Surge-beveiligingsmiddelen: een complete technische gids

Tijdens het gebruik werken onmiddellijke hoge spanningen (surges) in LED-schakelvoedingen als onzichtbare "huidige moordenaars", die mogelijk plotseling ontstaan door blikseminslagen, netschakeling, motorstarts/stops en soortgelijke bewerkingen.

Hoewel deze pieken slechts een fractie van een seconde meegaan (meestal tot microseconden tot microseconden), kunnen hun piekspanningen tientallen of zelfs honderden keren de normale spanning bereiken - voldoende om halfgeleidercomponenten af te breken of door te branden, waardoor onomkeerbare schade ontstaat.

Overspanningsbeveiliging dient als de "levenslijn" voor LED-verlichtingsarmaturen tegen gridinstabiliteit en blikseminslagen. Daarom is het selecteren van een geschikte bestuurdersvoeding cruciaal. Indien nodig moeten overspanningsbeveiligingen aan de armaturen worden toegevoegd.

Dit artikel biedt een uitgebreide analyse van overspanningsbeveiligingen, met betrekking tot technische principes, technische toepassingen en installatietechnieken.

Wat is een overspanningsbeveiliging voor LED-verlichting?

Wat is een overspanningsbeveiliging? Simpel gezegd, een overspanningsbeveiliging "ontlaadt" plotselinge overmatige spanningen (pieken) in een circuit, waardoor schade aan het verlichtingssysteem wordt voorkomen. Het werkt als een "veiligheidsklep" in het circuit: wanneer de spanning de limieten overschrijdt, geleidt het snel om de stroom om te leiden en wordt vervolgens teruggezet naar zijn open toestand zodra de spanning terugkeert naar normaal, waardoor LED-armaturen altijd binnen veilige spanningsbereiken werken.

Overspanningsbeveiligingen richten zich voornamelijk op twee typische "spanningspieken"-scenario's: bliksemscherpte, waarvoor type I en type II SPD's nodig zijn, en schakelpieken die worden gegenereerd door opstarten en afsluiten van industriële apparatuur, waardoor spanningsbeperkende SPD-beveiliging nodig is. Beide onderscheppen de spanningen die het tolerantiebereik van een apparaat fundamenteel onderscheppen, waardoor een uitgebreide bescherming voor elektrische apparatuur wordt geboden.

Samenvattend hebben overspanningsbeveiligingen een tweeledig doel: voorkomen dat plotselinge hoge spanningen beschadigen van apparatuur en het verminderen van frequente kleine overspanningen die veroudering versnellen, waardoor een uitgebreide bescherming wordt geboden voor LED-verlichtingssystemen.

Lees voor meer informatie over overspanningsbeveiligingen in LED-verlichtingstoepassingen de blog: “Overspanningsbeveiliging (SPD) voor LED-verlichting: complete gids voor binnen- en buitentoepassingen.”

Welke soorten overspanningsbeveiligingsapparaten zijn er?

Geclassificeerd door gebruiksprincipe:

a) Spanningsschakeling SPD's

Hoge impedantie tijdens normaal bedrijf; schakelt abrupt naar lage impedantie tijdens spanningspieken, waardoor een hoge stroomstroom mogelijk is. Ook bekend als "kortsluiting type SPD." Gebruikt typisch afvoerspleten, gasafvoerbuizen, thyristors of siliciumgestuurde gelijkrichters als componenten. Deze overspanningsbeveiligingen worden ook wel "croba-type" genoemd vanwege hun discontinue spanningsstroomeigenschappen.

b) Spanningsbeperkende SPD

Vertoont een hoge impedantie bij afwezigheid van pieken. De impedantie neemt continu af naarmate de stroom en de spanning toenemen. Componenten omvatten typisch varistoren en onderdrukkingsdiodes. Ook bekend als "klemmende" overspanningsbeveiligingen. gekenmerkt door continue spanning-stroomkarakteristieken.

c) Gecombineerde SPD

Een overspanningsbeveiliging die spanningsschakel- en spanningsbegrenzende componenten combineert. De kenmerken ervan kunnen zich manifesteren als spanningswisseling, spanningsbegrenzing of beide, afhankelijk van het toegepaste spanningsprofiel.

Samengestelde overspanningsbeveiligingen kunnen overspanningen van meer dan 6 kV onderdrukken tot onder twee keer de maximale bedrijfsspanning van het systeem in één enkele bewerking. Driefase-eenheden kunnen 800V onderdrukken, terwijl eenfasige eenheden tot onder 600V kunnen onderdrukken. Daarentegen hebben modulaire overspanningsafleiders drie beschermingsniveaus nodig (klasse B, C en D) om onderdrukking rond 1000V te bereiken.

Classificatie per toepassing:

Op basis van toepassing kunnen SPD's worden onderverdeeld in twee typen: SPD's voor hoogspanningslijnen en signaallijn-SPD's.

De samenstelling van het overspanningsbeveiligingsapparaat

De overspanningsbeveiligingsstructuur bestaat voornamelijk uit de volgende componenten:

• Metaaloxide varistor (MOV): Het kernbestanddeel van de overspanningsbeveiliging, gemaakt van materialen zoals zinkoxide. Wanneer overspanning in het circuit optreedt, gaat de MOV snel over naar een geleidende toestand, waarbij de overspanningsenergie wordt geabsorbeerd en naar de aarde wordt omgeleid.

• Bescherming Ccircuit Bei: Gelegen in de overspanningsbeveiliging, regelt en bewaakt het stroom- en spanningsveranderingen. Het is typisch samengesteld uit geïntegreerde schakelingen en maakt automatische schakel- en resetfuncties voor de overspanningsbeveiliging mogelijk.

• eindstandig Bsmoking: Sluit de overspanningsbeveiliging aan op het circuit, meestal met twee klemmen - een voor ingangsvermogen en een andere voor uitgangsvermogen.

• Huisvesting: Beschermt de interne componenten van de overspanningsbeveiliging, meestal gemaakt van isolatiemateriaal om elektrische schokken en andere gevaren te voorkomen.

Verschillen tussen SPD's en gewone zekeringen en filtercircuits

Verschillen tussen SPD's en zekeringen

SPD‌ : Specifiek ontworpen om tijdelijke overspanningsstromen af te voeren (bijv. blikseminslag, rasteromschakeling). Het kanaliseert hoogspanningspieken naar de aarde via componenten zoals metaaloxidevaristoren (MOV) of gasafvoerbuizen (GDT), waarborgt de apparatuur tegen momentane hoogspanningsschade.

‌Fuses‌ : Adresseer alleen aanhoudende overbelasting of kortsluitstromen door het circuit te onderbreken door te smelten. Ze kunnen geen pieken op nanoseconden aan.

SPD-responstijd varieert van nanoseconden tot microseconden (bijv. nanoseconden voor MOV's, microseconden voor GDT's), terwijl lonten milliseconden vereisen om te blazen, waardoor gevoelige apparatuur niet op tijd wordt beschermd. Verslechterde SPD's kunnen stroom of kortsluiting lekken, waardoor het gebruik met zekeringen (geen stroomonderbrekers) noodzakelijk is om volgstroomgevaren te voorkomen; doorgebrande zekeringen moeten worden vervangen, maar vormen geen stroomstoringen.

Verschillen tussen SPD's en filtercircuits

SPD‌ : Beschermt tegen transiënte hoogspanningen (kV-niveau), zoals blikseminslagen of stroompieken.

‌Filtercircuits‌: Verwijder aanhoudende hoogfrequente ruis (kHz-MHz), zoals elektromagnetische interferentie in stroomvoorzieningen.

SPD's werken door ontladings- of klemspanning (bijv. MOV's geleiden boven 600V); filtercircuits gebruiken spoelen en condensatoren om laagdoorlaatnetwerken te vormen, waardoor geluid geleidelijk wordt verzwakt. SPD's beschermen tegen blikseminslagen en stroompieken van nutsvoorzieningen; filtercircuits dienen voor toepassingen die een hoge vermogenszuiverheid vereisen, zoals medische apparatuur en communicatiesystemen.

Overzichtsvergelijkingstabel

‌Functie	heldenelijke zel	samensmelten	‌Filter distrikt
‌Kernfunctie‌	Ontlading voorbijgaande stoten	Overbelasting/kortsluiting	Filter hoogfrequent geluid
‌Responstijd‌	Nanoseconde-microseconde bereik	Milliseconde bereik	Continue werking
‌Typische componenten‌	MOV, GDT, TVS2	Metalen zekering	Inductoren, condensatoren
‌Failure risico's‌	Potentiële lekkage of kortsluiting	Vereist vervanging	Prestaties achteruit

Zoals aangetoond door de bovenstaande vergelijking, dienen SPD's, smeltveiligheden en filtercircuits elk verschillende rollen binnen energiesystemen. Hun gecoördineerd gebruik is essentieel om een uitgebreide bescherming te bereiken.

Werkingsprincipe van overspanningsbeveiligingsapparatuur

Onder normale omstandigheden presenteert de overspanningsbeveiliging een open circuittoestand in het circuit, wat een toestand met hoge weerstand betekent. Deze eigenschap met hoge weerstand minimaliseert de impact op het circuit. Het functioneert als een schakelaar, blijft open wanneer het niet nodig is om een normale circuitwerking zonder interferentie te garanderen. Zoals in figuur 1 hieronder wordt weergegeven.

Wanneer een tijdelijke hoogspanning optreedt in het hoofdcircuit, zoals tijdens een blikseminslag, reageert de overspanningsbeveiliging onmiddellijk. Onder deze tijdelijke overspanning gedraagt de overspanningsbeveiliging zich als een toestand met een lage weerstand. De interne componenten (bijv. varistors, gasafvoerbuizen) gaan snel over van hoge weerstand naar toestanden met een lage weerstand, waardoor een geleidend pad wordt gevormd. Het leidt onmiddellijk de overspanningsstroom om en beperkt de overspanning tot een veilig niveau, waardoor het circuit en de apparatuur worden beschermd tegen schade. Zoals te zien is in figuur 2.

Zoals getoond in figuur 2, speelt de overspanningsbeveiliging een cruciale beschermende rol tijdens voorbijgaande overspanningsgebeurtenissen. Het fungeert als een barrière, die de stroomvoorziening en verlichtingsarmaturen beschermt tegen de impact van overspanning.

Waarom overspanningsbeveiliging is van belang voor LED-verlichtingssystemen?

Overspanningsbeveiliging is van cruciaal belang voor LED-verlichtingssystemen om de volgende primaire redenen:

1. LED-gevoeligheid voor pieken

Als halfgeleiderinrichtingen hebben LED's voorwaartse spanningen van slechts enkele volt en vertonen ze een extreem slechte overspanningsweerstand, met name zwakke omgekeerde spanningstolerantie. Voorbijgaande overspanningen (dus duizenden volts) van blikseminslagen of netomschakeling kunnen LED-chips of drivers direct beschadigen, wat onmiddellijke storing of latente schade veroorzaakt.

2. Diverse Surge-bronnen

• ‌Bliksem inductie‌ : Bliksemstroomafvoer veroorzaakt plotselinge aardpoten die via stroom-/signaalleidingen in de armaturen komen.

• ‌Grid-operaties‌: schakelapparatuur, kortsluitfouten, enz., genereren tijdelijke overspanningen.

• elektrostatisch Itterferentie: Statische elektriciteit (>10kV) Opgebouwde metalen behuizingen kunnen de bestuurderscircuits afbreken.

3. Gevolgen van overspanningsschade

Surgegebeurtenissen versnellen niet alleen de veroudering van de LED-lichtbron (verminderde lichtgevende lichtopbrengst), maar kunnen ook cascadestoringen veroorzaken: een enkele LED-kortsluiting brengt de spanningsval over naar aangrenzende LED's, waardoor de burn-out van hele lampstrengen wordt versneld. Hoge onderhoudskosten voor buitenverlichtingssystemen betekenen dat een onvoldoende bescherming de onderhoudskosten aanzienlijk verhoogt.

In één stad faalde 301 TP3T van de hoofdwegverlichtingsbestuurders na een onweersseizoen vanwege een gebrek aan overspanningsbeveiliging, waardoor meer dan 500.000 yuan werd gerepareerd. Inspectie wees uit dat meerdere overspanningen de metaaloxidevaristoren (MOV's) hadden verouderd en aangetast, waardoor latere blikseminslagen de LED-modules direct konden beschadigen.

Overspanningsbeveiliging is een cruciale maatregel om de levensduur en betrouwbaarheid van LED-verlichtingsarmaturen te waarborgen, met name onmisbaar in omgevingen met een hoog risico zoals buiten en industrieel. LED-armaturen die zijn uitgerust met overspanningsbeveiliging, vertonen een verbeterde betrouwbaarheid. Het installeren van SPD's die voldoen aan testnormen zoals IEC 61000-4-5, vermindert de onderhoudskosten aanzienlijk, waardoor het van vitaal belang is voor LED-verlichtingssystemen.

Aansluitmethoden voor overspanningsbeveiligingen in LED-armaturen

De meest gebruikelijke benadering voor het aansluiten van overspanningsbeveiligingen op LED-armaturen is het installeren van ze in serie of parallel aan de ingangs- of uitgangsklemmen. Op basis van verschillende installatielocaties en -methoden kunnen deze als volgt worden gecategoriseerd:

1. Overspanningsbeveiligingen geïntegreerd in aandrijvers

Ingebouwde overspanningsbeveiligingen verminderen de impact van voorbijgaande overspanningen veroorzaakt door blikseminslag, schakelhandelingen of elektrostatische ontlading op het systeem. Ze handhaven de stabiliteit van de stroomvoorziening en zorgen voor een continue werking van het verlichtingssysteem. Door snel te reageren op en te onderdrukken van voorbijgaande overspanningen, verminderen overspanningsbeveiligingen de schade aan LED-drivermodules en lichtgevende modules veroorzaakt door abnormale spanningen, waardoor de totale levensduur van de apparatuur wordt verlengd.

2. Overspanningsbeveiliging geïnstalleerd op aandrijver voorste deel

Deze aanpak is voornamelijk geschikt voor gebieden met frequente blikseminslagen en hoge milieuvochtigheid. Het installeren van een overspanningsbeveiliging aan de voorkant van straatverlichting biedt bijvoorbeeld verbeterde bescherming tegen elektrische schade door blikseminslagen en elektromagnetische interferentie, en dient als dubbele beveiliging. Het vergemakkelijkt ook gemakkelijker onderhoud later. Het is echter essentieel om ervoor te zorgen dat de nieuw toegevoegde SPD compatibel is en overeenkomt met de aardingsmethode van het bestaande systeem.

3. Serieaansluiting bij ingang

Sluit de overspanningsbeveiliging in serie aan met de ingang van de LED-drivervoeding. Wanneer er een overspanning optreedt aan de ingang, onderbreekt de overspanningsbeveiliging de stroomstroom, waardoor de LED-lamp wordt beschermd.

4. Parallelle verbinding bij ingang

Sluit de overspanningsbeveiliging parallel aan met de ingang van de LED-driver. Wanneer een piek optreedt aan de ingang, geleidt de overspanningsbeveiliging de stroom, waardoor de overtollige stroom wordt weggeleid.

Verschillende soorten overspanningsbeveiliging hebben duidelijke voor- en nadelen, die selectie vereisen op basis van specifieke omstandigheden.

Over het algemeen bieden serie overspanningsbeveiligingen snelle responstijden, sterke bescherming en minimale impact op de normale werking, maar hebben ze nadelen zoals complexe installatie, ruimtevereisten en vatbaarheid voor schade.

Parallelle overspanningsbeveiligingen zijn voorzien van een eenvoudige installatie, een compacte voetafdruk en vervangingsgemak, maar hebben toch last van langzamere responstijden, zwakkere bescherming en mogelijke interferentie met de normale werking.

Welk type SPD wordt gebruikt in LED-verlichting?

Overspanningsbeveiligingsapparatuur (SPD's) worden voornamelijk geclassificeerd op basis van hun beschermingscapaciteit, installatielocatie en golfvormtolerantiekenmerken. Internationale normen onderverdelen ze doorgaans in drie soorten, als volgt:

Type 1 SPD

Ontworpen voor directe blikseminslag of hoge energiespanningen, geïnstalleerd op het hoofddistributiepaneel of stroomingang van een gebouw. Beschikt over een hoger spanningsbeveiligingsniveau (UP) variërend van 1,5 kV tot 4 kV, met een nominale ontlaadstroom (in) typisch tussen 12,5 kA en 200 kA.

Typische toepassingen: Locaties met een hoog risico die gevoelig zijn voor directe blikseminslag, zoals industriële installaties en communicatiebasisstations.

Type 2 SPD

Geschikt voor indirecte blikseminslag of stroomnetstoringen, geïnstalleerd in distributiepanelen of distributiekasten op vloerniveau. In is over het algemeen 5ka tot 20ka, en een stijging is meestal 1,5 kV tot 2,5 kV.

Typische toepassingen: buiten- en commerciële LED-verlichtingstoepassingen en fabrikanten van LED-signalerings- en verkeerslichten, waaronder wegverlichting, parkeerterreinverlichting, muurwassing, verkeerslichten, overstromingsverlichting, digitale bewegwijzering, straatflitsen en tunnelverlichting.

Type 3 SPF

Geschikt voor eindapparaatbescherming, geïnstalleerd aan de voorkant van apparatuur of stopcontacten. Typisch in ≤10ka. Biedt fijne bescherming (tot ≤1 kV) met snellere responstijden (nanoseconde niveau).

Typische toepassingen: vaak geïntegreerd in LED-stuurprogramma's voor lokale spanningsbeveiliging.

Algemene hoofddistributiepanelen maken gebruik van type 1 of type 2 apparaten; distributieboxen kunnen type 2 en type 3 apparaten gebruiken, waarbij type 2 en type 3 ook geschikt zijn voor back-end toepassingen.

Voor AC-toevoerleidingen die gebouwen binnenkomen, installeert u type 1 of type 2 overspanningsbeveiligingen als primaire bescherming op de grens tussen LPZ0A/LPZOB- en LPZ1-zones (bijv. bij het hoofddistributiepaneel).

Op de grenzen van volgende beschermingszones, zoals distributiepanelen in stroomdistributielijnen of elektronische apparatuurruimten, kunnen type 2 overspanningsbeveiligingen als secundaire bescherming worden geïnstalleerd. Voor apparaten zoals LED-verlichtingsarmaturen kunnen type 2 of type 3 overspanningsbeveiligingen worden geïnstalleerd vóór de voedingspoort.

Hoe kies je een overspanningsbeveiliging correct?

In elektrische toepassingen is het selecteren van een overspanningsbeveiliging een zeer complexe kwestie met factoren zoals de aardingsconfiguratie van het systeem, het niveau van de bliksembeveiliging, de kabellengte, de bescherming tussen niveaus, de stroomsterkte van de kortsluitstroom op de beschermingspunten en het aantal shuntcircuits.

Talrijke fabrikanten produceren overspanningsbeschermers in de markt. Daarom moet bij het selecteren van overspanningsbeveiligingsapparatuur speciale aandacht worden besteed aan de volgende punten:

1. Bepaal de UC-waarde

De selectie van de maximale continue bedrijfsspanning (UC) van de overspanningsbeveiliging vereist een uitgebreide overweging van de systeemspanning, apparatuur die bestand is tegen spanning en standaardspecificaties. De minimale UC-waarde moet 1,15 keer de nominale spanning zijn.

Bijvoorbeeld, in een 220V fase spanningssysteem, UC = 1,15 × 220V = 253V. Aangezien AC-netpiekspanningen 1,1 keer de RMS-waarde kunnen bereiken (253V × 1,414 = 357V, ca. 350V piek voor een 220V-systeem), moet UC deze waarde overschrijden. In praktische toepassingen wordt echter aanbevolen om een ​​hogere waarde zoals 385V te selecteren om frequente activering te voorkomen. Tegelijkertijd moet de activeringsspanning van de varistor (U1MA) overeenkomen met het bereik van de rasterfluctuatie.

2. Beschermingsniveaus selecteren

Klasse I SPD's (bijv. IIMP 100KA) worden gebruikt voor hoofdverdeling, terwijl klasse II SPD's (in 40ka) worden gebruikt voor distributiepanelen, die bescherming bieden op meerdere niveaus. De afmetingen en typen van SPD-installaties moeten voldoen aan de eisen ter plaatse. De selectierichtlijnen worden hieronder weergegeven:

Beschermingsniveau	Installatielocatie	Toepassingsscenario	Belangrijkste parameters
Type 1	Hoofddistributiepaneel	Directe blikseminslagbescherming	≥100KA (10/350μs)
Type 2	verdeleringskast	Geïnduceerde bliksem/operating surge	40ka (8/20μs)
Type 3	LED-driver voorkant	Precisie-apparatuur terminale bescherming	tot ≤1,5 kV

3. Installatiemethode

Selecteer een SPD die correct gepositioneerd en eenvoudig te installeren is op basis van de locatie van de armatuur. Aangezien SPD's doorgaans verborgen zijn in moeilijk bereikbare gebieden, zoals voor armaturen, kunnen ze bij storingen bovendien de armatuur van het circuit loskoppelen, waardoor toekomstige vervanging en onderhoud vergemakkelijkt.

4. Milieuaanpassing

Selecteer voor buitenverlichting SPD's met een IP-classificatie van IP54 of hoger. Gebruik in vochtige of stoffige omstandigheden SPD's met een hogere IP-classificatie van IP67.

5. Aardingsspecificaties

SPD moet worden geaard via een speciale PE-terminal, waarbij gedeelde grondpaden met uitgaande geleiders worden vermeden. Grondcontinuïteitsweerstandstest ≤0,1Ω.

6. Bescherming op meerdere niveaus

Overweeg naast het beschermen van 230V-voedingen ook het beschermen van besturingseenheden zoals DALI, tweede (controle) fase, 1-10V of DMX. Gecombineerde AC en controle-SPD's zijn ideaal voor deze armaturen en bieden doorgaans een beter gecoördineerde bescherming dan twee afzonderlijke SPD's.

7 Certificering en veiligheid

Selecteer SPD's met betrouwbare certificeringen zoals TUV of UL, getest om te voldoen aan de vereisten van IEC 61643-11 en VDE 0100-534.

Conclusie

Overspanningsbeveiligingsapparaten dienen als de kernbarrière voor buitenverlichtingssystemen tegen blikseminslagen en netspanningen. Door de synergetische werking van varistors en gasafvoerbuizen, leiden ze hoogspanningspieken binnen microseconden naar de aarde terwijl ze spanningen klemmen naar veilige drempels voor apparatuur.

Zonder adequate bescherming lopen LED-armaturen en hun chauffeurs het risico op onomkeerbare schade, verminderde efficiëntie en mogelijk volledig falen. Overspanningsbeveiligingsapparaten verbeteren de betrouwbaarheid van LED-straatverlichting in ruwe netomgevingen aanzienlijk, waardoor ze onmisbare beschermende componenten voor slimme stadsverlichtingssystemen zijn.