Kompletny przewodnik po urządzeniach ochronnych do oświetlenia ulicznego LED

Kierowane globalną oszczędzaniem energii, redukcją emisji i inteligentnym rozwojem miast, światła uliczne LED stały się głównym wyborem dla dróg miejskich, parków przemysłowych, autostrad i oświetlenia infrastruktury publicznej. W porównaniu z tradycyjnymi wysokociśnieniowymi lampami sodowymi i lampami metalohalogenkowymi, światła uliczne LED oferują znaczące korzyści w zakresie efektywności energetycznej, żywotności i inteligentnej kontroli światła. Jednak w praktycznych zastosowaniach inżynierskich długo nieocenione, ale bardzo destrukcyjne ryzyko nadal podważa stabilność systemów oświetlenia ulicznego LED – przepięć elektrycznych i przepięć piorunów.

Liczne przypadki inżynieryjne pokazują, że wczesne awarie latarni ulicznych LED nie są spowodowane przez same chipy LED, ale raczej wpływem przepięć na systemy wejściowe zasilania lub sterowania. W konsekwencji urządzenia przeciwprzepięciowe (SPD) ewoluowały od „konfiguracji opcjonalnych” do „obowiązkowych komponentów technicznych”.

W tym artykule systematycznie analizowano zasady działania, kryteria wyboru, standardy instalacji i wartość ekonomiczną SPD do latarni ulicznych LED Z perspektywy praktyki inżynierskiej, zapewniając kompleksowe wskazówki techniczne dla projektów oświetleniowych.

Dlaczego światła uliczne LED muszą być wyposażone w urządzenia zabezpieczające przed przepięciami

Systemy LED Street Light składają się z modułów źródła światła LED, sterowników i jednostek sterujących, z podstawowymi komponentami w dużej mierze zależnymi od urządzeń półprzewodnikowych. W porównaniu z indukcyjnymi źródłami światła, takimi jak tradycyjne wysokociśnieniowe lampy sodowe, oświetlenie uliczne LED zatrudnia niskonapięciowe zasilacze przełączające o wysokiej częstotliwości. Ta struktura znacznie zmniejsza ich tolerancję na przejściowe przepięcia i skoki napięcia, co wymaga skutecznej ochrony przed przepięciami.

Z perspektywy środowiskowej światła uliczne LED działają stale w bardzo odsłoniętych zewnętrznych ustawieniach elektrycznych. Oświetlenie dróg komunalnych zazwyczaj opiera się na napowietrznych lub długodystansowych liniach energetycznych, obejmujących setki metrów lub więcej od szaf rozdzielczych po słupy oświetleniowe. W regionach o częstej aktywności wyładowań atmosferycznych systemy te są bardzo podatne na indukowaną energię błyskawicy. Nawet bez bezpośredniego uderzenia intensywne pola elektromagnetyczne mogą generować przejściowe wysokie napięcia w liniach energetycznych, które następnie rozchodzą się wzdłuż linii do opraw.

Dodatkowo wysoka wysokość i metaliczna konstrukcja słupów ulicznych sprawiają, że są one podatne na sprzężenie energetyczne z systemami uziemiającymi podczas burzy, co stawia je na czele uderzeń przepięciowych. Ponadto systemy oświetlenia drogowego często wykorzystują scentralizowane sterowanie, w którym liczne światła synchronicznie włączają się/wyłączają o zachodzie i wschodzie słońca. To częste przełączanie obciążeń dużej mocy wielokrotnie generuje przepięcia w sieci, poddając sterowniki LED ciągłym uderzeniu.

Bez ochrony przed przepięciami, najczęstsze awarie w projektach obejmują częste uszkodzenia zasilania kierowcy, przyciemnione lub migotające oprawy, zlokalizowane awarie modułów LED oraz awarie partii opraw wzdłuż tej samej sekcji. Analiza awarii wskazuje, że uszkodzenia są głównie skoncentrowane w fazie wejściowej zasilania i urządzeniach przełączających, wykazując typowe charakterystyki uderzenia przepięciowego.

Dlatego można wyraźnie określić, że problem nie tkwi w samych diodach LED, ale w braku systematycznej konstrukcji ochrony przed przepięciami.

W dzisiejszych środowiskach operacyjnych na zewnątrz urządzenia przeciwprzepięciowe (SPD) nie są już opcjonalnymi komponentami zwiększającymi niezawodność. Są to podstawowe wymagania, aby zapewnić, że oświetlenie uliczne LED osiągają zaprojektowaną żywotność i minimalizują ryzyko operacyjne i konserwacyjne.

Podstawowe źródła przepięć w systemach oświetlenia ulicznego LED

Skoki, jakich doświadczają światła uliczne LED, pochodzą nie tylko z bezpośrednich uderzeń pioruna. W praktyce inżynierskiej wynikają przede wszystkim z następujących scenariuszy:

• Bezpośrednie uderzenia pioruna i wywołane piorunami: Uderzenia pioruna mogą natychmiast generować dziesiątki kiloamperów prądu. Nawet gdy punkt uderzenia jest odległy od słupa świetlnego, przepięcia mogą przedostać się do linii zasilania przez indukcję.

• Skoki operacyjne sieciowe: Przełączanie transformatora, cykle uruchamiania/zatrzymywania urządzeń dużej mocy oraz operacje kompensacji mocy biernej mogą generować przejściowe przepięcia w sieci.

• Efekty długodystansowych linii energetycznych: Miejskie latarnie uliczne zazwyczaj wykorzystują kable dalekobieżne do zasilania. Te linie działają jak „anteny”, co czyni je bardzo podatnymi na wywoływanie energii błyskawicy.

• Nieodpowiednie systemy uziemienia: Zbyt wysoka rezystancja uziemienia lub niewłaściwe konfiguracje uziemienia mogą wzmocnić niszczycielski wpływ przepięć na sprzęt.

Jak działa urządzenie przeciwprzepięciowe w lampach ulicznych LED?

Podstawową funkcją SPD nie jest „blokowanie” przepięć, ale omijanie i rozładowywanie energii przepięć do ziemi w bardzo krótkim czasie, ograniczając w ten sposób amplitudę napięcia wchodzącego do urządzenia.

Jak pokazano na rys. 1, w normalnych warunkach zasilania SPD pozostaje w stanie wysokiej rezystancji, co odpowiada otwartemu przełącznikowi, bez wpływu na działanie systemu. Jak pokazano na rys. 2, gdy występuje przepięcie (czerwona strzałka reprezentuje przepięcie), a napięcie przekracza ustawiony próg, wewnętrzne nieliniowe komponenty SPD szybko przewodzą, co odpowiada zamykaniu i zwarciu przełącznika. To kieruje prąd udarowy do systemu uziemiającego, chroniąc w ten sposób światło uliczne LED przed uszkodzeniem. Po zniknięciu przepięcia SPD automatycznie powraca do stanu o wysokiej rezystancji, co odpowiada otwartemu przełącznikowi i pozostaje w trybie gotowości.

Ten tryb pracy „natychmiastowe przewodnictwo i automatyczne odzyskiwanie” sprawia, że SPD jest niezbędnym elementem ochrony biernej w systemach oświetlenia ulicznego LED.

Wielopoziomowa ochrona przed przepięciami i projekt obrony wewnętrznej dla lamp ulicznych LED

W projektach oświetleniowych o wysokiej niezawodności pojedynczy SPD jest niewystarczający do rozwiązania złożonych środowisk przepięciowych. Dojrzałe rozwiązania ochrony przed przepięciami światła uliczne zazwyczaj wykorzystują wielopoziomową architekturę obronną:

Ochrona poziomu 1: Zainstalowany w szafie rozdzielczej lub podstawie słupa świetlnego, aby wytrzymać wysokie przepięcia z wysokim poziomem energii.

FDS20C/2-275 klasa II
Oznaczenie: Typ 2
Klasyfikacja: Klasa II
Tryb ochrony: L1, L2, L3-PE
Napięcie nominalne un: 230/400 VAC/50(60)Hz
maks. Ciągłe napięcie robocze UC (L-N): 275 VAC/50(60)Hz
Wytrzymałość zwarciowa: 20 ka
Ciągły prąd pracy IC: <20 µA
Pobór mocy w trybie gotowości PC: ≤25 MVA
Maksymalny prąd rozładowania (8/20 μs) Imax: 40 ka
Nominalny prąd rozładowania (8/20 μs) W: 20 ka
Poziom ochrony napięcia: ≤1,3 kV
Odporność na izolację: ＞1000 MΩ
Materiał obudowy: UL94V-0
Stopień ochrony: IP20

Uzyskaj wycenę

Ochrona poziomu 2: Umieszczone na wejściu mocy opraw oświetleniowych w celu powstrzymania przepięć resztkowych.

SPD03-AC275-P/AG ClassII+III
Oznaczenie: Typ 2+3
Klasyfikacja: Klasa III
Tryb ochrony: L-N , N-PE ,L-PE
Znamionowe napięcie wejściowe UN(L-N): 230VAC, 50/60Hz
maks. Ciągłe napięcie robocze UC (L-N): 275VAC, 50/60Hz
Maksymalny prąd rozładowania (8/20 μs) Imax: 6 ka
Nominalny prąd rozładowania (8/20 μs) W: 3 ka
Poziom ochrony napięcia: L-N ≤1,3 kV, L(N)-PE ≤1,5 kV
Napięcie obwodu otwartego UOC: 6 kV
Bezpiecznik zapasowy: 16A
Materiał obudowy: UL94V-0
Stopień ochrony: IP20

Uzyskaj wycenę

Ochrona poziomu 3: Zintegrowane ze sterownikami LED lub modułami sterującymi dla ochrony granulowanej.

Ta wielopoziomowa konstrukcja ochronna znacznie zmniejsza obciążenie poszczególnych SPD, jednocześnie zwiększając ogólną stabilność systemu.

Kluczowe parametry techniczne do wyboru SPDS LED ulicznych LED

Podczas selekcji inżynierskiej parametry techniczne SPD bezpośrednio determinują skuteczność ochrony, w tym przede wszystkim:

• UC (maksymalne ciągłe napięcie robocze): Musi przekraczać napięcie znamionowe systemu
• W / Imax (nominalny / maksymalny prąd rozładowania): Odzwierciedla zdolność absorpcji energii SPD Surge
• W górę (poziom ochrony napięcia): Niższe wartości zapewniają skuteczniejszą ochronę sprzętu.
• Czas odpowiedzi: Zazwyczaj wymagane na poziomie nanosekund
• Tryby ochrony: kombinacje takie jak L-N, L-PE, N-PE itp.

W przypadku oświetlenia ulicznego LED niska wartość i szybkość reagowania są szczególnie krytyczne.

Połączenia szeregowe i równoległe: wybór metod połączeń SPD

Poniżej znajdują się dwa najpopularniejsze schematy elektryczne do instalowania SPD w oświetleniach ulicznych, sklasyfikowane jako połączenia szeregowe i równoległe:

W systemach oświetleniowych SPD są prawie wyłącznie połączone równolegle. Zalety to:

• Brak wpływu na normalne zasilanie opraw oświetleniowych
• Brak przerw w oświetleniu, jeśli SPD nie działa
• Łatwiejsza instalacja i konserwacja
• Podczas gdy połączenie szeregowe teoretycznie ogranicza prąd, jest rzadko używane w systemach oświetlenia ulicznego i jest zarezerwowane dla określonych projektów zasilaczy.

Różnice między AC SPD i DC SPD

Podstawowe rozróżnienie między SPD i DC SPD polega na różnych typach prądów, które chronią, co bezpośrednio określa ich zasady działania, tryby awarii i scenariusze aplikacji. Mówiąc najprościej, AC SPD jest używany w systemach AC, podczas gdy DC SPD jest specjalnie zaprojektowany dla systemów DC.

Tabela statystyczna różnic między AC SPD i DC SPD

• Zasada działania i struktura obwodu: AC AC wykorzystują naturalne wygaszanie łuku w punkcie przejścia przez zero prądu przemiennego, wykorzystując MOV lub GDT. Wymagają kompatybilności z wielomodową ochroną dla linii L, N i PE oraz zawierają mechanizmy wyzwalania termicznego. DC SPD nie mają punktu przejścia przez zero, co wymaga telewizora dwukierunkowego lub wygaśnięcia łuku wielostopniowego. Wykorzystują wielostopniowe MOV połączone szeregowo, aby zmniejszyć napięcie resztkowe i cechować się aktywnymi obwodami wyłączania.

• Różnice w trybie awarii: Awaria AC SPD objawia się jako zwiększony prąd upływu, automatycznie izolowany przez wyzwalanie termiczne. DC SPD, podatne na trwałe zwarcia z powodu trudnego wygaśnięcia łuku, wymagają dedykowanej ochrony przed DC MCCB.

• Scenariusze zastosowań: AC AC są stosowane w systemach AC, takich jak panele rozdzielcze budynków i urządzenia końcowe. DC SPD są używane w systemach fotowoltaicznych, stacjach ładowania i szynach zbiorczych nowej energii DC. Na przykład skrzynki łączników fotowoltaicznych wymagają 1000 VDC SPD, podczas gdy strona AC falowników wymaga 385 VAC SPD.

• wybór: AC AC wymaga przenoszenia prądu w oparciu o klasyfikację budynku, z rezystancją uziemienia ≤1 Ω DC DC musi odpowiadać maksymalnemu ciągłemu napięcia roboczego i polaryzacji, uwzględniając efekty PID - np. system 1000V wymaga 1200 VDC SPD.

Jak wybrać odpowiednie urządzenia zabezpieczające przed przepięciami do projektów oświetlenia ulicznego

kiedy Wybór SPD W przypadku projektów inżynieryjnych należy kompleksowo rozważyć następujące czynniki:

• Gęstość pioruna w lokalizacji projektu
• Wysokość słupa i gęstość rozmieszczenia
• Indywidualna moc lampy i całkowite obciążenie systemu
• Obecność inteligentnych modułów sterowania i komunikacyjnych

W przypadku wyładowań wysokiego ryzyka lub krytycznych dróg zalecane są produkty SPD o pojemności zrzutu nie mniejszej niż 10 kA–20 kA.

Najlepsze praktyki instalacyjne urządzeń zabezpieczających przed przepięciami w lampach ulicznych LED

Nawet przy wysokowydajnych SPD nieprawidłowa instalacja może znacznie zmniejszyć skuteczność ochrony. Praktyki inżynierskie powinny być zgodne z tymi zasadami:

• Zminimalizuj odległość między SPD a chronionym sprzętem.
• Upewnij się, że przewody uziemiające są „krótkie, proste i grube”.
• Unikaj formowania pętli lub niepotrzebnych zagięć.
• Regularnie sprawdzaj wskaźniki awarii SPD.
• Właściwe praktyki instalacyjne często przynoszą większe korzyści praktyczne niż tylko zwiększenie parametrów SPD.

Korzyści ekonomiczne urządzeń zabezpieczających przed przepięciami w lampach ulicznych LED

Podczas gdy SPD zwiększają początkowe koszty materiałów, ich korzyści ekonomiczne są znaczne, gdy są oceniane w całym cyklu życia:

• Znacznie redukuje wskaźniki awarii oświetlenia ulicznego LED
• Zmniejsza częstotliwość konserwacji i wymiany
• Zapobiega naprawom na dużą skalę i reklamacjom klientów
• Zwiększa ogólną niezawodność projektu i reputację marki

W większości projektów komunalnych koszty SPD zazwyczaj odpowiadają za mniej niż 11 TP3T całkowitych wydatków na system oświetlenia, jednocześnie zmniejszając ryzyko awarii o ponad 30%.

Częste błędne przekonania w aplikacjach SPD LED Street Light

Następujące kwestie są szczególnie rozpowszechnione w rzeczywistych projektach:

• Niedopasowany wybór wartości znamionowej napięcia SPD
• Zaniedbanie jakości systemu uziemiającego
• Nadmierna odległość między SPD a obciążeniem
• Koncentrując się wyłącznie na ochronie AC, ignorując ochronę DC
• Błędy te często powodują, że SPD nie są skuteczne, co uniemożliwia im zapewnienie odpowiedniej ochrony.

Wniosek

W miarę jak oświetlenie uliczne LED ewoluuje w kierunku wyższej mocy, inteligencji i integracji systemów, zapotrzebowanie na bezpieczeństwo elektryczne i stabilność wciąż rośnie. Urządzenia ochrony przed przepięci Nie są już opcjonalnymi dodatkami, ale podstawowymi podstawami technicznymi zapewniające długotrwałą niezawodną pracę lamp ulicznych LED.

Dzięki doborowi naukowego SPD, architekturze racjonalnej ochrony i znormalizowanej instalacji, projekty oświetleniowe mogą nie tylko skutecznie obniżyć wskaźniki awaryjności, ale także znacznie zwiększyć ogólną wartość projektu i konkurencyjność rynkową. W przypadku projektów oświetlenia ulicznego LED, które prowadzą długotrwałą stabilną pracę, ochrona przeciwprzepięciowa stała się niezbędnym elementem krytycznym.

Najczęściej zadawane pytania