Полное руководство по защите от перенапряжения для светодиодного уличного освещения

Благодаря глобальной экономии энергии, сокращению выбросов и развитию умного города светодиодные уличные фонари стали основным выбором для городских дорог, промышленных парков, шоссе и освещения общественной инфраструктуры. По сравнению с традиционными натриевыми лампами высокого давления и металлическими галогенными лампами светодиодные уличные фонари предлагают значительные преимущества в энергоэффективности, сроке службы и интеллектуальном управлении светом. Однако в практических инженерных приложениях долго недооцененный, но крайне разрушительный риск продолжает подрывать стабильность светодиодных уличных систем — электрические скачки и молниеносные скачки.

Многочисленные инженерные случаи демонстрируют, что ранние сбои в светодиодных уличных фонарях вызваны не самими светодиодными микросхемами, а скорее ударами по всплеску питания или системам управления. Следовательно, устройства защиты от перенапряжения (SPD) превратились из «необязательных конфигураций» в «обязательные технические компоненты».

В данной статье систематически анализируются принципы работы, критерии выбора, стандарты установки и экономическая ценность SPD для светодиодных уличных фонарей С точки зрения инженерной практики, предоставляя комплексные технические рекомендации для проектов освещения.

Почему светодиодные уличные фонари должны быть оснащены устройствами защиты от перенапряжения

Системы светодиодных уличных фонарей состоят из модулей источника светодиодного света, драйверов и блоков управления, при этом основные компоненты в значительной степени зависят от полупроводниковых устройств. По сравнению с индуктивными источниками света, такими как традиционные натриевые лампы высокого давления, светодиодные уличные фонари используют низковольтные высокочастотные блоки питания с переключением. Эта структура значительно снижает их допуск к переходным перенапряжению и скачкам напряжения, что требует эффективной защиты от перенапряжения.

С экологической точки зрения светодиодные уличные фонари работают непрерывно в условиях электрической электрической энергии с высокой степенью открытого освещения. Освещение муниципальных дорог обычно зависит от воздушных или дальних линий электропередач, охватывающих сотни метров или более от распределительных шкафов до опоры. В регионах с частой молниеносной активностью эти системы очень восприимчивы к индуцированной энергии молнии. Даже без прямого удара интенсивные электромагнитные поля могут генерировать переходные высокие напряжения в линиях электропередач, которые затем распространяются по линиям в светильники.

Кроме того, высокая высота и металлическая структура столбов уличных фонарей делают их склонными к энергетической связи с системами заземления во время гроз, что ставит их на передний план при ударах. Кроме того, в системах освещения дорожного освещения обычно используется централизованное управление, где множество фонарей синхронно включается/выключается на закате и на восходе солнца. Это частое переключение мощной нагрузки, неоднократно порождает переключение в сети, подвергая светодиодные драйверы непрерывному удару.

Без защиты от перенапряжения наиболее распространенные сбои в проектах включают частые повреждения источника питания драйвера, затемнение светильников или мерцающих светильников, локализованные светодиодные модули и отказы пакетов светильников на том же секции. Анализ отказов показывает, что повреждение преимущественно концентрируется на входе в ступень питания и в областях коммутационных устройств, демонстрируя типичные характеристики удара при всплеске.

Поэтому можно четко определить, что проблема заключается не в самих светодиодах, а в отсутствии плановой конструкции защиты от перенапряжения.

В современных условиях эксплуатации наружные устройства защиты от перенапряжения (SPD) больше не являются дополнительными компонентами для повышения надежности. Они являются фундаментальными требованиями для обеспечения того, чтобы светодиодные уличные фонари достигали их спроектированного срока службы и минимизировали риски эксплуатации и технического обслуживания.

Основные источники всплеска в системах светодиодного уличного освещения

Всплески, с которыми сталкиваются светодиодные уличные фонари, возникают не только в результате ударов молнии. В инженерной практике они в основном связаны со следующими сценариями:

• Прямые удары молнии и индуцированная молния: Удары молнии могут мгновенно генерировать десятки килоамперов тока. Даже когда точка удара удалена от светового столба, скачки могут поступать в линии питания посредством индукции.

• Сетевые операционные скачки: Переключение трансформатора, циклы запуска/остановки оборудования мощного оборудования и операции компенсации реактивной мощности могут генерировать перенапряжение в сети.

• Влияние дальних линий электропередач: В коммунальных уличных фонарях для электроснабжения обычно используются кабели между дальним расстоянием. Эти линии действуют как «антенны», что делает их очень восприимчивыми к индуцированию энергии молнии.

• Недостаточные системы заземления: Чрезмерно высокое сопротивление заземлению или неправильные конфигурации заземления могут усилить разрушительное воздействие скачков на оборудование.

Как работает защита от перенапряжения в светодиодных уличных фонарях?

Основная функция SPD не в том, чтобы «блокировать» скачки, а в том, чтобы обходить и разрядить энергию прилива на землю в течение чрезвычайно короткого периода времени, тем самым ограничивающую амплитуду напряжения, поступающую в оборудование.

Как показано на рис. 1, при нормальных условиях питания SPD остается в состоянии высокого сопротивления, что эквивалентно открытому переключателю, не влияя на работу системы. Как показано на рис. 2, когда происходит всплеск (красная стрелка представляет собой молниеносную всплеск) и напряжение превышает установленный порог, внутренние нелинейные компоненты SPD быстро проводят, что эквивалентно закрытию выключателя и короткому замыканию. Это отводит всплеск тока на систему заземления, тем самым защищая нижний светодиодный уличный свет от повреждений. После того, как всплеск рассеивается, SPD автоматически возвращается в свое состояние высокого сопротивления, что эквивалентно открытому переключателю, и остается в режиме ожидания.

Этот режим работы «Мгновенная проводимость и автоматическое восстановление» делает SPD незаменимым компонентом пассивной защиты в системах светодиодных уличных фонарей.

Многоуровневая защита от перенапряжения и внутренняя защита для светодиодных уличных фонарей

В проектах с высокой надежностью освещения одного СПД недостаточно для решения сложных сред. Решения для защиты от перенапряжения уличного освещения обычно используют многоуровневый оборонительный архитектура:

Защита 1 уровня: Устанавливается в распределительном шкафу или основании фонаря для выдержки мощного молниеносного скачка.

FDS20C/2-275 Класс II
Обозначение: Тип 2
Классификация: Класс II
Режим защиты: L1, L2, L3-PE
Номинальное напряжение UN: 230/400 В переменного тока/50(60)Гц
макс Непрерывное рабочее напряжение UC (L-N): 275 В перем./50(60)Гц
Выдерживаемость короткого замыкания: 20 кА
Непрерывный ток IC: <20 мкА
Резервное энергопотребление ПК: ≤25 мВА
Максимальный ток разряда (8/20 мкс) Imax: 40 кА
Номинальный ток разряда (8/20 мкс) в: 20 кА
Напряжение уровня защиты: ≤1,3 кВ
Сопротивление изоляции: ＞1000 МОм
Материал корпуса: UL94V-0
Степень защиты: IP20

Получить предложение

Защита 2 уровня: расположен на входе мощности светильников для подавления остаточных всплесов.

SPD03-AC275-P/AG ClassII+III
Обозначение: Тип 2+3
Классификация: III класс
Режим защиты: L-N , N-PE ,L-PE
Номинальное входное напряжение UN(L-N): 230В переменного тока, 50/60Гц
макс Непрерывное рабочее напряжение UC (L-N): 275В переменного тока, 50/60 Гц
Максимальный ток разряда (8/20 мкс) Imax: 6 кА
Номинальный ток разряда (8/20 мкс) в: 3 кА
Напряжение уровня защиты: L-N ≤1,3 кВ, L(N)-PE ≤1,5 кВ
Напряжение разомкнутой цепи UOC 6 кВ
Резервный предохранитель: 16A
Материал корпуса: UL94V-0
Степень защиты: IP20

Получить предложение

Защита 3 уровня: Встроены в светодиодные драйверы или модули управления для гранулированной защиты.

Эта многоуровневая защитная конструкция значительно снижает нагрузку на отдельные SPD, повышая общую стабильность системы.

Основные технические параметры для выбора светодиодных уличных фонарей SPDS

При инженерном отборе технические параметры СПД напрямую определяют эффективность защиты, в первую очередь, включая:

• UC (максимальное непрерывное рабочее напряжение): Должен превысить номинальное напряжение в системе
• В/Imax (номинальный/максимальный ток разряда): Отражает SPD-поглощение энергии
• Вверх (уровень защиты напряжения): Более низкие значения обеспечивают более эффективную защиту оборудования.
• Время ответа: обычно требуется на наносекундном уровне
• Режимы защиты: комбинации, такие как L-N, L-PE, N-PE и т. д.

Для светодиодных уличных фонарей особенно важно низкое значение и возможность быстрого реагирования.

Серия и параллельные соединения: выбор методов SPD-соединения

Ниже приведены две наиболее распространенные схемы подключения SPD в уличных фонарях, классифицируемые как последовательное и параллельное соединение:

В системах освещения SPD почти исключительно параллельно соединены. К преимуществам относятся:

• Не влияет на нормальный источник питания светильников
• Нет перебоев в освещении, если SPD не работает
• Проще всего установить и обслуживать
• Хотя последовательное соединение теоретически ограничивает ток, оно редко используется в системах уличного фонаря и предназначено для конкретных конструкций блоков питания.

Различия между AC SPD и DC SPD

Основное различие между SPD и DC SPD заключается в различных типах токов, которые они защищают, что напрямую определяет их принципы работы, режимы отказа и сценарии применения. Проще говоря, AC SPD используется в системах переменного тока, а DC SPD специально разработан для систем постоянного тока.

Статистическая таблица различий между AC SPD и DC SPD

• Принцип действия и структура схемы: SPD AC используют естественное дуговое вымирание в точке пересечения нуля переменного тока, используя MOV или GDT. Они требуют совместимости с многорежимной защитой линий L, N и PE и включают механизмы термического срабатывания. В DC SPD отсутствует точка пересечения нуля, что требует двунаправленных телевизоров или многоступенчатого угасания дуги. Они используют многоступенчатые MOV, соединенные последовательно, для снижения остаточного напряжения и цепи активных выключений.

• Разница в режиме сбоя: Отказ переменного тока SPD проявляется в виде повышенного тока утечки, автоматически изолированной при термоотключении. SPD DC, подверженные устойчивым коротким замыканиям из-за сложного дугового вымирания, требуют специальной защиты резервной копии DC.

• Сценарии применения: SPD AC используются в системах переменного тока, таких как распределительные панели зданий и терминальное оборудование. SPD DC используются в фотоэлектрических системах, зарядных станциях и новых шинах постоянного тока. Например, для фотоэлектрических комбайновых коробок требуется 1000 В постоянного тока, а для сторон переменного тока инверторов требуется 385 В переменного тока SPD.

• выбор: SPD переменного тока требуют тока, обеспечивающую токовую емкость, основанную на классификации здания, с сопротивлением грунта ≤1 Ω. SPD DC должны соответствовать максимальному постоянному рабочему напряжению и полярности, учитывая эффекты ПИД, например, для системы 1000 В 1200 В постоянного тока.

Как выбрать подходящие устройства защиты от перенапряжения для проектов уличного освещения

когда Выбор СПД Для инженерных проектов необходимо всесторонне учитывать следующие факторы:

• Плотность молнии в месте проекта
• Высота полюса и плотность распределения
• Индивидуальная мощность лампы и общая нагрузка системы
• Наличие интеллектуальных модулей управления и связи

Для зон высокого риска молниеотводов или критически важных проезжей части рекомендуется SPD-продукты с разгрузочной способностью не менее 10 тыс.–20 тыс. лет.

Лучшие методы установки устройств защиты от перенапряжения в светодиодных уличных фонарях

Даже при высокопроизводительных SPDS неправильная установка может значительно снизить эффективность защиты. Инженерные практики должны придерживаться этих принципов:

• Минимизируйте расстояние между СДП и охраняемым оборудованием.
• Убедитесь, что провода заземления «короткие, прямые и толстые».
• Избегайте формирования петель или ненужных изгибов.
• Регулярно проверяйте индикаторы отказа SPD.
• Надлежащие методы установки часто приносят большую практичную выгоду, чем просто увеличение параметров SPD.

Экономические преимущества устройств защиты от перенапряжения в светодиодных уличных фонарях

В то время как SPD увеличивают первоначальные материальные затраты, их экономические преимущества существенны при оценке на протяжении всего жизненного цикла:

• Значительно снижается скорость отключения светодиодного уличного освещения
• Снижает уровень обслуживания и замены
• Предотвращает масштабные ремонты и жалобы клиентов
• Повышает общую надежность проекта и репутацию бренда

В большинстве муниципальных проектов расходы SPD обычно составляют менее 1% от общего количества расходов на систему освещения при снижении рисков отказа более чем 30%.

Распространенные заблуждения в приложениях светодиодного уличного освещения

В реальных проектах особенно распространены следующие проблемы:

• Несоответствующий выбор номинального напряжения SPD
• Пренебрежение качеством системы заземления
• Чрезмерное расстояние между СДП и нагрузкой
• Фокусировка исключительно на защите переменного тока при игнорировании защиты постоянного тока
• Эти ошибки часто делают SPD неэффективными, что не позволяет им обеспечить надлежащую защиту.

Заключение

По мере того, как светодиодные уличные фонари развиваются в сторону более высокой мощности, интеллект и интеграция системы, требования к электрической безопасности и стабильности продолжают расти. Устройства защиты от перенапряжения больше не являются дополнительными опциональными, а необходимыми техническими основами для обеспечения долгосрочной надежной работы светодиодных уличных фонарей.

Благодаря научному выбору SPD, рациональной архитектуре защиты и стандартизированной установке, проекты освещения могут не только эффективно снижать показатели отказов, но и значительно повышать общую стоимость проекта и конкурентоспособность рынка. Для проектов светодиодного уличного освещения, реализующих длительную стабильную работу, защита от перенапряжения стала незаменимым критическим компонентом.

Вопросы и ответы