Soorten overspanningsbeveiliging: type 1, type 2 en type 3 uitgelegd

In de sterk geëlektrificeerde en gedigitaliseerde wereld van vandaag vertrouwt onze samenleving op fragiele elektronische apparaten - van smart-tv's en computers in huizen tot precisiecontrole-eenheden in industriële omgevingen.

Toch schuilt een onzichtbare dreiging binnen het elektriciteitsnet: elektrische stroompieken. Deze kunnen binnen een miljoenste van een seconde enorme schade toebrengen. Overspanningsbeveiligingsapparaten (SPD's) dienen als de kritische verdediging tegen deze dreiging. Maar niet alle SPD's zijn gelijk gemaakt.

Het begrijpen van het onderscheid tussen type 1, type 2 en type 3 SPD's is essentieel voor het bouwen van een uitgebreid en effectief overspanningsbeveiligingssysteem. Dit artikel bespreekt de rollen, standaarden en toepassingen van deze drie SPD-categorieën, waardoor u een complete gids krijgt voor het bouwen van een robuuste elektronische verdediging.

Wat is een overspanningsbeveiliging (SPD)?

Waar komen surges vandaan?

Een piek, ook wel een tijdelijke overspanning genoemd, verwijst naar een elektrische stroompuls met een astronomische duur (microseconden tot milliseconden), maar een spanningsamplitude die de normale bedrijfsniveaus ver overtreft. Het kan grofweg worden onderverdeeld in twee soorten: externe pieken en interne pieken.

Externe pieken (primaire dreiging)

a) Directe blikseminslag: Bliksemschichtige elektriciteitsnetten of nabijgelegen structuren injecteren miljoenen volts - het meest extreme scenario.

b) Geïnduceerde bliksem: vaker voor. Zelfs wanneer bliksem honderden meters verderop slaat, veroorzaakt het krachtige elektromagnetische veld overspanningen op binnenstroom- en signaallijnen, die zich vervolgens in apparatuur voortplanten.

Interne surges (frequente gebeurtenissen)

Schakelbewerkingen van krachtige apparatuur in gebouwen, zoals liften, airconditioningcompressoren en lasmachines, genereren frequente schakelende transiënten in het elektriciteitsnet. Zelfs operaties zoals fotokopieermachines en koffiemachines produceren frequente, energiezuinige transiënte overspanningen.

Het cumulatieve effect van deze golven werkt als een "miniatuurhamer" die voortdurend elektronische componenten raakt, waardoor de prestatievermindering, gegevenscorruptie en de levensduur van de apparatuur worden verminderd. Een enkele grote golfgebeurtenis is echter verwant aan een 'elektronische hartaanval', die in staat is om onmiddellijk permanente apparatuurschade te veroorzaken of zelfs brand te veroorzaken.

Surge Protective Devices (SPD's) zijn elektronische veiligheidsvoorzieningen die speciaal zijn ontworpen om deze bedreigingen het hoofd te bieden. Hun kernfuncties kunnen worden samengevat als "monitor, doorschakelen en klemmen."

Onder normale spanningsomstandigheden vertonen SPD's een hoge impedantie, zonder dat dit op het circuit wordt beïnvloed. Bij het detecteren van overspanning, gaat het over naar een lage impedantietoestand binnen nanoseconden, waardoor een veilige ontladingsbaan naar aarde wordt ingesteld voor piekstromen, terwijl de spanning over zijn klemmen (de klemspanning) wordt beperkt tot een veilig bereik binnen de tolerantie van de beschermde apparatuur.

Daarom zijn SPD's geen luxe, maar een essentieel onderdeel in elk modern elektrisch systeem dat de activa wil beschermen, bedrijfscontinuïteit wil waarborgen en gegevens wil beschermen.

Hoe werkt een SPD?

Onder normale omstandigheden heeft een SPD geen effect op het circuit en blijft het in een hoge impedantietoestand. Bij het detecteren van een gevaarlijke golf, reageert het binnen nanoseconden, en schakelt het over naar een toestand met een lage impedantie. Dit creëert een pad met een lage weerstand voor de overspanningsstroom, waarbij het snel "omleidt" naar aarde, terwijl tegelijkertijd de spanning over zijn klemmen (bekend als de klemspanning) wordt beperkt tot een veilig bereik. Dit beschermt de parallel aangesloten apparatuur tegen schade.

U kunt het visualiseren als een intelligent overdrukventiel voor hoogspanningswaterstroom, zoals hieronder weergegeven: wanneer de waterdruk normaal is, blijft de klep goed gesloten. Wanneer de druk plotseling toeneemt (surge), gaat de klep onmiddellijk open, waardoor overtollige waterstroom (surgeerstroom) vrijkomt om de veiligheid van stroomafwaartse apparatuur (uw apparaten) te garanderen.

Welke schade kan stroompieken veroorzaken aan LED-verlichtingsarmaturen?

Veel mensen gaan ervan uit dat omdat LED-verlichtingsarmaturen langdurig en energiezuinig zijn, ze inherent "duurzaam en robuust" zijn. De realiteit is echter precies het tegenovergestelde: LED-verlichtingsarmaturen zijn extreem gevoelig voor stroompieken, voornamelijk vanwege hun kerncomponent: de stroomvoorziening van de bestuurder.

1. Schade aan schakelende voedingen

Zoals hieronder wordt getoond, werken LED-chips zelf onder lage gelijkspanning (bijv. 3V) en constante stroom. De 220V wisselstroom die we dagelijks gebruiken, moet worden omgezet via een onderdeel dat een 'driver-voeding' wordt genoemd. Deze driver is in wezen een precisie-schakelvoedingsbron vol met gevoelige halfgeleidercomponenten (zoals MOSFET's, IC-controllers, gelijkrichterdiodes, enz.).

Deze halfgeleidercomponenten zijn uiterst kwetsbaar, met spanningstolerantie die ver onder die van traditionele gloeilampen of fluorescerende lampen. Zelfs een kleine spanningspiek kan ervoor zorgen dat ze kapot gaan. Daarom is een overspanningsbeveiliging van schakelende stroomvoorziening cruciaal voor het verlengen van de levensduur van verlichtingsarmaturen.

2. Brandende LED-chips

Hoge stromen kunnen direct gouddraadverbindingen verbreken of LED-chips beschadigen, waardoor de chips gedeeltelijk of volledig worden gezwollen.

3. Progressieve componentdegradatie

Dit type schade is subtieler en wijdverbreid. Herhaalde kleine stoten die de armatuur niet onmiddellijk vernietigen, veroorzaken cumulatieve schade aan zijn interne halfgeleidermaterialen. Na verloop van tijd kunnen armaturen op onverklaarbare wijze dimmen, flikkeren, kleurdrift ervaren of abnormale geluiden van de bestuurder afgeven.

De verwachte levensduur van armaturen keldert van 50.000-100.000 uur tot slechts een of twee jaar - of zelfs minder. Je zou kunnen aannemen dat je een 'ondernormaal product' hebt gekocht, maar de echte boosdoener is waarschijnlijk frequente interne pieken.

Voordelen van het toevoegen van SPD's aan verlichtingsarmaturen

LED-verlichtingsarmaturen, met name in commerciële, industriële of buitentoepassingen (zoals straatlantaarns, schijnwerpers en industriële/mijnbouwlampen), hebben aanzienlijk hogere inkoop- en installatiekosten dan traditionele armaturen. De schade aan een enkele armatuur omvat niet alleen de kosten van het vervangen van de eenheid zelf, maar ook aanzienlijke arbeidskosten voor onderhoud/vervanging, vooral in omgevingen op grote hoogte of complexe omgevingen.

De kosten van het installeren van een SPD zijn aanzienlijk lager dan de langetermijnkosten die worden gemaakt door regelmatig LED-drivers of volledige armaturen te vervangen als gevolg van overspanningsschade. Het is een cruciale beveiliging voor verlichtingsinvesteringen.

Daarom is het uitrusten van LED-verlichtingssystemen - vooral buiten-, commerciële en industriële verlichting - met overspanningsbeveiligingsapparatuur (SPDS) geen optionele luxe, maar een noodzakelijke beschermende maatregel. Het maakt het mogelijk:

• Voorkom plotselinge, kostbare storingen van de apparatuur.
• Vermijd verborgen, geleidelijke achteruitgang van de prestaties en een kortere levensduur.
• Verlaag de onderhoudskosten en verbeter de betrouwbaarheid van het verlichtingssysteem.
• Voor individuele huishoudelijke armaturen: gebruik hoogwaardige stekkerdozen met ingebouwde basisbeveiliging.

• Voor hele gebouwen of villa's: installeer type 2 SPD's in het hoofddistributiepaneel om rompbescherming te bieden voor alle huishoudelijke circuits.

• Voor LED-armaturen voor buiten (straatverlichting, landschapsverlichting) en grote fabrieks-/mall-verlichtingscircuits moeten type 2 SPD's specifiek worden geïnstalleerd voor verlichtingscircuits binnen de overeenkomstige zonedistributiepanelen. Voor bijzonder dure of kritieke armaturen, overweeg om type 3 SPD's toe te voegen in de armatuur of aan de terminal voor korrelige bescherming.

Door te investeren in SPD's, zorgt u ervoor dat uw investering in LED-verlichting zijn beloofde levensduur en hoge prestaties levert, waardoor echte waar voor uw geld wordt geleverd.

Hoe SPD-beoordeling te begrijpen?

U kunt zich afvragen: als SPD's bestaan, waarom zou u ze dan in verschillende typen categoriseren? Het antwoord is dat geen enkele SPD onafhankelijk alle soorten overspanningsbedreigingen kan afhandelen.

De energie die wordt gegenereerd door blikseminslagen verschilt enorm in omvang van die geproduceerd door interne schakeloperaties. Daarom omvat een effectieve beschermingsstrategie het opzetten van een gelaagd, synergetisch afweersysteem. Dit concept staat bekend als "energiecoördinatie" of "getierde afscheiding". Stel je het voor als het verdedigingssysteem van een kasteel:

• Type 1 fungeert als de stevige buitenmuren en poorten, ontworpen om de meest intense frontale aanvallen te weerstaan.

• Type 2: De patrouillewachten in het kasteel, die zich richten op achterblijvers die de buitenmuren en interne verstoringen doorbreken.

• Type 3: De persoonlijke bewakers bij de slaapkamerdeur van de koning, die de laatste en meest verfijnde beschermingslaag bieden.

Pas wanneer deze drie verdedigingslijnen samenwerken, kan het kasteel (uw elektrisch systeem) de meest uitgebreide bescherming krijgen.

Type 1 SPD: de eerste verdedigingslinie tegen externe pieken

Type 1 SPD's zijn de hoogst gewaardeerde apparaten, ontworpen om delen van bliksemstromen veroorzaakt door directe aanvallen door te leiden. Volgens internationale standaarden (bijv. IEC 61643-1) moeten ze bestand zijn tegen testen met een 10/350 µs gesimuleerde bliksemstroomgolfvorm. Deze golfvorm vertegenwoordigt de immense energie van een directe blikseminslag, met een extreem lange duur die apparatuur aan ernstige stress onderwerpt. Installatielocatie: geïnstalleerd binnen de hoofddistributieraad van het gebouw (MDB), meestal op het ingangspunt van de stroomvoorziening.

Kenmerken: Ontlaadt enorme bliksemstromen (vaak tientallen kiloampères). Het primaire doel is niet om de spanning te beperken tot zeer lage niveaus, maar om de meest dodelijke eerste staking veilig te "absorberen".

Typische componenten: Gebruikt doorgaans vonkspleten of gasafvoerslangen, omdat deze componenten extreem hoge energie-invloeden kunnen weerstaan.

Toepasselijke scenario's: voornamelijk gebruikt in gebouwen die zijn uitgerust met externe bliksembeveiligingssystemen (bijv. bliksemafleiders) of die worden geleverd door bovengrondse hoogspanningslijnen. Het vormt de basis van het hele overspanningsbeveiligingssysteem.

Type 2 SPD: primaire bescherming, bescherming van distributiesystemen

Type 2 SPD's zijn de meest gebruikte SPD's en dienen als het primaire beschermingsniveau in overspanningsbeveiligingssystemen. Ze worden getest met behulp van een stroomgolfvorm van 8/20 µs, die simuleert reststroompieken die worden overgedragen nadat ze zijn beperkt door type 1 SPD's, evenals overspanningen die worden gegenereerd door interne schakelbewerkingen.

Installatielocatie: geïnstalleerd binnen subdistributieborden om bescherming te bieden voor specifieke vloeren, zones of belastingsgroepen.

Kenmerken: Verdere limieten overspanningen en ontladingsstroompiekstromen die niet volledig worden afgehandeld door type 1 SPD's, samen met intern gegenereerde pieken. Het beperkt de spanning tot niveaus die veilig zijn voor de meeste huishoudelijke en commerciële apparaten (bijv. onder de apparatuur die door spanningswaarden kan worden gehaald).

Typisch apparaat: Meestal een metaaloxidevaristor (MOV) vanwege de uitstekende responssnelheid en klemspanningseigenschappen.

Toepassingsscenario: Een bijna onmisbaar beschermingsapparaat in alle elektrische installaties. In kleine gebouwen zonder externe bliksembeveiligingssystemen kan het zelfs dienen als de eerste bescherming.

Type 3 SPD: Precisiebescherming voor eindapparaten

Type 3 SPD levert het meest verfijnde beschermingsniveau, speciaal ontworpen voor het beschermen van zeer gevoelige of dure eindapparaten. Het wordt getest met behulp van samengestelde golven (1,2/50 µs spanningsgolf & 8/20 µs stroomgolf), met aanzienlijk lagere teststroomwaarden dan type 2.

Type 3 SPD onderdrukt verder kleine overspanningen die de eerste twee beschermingsniveaus omzeilen. Hoewel ze weinig energie hebben, kunnen deze spanningspieken de levensduur van de apparatuur verslechteren of gegevenscorruptie veroorzaken door langdurige accumulatie. Het mag nooit alleen worden gebruikt en moet stroomafwaarts van een type 2 SPD worden geïnstalleerd.

Installatielocaties:

– aan de kant van de uitrusting, inclusief stopcontacten met SPD-functionaliteit (bijvoorbeeld enkele geavanceerde stekkerdozen).

– Toegewezen plug-in SPD's.

– Ingebedde SPD-modules in apparatuur.

Combinatie-een: Type 2+3 Combinatie-SPD's zijn ook op de markt verkrijgbaar. Deze integreren beide beveiligingsniveaus in één module, wat een handige en efficiënte oplossing biedt voor scenario's waarin het installeren van meerdere standalone SPD's onpraktisch is.

Hoe u uw SPD-systeem selecteert en implementeert?

Het selecteren van de juiste SPD en het bouwen van een gecoördineerd systeem is cruciaal in omgevingen die vatbaar zijn voor frequente blikseminslagen of aanzienlijke stroomfluctuaties. Een goede SPD-selectie en -installatie voorkomt niet alleen dure reparaties, maar zorgt ook voor continuïteit in de productie en het dagelijks leven, waardoor het een technische beslissing is die uitgebreide aandacht vereist.

Beoordeel eerst de omgeving van uw gebouw: blikseminslagfrequentie, isolatiestatus, bovengrondse of ondergrondse stroomvoorziening, aanwezigheid van bliksemafleiders in de structuur en de waarde en gevoeligheid van interne apparatuur. Dit bepaalt of u type 1 bescherming nodig heeft of dat een type 2+3 combinatie voldoende is.

• Volg het hiërarchische principe:

– Gebouwen met externe bliksembeveiliging of risicozones: implementeer een complete architectuur van type 1 → type 2 → type 3.

– Standaard commerciële of residentiële gebouwen: installeer ten minste een type 2 SPD bij de hoofdingang van de dienst en supplement met type 3 SPD's op kritieke uitrustingspunten.

– Kleine gebouwen of appartementen: installeer een krachtige type 2 SPD binnen het servicepaneel en gebruik type 3 overspanningsbeveiligingen voor waardevolle apparatuur.

• Voltage beschermingsniveau (UP)piepsel Dit vertegenwoordigt de klemspanning van de SPD. Lagere waarden duiden op een betere bescherming. Zorg ervoor dat UP onder de weerstand van de spanningsklasse van beschermde apparatuur.

• Nominale afvoerstroom (IN) en maximale ontladingsstroom (IMax): Deze geven het vermogen van de SPD om overspanningsstromen te verdrijven. Hogere waarden duiden op een grotere veerkracht.

• Voor type 1 SPD's, focus op de impulsstroom (IIMP).

• Zorg voor een goede installatie: SPD-prestaties zijn sterk afhankelijk van de installatie. Het minimaliseren van de lengte van de aardleads is van cruciaal belang, omdat te lange leads geïnduceerde spanning genereren die de bescherming aanzienlijk verslechtert. Gebruik speciale gereedschappen of rails om de SPD rechtstreeks en met minimale lengte aan te sluiten op het aardingssysteem.

• Onderhoud en levensduur: SPD's zijn verbruiksartikelen. Bijzonder MOV-gebaseerde SPD's degraderen geleidelijk na herhaalde piekgebeurtenissen. Selecteer SPD's met signaalcontacten op afstand of visuele alarmvensters om hun status te controleren en tijdige vervanging te vergemakkelijken.

Het selecteren van het juiste SPD-type en het bouwen van een gecoördineerd beveiligingssysteem zijn de sleutel tot het waarborgen van de veiligheid van elektrische apparatuur en het verlengen van de levensduur. Als u hun onderscheidingen en onderlinge verbindingen begrijpt, kunt u een echt robuuste "elektronische verdedigingslijn" voor uw huis of bedrijf vaststellen. De bijlage biedt referentieparameters voor het selecteren van verschillende SPD-typen:

Aanbevolen waarden voor overspanningsstroom en nominale ontlaadstroomparameters van stroomlijnoverspanningsbeveiligingen

Conclusie

Samenvattend vervullen type 1, type 2 en type 3 SPD's elk verschillende rollen, waardoor een gelaagd afweersysteem wordt gevormd van macro- tot microniveaus. Investeren in een goed ontworpen overspanningsbeveiligingssysteem gaat niet alleen over het beschermen van hardware, maar ook over een strategische investering in gegevensbeveiliging, bedrijfscontinuïteit en de bescherming van levens en eigendommen. Door hun respectievelijke functies te begrijpen en synergetisch in te zetten, kunt u een robuuste barrière voor uw elektronische activa opbouwen tegen onvoorspelbare elektrische bedreigingen.