de impacto de sobretensión.

Por lo tanto, se puede determinar claramente que el problema no radica en los propios LED, sino en la falta de diseño sistemático de protección contra sobretensiones.

En los entornos operativos de exterior de hoy, los dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD) ya no son componentes opcionales para mejorar la confiabilidad. Son requisitos fundamentales para garantizar que las luces de la calle LED logren su vida útil diseñada y minimizan los riesgos operativos y de mantenimiento.

Fuentes primarias de sobretensiones en sistemas de farola LED

Las sobretensiones experimentadas por las luces de calle LED se originan no únicamente por los rayos directos. En la práctica de ingeniería, se derivan principalmente de los siguientes escenarios:

• Casquillos directos y rayos inducidos: Los rayos pueden generar decenas de kiloamps de corriente instantáneamente. Incluso cuando el punto de ataque está distante del polo de luz, las sobretensiones pueden entrar en las líneas de alimentación a través de la inducción.

• Surges de operación de red: La conmutación de transformadores, los ciclos de arranque/parada del equipo de alta potencia y las operaciones de dispositivos de compensación de potencia reactiva pueden generar sobretensiones transitorias en la red.

• Efectos de las líneas eléctricas de larga distancia: Las luces de las calles municipales suelen utilizar cables de larga distancia para la fuente de alimentación. Estas líneas actúan como “antenas”, haciéndolas altamente susceptibles a inducir energía de rayos.

• Sistemas de puesta a tierra inadecuados: La resistencia a tierra excesivamente alta o las configuraciones de puesta a tierra incorrectas pueden amplificar el impacto destructivo de las sobretensiones en el equipo.

¿Cómo funciona un dispositivo de protección contra sobretensiones en las luces de calle LED?

La función central de un SPD no es "bloquear" las sobretensiones sino desviar y descargar energía de sobretensión a tierra dentro de un período de tiempo extremadamente corto, lo que limita la amplitud de voltaje que ingresa al equipo.

Como se muestra en la Fig. 1, durante las condiciones normales de alimentación, el SPD permanece en un estado de alta resistencia, equivalente a que un interruptor esté abierto, sin afectar el funcionamiento del sistema. Como se muestra en la Fig. 2, cuando ocurre una sobretensión (la flecha roja representa una sobretensión de rayos) y el voltaje supera el umbral establecido, los componentes internos no lineales del SPD conducen rápidamente, equivalente al cierre del interruptor y al cortocircuito. Esto desvía la corriente de sobretensión al sistema de puesta a tierra, protegiendo así la luz de calle LED descendente de daños. Después de que la sobretensión se disipa, el SPD vuelve automáticamente a su estado de alta resistencia, lo que equivale a que el interruptor esté abierto y permanece en modo de espera.

Este modo de funcionamiento de “conducción instantánea y recuperación automática” hace que el SPD sea un componente de protección pasiva indispensable en los sistemas de farola LED.

Protección contra sobretensiones multinivel y diseño de defensa interna para farolas LED

En proyectos de iluminación de alta fiabilidad, un solo SPD es insuficiente para abordar entornos de sobretensión complejos. Las soluciones de protección contra sobretensiones de luz de calle maduras suelen emplear una arquitectura de defensa de varios niveles:

Protección de nivel 1: Instalado en el armario de distribución o base del poste de luz para soportar relámpagos de alta energía.

FDS20C/2-275 Clase II
Designación: Tipo2
Clasificación: Clase II
Modo de protección: L1 , L2 , L3-PE
Voltaje nominal Un: 230/400 VCA/50(60)Hz
máximum Tensión de funcionamiento continuo Uc (L-N): 275 VCA/50(60)Hz
Capacidad de resistencia al cortocircuito: 20 ka
IC de corriente de funcionamiento continuo: <20 µA
Consumo de energía en espera PC: ≤25 MVA
Corriente de descarga máxima (8/20μs) IMAX: 40 ka
Corriente de descarga nominal (8/20 μs) en: 20 ka
Nivel de protección de voltaje hacia arriba: ≤1,3 kV
Resistencia de aislamiento: ＞1000 MΩ
Material de la vivienda: UL94V-0
Grado de protección: IP20

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Protección de nivel 2: Posicionado en la entrada de potencia de las luminarias para suprimir las sobretensiones residuales.

SPD03-AC275-P/AG Classii+III
Designación: Tipo2+3
Clasificación: Clase III
Modo de protección: L-N , PE ,L-PE
Tensión nominal de entrada UN(L-N): 230 VCA, 50/60 Hz
máximum Tensión de funcionamiento continuo Uc (L-N): 275 VCA, 50/60 Hz
Corriente de descarga máxima (8/20μs) IMAX: 6 ka
Corriente de descarga nominal (8/20 μs) en: 3 ka
Nivel de protección de voltaje hacia arriba: L-N ≤1,3 kV, L(N)-PE ≤1,5 kV
Tensión de circuito abierto UOC: 6 kV
Fusible de respaldo: 16A
Material de la vivienda: UL94V-0
Grado de protección: IP20

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Protección de nivel 3: Integrado dentro de los drivers LED o de los módulos de control para la protección granular.

Este diseño de protección en niveles reduce significativamente la carga en SPD individuales y mejora la estabilidad general del sistema.

Parámetros técnicos clave para seleccionar SPD de farola LED

Durante la selección de ingeniería, los parámetros técnicos de SPD determinan directamente la eficacia de la protección, incluyendo principalmente:

• UC (tensión máxima de funcionamiento continuo): Debe exceder la tensión nominal del sistema
• IN / IMAX (corriente de descarga nominal / máxima): Refleja la capacidad de absorción de energía de sobretensión SPD
• Arriba (nivel de protección de voltaje): Los valores más bajos proporcionan una protección más eficaz del equipo.
• tiempo de respuesta: Típicamente requerido a nivel de nanosegundos
• Modos de protección: combinaciones como L-N, L-PE, N-PE, etc.

Para las luces de calle LED, un valor bajo y una capacidad de respuesta rápida son particularmente críticos.

Conexiones en serie y en paralelo: elegir métodos de conexión SPD

A continuación se presentan dos de los diagramas de cableado más comunes para instalar SPD en farolas, categorizados como series y conexiones en paralelo:

En los sistemas de iluminación, los SPD están conectados casi exclusivamente en paralelo. Las ventajas incluyen:

• Sin impacto en la fuente de alimentación normal a las luminarias
• Sin interrupción de iluminación si falla el SPD
• Fácil instalación y mantenimiento
• Si bien la conexión de la serie teóricamente limita la corriente, rara vez se usa en los sistemas de farolas y se reserva para diseños de fuentes de alimentación específicos.

Diferencias entre SPD AC y SPD DC

La distinción central entre SPD y DC SPD radica en los diferentes tipos de corrientes que protegen, que determinan directamente sus principios operativos, modos de falla y escenarios de aplicación. En pocas palabras, AC SPD se utiliza en sistemas de CA, mientras que DC SPD está diseñado específicamente para sistemas de CC.

Una tabla estadística de las diferencias entre AC SPD y DC SPD

• Principio de funcionamiento y estructura de circuito: Los SPD de CA utilizan la extinción de arco natural en el punto de cruce cero de la corriente CA, empleando MOV o GDT. Requieren compatibilidad con protección multimodo para líneas L, N y PE e incorporan mecanismos de disparo térmico. Los SPD de CC carecen de un punto de cruce cero, lo que requiere TVs bidireccionales o de extinción de arco de espacios de varias etapas. Utilizan MOV multietapa conectados en serie para reducir el voltaje residual y cuentan con circuitos de apagado activos.

• Diferencias de modo de falla: La falla de SPD de CA se manifiesta como una mayor corriente de fuga, aislada automáticamente mediante disparos térmicos. Los SPD de CC, propensos a cortocircuitos sostenidos debido a la difícil extinción del arco, requieren una protección de respaldo DC MCCB dedicada.

• Escenarios de aplicación: Los SPD de CA se utilizan en sistemas de CA, como paneles de distribución de edificios y equipos terminales. Los SPD de CC se utilizan en sistemas fotovoltaicos, estaciones de carga y nuevas barras colectoras de energía de CC. Por ejemplo, las cajas combinadoras fotovoltaicas requieren 1000 VDC SPD, mientras que el lado de CA de los inversores requiere 385 VCA SPD.

• selección: Los SPD de CA requieren una capacidad de carga de corriente basada en la clasificación de edificios, con una resistencia de suelo ≤1 Ω. Los SPD de CC deben coincidir con el voltaje y la polaridad máximos de funcionamiento continuo, lo que tiene en cuenta los efectos PID, por ejemplo, un sistema de 1000 V requiere un SPD de 1200 V CC.

Cómo seleccionar dispositivos de protección contra sobretensiones apropiados para proyectos de farola

cuando Elegir SPD Para los proyectos de ingeniería, se deben considerar de manera integral los siguientes factores:

• Densidad de rayos en la ubicación del proyecto
• Altura de polo y densidad de distribución
• Potencia de lámpara individual y carga total del sistema
• Presencia de módulos de control y comunicación inteligentes

Para áreas de rayos de alto riesgo o carreteras críticas, se recomiendan productos SPD con una capacidad de descarga de no menos de 10 kA–20 kA.

Las mejores prácticas de instalación para dispositivos de protección contra sobretensiones en farolas LED

Incluso con SPD de alto rendimiento, la instalación incorrecta puede reducir significativamente la eficacia de la protección. Las prácticas de ingeniería deben cumplir con estos principios:

• Minimice la distancia entre SPD y equipo protegido.
• Asegúrese de que los cables de puesta a tierra sean "cortos, rectos y gruesos".
• Evite formar bucles o curvas innecesarias.
• Inspeccione regularmente los indicadores de fallas SPD.
• Las prácticas de instalación adecuadas suelen producir mayores beneficios prácticos que el simple aumento de los parámetros SPD.

Beneficios económicos de los dispositivos de protección contra sobretensiones en las luces de calle LED

Si bien los SPD aumentan los costos iniciales de material, sus ventajas económicas son sustanciales cuando se evalúan en todo el ciclo de vida:

• Reduce significativamente las tasas de fallas de la luz de la calle LED
• Disminuye la frecuencia de mantenimiento y reemplazo
• Previene las reparaciones a gran escala y las quejas de los clientes
• Mejora la confiabilidad general del proyecto y la reputación de la marca

En la mayoría de los proyectos municipales, los costos SPD suelen representar menos de 11TP3 de gastos totales del sistema de iluminación al tiempo que reducen los riesgos de fallas en más de 30%.

Conceptos erróneos comunes en aplicaciones de SPD de farola LED

Los siguientes temas son particularmente prevalentes en proyectos reales:

• Selección de tensión SPD no coincidente
• Descuidando la calidad del sistema de puesta a tierra
• Distancia excesiva entre SPD y carga
• Centrarse únicamente en la protección de CA y ignorar la protección de CC
• Estos errores a menudo hacen que los SPD sean ineficaces, lo que les impide brindar una protección adecuada.

Conclusión

A medida que las luces de calle LED evolucionan hacia una mayor potencia, inteligencia e integración de sistemas, las demandas de seguridad y estabilidad eléctrica continúan aumentando. Dispositivos de protección contra sobretensiones Ya no son extras opcionales sino fundamentos técnicos esenciales para garantizar un funcionamiento fiable a largo plazo de las luces de las calles LED.

A través de la selección científica de SPD, la arquitectura de protección racional y la instalación estandarizada, los proyectos de iluminación no solo pueden reducir de manera efectiva las tasas de fallas, sino que también mejoran significativamente el valor general del proyecto y la competitividad del mercado. Para proyectos de farolas LED que persiguen un funcionamiento estable a largo plazo, la protección contra sobretensiones se ha convertido en un componente crítico indispensable.

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