Guida completa ai dispositivi di protezione contro le sovratensioni per illuminazione stradale a LED

Spinti dalla conservazione dell'energia globale, dalla riduzione delle emissioni e dallo sviluppo di Smart City, i lampioni a LED sono diventati la scelta principale per strade urbane, parchi industriali, autostrade e illuminazione delle infrastrutture pubbliche. Rispetto alle tradizionali lampade al sodio ad alta pressione e alle lampade agli alogenuri metallici, i lampioni a LED offrono vantaggi significativi in termini di efficienza energetica, durata della vita e controllo intelligente della luce. Tuttavia, nelle applicazioni di ingegneria pratica, un rischio a lungo sottovalutato ma altamente distruttivo continua a minare la stabilità dei sistemi di lampioni a LED: picchi elettrici e picchi di fulmini.

Numerosi casi di ingegneria dimostrano che i primi guasti ai lampioni a LED non sono causati dai chip a LED stessi, ma piuttosto da impatti di sovratensione sull'ingresso di alimentazione o sui sistemi di controllo. Di conseguenza, i dispositivi di protezione da sovratensione (SPD) si sono evoluti da "configurazioni opzionali" a "componenti tecnici obbligatori".

Questo articolo analizza sistematicamente i principi di lavoro, i criteri di selezione, gli standard di installazione e il valore economico di SPD per lampioni a LED Dal punto di vista della pratica ingegneristica, fornendo una guida tecnica completa per progetti di illuminazione.

Perché le lampioni a LED devono essere dotate di dispositivi di protezione contro le sovratensioni

I sistemi di lampioni a LED sono costituiti da moduli di sorgente luminosa a LED, driver e unità di controllo, con componenti di base fortemente dipendenti dai dispositivi a semiconduttore. Rispetto a sorgenti luminose induttive come le tradizionali lampade al sodio ad alta pressione, i lampioni a LED impiegano alimentatori a commutazione ad alta tensione e a bassa tensione. Questa struttura riduce significativamente la loro tolleranza a sovratensioni transitorie e picchi di tensione, rendendo necessaria un'efficace capacità di protezione contro le sovratensioni.

Dal punto di vista ambientale, i lampioni a LED funzionano continuamente in ambienti elettrici esterni altamente esposti. L'illuminazione stradale comunale si basa in genere su linee elettriche aeree o interurbane, che si estendono per centinaia di metri o più da armadi di distribuzione ai poli della luce. Nelle regioni con frequenti attività di fulmine, questi sistemi sono altamente suscettibili all'energia indotta da fulmine. Anche senza un colpo diretto, gli intensi campi elettromagnetici possono generare alte tensioni transitorie all'interno delle linee elettriche, che quindi si propagano lungo le linee negli apparecchi.

Inoltre, l'altezza e la struttura metallica dei pali dei lampioni li rendono soggetti ad accoppiamento energetico con sistemi di messa a terra durante i temporali, posizionandoli in prima linea negli impatti di sovratensione. Inoltre, i sistemi di illuminazione stradale utilizzano comunemente un controllo centralizzato, in cui numerose luci si accendono/spegnete in modo sincrono al tramonto e all'alba. Questa frequente commutazione di carichi ad alta potenza genera ripetutamente picchi di commutazione nella rete, sottoponendo i driver LED a un impatto continuo.

Senza protezione contro le sovratensioni, i guasti più comuni nei progetti includono frequenti danni all'alimentazione del driver, apparecchi di illuminazione oscurati o sfarfallii, guasti del modulo LED localizzati e guasti in batch degli apparecchi lungo la stessa sezione. L'analisi del guasto indica che il danno è prevalentemente concentrato nella fase di ingresso dell'alimentatore e nelle aree del dispositivo di commutazione, mostrando caratteristiche tipiche dell'impatto di sovratensione.

Pertanto, si può chiaramente determinare che il problema non risiede nei LED stessi, ma nella mancanza di un progetto sistematico di protezione contro le sovratensioni.

Negli ambienti operativi esterni di oggi, i dispositivi di protezione contro le sovratensioni (SPD) non sono più componenti opzionali per migliorare l'affidabilità. Sono requisiti fondamentali per garantire che i lampioni a LED raggiungano la loro durata di vita progettata e riducano al minimo i rischi operativi e di manutenzione.

Fonti primarie di sovratensioni nei sistemi di illuminazione stradale a LED

Le sovratensioni sperimentate dai lampioni a LED non provengono solo da fulmini diretti. Nella pratica ingegneristica, derivano principalmente dai seguenti scenari:

• Fulmini diretti e fulmini indotti: I fulmini possono generare istantaneamente decine di kiloampli di corrente. Anche quando il punto di strike è distante dal polo della luce, le sovratensioni possono entrare nelle linee di alimentazione attraverso l'induzione.

• Successi operativi di rete: Commutazione del trasformatore, cicli di avvio/arresto delle apparecchiature ad alta potenza e operazioni di compensazione della potenza reattiva possono generare sovratensioni transitorie nella rete.

• Effetti delle linee elettriche a lunga distanza: Lampioni comunali in genere utilizzano cavi a lunga distanza per l'alimentazione. Queste linee agiscono come "antenne", rendendole altamente suscettibili all'induzione di energia fulminea.

• Sistemi di messa a terra inadeguati: La resistenza di messa a terra eccessivamente elevata o configurazioni di messa a terra improprie possono amplificare l'impatto distruttivo delle sovratensioni sull'apparecchiatura.

Come funziona un dispositivo di protezione dalle sovratensioni ai lampioni a LED?

La funzione principale di un SPD non è quella di "bloccare" i picchi, ma di bypassare e scaricare l'energia di sovratensione a terra entro un lasso di tempo estremamente breve, limitando così l'ampiezza della tensione che entra nell'apparecchiatura.

Come mostrato in Fig 1, durante le normali condizioni di alimentazione, l'SPD rimane in uno stato di alta resistenza, equivalente a un interruttore aperto, senza influire sul funzionamento del sistema. Come mostrato in Fig 2, quando si verifica un'impennata (la freccia rossa rappresenta un picco di fulmine) e la tensione supera la soglia impostata, i componenti interni non lineari dell'SPD conducono rapidamente, equivalenti a un interruttore di chiusura e cortocircuito. Questo devia la corrente di sbalzo verso il sistema di messa a terra, proteggendo così il lampione a LED a valle da danni. Dopo che l'impennata si dissipa, l'SPD ritorna automaticamente al suo stato di alta resistenza, equivalente all'apertura dell'interruttore, e rimane in standby.

Questa modalità di funzionamento “conduzione istantanea e ripristino automatico” rende l'SPD un componente di protezione passiva indispensabile nei sistemi di illuminazione stradale a LED.

Protezione contro le sovratensioni multilivello e design di difesa interno per lampioni a LED

Nei progetti di illuminazione ad alta affidabilità, un singolo SPD è insufficiente per affrontare ambienti di sovratensione complessi. Le soluzioni per la protezione contro gli sovratensioni a lampioni maturi in genere utilizzano un'architettura di difesa multilivello:

Protezione di livello 1: installato sul mobile di distribuzione o sulla base del palo della luce per resistere a picchi di fulmini ad alta energia.

FDS20C/2-275 Classe II
Designazione: Tipo2
Classificazione: Classe II
Modalità di protezione: L1, L2, L3-PE
Tensione nominale UN: 230/400 VAC/50(60)Hz
massimo. Tensione di funzionamento continuo UC (L-N): 275 VAC/50(60)Hz
Capacità di resistenza al cortocircuito: 20 kA
IC corrente di funzionamento continuo: <20 µA
Consumo energetico in standby PC: ≤25 MVA
Corrente di scarica massima (8/20μs) Imax: 40 kA
Corrente di scarica nominale (8/20μs) In: 20 kA
Livello di protezione della tensione: ≤1,3 kV
Resistenza all'isolamento: ＞1000 MΩ
Materiale abitativo: UL94V-0
Grado di protezione: IP20

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Protezione di livello 2: posizionato all'ingresso di potenza degli apparecchi per sopprimere i sovratensioni residue.

SPD03-AC275-P/AG Classei+III
Designazione: Tipo2+3
Classificazione: Classe III
Modalità di protezione: L-N , N-PE ,L-PE
Tensione di ingresso nominale UN(L-N): 230Vac, 50/60Hz
massimo. Tensione di funzionamento continuo UC (L-N): 275 V CA, 50/60Hz
Corrente di scarica massima (8/20μs) Imax: 6 kA
Corrente di scarica nominale (8/20μs) In: 3 kA
Livello di protezione della tensione: L-N ≤1,3 kV, L(N)-PE ≤1,5 kV
Tensione a circuito aperto UOC: 6 kV
Fusibile di riserva: 16A
Materiale abitativo: UL94V-0
Grado di protezione: IP20

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Protezione di livello 3: Integrato all'interno di driver LED o moduli di controllo per una protezione granulare.

Questo design di protezione a più livelli riduce significativamente il carico sui singoli SPD, migliorando al contempo la stabilità complessiva del sistema.

Parametri tecnici chiave per la selezione di SPD a LED

Durante la selezione ingegneristica, i parametri tecnici SPD determinano direttamente l'efficacia della protezione, tra cui:

• UC (tensione di funzionamento continua massima): deve superare la tensione nominale del sistema
• IN / IMAX (corrente nominale / massima di scarica): riflette la capacità di assorbimento di energia sovratensione SPD
• Su (livello di protezione della tensione): Valori più bassi forniscono una protezione dell'attrezzatura più efficace.
• Tempo di risposta: tipicamente richiesto al livello di nanosecondo
• Modalità di protezione: combinazioni come L-N, L-PE, N-PE, ecc.

Per i lampioni a LED, un valore basso e una capacità di risposta rapida sono particolarmente critici.

Connessioni serie e parallele: scelta dei metodi di connessione SPD

Di seguito sono riportati due degli schemi elettrici più comuni per l'installazione di SPD nei lampioni, classificati come serie e connessioni parallele:

Nei sistemi di illuminazione, gli SPD sono collegati quasi esclusivamente in parallelo. I vantaggi includono:

• Nessun impatto sull'alimentazione normale degli apparecchi
• Nessuna interruzione di illuminazione se l'SPD non riesce
• Installazione e manutenzione più facili
• Sebbene la connessione in serie teorizzi limita la corrente, viene utilizzata raramente nei sistemi di illuminazione stradale ed è riservata a progetti di alimentazione specifici.

Differenze tra AC SPD e DC SPD

La distinzione fondamentale tra SPD e DC SPD risiede nei diversi tipi di correnti che proteggono, che determina direttamente i loro principi operativi, le modalità di guasto e gli scenari applicativi. In poche parole, l'AC SPD viene utilizzato nei sistemi CA, mentre DC SPD è specificamente progettato per i sistemi DC.

Una tabella statistica delle differenze tra AC SPD e DC SPD

• Principio di funzionamento e struttura del circuito: Gli SPD AC utilizzano l'estinzione dell'arco naturale nel punto di passaggio zero della corrente CA, impiegando MOV o GDT. Richiedono la compatibilità con la protezione multimodale per le linee L, N e PE e incorporano meccanismi di scatto termico. Gli SPD CC mancano di un punto di passaggio zero, che richiedono TV bidirezionali o estinzione dell'arco di gap multi-stadio. Utilizzano MOV multistadio connessi in serie per ridurre la tensione residua e dispongono di circuiti di spegnimento attivi.

• Differenze in modalità di errore: Il guasto CA SPD si manifesta come una maggiore corrente di dispersione, isolata automaticamente tramite intervento termico. Gli SPD CC, soggetti a cortocircuiti sostenuti a causa della difficile estinzione dell'arco, richiedono una protezione di backup DC MCCB dedicata.

• Scenari di applicazione: Gli SPD AC sono utilizzati in sistemi CA come pannelli di distribuzione per edifici e apparecchiature terminali. Gli SPD CC sono utilizzati in impianti fotovoltaici, stazioni di ricarica e sbarre di nuova energia. Ad esempio, le scatole del combinatore fotovoltaico richiedono SPD da 1000 V CC, mentre il lato CA degli inverter richiede SPD da 385 VAC.

• selezione: Gli SPD CA richiedono una capacità di carico di corrente basata sulla classificazione degli edifici, con resistenza al suolo ≤1Ω Gli SPD CC devono corrispondere alla massima tensione e polarità di funzionamento continua, tenendo conto degli effetti PID, ad esempio un sistema a 1000 V richiede un SPD da 1200 V.

Come selezionare i dispositivi di protezione contro le sovratensioni appropriati per i progetti di lampioni

in cui Scegliere SPD Per i progetti di ingegneria, i seguenti fattori dovrebbero essere considerati in modo completo:

• Densità di fulmini nella posizione del progetto
• Altezza del palo e densità di distribuzione
• Potenza singola lampada e carico totale del sistema
• Presenza di moduli di controllo e comunicazione intelligenti

Per le aree di fulmini ad alto rischio o le strade critiche, si consigliano prodotti SPD con una capacità di scarico non inferiore a 10 kA–20 kA.

Migliori pratiche di installazione per dispositivi di protezione contro le sovratensioni nei lampioni a LED

Anche con SPD ad alte prestazioni, un'installazione impropria può ridurre significativamente l'efficacia della protezione. Le pratiche ingegneristiche dovrebbero aderire a questi principi:

• Ridurre al minimo la distanza tra SPD e apparecchiature protette.
• Assicurarsi che i fili di messa a terra siano "corti, dritti e spessi".
• Evitare di formare anelli o curve non necessarie.
• Ispezionare regolarmente gli indicatori di guasto SPD.
• Le pratiche di installazione corrette spesso producono maggiori vantaggi pratici rispetto al semplice aumento dei parametri SPD.

Vantaggi economici dei dispositivi di protezione dalle sovratensioni nei lampioni a LED

Mentre gli SPD aumentano i costi dei materiali iniziali, i loro vantaggi economici sono sostanziali se valutati durante l'intero ciclo di vita:

• Riduce significativamente i tassi di guasto della luce stradale a LED
• Riduce la manutenzione e la frequenza di sostituzione
• Previene riparazioni su larga scala e reclami dei clienti
• Migliora l'affidabilità complessiva del progetto e la reputazione del marchio

Nella maggior parte dei progetti municipali, i costi SPD rappresentano in genere meno di 1% delle spese totali del sistema di illuminazione riducendo i rischi di guasto di oltre 30%.

Idee sbagliate comuni nelle applicazioni SPD per lampioni a LED

I seguenti temi sono particolarmente prevalenti nei progetti reali:

• Selezione della tensione di tensione SPD non corrispondente
• Trascurando la qualità del sistema di messa a terra
• Distanza eccessiva tra SPD e carico
• Concentrandosi esclusivamente sulla protezione CA ignorando la protezione DC
• Questi errori spesso rendono gli SPD inefficaci, impedendo loro di fornire una protezione adeguata.

Conclusione

Man mano che i lampioni a LED si evolvono verso una maggiore potenza, intelligenza e integrazione dei sistemi, le richieste di sicurezza e stabilità elettriche continuano a crescere. Dispositivi di protezione contro le sovratensioni Non sono più optional ma basi tecniche essenziali per garantire un funzionamento affidabile a lungo termine dei lampioni a LED.

Attraverso la selezione scientifica SPD, l'architettura di protezione razionale e l'installazione standardizzata, i progetti di illuminazione non solo possono ridurre efficacemente i tassi di guasto, ma anche migliorare significativamente il valore complessivo del progetto e la competitività del mercato. Per i progetti di lampioni a LED che perseguono un funzionamento stabile a lungo termine, la protezione contro le sovratensioni è diventata una componente critica indispensabile.

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