คู่มือฉบับสมบูรณ์สำหรับอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากสำหรับไฟถนน LED

ด้วยแรงผลักดันจากการอนุรักษ์พลังงานทั่วโลก การลดการปล่อยมลพิษ และการพัฒนาเมืองอัจฉริยะ ไฟถนน LED ได้กลายเป็นทางเลือกหลักสำหรับถนนในเมือง สวนอุตสาหกรรม ทางหลวง และไฟโครงสร้างพื้นฐานสาธารณะ เมื่อเทียบกับหลอดโซเดียมแรงดันสูงแบบดั้งเดิมและหลอดเมทัลฮาไลด์ ไฟถนน LED ให้ข้อได้เปรียบที่สำคัญในด้านประสิทธิภาพการใช้พลังงาน อายุการใช้งาน และการควบคุมแสงอัจฉริยะ อย่างไรก็ตาม ในการใช้งานด้านวิศวกรรมเชิงปฏิบัติ ความเสี่ยงที่ประเมินค่าต่ำไปนานแต่มีการทำลายล้างสูงยังคงบ่อนทำลายเสถียรภาพของระบบไฟถนน LED—ไฟกระชากด้วยไฟฟ้าและไฟกระชาก

กรณีทางวิศวกรรมจำนวนมากแสดงให้เห็นว่าความล้มเหลวในช่วงต้นของไฟถนน LED ไม่ได้เกิดจากชิป LED เอง แต่เกิดจากผลกระทบจากไฟกระชากต่ออินพุตพลังงานหรือระบบควบคุม ดังนั้น อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชาก (SPD) จึงมีวิวัฒนาการจาก "การกำหนดค่าทางเลือก" เป็น "ส่วนประกอบทางเทคนิคที่บังคับ"

บทความนี้วิเคราะห์หลักการทำงาน เกณฑ์การคัดเลือก มาตรฐานการติดตั้ง และมูลค่าทางเศรษฐกิจของ SPD สำหรับไฟถนน LED จากมุมมองของการปฏิบัติทางวิศวกรรม ให้คำแนะนำทางเทคนิคที่ครอบคลุมสำหรับโครงการแสงสว่าง

ทำไมไฟถนน LED ต้องติดตั้งอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชาก

ระบบไฟถนน LED ประกอบด้วยโมดูลแหล่งกำเนิดแสง LED ไดรเวอร์ และชุดควบคุม โดยมีส่วนประกอบหลักที่พึ่งพาอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์เป็นอย่างมาก เมื่อเทียบกับแหล่งกำเนิดแสงอุปนัย เช่น หลอดโซเดียมแรงดันสูงแบบดั้งเดิม ไฟถนน LED ใช้แหล่งจ่ายไฟสลับความถี่สูงแรงดันต่ำ โครงสร้างนี้ช่วยลดความทนทานต่อแรงดันไฟเกินและแรงดันไฟที่เพิ่มขึ้นชั่วคราว ซึ่งจำเป็นต้องมีความสามารถในการป้องกันไฟกระชากที่มีประสิทธิภาพ

จากมุมมองด้านสิ่งแวดล้อม ไฟถนน LED ทำงานอย่างต่อเนื่องในการตั้งค่าไฟฟ้าภายนอกอาคารที่เปิดโล่งสูง ไฟถนนในเขตเทศบาลมักอาศัยสายไฟเหนือศีรษะหรือทางไกล ครอบคลุมตั้งแต่ตู้จ่ายไฟไปจนถึงเสาไฟ ในภูมิภาคที่มีกิจกรรมฟ้าผ่าบ่อยครั้ง ระบบเหล่านี้มีความอ่อนไหวสูงต่อพลังงานฟ้าผ่าที่เหนี่ยวนำ แม้จะไม่มีการนัดหยุดงานโดยตรง สนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่เข้มข้นสามารถสร้างแรงดันไฟฟ้าสูงชั่วคราวภายในสายไฟ ซึ่งจากนั้นจะแพร่กระจายไปตามเส้นไปยังโคมไฟ

นอกจากนี้ ความสูงและโครงสร้างโลหะของเสาไฟถนนทำให้มีแนวโน้มที่จะคัปปลิ้งพลังงานกับระบบลงกราวด์ในช่วงพายุฝนฟ้าคะนอง โดยวางไว้ที่แนวหน้าของผลกระทบจากไฟกระชาก นอกจากนี้ ระบบไฟถนนมักใช้การควบคุมแบบรวมศูนย์ โดยที่ไฟจำนวนมากจะเปิด/ปิดพร้อมกันเมื่อพระอาทิตย์ตกและพระอาทิตย์ขึ้น การสลับโหลดพลังงานสูงบ่อยครั้งทำให้เกิดการสลับไฟในกริดซ้ำๆ ทำให้ไดรเวอร์ LED ได้รับผลกระทบอย่างต่อเนื่อง

หากไม่มีการป้องกันไฟกระชาก ความล้มเหลวที่พบบ่อยที่สุดในโครงการ ได้แก่ ความเสียหายของแหล่งจ่ายไฟของไดรเวอร์บ่อยครั้ง ไฟหรี่หรือกะพริบ ความล้มเหลวของโมดูล LED ที่แปลเป็นภาษาท้องถิ่น และความล้มเหลวของแบทช์ของโคมไฟในส่วนเดียวกัน การวิเคราะห์ความล้มเหลวระบุว่าความเสียหายส่วนใหญ่กระจุกตัวอยู่ในระยะอินพุตของแหล่งจ่ายไฟและพื้นที่อุปกรณ์สวิตชิ่ง ซึ่งแสดงลักษณะการกระแทกแบบกระชากโดยทั่วไป

ดังนั้นจึงสามารถระบุได้อย่างชัดเจนว่าปัญหาไม่ได้อยู่ที่ LED เอง แต่อยู่ที่การออกแบบการป้องกันไฟกระชากอย่างเป็นระบบ

ในสภาพแวดล้อมการทำงานกลางแจ้งในปัจจุบัน อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชาก (SPD) ไม่ใช่ส่วนประกอบเสริมเพื่อเพิ่มความน่าเชื่อถืออีกต่อไป เป็นข้อกำหนดพื้นฐานสำหรับการรับรองไฟถนน LED ให้อายุการใช้งานที่ออกแบบมาและลดความเสี่ยงในการปฏิบัติงานและการบำรุงรักษา

แหล่งที่มาหลักของไฟกระชากในระบบไฟถนน LED

คลื่น LED ที่ประสบกับไฟถนน LED ไม่ได้มาจากการฟาดฟ้าผ่าโดยตรงเท่านั้น ในทางปฏิบัติทางวิศวกรรม สาเหตุหลักมาจากสถานการณ์ต่อไปนี้:

• สายฟ้าฟาดโดยตรงและฟ้าผ่า: ฟ้าผ่าสามารถสร้างกิโลแอมป์ได้หลายสิบกิโลแอมป์ในทันที แม้ว่าจุดนัดหยุดงานจะอยู่ห่างจากเสาไฟ ไฟกระชากอาจเข้าสู่สายไฟผ่านการเหนี่ยวนำ

• ไฟกระชากของตาราง: การสลับหม้อแปลง รอบการสตาร์ท/หยุดของอุปกรณ์กำลังสูง และการทำงานของอุปกรณ์ชดเชยพลังงานปฏิกิริยา ทั้งหมดสามารถสร้างแรงดันไฟฟ้าเกินชั่วคราวในกริดได้

• ผลของสายไฟทางไกล: ไฟถนนในเขตเทศบาลมักใช้สายเคเบิลทางไกลสำหรับแหล่งจ่ายไฟ เส้นเหล่านี้ทำหน้าที่เหมือน "เสาอากาศ" ทำให้พวกมันไวต่อการกระตุ้นพลังงานสายฟ้า

• ระบบการต่อสายดินไม่เพียงพอ: ความต้านทานการต่อลงดินที่สูงเกินไปหรือการกำหนดค่าการต่อสายดินที่ไม่เหมาะสมสามารถขยายผลกระทบที่ทำลายล้างของไฟกระชากต่ออุปกรณ์ได้

อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากทำงานอย่างไรในไฟถนน LED?

ฟังก์ชันหลักของ SPD ไม่ใช่การ "ปิดกั้น" กระชาก แต่เพื่อเลี่ยงผ่านและปล่อยพลังงานไฟกระชากลงกราวด์ภายในระยะเวลาอันสั้นมาก ซึ่งจะเป็นการจำกัดแอมพลิจูดของแรงดันไฟฟ้าที่เข้าสู่อุปกรณ์

ดังแสดงในรูปที่ 1 ในระหว่างสภาวะการจ่ายไฟปกติ SPD ยังคงอยู่ในสถานะที่มีความต้านทานสูง เทียบเท่ากับสวิตช์ที่เปิดอยู่ โดยไม่กระทบต่อการทำงานของระบบ ดังแสดงในรูปที่ 2 เมื่อเกิดไฟกระชาก (ลูกศรสีแดงแสดงถึงไฟกระชาก) และแรงดันไฟฟ้าเกินเกณฑ์ที่ตั้งไว้ ส่วนประกอบที่ไม่เชิงเส้นภายในของ SPD จะทำงานอย่างรวดเร็ว เทียบเท่ากับการปิดสวิตช์และการลัดวงจร สิ่งนี้จะเบี่ยงเบนกระแสไฟกระชากไปยังระบบกราวด์ ซึ่งจะช่วยปกป้องไฟถนน LED ที่ปลายน้ำจากความเสียหาย หลังจากที่ไฟกระชากกระจายไป SPD จะเปลี่ยนกลับเป็นสถานะความต้านทานสูงโดยอัตโนมัติ เทียบเท่ากับสวิตช์ที่เปิดอยู่ และยังคงอยู่ในโหมดสแตนด์บาย

โหมดการทำงาน "การนำไฟฟ้าทันทีและการกู้คืนอัตโนมัติ" นี้ทำให้ SPD เป็นส่วนประกอบการป้องกันแบบพาสซีฟที่ขาดไม่ได้ในระบบไฟถนน LED

การป้องกันไฟกระชากหลายระดับและการออกแบบการป้องกันภายในสำหรับไฟถนน LED

ในโครงการแสงสว่างที่มีความเชื่อถือได้สูง SPD เดียวไม่เพียงพอที่จะจัดการกับสภาพแวดล้อมไฟกระชากที่ซับซ้อน โซลูชันการป้องกันไฟกระชากไฟถนนที่โตเต็มที่มักใช้สถาปัตยกรรมการป้องกันหลายระดับ:

การป้องกันระดับ 1: ติดตั้งที่ตู้จำหน่ายหรือฐานของเสาไฟเพื่อให้ทนต่อไฟกระชากที่มีพลังงานสูง

FDS20C/2-275 คลาส II
การกำหนด: ประเภท2
การจำแนกประเภท: ชั้น II
โหมดการป้องกัน: L1 , L2 , L3-PE
แรงดันระบุ UN: 230/400 VAC/50 (60) เฮิร์ตซ์
สูงสุด แรงดันไฟฟ้าที่ใช้งานต่อเนื่อง UC (L-N): 275 VAC/50 (60)Hz
ความสามารถในการทนต่อลัดวงจร: 20 ก
IC กระแสไฟทำงานต่อเนื่อง: <20 µA
พีซีใช้พลังงานสแตนด์บาย: ≤25 MVA
กระแสไฟสูงสุด (8/20μS) IMAX: 40 กา
กระแสไฟระบาย (8/20μs) ใน: 20 ก
ระดับการป้องกันแรงดันไฟฟ้าขึ้น: ≤1.3 kV
ความต้านทานการแยก: ＞ 1000 MΩ
วัสดุที่อยู่อาศัย: UL94V-0
ระดับการป้องกัน: IP20

รับใบเสนอราคา

การป้องกันระดับ 2: วางตำแหน่งที่อินพุตพลังงานของโคมไฟเพื่อระงับไฟกระชากที่เหลือ

SPD03-AC275-P/AG Classii+III
การกำหนด: ประเภท2+3
การจำแนกประเภท: ชั้น III
โหมดการป้องกัน: ล.น., เอ็น-พี, แอล-พี
แรงดันไฟฟ้าอินพุตที่กำหนด UN (L-N): 230VAC, 50/60Hz
สูงสุด แรงดันไฟฟ้าที่ใช้งานต่อเนื่อง UC (L-N): 275VAC, 50/60Hz
กระแสไฟสูงสุด (8/20μS) IMAX: 6 ก
กระแสไฟระบาย (8/20μs) ใน: 3 กา
ระดับการป้องกันแรงดันไฟฟ้าขึ้น: L-N ≤1.3 kV, L(N)-PE ≤1.5 kV
แรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด UOC: 6 kV
ฟิวส์สำรอง: 16a
วัสดุที่อยู่อาศัย: UL94V-0
ระดับการป้องกัน: IP20

รับใบเสนอราคา

การป้องกันระดับ 3: รวมอยู่ในไดรเวอร์ LED หรือโมดูลควบคุมสำหรับการป้องกันแบบละเอียด

การออกแบบการป้องกันแบบฉัตรนี้ช่วยลดภาระใน SPD แต่ละรายการได้อย่างมากในขณะที่เพิ่มความเสถียรของระบบโดยรวม

พารามิเตอร์ทางเทคนิคที่สำคัญสำหรับการเลือก LED Street Light SPD

ระหว่างการเลือกทางวิศวกรรม พารามิเตอร์ทางเทคนิคของ SPD จะกำหนดประสิทธิภาพการป้องกันโดยตรง ซึ่งรวมถึง:

• UC (แรงดันไฟฟ้าต่อเนื่องสูงสุด): ต้องเกินแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดของระบบ
• IN / IMAX (กระแสไฟ / สูงสุด): สะท้อนความสามารถในการดูดซับพลังงาน SPD Surge
• ขึ้น (ระดับการป้องกันแรงดันไฟฟ้า): ค่าที่ต่ำกว่าให้การป้องกันอุปกรณ์ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น
• เวลาตอบสนอง: โดยทั่วไปต้องการในระดับนาโนวินาที
• โหมดการป้องกัน: ชุดค่าผสมเช่น L-N, L-PE, N-PE เป็นต้น

สำหรับไฟถนน LED ค่าที่ต่ำและความสามารถในการตอบสนองที่รวดเร็วเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่ง

การเชื่อมต่อแบบอนุกรมและแบบขนาน: การเลือกวิธีการเชื่อมต่อ SPD

ด้านล่างนี้คือแผนผังการเดินสายไฟทั่วไปสองแผนสำหรับการติดตั้ง SPD ในไฟถนน ซึ่งจัดประเภทเป็นอนุกรมและการเชื่อมต่อแบบขนาน:

ในระบบไฟส่องสว่าง SPD นั้นเชื่อมต่อกันเกือบทั้งหมด ข้อดี ได้แก่ :

• ไม่มีผลกระทบต่อแหล่งจ่ายไฟปกติกับโคมไฟ
• ไม่มีการหยุดชะงักของแสงหาก SPD ล้มเหลว
• ติดตั้งและบำรุงรักษาได้ง่ายขึ้น
• แม้ว่าการเชื่อมต่อแบบอนุกรมจะจำกัดกระแสไฟฟ้าในทางทฤษฎี แต่ก็ไม่ค่อยได้ใช้ในระบบไฟถนนและสงวนไว้สำหรับการออกแบบแหล่งจ่ายไฟเฉพาะ

ความแตกต่างระหว่าง AC SPD และ DC SPD

ความแตกต่างหลักระหว่าง SPD และ DC SPD อยู่ในกระแสประเภทต่างๆ ที่พวกเขาปกป้อง ซึ่งกำหนดหลักการทำงาน โหมดความล้มเหลว และสถานการณ์การใช้งานโดยตรง พูดง่ายๆ ก็คือ AC SPD ใช้ในระบบ AC ในขณะที่ DC SPD ได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับระบบ DC

ตารางสถิติความแตกต่างระหว่าง AC SPD และ DC SPD

• หลักการทำงานและโครงสร้างวงจร: AC SPD ใช้การสูญพันธุ์ของส่วนโค้งตามธรรมชาติที่จุดข้ามศูนย์ของกระแสไฟ AC โดยใช้ MOV หรือ GDT พวกเขาต้องการความเข้ากันได้กับการป้องกันหลายโหมดสำหรับสาย L, N และ PE และรวมกลไกการเดินทางด้วยความร้อน DC SPDs ขาดจุดข้ามศูนย์ จำเป็นต้องมีทีวีแบบสองทิศทางหรือการสูญพันธุ์ของช่องว่างหลายขั้นตอน พวกเขาใช้ MOV หลายขั้นตอนที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมเพื่อลดแรงดันตกค้างและมีวงจรปิดระบบที่ใช้งานอยู่

• ความแตกต่างของโหมดความล้มเหลว: ความล้มเหลวของ AC SPD ปรากฏขึ้นเป็นกระแสรั่วที่เพิ่มขึ้น แยกโดยอัตโนมัติผ่านการสะดุดด้วยความร้อน DC SPDs มีแนวโน้มที่จะลัดวงจรอย่างต่อเนื่องเนื่องจากการสูญพันธุ์ของส่วนโค้งที่ยากลำบาก จำเป็นต้องมีการป้องกันการสำรองข้อมูล DC MCCB โดยเฉพาะ

• สถานการณ์การใช้งาน: AC SPDs ใช้ในระบบ AC เช่น แผงจ่ายไฟอาคารและอุปกรณ์ปลายทาง DC SPDs ใช้ในระบบไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ สถานีชาร์จ และบัสบาร์ Energy DC ใหม่ ตัวอย่างเช่น กล่องรวมโซลาร์เซลล์ต้องใช้ SPD 1,000 VDC ในขณะที่ด้าน AC ของอินเวอร์เตอร์ต้องใช้ 385 VAC SPD

• การเลือก: AC SPD ต้องการความสามารถในการรับกระแสไฟตามการจำแนกประเภทอาคารโดยมีความต้านทานกราวด์≤1Ω Dc SPD ต้องตรงกับแรงดันไฟฟ้าและขั้วการทำงานต่อเนื่องสูงสุดโดยคำนึงถึงผลกระทบของ PID เช่น ระบบ 1000V ต้องใช้ 1200 VDC SPD

วิธีการเลือกอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากที่เหมาะสมสำหรับโครงการไฟถนน

ต่อเมื่อ การเลือก SPD สำหรับโครงการวิศวกรรมควรพิจารณาปัจจัยต่อไปนี้อย่างครอบคลุม:

• ความหนาแน่นของสายฟ้า ณ ที่ตั้งโครงการ
• ความสูงของเสาและความหนาแน่นของการกระจาย
• กำลังไฟแต่ละดวงและโหลดระบบทั้งหมด
• การปรากฏตัวของโมดูลการควบคุมและการสื่อสารอัจฉริยะ

สำหรับพื้นที่ฟ้าผ่าที่มีความเสี่ยงสูงหรือถนนที่สำคัญ ขอแนะนำให้ใช้ผลิตภัณฑ์ SPD ที่มีความสามารถในการคายประจุไม่น้อยกว่า 10 ka-20 ka

แนวทางปฏิบัติในการติดตั้งที่ดีที่สุดสำหรับอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากในไฟถนน LED

แม้จะมี SPD ที่มีประสิทธิภาพสูง แต่การติดตั้งที่ไม่เหมาะสมสามารถลดประสิทธิภาพการป้องกันได้อย่างมาก การปฏิบัติทางวิศวกรรมควรยึดตามหลักการเหล่านี้:

• ลดระยะห่างระหว่าง SPD และอุปกรณ์ที่ได้รับการป้องกัน
• ตรวจสอบให้แน่ใจว่าสายกราวด์ "สั้น ตรง และหนา"
• หลีกเลี่ยงการขึ้นรูปลูปหรือโค้งงอโดยไม่จำเป็น
• ตรวจสอบตัวบ่งชี้ความล้มเหลวของ SPD เป็นประจำ
• แนวทางปฏิบัติในการติดตั้งที่เหมาะสมมักจะให้ประโยชน์ในทางปฏิบัติมากกว่าแค่การเพิ่มพารามิเตอร์ SPD

ประโยชน์ทางเศรษฐกิจของอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากในไฟถนน LED

แม้ว่า SPD จะเพิ่มต้นทุนวัสดุเริ่มต้น แต่ข้อได้เปรียบทางเศรษฐกิจของพวกมันก็มีความสำคัญเมื่อประเมินตลอดวงจรชีวิต:

• ลดอัตราความล้มเหลวของไฟถนน LED อย่างมาก
• ลดการบำรุงรักษาและเปลี่ยนความถี่
• ป้องกันการซ่อมแซมขนาดใหญ่และการร้องเรียนของลูกค้า
• ช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือของโครงการและชื่อเสียงของแบรนด์โดยรวม

ในโครงการเทศบาลส่วนใหญ่ ค่าใช้จ่าย SPD มักจะคิดเป็นค่าใช้จ่ายน้อยกว่า 1% ของค่าใช้จ่ายระบบไฟทั้งหมด ในขณะที่ลดความเสี่ยงความล้มเหลวกว่า 30%

ความเข้าใจผิดที่พบบ่อยในการใช้งาน SPD ของไฟถนน LED

ประเด็นต่อไปนี้เป็นที่แพร่หลายโดยเฉพาะในโครงการจริง:

• การเลือกระดับแรงดันไฟฟ้า SPD ที่ไม่ตรงกัน
• ละเลยคุณภาพระบบสายดิน
• ระยะห่างระหว่าง SPD และโหลดมากเกินไป
• เน้นการป้องกัน AC เพียงอย่างเดียวในขณะที่ไม่สนใจ DC Protection
• ข้อผิดพลาดเหล่านี้มักจะทำให้ SPD ไม่ได้ผล ทำให้ไม่สามารถป้องกันได้อย่างเหมาะสม

บทสรุป

เนื่องจากไฟถนน LED พัฒนาไปสู่กำลังที่สูงขึ้น ความฉลาด และการรวมระบบ ความต้องการความปลอดภัยทางไฟฟ้าและความมั่นคงยังคงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชาก ไม่ใช่อุปกรณ์เสริมเพิ่มเติมอีกต่อไป แต่เป็นพื้นฐานทางเทคนิคที่จำเป็นสำหรับการรับรองการทำงานที่เชื่อถือได้ในระยะยาวของไฟถนน LED

ด้วยการเลือก SPD ทางวิทยาศาสตร์ สถาปัตยกรรมการป้องกันที่มีเหตุผล และการติดตั้งที่ได้มาตรฐาน โครงการแสงสว่างไม่เพียงแต่สามารถลดอัตราความล้มเหลวได้อย่างมีประสิทธิภาพเท่านั้น แต่ยังเพิ่มมูลค่าโครงการโดยรวมและความสามารถในการแข่งขันของตลาดได้อย่างมาก สำหรับโครงการไฟถนน LED ที่ดำเนินการอย่างเสถียรในระยะยาว การป้องกันไฟกระชากได้กลายเป็นส่วนประกอบสำคัญที่ขาดไม่ได้

คำถามที่พบบ่อย