Aşırı gerilim koruyucu cihazlar: eksiksiz bir teknik kılavuz

Çalışma sırasında, LED anahtarlama güç kaynaklarındaki anlık yüksek voltajlar (dalgalar), potansiyel olarak yıldırım çarpmalarından, şebeke anahtarlamasından, motor çalıştırma/durmalarından ve benzeri işlemlerden kaynaklanan görünmez "akım suikastçıları" gibi davranır.

Bu dalgalanmalar saniyenin yalnızca bir kısmı (tipik olarak milisaniye ila mikrosaniye) kadar sürse de, tepe voltajları normal voltajın onlarca hatta yüzlerce katına ulaşabilir - yarı iletken bileşenleri parçalamaya veya yakmaya yeterli, bu da geri dönüşü olmayan hasara neden olur.

Aşırı gerilim koruması, şebeke kararsızlığına ve yıldırım çarpmalarına karşı LED aydınlatma armatürleri için “yaşam çizgisi” olarak hizmet eder. Bu nedenle, uygun bir sürücü güç kaynağı seçmek çok önemlidir. Gerektiğinde, armatürlere aşırı gerilim koruyucuları eklenmelidir.

Bu makalede teknik prensipleri, mühendislik uygulamalarını ve kurulum tekniklerini kapsayan, aşırı gerilim koruyucuların kapsamlı bir analizini sağlar.

LED ışıklar için aşırı gerilim koruyucu cihaz nedir?

dalgalanma koruyucusu nedir? Basitçe söylemek gerekirse, bir devrede bir aşırı gerilim koruyucusu ani aşırı voltajları (dalgalanma) "deşarj eder" ve aydınlatma sistemine zarar gelmesini önler. Devrede bir “güvenlik valfi” gibi davranır: voltaj limitleri aştığında, akımı yönlendirmek için hızla ilerler, ardından voltaj normale döndüğünde açık durumuna sıfırlanır ve LED armatürlerinin her zaman güvenli voltaj aralıklarında çalışmasını sağlar.

Dalgalanma koruyucuları öncelikle iki tipik "voltaj dalgalanması" senaryosunu ele alır: Tip I ve Tip II SPD'ler gerektiren yıldırım dalgalanmaları ve endüstriyel ekipman başlatma ve kapatmalar tarafından üretilen anahtarlama dalgalanmaları, voltaj sınırlayıcı SPD koruması gerektirir. Her ikisi de, bir cihazın tolerans aralığını aşan voltajları temelde keser ve elektrikli ekipman için kapsamlı koruma sağlar.

Özetle, aşırı gerilim koruyucular ikili bir amaca hizmet eder: ani yüksek voltajların ekipmana zarar vermesini önlemek ve yaşlanmayı hızlandıran sık sık küçük dalgalanmaları azaltmak, böylece LED aydınlatma sistemleri için kapsamlı koruma sağlamak.

LED aydınlatma uygulamalarında aşırı gerilim koruma cihazları hakkında daha fazla bilgi için blogu okuyun: “LED aydınlatma için aşırı gerilim koruyucu cihazlar (SPD): İç ve dış mekan uygulamaları için eksiksiz kılavuz.”

Ne tür aşırı gerilim koruma cihazları var?

Çalışma prensibine göre sınıflandırılır:

a) Voltaj anahtarlamalı SPD'ler

Normal çalışma sırasında yüksek empedans; gerilim dalgalanmaları sırasında aniden düşük empedansa geçer ve yüksek akım akışı sağlar. "Kısa devre anahtarı tipi SPD" olarak da bilinir. Tipik olarak, bileşen olarak deşarj boşlukları, gaz tahliye tüpleri, tristörler veya silikon kontrollü doğrultucular kullanır. Bu aşırı gerilim koruyucular, süreksiz voltaj-akım özelliklerinden dolayı “kroba tipi” olarak da adlandırılır.

b) Gerilim sınırlayıcı SPD

Dalgalanmaların yokluğunda yüksek empedans gösterir. Empedans, dalgalanma akımı ve voltaj arttıkça sürekli olarak azalır. Bileşenler tipik olarak varistörleri ve bastırma diyotlarını içerir. "Kelepçe tipi" dalgalanma koruyucuları olarak da bilinir. sürekli gerilim-akım özellikleri ile karakterizedir.

c) birleşik SPD

Voltaj anahtarlama ve voltaj sınırlayıcı bileşenleri birleştiren bir aşırı gerilim koruyucu. Özellikleri, uygulanan voltaj profiline bağlı olarak voltaj değiştirme, voltaj sınırlaması veya her ikisi olarak ortaya çıkabilir.

Kompozit aşırı gerilim koruyucular, tek bir işlemde sistemin maksimum çalışma voltajının iki katına 6 kV'den daha az olan gerilimi baskılayabilir. Üç fazlı birimler 800V'ye kadar baskı yapabilirken, tek fazlı birimler 600V'nin altına baskı yapabilir. Buna karşılık, modüler parafudrlar 1000V civarında baskılama elde etmek için üç koruma düzeyine (B, C ve D) ihtiyaç duyar.

Uygulamaya göre sınıflandırma:

Uygulamaya dayalı olarak, SPD'ler iki türe ayrılabilir: güç hattı SPD'leri ve sinyal hattı SPD'leri.

Dalgalanma koruma cihazının bileşimi

Dalgalanma koruyucu yapısı öncelikle aşağıdaki bileşenlerden oluşur:

• Metal Oksit Varistörü (MOV): Çinko oksit gibi malzemelerden yapılmış dalgalanma koruyucunun çekirdek bileşeni. Devrede aşırı gerilim meydana geldiğinde, MOV hızla iletken bir duruma geçer, aşırı gerilim enerjisini emer ve onu toprağa yönlendirir.

• Koruma Circuit Bketen: Dalgalanma koruyucunun içinde yer alan, akım ve voltaj değişikliklerini kontrol eder ve izler. Tipik olarak entegre devrelerden oluşan bu sistem, aşırı gerilim koruyucu için otomatik anahtarlama ve sıfırlama fonksiyonlarını sağlar.

• son Bkilitler: Aşırı gerilim koruyucuyu, genellikle biri giriş gücü, diğeri çıkış gücü için olmak üzere iki terminal içeren devreye bağlayın.

• Konut: Elektrik çarpmasını ve diğer tehlikeleri önlemek için tipik olarak yalıtım malzemesinden yapılmış olan gerilim koruyucunun iç bileşenlerini korur.

SPD'ler ve sıradan sigortalar ve filtre devreleri arasındaki farklar

SPD'ler ve sigortalar arasındaki farklar

SPD‌ : Geçici dalgalanma akımlarını dağıtmak için özel olarak tasarlanmıştır (örneğin, yıldırım çarpmaları, şebeke anahtarlama). Yüksek voltajlı dalgalanmaları metal oksit varistörleri (MOV) veya gaz tahliye tüpleri (GDT) gibi bileşenler aracılığıyla toprağa yönlendirir, ekipmanı anlık yüksek voltaj hasarlarından korur.

‌site‌ : Sadece sürekli aşırı yükleri veya kısa devre akımlarını erime yoluyla devreyi keserek adresleyin. Nanosaniye seviyesi dalgalanmaları kaldıramazlar.

SPD yanıt süresi nanosaniyeden mikrosaniyeye (örneğin, MOV'lar için nanosaniye, GDT'ler için mikrosaniye) değişirken, sigortaların atması milisaniye gerektirir ve hassas ekipmanı zamanında korumada başarısız olur. Bozulmuş SPD'ler, takip akımı tehlikelerini önlemek için sigortalarla (devre kesiciler değil) kullanılmasını gerektiren akım veya kısa devre sızabilir; atmış sigortalar değiştirilmeyi gerektirir, ancak daha sonra hiçbir akım sorunu yaratmaz.

SPDS ve Filtre Devreleri Arasındaki Farklar

SPD‌ : Yıldırım çarpması veya güç dalgalanmaları gibi geçici yüksek voltajlara (KV seviyesi) karşı korur.

‌Filtre Devreleri‌: Güç kaynaklarındaki elektromanyetik parazit gibi kalıcı yüksek frekanslı gürültüyü (KHz-MHz) kaldırın.

SPDS, deşarj veya sıkıştırma gerilimi ile (örneğin, 600V'nin üzerindeki MOV'lar) çalışır; Filtre devreleri, düşük geçişli ağlar oluşturmak için indüktörler ve kapasitörler kullanır, gürültüyü giderek azaltır. SPDS, yıldırım çarpmalarına ve şebeke şebeke dalgalanmalarına karşı korur; Filtre devreleri, tıbbi ekipman ve iletişim sistemleri gibi yüksek güç saflığı gerektiren uygulamalara hizmet eder.

Özet karşılaştırma tablosu

‌Özellik	SPK	kaynaşmak	‌filtre dolaşmak
çekirdek fonksiyonu‌	deşarj geçici dalgalanmaları	Aşırı yük/kısa devre koruması	Yüksek frekanslı gürültüyü filtreleyin
Yanıt süresi	Nanosaniye-mikrosaniye aralığı	milisaniye menzili	sürekli çalışma
Tipik bileşenler	MOV, GDT, TVS2	Metal sigorta	İndüktörler, kapasitörler
Başarısızlık riskleri	Olası sızıntı veya kısa devre	Değiştirme gerektirir	Performans düşüşü

Yukarıdaki karşılaştırmada gösterildiği gibi, SPD'ler, sigortalar ve filtre devrelerinin her biri güç sistemlerinde farklı roller üstlenir. Kapsamlı koruma sağlamak için koordineli kullanımları esastır.

Aşırı gerilim koruma cihazlarının çalışma prensibi

Normal koşullar altında, aşırı gerilim koruyucu, devrede toprağa açık devre durumu, yani yüksek dirençli bir durum anlamına gelir. Bu yüksek dirençli özellik, devre üzerindeki etkisini en aza indirir. Parazit olmadan normal devre çalışmasını sağlamak için gerekmediğinde açık kalan bir anahtar gibi çalışır. Aşağıdaki Şekil 1'de gösterildiği gibi.

Ana devrede geçici bir yüksek voltaj meydana geldiğinde (örneğin bir yıldırım çarpması sırasında) aşırı gerilim koruyucusu anında yanıt verir. Bu geçici aşırı gerilim koşulu altında, aşırı gerilim koruyucu, düşük dirençli bir durum olarak davranır. İç bileşenleri (örneğin, varistörler, gaz tahliye tüpleri) yüksek dirençliden düşük dirençli durumlara hızla geçiş yaparak iletken bir yol oluşturur. Dalgalanma akımını anında yönlendirir ve aşırı gerilimi güvenli bir seviyeye sınırlar, böylece devreyi ve ekipmanı hasardan korur. Şekil 2'de gösterildiği gibi.

Şekil 2'de gösterildiği gibi, aşırı gerilim koruyucu, geçici aşırı gerilim olayları sırasında kritik bir koruyucu rol oynar. Güç kaynağını ve aydınlatma armatürlerini aşırı gerilimin etkisinden koruyan bir bariyer görevi görür.

LED aydınlatma sistemleri için aşırı gerilim koruması neden önemlidir?

Aşırı gerilim koruması, aşağıdaki birincil nedenlerle LED aydınlatma sistemleri için kritik öneme sahiptir:

1. Dalgalara karşı LED hassasiyeti

Yarı iletken cihazlar olarak, LED'ler sadece birkaç voltluk ileri voltajlara sahiptir ve özellikle zayıf ters voltaj toleransı, özellikle zayıf ters voltaj toleransı sergiler. Yıldırım çarpmalarından veya şebeke anahtarlamasından kaynaklanan geçici aşırı gerilimler (binlerce volta ulaşır), LED çiplerine veya sürücülere doğrudan zarar vererek anında arızaya veya gizli hasara neden olabilir.

2. Çeşitli dalgalanma kaynakları

• ‌Yıldırım indüksiyonu‌ : Yıldırım akımı deşarjı, ani toprak potansiyel dalgalanmalarına neden olarak, güç/sinyal hatları ile armatürlere girer.

• ‌İzgara İşlemleri‌: Anahtarlama takımı, kısa devre hataları vb., geçici aşırı gerilimler üretir.

• Elektrostatik BENkarşıtlık: Metal gövdelerde biriken statik elektrik (>10kV) sürücü devrelerini bozabilir.

3. Dalgalanma hasarının sonuçları

Dalgalanma olayları yalnızca LED ışık kaynağı yaşlanmasını hızlandırmakla kalmaz (acıma özelliğini de azaltabilir) aynı zamanda kademeli arızaları da tetikleyebilir: Tek bir LED kısa devre, voltaj düşüşünü bitişik LED'lere aktararak tüm lamba dizilerinin yanmasını hızlandırır. Dış aydınlatma sistemleri için yüksek bakım maliyetleri, yetersiz korumanın bakım masraflarını önemli ölçüde artırdığı anlamına gelir.

Bir şehirde, 30% ana yol aydınlatması sürücüleri, bir fırtına korumasının olmaması nedeniyle bir fırtına sezonundan sonra başarısız oldu ve onarımlarda 500.000 yuan'ın üzerinde tahribata neden oldu. İnceleme, birden fazla dalgalanma etkisinin metal oksit varistörlerini (MOV'lar) yaşlandırdığını ve bozduğunu ve ardından gelen yıldırım çarpmalarının LED modüllerine doğrudan zarar vermesine izin verdiğini ortaya koydu.

Aşırı gerilim koruması, özellikle dış mekan ve endüstriyel ortamlar gibi yüksek riskli ortamlarda, LED aydınlatma armatürlerinin uzun ömürlülüğünü ve güvenilirliğini sağlamak için kritik bir önlemdir. Dalgalanma koruması ile donatılmış LED armatürler, gelişmiş güvenilirlik sergiler. IEC 61000-4-5 gibi test standartlarıyla uyumlu SPDS'nin kurulması, bakım maliyetlerini önemli ölçüde azaltarak LED aydınlatma sistemleri için hayati önem taşır.

LED armatürlerde aşırı gerilim koruyucular için bağlantı yöntemleri

Aşırı gerilim koruyucuları LED armatürlere bağlamak için en yaygın yaklaşım, bunları giriş veya çıkış terminallerine seri veya paralel olarak monte etmeyi içerir. Farklı kurulum yerleri ve yöntemlerine göre, bunlar aşağıdaki gibi sınıflandırılabilir:

1. Entegre dalgalanma koruyucuları şoförs

Yerleşik aşırı gerilim koruyucular, yıldırım çarpmaları, anahtarlama işlemleri veya sistem üzerindeki elektrostatik deşarjın neden olduğu geçici aşırı gerilimlerin etkisini azaltır. Güç kaynağı kararlılığını korurlar ve aydınlatma sisteminin sürekli çalışmasını sağlarlar. Geçici aşırı gerilimlere hızla yanıt vererek ve baskılayarak, aşırı gerilim koruyucular, LED sürücü modüllerine ve anormal voltajlardan kaynaklanan ışık yayan modüllere verilen hasarı azaltır ve böylece ekipmanın genel ömrünü uzatır.

2. Takılı aşırı gerilim koruyucu şoför ön uç

Bu yaklaşım, öncelikle sık sık yıldırım çarpması ve yüksek çevresel nem oranına sahip alanlar için uygundur. Örneğin, sokak lambalarının ön ucuna bir aşırı gerilim koruyucu takılması, yıldırım çarpmaları ve elektromanyetik parazitlerden kaynaklanan elektriksel hasarlara karşı gelişmiş koruma sağlar ve çift koruma görevi görür. Ayrıca daha sonra daha kolay bakım sağlar. Ancak, yeni eklenen SPD'nin mevcut sistemin topraklama yöntemiyle uyumlu ve uyumlu olduğundan emin olmak önemlidir.

3. Girişte seri bağlantı

Aşırı gerilim koruyucuyu LED sürücü güç kaynağının girişi ile seri olarak bağlayın. Girişte bir dalgalanma meydana geldiğinde, aşırı gerilim koruyucu akım akışını keserek LED lambayı korur.

4. Girişte paralel bağlantı

Aşırı gerilim koruyucuyu LED sürücüsünün girişine paralel olarak bağlayın. Girişte bir dalgalanma meydana geldiğinde, aşırı akımı uzaklaştırarak aşırı akımı uzaklaştırır.

Farklı aşırı gerilim koruyucu tiplerinin, belirli koşullara göre seçim gerektiren belirgin avantajları ve dezavantajları vardır.

Genel olarak, seri dalgalanma koruyucuları hızlı tepki süreleri, güçlü koruma ve normal çalışma üzerinde minimum etki sunar, ancak karmaşık kurulum, alan gereksinimleri ve hasara karşı duyarlılık gibi dezavantajlar sunar.

Paralel aşırı gerilim koruyucular, basit kurulum, kompakt bir ayak izi ve değiştirme kolaylığı sunarken, daha yavaş tepki süreleri, daha zayıf koruma ve normal çalışma ile potansiyel parazitten muzdariptir.

LED aydınlatmada ne tür bir SPD kullanılır?

Aşırı gerilim koruma cihazları (SPD'ler) öncelikle koruma yeteneklerine, kurulum konumuna ve dalga biçimi tolerans özelliklerine göre sınıflandırılır. Uluslararası standartlar genellikle bunları üç tipte sınıflandırır:

Tip 1 SPD

Bir binanın ana dağıtım paneline veya güç giriş noktasına monte edilmiş doğrudan yıldırım çarpması veya yüksek enerjili dalgalanmalar için tasarlanmıştır. 1.5KV ile 4KV arasında değişen, tipik olarak 12.5KA ile 200KA arasında bir nominal deşarj akımı (IN) ile daha yüksek bir voltaj koruma seviyesi (UP) içerir.

Tipik uygulamalar: Endüstriyel tesisler ve iletişim baz istasyonları gibi yıldırım çarpmalarına eğilimli yüksek riskli konumlar.

Tip 2 SPD

Dağıtım panellerine veya zemin seviyesindeki dağıtım dolaplarına monte edilmiş, dolaylı yıldırım çarpması veya elektrik şebekesi bozulmaları için uygundur. IN genellikle 5KA ila 20KA ve yukarı tipik olarak 1.5kV ila 2.5kV arasındadır.

Tipik uygulamalar: Dış mekan ve ticari LED aydınlatma uygulamaları ve yol aydınlatması, otopark aydınlatması, duvar yıkama aydınlatması, trafik aydınlatması, taşkın aydınlatması, dijital tabela, sokak flaş aydınlatması ve tünel aydınlatması dahil olmak üzere LED tabela ve trafik ışığı üreticileri.

Tip 3 SPF

Ekipman veya prizlerin ön ucuna monte edilmiş son cihaz koruması için uygundur. Tipik olarak ≤10kA'da. Daha hızlı yanıt süreleri (nanosaniye seviyesi) ile iyi koruma (≤1 kV'ye kadar) sağlar.

Tipik uygulamalar: Genellikle yerel voltaj koruması için LED sürücülere entegre edilmiştir.

Genel ana dağıtım panelleri Tip 1 veya Tip 2 cihazları kullanır; Dağıtım kutuları, tip 2 ve Tip 3 cihazları kullanabilir, Tip 2 ve Tip 3, arka uç uygulamalar için de uygundur.

Binalara giren AC tedarik hatları için, LPZ0A/LPZOB ve LPZ1 bölgeleri arasındaki sınırda (örneğin, ana dağıtım panelinde) birincil koruma olarak Tip 1 veya Tip 2 aşırı gerilim koruyucuları takın.

Güç dağıtım hatlarındaki dağıtım panelleri veya elektronik ekipman odaları gibi sonraki koruma bölgelerinin sınırlarına ikincil koruma olarak Tip 2 aşırı gerilim koruyucular takılabilir. LED aydınlatma armatürleri gibi cihazlar için, güç kaynağı bağlantı noktasından önce Tip 2 veya Tip 3 aşırı gerilim koruyucuları takılabilir.

Bir aşırı gerilim koruyucusu nasıl doğru seçilir?

Elektrik uygulamalarında, bir aşırı gerilim koruyucusu seçmek, sistem topraklama konfigürasyonu, pozlama seviyesi, yıldırımdan korunma bölgeleri, kablo uzunluğu, seviyeler arası koruma, koruma noktalarındaki kısa devre akımı büyüklüğü ve şant devrelerinin sayısı gibi faktörleri içeren oldukça karmaşık bir sorundur.

Çok sayıda üretici piyasada aşırı gerilim koruyucu üretmektedir. Bu nedenle, aşırı gerilim koruma cihazlarını seçerken aşağıdaki noktalara özel dikkat gösterilmelidir:

1. UC değerini belirleyin

Dalgalanma koruyucunun maksimum sürekli çalışma voltajının (UC) seçimi, sistem voltajı, ekipman dayanma voltajı ve standart özelliklerin kapsamlı bir şekilde dikkate alınmasını gerektirir. Minimum UC değeri, nominal voltajın 1.15 katı olmalıdır.

Örneğin, 220V fazlı bir voltaj sisteminde, UC = 1.15 × 220V = 253V. AC şebeke tepe voltajları RMS değerinin 1,1 katına ulaşabildiğinden (253V × 1.414 = 357V; yakl. 220V sistem için 350V tepe), UC bu değeri aşmalıdır. Ancak pratik uygulamalarda sık aktivasyonu önlemek için 385V gibi daha yüksek bir değerin seçilmesi önerilir. Aynı zamanda, varistörün aktivasyon voltajı (U1MA) şebeke dalgalanma aralığıyla eşleşmelidir.

2. Koruma Seviyelerini Seçme

Ana dağıtım için Sınıf I SPD'ler (örneğin, IIMP ≥ 100KA) kullanılırken, dağıtım panelleri için Sınıf II SPD'ler (≥ 40KA'da) kullanılır ve çok seviyeli koruma oluşturur. SPD kurulum boyutları ve türleri yerinde gereksinimleri karşılamalıdır. Seçim yönergeleri aşağıda gösterilmiştir:

Koruma Seviyesi	Kurulum Yeri	Uygulama Senaryosu	Anahtar Parametreler
1. yazın	Ana dağıtım paneli	Doğrudan yıldırım çarpması koruması	≥100KA(10/350μs)
2. Tip	dağıtım kutusu	Endüklenmiş yıldırım/çalışma dalgalanması	40KA (8/20μs)
3. yazın	LED sürücü ön uç	Hassas ekipman terminal koruması	≤1.5 kV'a kadar

3. Kurulum Yöntemi

Armatürün konumuna göre doğru konumlandırılmış ve kurulumu kolay bir SPD seçin. SPD'ler tipik olarak, armatürlerin önünde olduğu gibi ulaşılması zor alanlarda gizlendiğinden, ek olarak arıza durumunda armatürün devreden çıkartılarak gelecekteki değişim ve bakımı kolaylaştırabilir.

4. Çevresel adaptasyon

Dış aydınlatma için IP54 veya daha yüksek IP dereceli SPD'leri seçin. Nemli veya tozlu koşullarda, IP67'nin daha yüksek IP derecesine sahip SPD'ler kullanın.

5. Topraklama Özellikleri

SPD, giden iletkenlerle paylaşılan zemin yollarından kaçınarak özel bir PE terminali aracılığıyla topraklanmalıdır. Toprak sürekliliği direnci testi ≤0.1Ω.

6. Çok seviyeli koruma

230V güç kaynaklarının korunmasının ötesinde, DALI, İkinci (Kontrol) Faz, 1-10V veya DMX gibi kontrol ünitelerini korumayı düşünün. Kombine AC ve kontrol SPD'leri, tipik olarak iki ayrı SPD'den daha iyi koordineli koruma sağlayan bu armatürler için idealdir.

7 .Sertifika ve güvenlik

IEC 61643-11 ve VDE 0100-534 gereksinimlerini karşılamak için test edilen TUV veya UL gibi güvenilir sertifikalara sahip SPD'leri seçin.

Çözüm

Aşırı gerilim koruma cihazları, yıldırım çarpmalarına ve şebeke dalgalanmalarına karşı dış aydınlatma sistemleri için temel bariyer görevi görür. Varistörlerin ve gaz deşarj tüplerinin sinerjik etkisi sayesinde, yüksek voltajlı dalgalanmaları mikrosaniyeler içinde toprağa yönlendirirken, voltajları güvenli ekipman eşiklerine sıkıştırırlar.

Yeterli koruma olmadan, LED armatürler ve sürücüleri, geri dönüşü olmayan hasar, azaltılmış verimlilik ve tam arıza potansiyeli riskiyle karşı karşıyadır. Aşırı gerilim koruma cihazları, zorlu şebeke ortamlarında LED sokak lambalarının güvenilirliğini önemli ölçüde artırarak, akıllı şehir aydınlatma sistemleri için vazgeçilmez koruyucu bileşenler haline getirir.