Urządzenia zabezpieczające przed przepięciami: kompletny przewodnik techniczny

Podczas pracy chwilowe wysokie napięcia (chrześci) w zasilaczach przełączających LED działają jak niewidoczne „obecne zabójcy”, potencjalnie nagle wynikające z uderzeń piorunów, przełączania sieci, rozruchów/zatrzymań silnika i podobnych operacji.

Chociaż te przepięcia trwają tylko ułamek sekundy (zazwyczaj od milisekund do mikrosekund), ich szczytowe napięcia mogą osiągnąć dziesiątki, a nawet setki razy normalne napięcie – wystarczające do przełamania lub wypalenia komponentów półprzewodnikowych, powodując nieodwracalne uszkodzenia.

Ochrona przeciwprzepięciowa służy jako „linia ratunkowa” dla opraw oświetleniowych LED przed niestabilnością sieci i uderzeniami pioruna. Dlatego też wybór odpowiedniego zasilacza sterownika jest bardzo ważny. W razie potrzeby do osprzętu należy dodać zabezpieczenia przeciwprzepięciowe.

W tym artykule przedstawiono kompleksową analizę zabezpieczeń przeciwprzepięciowych, obejmujących zasady techniczne, zastosowania inżynieryjne i techniki instalacji.

Co to jest urządzenie zabezpieczające przed przepięciami do świateł LED?

Co to jest ochrona przeciwprzepięciowa? Mówiąc najprościej, zabezpieczenie przeciwprzepięciowe „rozładowuje” nagłe nadmierne napięcia (napięcia) w obwodzie, zapobiegając uszkodzeniu systemu oświetleniowego. Działa jak „zawór bezpieczeństwa” w obwodzie: gdy napięcie przekracza limity, szybko przewodzi prąd, a następnie wraca do stanu otwartego, gdy napięcie powróci do normalnego, zapewniając, że oprawy LED zawsze działają w bezpiecznych zakresach napięcia.

Ochrona przeciwprzepięciowa dotyczy przede wszystkim dwóch typowych scenariuszy „przepięć napięcia”: przepięć piorunów, wymagających SPD typu I i typu II oraz przepięć przełączających generowanych przez uruchomienia i wyłączenia urządzeń przemysłowych, co wymaga ochrony SPD ograniczającej napięcie. Oba zasadniczo przechwytują napięcia przekraczające zakres tolerancji urządzenia, zapewniając kompleksową ochronę urządzeń elektrycznych.

Podsumowując, zabezpieczenia przeciwprzepięciowe służą dwóm celom: zapobieganiu nagłym wysokim napięciom przed uszkodzeniem sprzętu i łagodzenie częstych drobnych przepięć, które przyspieszają starzenie, zapewniając w ten sposób kompleksową ochronę systemów oświetlenia LED.

Aby uzyskać więcej informacji na temat urządzeń przeciwprzepięciowych w aplikacjach oświetleniowych LED, przeczytaj na blogu: „Urządzenia zabezpieczające przed przepięciami (SPD) do oświetlenia LED: Kompletny przewodnik do zastosowań wewnętrznych i zewnętrznych.”

Jakie są rodzaje urządzeń zabezpieczających przed przepięciami?

Klasyfikowane według zasady działania:

a) przełączanie napięcia SPD

Wysoka impedancja podczas normalnej pracy; gwałtownie przesuwa się na niską impedancję podczas przepięć napięcia, umożliwiając wysoki przepływ prądu. Znany również jako „przełącznik z krótkim obwodem typu SPD”. Zazwyczaj wykorzystuje jako komponenty szczeliny wyładowcze, rury wyładowcze gazowe, tyrystory lub prostowniki sterowane krzemem. Te zabezpieczenia przeciwprzepięciowe są również określane jako „typ Croba” ze względu na ich nieciągłe charakterystyki napięcia-prądu.

b) ograniczające napięcie SPD

Wykazuje wysoką impedancję przy braku przepięć. Impedancja stale spada wraz ze wzrostem prądu udarowego i wzrostu napięcia. Komponenty zazwyczaj obejmują warystory i diody tłumiące. Znane również jako zabezpieczenia przeciwprzepięciowe typu „Clamping-Typ”. Charakteryzuje się ciągłymi charakterystykami prądu napięci

c) Połączone SPD

Zabezpieczenie przeciwprzepięciowe łączące elementy przełączające napięcie i ograniczające napięcie. Jego charakterystyka może przejawiać się jako przełączanie napięcia, ograniczenie napięcia lub jedno i drugie, w zależności od zastosowanego profilu napięcia.

Kompozytowe zabezpieczenia przeciwprzepięciowe mogą tłumić napięcia udarowe przekraczające 6 kV do poniżej dwukrotnego maksymalnego napięcia roboczego systemu w jednej operacji. Jednostki trójfazowe mogą tłumić do 800V, podczas gdy jednostki jednofazowe mogą tłumić poniżej 600 V. W przeciwieństwie do tego, modułowe ograniczniki przepięć wymagają trzech poziomów ochrony (klasa B, C i D), aby osiągnąć tłumienie około 1000V.

Klasyfikacja według aplikacji:

Na podstawie aplikacji SPD można podzielić na dwa typy: SPD linii energetycznej i SPD linii sygnałowych.

Skład urządzenia zabezpieczającego przed przepięciami

Konstrukcja zabezpieczająca przepięciową składa się przede wszystkim z następujących elementów:

• Warystor tlenku metalu (MOV): Podstawowy element ochronny przeciwprzepięciowej, wykonany z materiałów takich jak tlenek cynku. Gdy w obwodzie występuje przepięcie, MOV szybko przechodzi w stan przewodzący, pochłaniając energię przepięcia i przekierowując ją na ziemię.

• Ochrona Cobwód Board: Znajduje się wewnątrz ochronnika przeciwprzepięciowego, kontroluje i monitoruje zmiany prądu i napięcia. Zazwyczaj składa się z układów scalonych, umożliwia automatyczne przełączanie i resetowanie zabezpieczenia przeciwprzepięciowego.

• stacja końc Bzamek: Podłącz zabezpieczenie przeciwprzepięciowe do obwodu, zwykle z dwoma zaciskami — jeden dla mocy wejściowej, a drugi dla mocy wyjściowej.

• budownictwo mieszka: Chroni wewnętrzne elementy zabezpieczenia przeciwprzepięciowego, zwykle wykonane z materiału izolacyjnego, aby zapobiec porażeniu prądem i innym zagrożeniom.

Różnice między SPD a zwykłymi bezpiecznikami i obwodami filtracyjnymi

Różnice między SPD a bezpiecznikami

‌Spd‌ : specjalnie zaprojektowany do rozpraszania przejściowych prądów udarowych (np. uderzenia pioruna, przełączanie sieci). Kanauuje skoki wysokiego napięcia do uziemienia za pomocą elementów, takich jak warystory tlenku metalu (MOV) lub rury wyładowcze gazu (GDT), zabezpieczając sprzęt przed natychmiastowymi uszkodzeniami wysokiego napięcia.

fenomen‌ : Zaadresuj tylko trwałe przeciążenia lub prądy zwarciowe poprzez przerwanie obwodu poprzez topienie. Nie mogą poradzić sobie z przepięciami na poziomie nanosekund.

Czas odpowiedzi SPD waha się od nanosekund do mikrosekund (np. nanosekund dla MOV, mikrosekund dla GDT), podczas gdy bezpieczniki wymagają milisekund do przepalenia, co nie pozwala na zabezpieczenie wrażliwego sprzętu w czasie. Zdegradowane SPD mogą wyciekać prąd lub zwarcie, co wymaga użycia z bezpiecznikami (nie wyłączników), aby zapobiec zagrożeniom prądu znikania; przepalone bezpieczniki wymagają wymiany, ale nie stanowią późniejszych problemów.

Różnice między SPD a obwodami filtrów

‌Spd‌ : Chroni przed przejściowymi wysokimi napięciami (poziom KV), takimi jak uderzenia pioruna lub przepięcia.

Obwody filtrujące‌: Usunąć trwały szum o wysokiej częstotliwości (kHz-MHz), taki jak zakłócenia elektromagnetyczne w zasilaczach.

SPD działają poprzez rozładowanie lub napięcie zaciskowe (np. MOV przewodzą powyżej 600V); obwody filtracyjne wykorzystują cewki indukcyjne i kondensatory do tworzenia sieci dolnoprzepustowych, stopniowo tłumiąc szum. SPD chronią przed uderzeniami piorunów i przepięć sieci energetycznej; obwody filtrujące obsługują aplikacje wymagające dużej czystości mocy, takie jak sprzęt medyczny i systemy komunikacyjne.

Tabela porównań podsumowań

Funkcja	spd	zjednoczyć	‌filtr obwód
‌podstawowa funkcja‌	Przepięcia przejściowe rozładowania	Ochrona przed przeciążeniem/zwarciem	Filtr szumów o wysokiej częstotliwości
Czas odpowiedzi	Zakres nanosekund-mikrosekund	Zakres milisekund	praca ciągła
‌Typowe komponenty‌	MOV, GDT, TVS2	bezpiecznik metalowy	Induktory, kondensatory
Ryzyko związane z niepowodzeniem	Potencjalny wyciek lub zwarcie	Wymaga wymiany	Degradacja wydajności

Jak pokazano w powyższym porównaniu, SPD, bezpieczniki i obwody filtrujące pełnią odrębne role w systemach zasilania. Ich skoordynowane użycie jest niezbędne do osiągnięcia kompleksowej ochrony.

Zasada działania urządzeń zabezpieczających przed przepięciami

W normalnych warunkach ochrona przeciwprzepięciowa ma stan otwartego obwodu do masy w obwodzie, co oznacza stan wysokiej rezystancji. Ta charakterystyka o wysokiej rezystancji minimalizuje jej wpływ na obwód. Działa jak przełącznik, pozostając otwarty, gdy nie jest potrzebny, aby zapewnić normalne działanie obwodu bez zakłóceń. jak pokazano na rysunku 1 poniżej.

Gdy w głównym obwodzie występuje przejściowe wysokie napięcie, na przykład podczas uderzenia pioruna, zabezpieczenie przeciwprzepięciowe reaguje natychmiast. W tym przejściowym stanie przepięcia, zabezpieczenie przeciwprzepięciowe zachowuje się jak stan niskiej rezystancji. Jego wewnętrzne elementy (np. warystor, rury wyładowcze) szybko przechodzą ze stanów o wysokiej rezystancji do stanów o niskiej rezystancji, tworząc ścieżkę przewodzącą. Natychmiast kieruje prąd udarowy i ogranicza napięcie udarowe do bezpiecznego poziomu, chroniąc w ten sposób obwód i sprzęt przed uszkodzeniem. Jak pokazano na rysunku 2.

Jak pokazano na rysunku 2, zabezpieczenie przeciwprzepięciowe odgrywa krytyczną rolę ochronną podczas przejściowych zdarzeń przepięć. Działa jak bariera, osłaniając zasilacz i oprawy oświetleniowe przed wpływem przepięć.

Dlaczego ochrona przed przepięciami ma znaczenie dla systemów oświetleniowych LED?

Ochrona przed przepięciami ma kluczowe znaczenie dla systemów oświetlenia LED z następujących głównych powodów:

1. Czułość LED na przepięcia

Jako urządzenia półprzewodnikowe, diody LED mają napięcia przewodzenia tylko kilka woltów i wykazują bardzo słabą odporność na przepięcia, szczególnie słabą tolerancję napięcia wstecznego. Przejściowe przepięcia (dosięgające tysiące woltów) w wyniku uderzeń pioruna lub przełączania sieci mogą bezpośrednio uszkodzić chipy lub sterowniki LED, powodując natychmiastową awarię lub utajone uszkodzenia.

2. Różnorodne źródła przepięć

• Indukcja błyskawicy‌ : Wyładowanie prądu piorunowego powoduje nagłe przepięcia potencjału gruntu, wchodząc do opraw przez linie zasilania/sygnału.

• Operacje sieciowe‌: rozdzielnica, zwarcia itp. generują przepięcia przejściowe.

• Elektrostatyczny INterferencja: Elektryczność statyczna (>10kV) zgromadzona na metalowych obudowach może zepsuć obwody sterownika.

3. Konsekwencje uszkodzenia przepięć

Zdarzenia przepięć nie tylko przyspieszają starzenie się źródła światła LED (zmniejszona skuteczność świetlna), ale mogą również powodować awarie kaskadowe: pojedyncze zwarcie LED przenosi spadek napięcia na sąsiednie diody LED, przyspieszając wypalenie całych strun lamp. Wysokie koszty konserwacji systemów oświetlenia zewnętrznego oznaczają nieodpowiednie zabezpieczenie znacznie zwiększa wydatki na utrzymanie.

W jednym mieście 30% głównych kierowców oświetlenia dróg zawiodło po sezonie burzy z powodu braku ochrony przed przepięciami, co spowodowało naprawę ponad 500 000 juanów. Inspekcja wykazała, że wielokrotne uderzenia przepięciowe zestarzały się i degradowały warystory tlenku metalu (MOV), co pozwala na bezpośrednie uderzenie pioruna bezpośrednio uszkodzić moduły LED.

Ochrona przed przepięciami jest kluczowym środkiem dla zapewnienia długowieczności i niezawodności opraw oświetleniowych LED, szczególnie niezbędnych w środowiskach wysokiego ryzyka, takich jak ustawienia zewnętrzne i przemysłowe. Oprawy LED wyposażone w ochronę przed przepięciami wykazują wyższą niezawodność. Instalacja SPD zgodna ze standardami testowymi, takimi jak IEC 61000-4-5, znacznie obniża koszty konserwacji, co czyni go niezbędnym dla systemów oświetlenia LED.

Metody podłączenia zabezpieczeń przeciwprzepięciowych w oprawach LED

Najczęstsze podejście do podłączania zabezpieczeń przeciwprzepięciowych do opraw LED polega na zainstalowaniu ich szeregowo lub równolegle na zaciskach wejściowych lub wyjściowych. W oparciu o różne miejsca instalacji i metody można je podzielić na następujące kategorie:

1. Ochrona przeciwprzepięciowa zintegrowana z stangrets

Wbudowane zabezpieczenia przeciwprzepięciowe łagodzą wpływ przepięć przejściowych spowodowanych uderzeniami pioruna, operacji przełączania lub wyładowań elektrostatycznych na system. Utrzymują stabilność zasilania i zapewniają ciągłą pracę systemu oświetlenia. Dzięki szybkiej reakcji i tłumienia przepięć przepięć, zabezpieczenia przeciwprzepięciowe zmniejszają uszkodzenia modułów sterowników LED i modułów emitujących światło, spowodowane przez nieprawidłowe napięcia, wydłużając w ten sposób ogólną żywotność urządzenia.

2. Zabezpieczenie przeciwprzepięciowe zainstalowane w stangret interfejs

Takie podejście jest przeznaczone przede wszystkim do obszarów o częstych uderzeniach pioruna i wysokiej wilgotności otoczenia. Na przykład zainstalowanie zabezpieczenia przeciwprzepięciowego na przedniej części latarni ulicznych zapewnia lepszą ochronę przed uszkodzeniem elektrycznym przed uderzeniami pioruna i zakłóceniami elektromagnetycznymi, służąc jako podwójne zabezpieczenie. Ułatwia również późniejsze łatwiejsze konserwację. Należy jednak upewnić się, że nowo dodany SPD jest kompatybilny i dopasowany do istniejącej metody uziemienia systemu.

3. Połączenie szeregowe na wejściu

Podłącz ochronnik przeciwprzepięciowy szeregowo z wejściem zasilacza sterownika LED. Gdy na wejściu wystąpi przepięcie, zabezpieczenie przeciwprzepięciowe przerywa przepływ prądu, chroniąc w ten sposób lampę LED.

4. Połączenie równoległe na wejściu

Podłącz zabezpieczenie przeciwprzepięciowe równolegle z wejściem sterownika LED. Gdy na wejściu wystąpi przepięcie, zabezpieczenie przeciwprzepięciowe przewodzi prąd, oddalając nadmiar prądu.

Różne rodzaje zabezpieczeń przeciwprzepięciowych mają wyraźne zalety i wady, wymagające wyboru w zależności od określonych warunków.

Ogólnie rzecz biorąc, ochronne przepięciowe serie zapewniają szybkie czasy reakcji, silną ochronę i minimalny wpływ na normalną pracę, ale mają wady, takie jak złożona instalacja, wymagania dotyczące przestrzeni i podatność na uszkodzenia.

Równoległe zabezpieczenia przeciwprzepięciowe charakteryzują się prostą instalacją, kompaktową powierzchnią i łatwością wymiany, a jednocześnie mają wolniejsze czasy reakcji, słabszą ochronę i potencjalną ingerencję w normalne działanie.

Jaki rodzaj SPD jest używany w oświetleniu LED?

Urządzenia zabezpieczające przed przepięciami (SPD) są przede wszystkim klasyfikowane na podstawie ich zdolności ochrony, miejsca instalacji i charakterystyki tolerancji przebiegu. Normy międzynarodowe zazwyczaj dzielą je na trzy typy, w następujący sposób:

Typ 1 SPD

Zaprojektowany do bezpośrednich uderzeń piorunowych lub przepięć o dużej energii, zainstalowany w głównym panelu dystrybucyjnym lub w punkcie wejścia mocy budynku. Charakteryzuje się wyższym poziomem ochrony napięcia (w górę) od 1,5 kV do 4 kV, przy nominalnym prądzie rozładowania (wn) zwykle między 12,5kA a 200 kA.

Typowe zastosowania: lokalizacje wysokiego ryzyka narażone na bezpośrednie uderzenia pioruna, takie jak zakłady przemysłowe i stacje bazowe komunikacyjne.

Typ 2 SPD

Nadaje się do pośrednich uderzeń piorunowych lub zakłóceń sieci energetycznej, zainstalowanych w panelach rozdzielczych lub szafach rozdzielczych na poziomie podłogi. W na ogół 5kA do 20kA, a wzrost zazwyczaj od 1,5 kV do 2,5 kV.

Typowe zastosowania: zewnętrzne i komercyjne aplikacje oświetleniowe LED oraz producenci oznakowań LED i sygnalizacji świetlnej, w tym oświetlenie drogowe, oświetlenie parkingów, oświetlenie do mycia ściennego, oświetlenie drogowe, oświetlenie powodziowe, oznakowanie cyfrowe, oświetlenie flash ul. i oświetlenie tunelowe.

Typ 3 SPF

Nadaje się do ochrony przed urządzeniem, zainstalowany na przednim końcu sprzętu lub gniazdek. Zazwyczaj w ≤10kA zapewnia dokładną ochronę (do ≤1 kV) z szybszym czasem odpowiedzi (poziom nanosekund).

Typowe aplikacje: często zintegrowane ze sterownikami LED do lokalnej ochrony napięcia.

Ogólne główne panele dystrybucyjne wykorzystują urządzenia typu 1 lub 2; skrzynki rozdzielcze mogą używać urządzeń typu 2 i 3, z typami 2 i typu 3, które są również odpowiednie dla aplikacji zaplecza.

W przypadku linii zasilających prądem zmiennym wchodzącym do budynków, zainstaluj zabezpieczenia przeciwprzepięciowe typu 1 lub 2 jako zabezpieczenie podstawowe na granicy między strefami LPZ0A/LPZOB i LPZ1 (np. na głównym panelu rozdzielczym).

Na granicach kolejnych stref ochronnych, takich jak panele rozdzielcze w liniach dystrybucyjnych lub pomieszczeniach sprzętu elektronicznego, jako zabezpieczenie wtórne można zainstalować zabezpieczenia przeciwprzepięciowe typu 2. W przypadku urządzeń takich jak oprawy oświetleniowe LED, przed portem zasilania można zainstalować zabezpieczenia przeciwprzepięciowe typu 2 lub 3.

Jak prawidłowo wybrać zabezpieczenie przeciwprzepięciowe?

W zastosowaniach elektrycznych wybór zabezpieczenia przeciwprzepięciowego jest bardzo złożonym zagadnieniem obejmującym takie czynniki, jak konfiguracja uziemienia systemu, poziom narażenia, strefy ochrony odgromowej, długość kabla, ochrona międzypoziomowa, wielkość prądu zwarciowego w punktach zabezpieczenia oraz liczba obwodów bocznikowych.

Wielu producentów produkuje na rynku zabezpieczenia przeciwprzepięciowe. Dlatego wybierając urządzenia zabezpieczające przed przepięciami, należy zwrócić szczególną uwagę na następujące punkty:

1. Określ wartość UC

Wybór maksymalnego napięcia roboczego ochraniacza przeciwprzepięciowego (UC) wymaga kompleksowego rozważenia napięcia systemowego, wytrzymałości sprzętu i standardowych specyfikacji. Minimalna wartość UC powinna wynosić 1,15 razy więcej niż napięcie znamionowe.

Na przykład w układzie napięcia fazowego 220 V, UC = 1,15 × 220 V = 253 V. Ponieważ szczytowe napięcia sieciowe mogą osiągnąć 1,1-krotność wartości RMS (253V × 1,414 = 357V; ok. Szczyt 350V dla systemu 220V), UC musi przekroczyć tę wartość. Jednak w praktycznych zastosowaniach, aby uniknąć częstej aktywacji, zaleca się wybranie wyższej wartości, takiej jak 385V. Jednocześnie napięcie aktywacji warystora (U1MA) powinno odpowiadać zakresowi wahań sieci.

2. Wybór poziomów ochrony

Do rozprowadzania głównego stosuje się SPD klasy I (np. IIMP ≥ 100kA) do dystrybucji głównej, natomiast SPD klasy II (w ≥ 40kA) są używane do paneli rozdzielczych, tworząc wielopoziomową ochronę. Wymiary i typy instalacji SPD muszą spełniać wymagania na miejscu. Wytyczne dotyczące wyboru są pokazane poniżej:

Poziom ochrony	Miejsce instalacji	Scenariusz zastosowania	Kluczowe parametry
Typ 1	Główny panel dystrybucji	Bezpośrednia ochrona przed uderzeniem pior	≥100kA (10/350μs)
Typ 2	skrzynka rozdzielcza	Indukowane przepięcie pioruna/operacyjna	40kA (8/20 μs)
Typ 3	przód sterownika LED	Ochrona terminala precyzyjnego	Do ≤1,5 kV

3. Metoda instalacji

Wybierz SPD, który jest prawidłowo ustawiony i łatwy do zainstalowania w zależności od lokalizacji oprawy. Ponieważ SPD są zazwyczaj ukryte w trudno dostępnych miejscach, na przykład przed oprawami, mogą dodatkowo odłączyć oprawę od obwodu w przypadku awarii, co ułatwia wymianę i konserwację w przyszłości.

4. Adaptacja środowiskowa

W przypadku oświetlenia zewnętrznego wybierz SPD o stopniu ochrony IP54 lub wyższym. W warunkach wilgotnych lub zakurzonych należy używać SPD o wyższej klasie IP67.

5. Specyfikacje uziemienia

SPD musi być uziemiony przez dedykowany terminal PE, unikając wspólnych ścieżek uziemiających z wychodzącymi przewodami. Test rezystancji ciągłości uziemienia ≤0,1Ω.

6. Ochrona wielopoziomowa

Poza ochroną zasilaczy 230 V, rozważ ochronę jednostek sterujących, takich jak DALI, druga (kontrola) faza, 1-10V lub DMX. Połączone AC i sterujące SPD są idealne do tych urządzeń, zazwyczaj oferując lepszą skoordynowaną ochronę niż dwa oddzielne SPD.

7 7 Certyfikacja i bezpieczeństwo

Wybierz SPD z wiarygodnymi certyfikatami, takimi jak TUV lub UL, przetestowane w celu spełnienia wymagań IEC 61643-11 i VDE 0100-534.

Wniosek

Urządzenia zabezpieczające przed przepięciami służą jako podstawowa bariera dla systemów oświetlenia zewnętrznego przed uderzeniami pioruna i przepięć sieciowych. Poprzez synergiczne działanie warystorów i rurek wyładowczych gazu, kierują skoki wysokiego napięcia do uziemienia w ciągu mikrosekund, jednocześnie mocując napięcia do progów bezpiecznego sprzętu.

Bez odpowiedniej ochrony, oprawy LED i ich kierowcy narażeni są na nieodwracalne uszkodzenie, zmniejszoną wydajność i potencjalną całkowitą awarię. Urządzenia zabezpieczające przed przepięciami znacznie zwiększają niezawodność lamp ulicznych LED w trudnych warunkach sieciowych, co czyni je niezbędnymi elementami ochronnymi dla systemów oświetlenia inteligentnego miasta.