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Poussées par la conservation de l'énergie mondiale, la réduction des émissions et le développement de Smart City, les lampadaires à LED sont devenus le choix principal pour les routes urbaines, les parcs industriels, les autoroutes et l'éclairage des infrastructures publiques. Par rapport aux lampes traditionnelles à sodium haute pression et aux lampes aux halogénures métalliques, les lampadaires à LED offrent des avantages significatifs en matière d'efficacité énergétique, de durée de vie et de contrôle intelligent de la lumière. Cependant, dans les applications d'ingénierie pratiques, un risque destructeur et destructeur de longue date, mais sous-estimé, continue de compromettre la stabilité des systèmes d'éclairage public à LED : les surtensions électriques et les surtensions de la foudre.
De nombreux cas d'ingénierie démontrent que les premières défaillances des lampadaires à LED ne sont pas causées par les puces LED elles-mêmes, mais plutôt par les impacts de la puissance d'entrée ou de contrôle des systèmes. Par conséquent, les dispositifs de protection contre les surtensions (SPD) sont passés de «configurations optionnelles» à «composants techniques obligatoires».
Cet article analyse systématiquement les principes de travail, les critères de sélection, les normes d'installation et la valeur économique de SPD pour les lampadaires LED Du point de vue de la pratique technique, fournissant des conseils techniques complets pour les projets d'éclairage.
Pourquoi les lampadaires à LED doivent être équipés de dispositifs de protection contre les surtensions
Les systèmes d'éclairage public à LED se composent de modules de source de lumière LED, de pilotes et d'unités de contrôle, avec des composants de base fortement dépendants des dispositifs à semi-conducteurs. Par rapport aux sources lumineuses inductives comme les lampes traditionnelles au sodium haute pression, les lampadaires à LED utilisent des alimentations à découpage haute tension et haute fréquence. Cette structure réduit considérablement leur tolérance aux surtensions et aux pointes de tension transitoires, nécessitant des capacités de protection efficace contre les surtensions.
D'un point de vue environnemental, les lampadaires à LED fonctionnent en continu dans des environnements électriques extérieurs très exposés. L'éclairage des routes municipales repose généralement sur des lignes électriques aériennes ou longue distance, s'étendant sur des centaines de mètres ou plus, des armoires de distribution aux poteaux de lumière. Dans les régions où l'activité fulgurante est fréquente, ces systèmes sont très sensibles à l'énergie de foudre induite. Même sans frappe directe, les champs électromagnétiques intenses peuvent générer des tensions transitoires à l'intérieur des lignes électriques, qui se propagent ensuite dans les lignes dans les luminaires.
De plus, la hauteur élevée et la structure métallique des poteaux de lampadaire les rendent sujets au couplage énergétique avec les systèmes de mise à la terre lors des orages, les plaçant au premier plan des impacts de surtension. De plus, les systèmes d'éclairage routier utilisent généralement une commande centralisée, où de nombreuses lumières s'allument/se désactivent de manière synchrone au coucher du soleil et au lever du soleil. Cette commutation fréquente de charges à haute puissance génère à plusieurs reprises des surtensions dans le réseau, soumettant les conducteurs à un impact continu.
Sans protection contre les surtensions, les défaillances les plus courantes dans les projets comprennent des dommages fréquents à l'alimentation des conducteurs, des luminaires atténués ou scintillants, des pannes de module LED localisées et des défaillances par lots des luminaires le long de la même section. L'analyse des pannes indique que les dommages sont principalement concentrés dans les zones d'entrée d'alimentation et de dispositif de commutation, présentant des caractéristiques typiques d'impact sur les surtensions.
Par conséquent, il peut être clairement déterminé que le problème ne réside pas dans les LED elles-mêmes, mais dans le manque de conception systématique de protection contre les surtensions.
Dans les environnements d'exploitation extérieurs d'aujourd'hui, les dispositifs de protection contre les surtensions (SPD) ne sont plus des composants facultatifs pour améliorer la fiabilité. Ce sont des exigences fondamentales pour garantir que les lampadaires à LED obtiennent leur durée de vie conçu et minimisent les risques opérationnels et de maintenance.
Sources principales de surtensions dans les systèmes d'éclairage public à LED
Les surtensions subies par les lampadaires à LED ne proviennent pas uniquement des éclairs directs. En pratique, ils proviennent principalement des scénarios suivants :
- Foudre directe et éclairs induits: Les coups de foudre peuvent générer des dizaines de kiloampères de courant instantanément. Même lorsque le point de frappe est éloigné du poteau lumineux, les surtensions peuvent entrer dans les lignes d'alimentation par induction.
- Grille de surtensions opérationnelles: La commutation de transformateur, les cycles de démarrage/arrêt des équipements de haute puissance et les opérations de compensation de puissance réactive peuvent toutes générer des surtensions transitoires dans le réseau.
- Effets des lignes électriques à longue distance: Les lampadaires municipaux utilisent généralement des câbles longue distance pour l'alimentation. Ces lignes agissent comme des « antennes », ce qui les rend très sensibles à l'induction de l'énergie de la foudre.
- Systèmes de mise à la terre inadéquats: Une résistance à la terre excessivement élevée ou des configurations de mise à la terre inappropriées peuvent amplifier l'impact destructeur des surtensions sur l'équipement.
Comment fonctionne un dispositif de protection contre les surtensions dans les lampadaires LED ?
La fonction principale d'un SPD n'est pas de "bloquer" les surtensions mais de contourner et de décharger l'énergie de surtension dans un délai extrêmement court, limitant ainsi l'amplitude de tension entrant dans l'équipement.
Comme le montre la figure 1, dans des conditions normales d'alimentation, le SPD reste dans un état de haute résistance, équivalent à un interrupteur ouvert, sans affecter le fonctionnement du système. Comme le montre la figure 2, lorsqu'une surtension se produit (la flèche rouge représente une surtension) et que la tension dépasse le seuil défini, les composants internes non linéaires du SPD se conduisent rapidement, équivalent à une fermeture de commutateur et à un court-circuit. Cela détourne le courant de surtension vers le système de mise à la terre, protégeant ainsi le lampadaire LED en aval des dommages. Une fois la poussée dissipée, le SPD revient automatiquement à son état de haute résistance, équivalent à l'ouverture du commutateur et reste en veille.
Ce mode de fonctionnement « conduction instantanée et récupération automatique » fait du SPD un élément de protection passif indispensable dans les systèmes de luminaires LED.
Protection multiniveau de surtension et conception de défense interne pour les lampadaires à LED
Dans les projets d'éclairage à haute fiabilité, un seul SPD est insuffisant pour traiter des environnements de surtension complexes. Les solutions de protection contre les surtensions des lampadaires matures utilisent généralement une architecture de défense à plusieurs niveaux :
Protection de niveau 1: Installé à l'armoire de distribution ou à la base du poteau pour résister aux surtensions de foudre à haute énergie.
FDS20C/2-275 Classe II
Désignation : Type2
Classement : Classe II
Mode de protection : L1 , L2 , L3-PE
Tension nominale UN : 230/400 VAC/50(60)Hz
max. Tension de fonctionnement continue UC (L-N): 275 VAC/50(60)Hz
Capacité de résistance aux courts-circuits : 20 ka
IC de courant de fonctionnement continu : <20 µA
Consommation d'énergie en veille PC : ≤ 25 MVA
Courant de décharge maximal (8/20μs) Imax : 40 ka
Courant nominal de décharge (8/20μs) Dans : 20 ka
Niveau de protection de tension : ≤ 1,3 kV
Résistance d'isolement : ＞1 000 MΩ
Matériau du logement : UL94V-0
Degré de protection : IP20
Protection de niveau 2: Positionné à la puissance des luminaires pour supprimer les surtensions résiduelles.
SPD03-AC275-P/AG ClasseIII+III
Désignation : Type2+3
Classement : Classe III
Mode de protection : L-N , N-PE , L-PE
Tension d'entrée nominale UN(L-N): 230VAC, 50/60Hz
max. Tension de fonctionnement continue UC (L-N): 275VAC, 50/60Hz
Courant de décharge maximal (8/20μs) Imax : 6 ka
Courant nominal de décharge (8/20μs) Dans : 3 ka
Niveau de protection de tension : L-N ≤1,3 kV, L(N)-PE ≤1,5 kV
Tension de circuit ouvert UOC : 6 kV
Fusible de sauvegarde : 16A
Matériau du logement : UL94V-0
Degré de protection : IP20
Protection de niveau 3: Intégré dans les pilotes LED ou les modules de commande pour une protection granulaire.
Cette conception de protection à plusieurs niveaux réduit considérablement la charge sur les SPD individuels tout en améliorant la stabilité globale du système.
Principaux paramètres techniques pour la sélection des lampadaires LED SPD
Lors de la sélection technique, les paramètres techniques du SPD déterminent directement l'efficacité de la protection, notamment :
- UC (tension de fonctionnement continue maximale): Doit dépasser la tension nominale du système
- IN / IMAX (courant de décharge nominal / maximum): reflète la capacité d'absorption d'énergie de surtension SPD
- Haut (niveau de protection contre les tensions): Les valeurs inférieures offrent une protection plus efficace des équipements.
- temps de réponse: généralement requis au niveau nanoseconde
- Modes de protection: Combinaisons telles que L-N, L-PE, N-PE, etc.
Pour les lampadaires à LED, une valeur faible en hausse et une capacité de réponse rapide sont particulièrement critiques.
Connexions série et parallèle : choix des méthodes de connexion SPD
Voici deux des schémas de câblage les plus courants pour l'installation de SPD dans les lampadaires, classés comme des connexions série et parallèle :
Dans les systèmes d'éclairage, les SPD sont presque exclusivement connectés en parallèle. Les avantages incluent :
- Aucun impact sur l'alimentation normale des luminaires
- Aucune interruption d'éclairage en cas de panne du SPD
- Installation et maintenance plus faciles
- Bien que la connexion en série limite théoriquement le courant, elle est rarement utilisée dans les systèmes de street-light et est réservée à des conceptions d'alimentation spécifiques.
Différences entre AC SPD et DC SPD
La distinction fondamentale entre SPD et DC SPD réside dans les différents types de courants qu'ils protègent, qui déterminent directement leurs principes de fonctionnement, leurs modes de défaillance et leurs scénarios d'application. En termes simples, AC SPD est utilisé dans les systèmes AC, tandis que DC SPD est spécialement conçu pour les systèmes DC.
Un tableau statistique des différences entre AC SPD et DC SPD
| Dimension de comparaison | Courant alternatif (AC), les changements de direction périodiquement | Courant continu (DC), la direction reste constante |
| Type actuel | Courant alternatif (AC), les changements de direction périodiquement | Courant continu (DC), la direction reste constante |
| principe de fonctionnement | Utilise le point de passage zéro naturel de AC pour éteindre les arcs, utilise couramment MOV, GDT | Aucun point de passage à zéro naturel, ne nécessite des téléviseurs à plusieurs étages ou une extinction d'arcs à intervalles, repose sur des circuits de coupure actifs. |
| Composants principaux | MOV (varistor d'oxyde métallique), GDT (tube de décharge de gaz) | Connexion multi-étages de la série MOV, diode TVS, disjoncteur actif |
| Niveau de tension résiduelle | Généralement 1,5 à 2,5 kV | Généralement ≤ 1,5 kV (nécessite une tension inférieure pour protéger les équipements électroniques sensibles) |
| Mode de panne | La dégradation de MOV entraîne une augmentation du courant de fuite, le déclenchement thermique se déconnecte automatiquement | Un risque élevé d'arc continu, sujet aux courts-circuits, nécessite une protection externe de sauvegarde DC MCCB |
| Scénarios d'application typiques | Boîtes de distribution de bâtiments, extrémités d'entrée UPS, circuits de prises domestiques | Boîtes de combinaison photovoltaïques, pieux de charge DC, systèmes de stockage d'énergie, lignes de bus DC de véhicules électriques |
| Tension nominale (UC) | AC 385V commun, 440V AC | Commun 600V DC, 1000V DC, 1500V DC (nécessité de réserver la marge 20%) |
| Exigence de polarité | Pas besoin de distinguer les pôles positifs et négatifs (AC n'a pas de polarité) | Doit correspondre aux pôles positifs et négatifs (+/-), la connexion inversée peut entraîner une défaillance |
| Impact de l'effet PID | nul | Nécessité de prendre en compte la dégradation potentielle induite (PID), en particulier dans les systèmes photovoltaïques à haute tension |
| Exigences de mise à la | Résistance à la mise à la terre ≤1Ω (endroits importants) | La mise à la terre est tout aussi importante, mais une plus grande attention est accordée à l'impédance de la boucle et à la connexion équipotentielle. |
| Base standard | CEI 61643-11, | CEI 61643-31 |
- Principe de fonctionnement et structure du circuit: Les SPD AC utilisent l'extinction de l'arc naturel au point de passage nul du courant alternatif, en utilisant des MOV ou des GDT. Ils nécessitent une compatibilité avec la protection multimode pour les lignes L, N et PE et intègrent des mécanismes de déclenchement thermique. Les SPD DC n'ont pas de point de passage à zéro, nécessitant des téléviseurs bidirectionnels ou une extinction d'arc à intervalles multiples. Ils utilisent des MOV multi-étapes connectés en série pour réduire la tension résiduelle et comporter des circuits d'arrêt actifs.
- Différences en mode de déf: La panne de SPD AC se manifeste par un courant de fuite accru, isolé automatiquement par déclenchement thermique. Les SPD DC, sujets aux courts-circuits soutenus en raison de l'extinction d'arc difficile, nécessitent une protection de sauvegarde DC MCCB dédiée.
- Scénarios d'application: Les SPD AC sont utilisés dans les systèmes de climatisation tels que les panneaux de distribution de bâtiments et les équipements terminaux. Les SPD DC sont utilisés dans les systèmes photovoltaïques, les bornes de recharge et les barres de jeux de nouvelles énergies DC. Par exemple, les boîtiers de combinaison photovoltaïques nécessitent 1 000 VDC de SPD, tandis que le côté CA des onduleurs nécessite 385 Vac SPD.
- sélection: Les SPD AC nécessitent une capacité de transport de courant en fonction de la classification des bâtiments, avec une résistance à la terre ≤ 1 Ω. Les SPD CC doivent correspondre à la tension et à la polarité de fonctionnement continues maximales, en tenant compte des effets PID, par exemple, un système 1 000 V nécessite un SPD de 1 200 VDC.
Comment sélectionner les dispositifs de protection contre les surtensions appropriés pour les projets d'éclairage public
alors que Choisir des SPD Pour les projets d'ingénierie, les facteurs suivants doivent être pris en compte de manière exhaustive :
- Densité de foudre sur le site du projet
- Hauteur de poteau et densité de distribution
- Puissance individuelle de la lampe et charge totale du système
- Présence de modules de commande et de communication intelligents
Pour les zones de foudre à haut risque ou les routes critiques, des produits SPD avec une capacité de décharge d'au moins 10 ka à 20 ka sont recommandés.
Meilleures pratiques d'installation pour les dispositifs de protection contre les surtensions dans les lampadaires à LED
Même avec des SPD à haute performance, une mauvaise installation peut réduire considérablement l'efficacité de la protection. Les pratiques d'ingénierie doivent respecter ces principes :
- Minimiser la distance entre le SPD et l'équipement protégé.
- Assurez-vous que les fils de mise à la terre sont «courts, droits et épais».
- Évitez de former des boucles ou des virages inutiles.
- Inspectez régulièrement les indicateurs de défaillance du SPD.
- Les bonnes pratiques d'installation offrent souvent des avantages pratiques plus importants que la simple augmentation des paramètres SPD.
Avantages économiques des dispositifs de protection contre les surtensions dans les lampadaires à LED
Alors que les SPD augmentent les coûts initiaux des matériaux, leurs avantages économiques sont importants lorsqu'ils sont évalués sur tout le cycle de vie :
- Réduit considérablement les taux de défaillance des éclairages de rue LED
- Diminue la fréquence de maintenance et de remplacement
- Empêche les réparations à grande échelle et les plaintes des clients
- Améliore la fiabilité globale du projet et la réputation de la marque
Dans la plupart des projets municipaux, les coûts de la SPD représentent généralement moins de 11 tp3 t des dépenses totales du système d'éclairage tout en réduisant les risques de défaillance de plus de 301 tp3 t.
Idées d'idées courantes dans les applications de lampadaires LED
Les enjeux suivants sont particulièrement répandus dans les projets réels :
- Sélection de tension nominale SPD incompatible
- Négliger la qualité du système de mise à la terre
- Distance excessive entre SPD et charge
- Se concentrer uniquement sur la protection AC tout en ignorant la protection DC
- Ces erreurs rendent souvent les SPD inefficaces, les empêchant de fournir une protection appropriée.
Conclusion
Alors que les lampadaires à LED évoluent vers une puissance, une intelligence et une intégration de systèmes plus élevées, les demandes de sécurité et de stabilité électriques continuent d'augmenter. Dispositifs de protection contre les surtension ne sont plus des extras optionnels mais des bases techniques essentielles pour assurer un fonctionnement fiable à long terme des lampadaires à LED.
Grâce à la sélection scientifique du SPD, à l'architecture de protection rationnelle et à l'installation standardisée, les projets d'éclairage peuvent non seulement réduire efficacement les taux d'échec, mais également améliorer considérablement la valeur globale du projet et la compétitivité du marché. Pour les projets de lampadaires à LED poursuivant un fonctionnement stable à long terme, la protection contre les surtensions est devenue un élément essentiel indispensable.
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