Ochrona latarni z oświetleniem LED przed przepięciami

Obecnie wydaje się, że oświetlenie LED w ciągu najbliższych lat stanie się dominującym sposobem oświetlania dzięki takim zaletom, jak wysoka wydajność światła w przeliczeniu na 1 W energii oraz bardzo długa teoretyczna żywotność diod LED, sięgająca często 100 000 godz. W październiku 2014 roku przyznano nawet Nagrodę Nobla z fizyki trzem japońskim naukowcom, których praca nad niebieskimi diodami umożliwiła stworzenie diody LED z białym światłem. Niestety, obok tych zalet diody LED są jeszcze stosunkowo drogie i mają też pewne słabości, a jedną z najważniejszych jest stosunkowo niska odporność na przepięcia występujące w sieci zasilającej i w układzie sterującym natężeniem światła. Przepięcia te mogą trwale uszkodzić zasilacz, elektroniczne sterowanie lub same diody, a także przyczyniają się do przedwczesnego starzenia się diod LED i przez to wielokrotnie skracają ich teoretyczną żywotność. Z reguły urządzenia elektroniczne, takie jak zasilacze do LED-ów, wytrzymują przepięcia do 1500 V AC, ale niektórzy producenci instalują w nich dodatkowe zabezpieczania do 4000 V. Nawet te dodatkowe zabezpieczenia często jednak nie wystarczają, gdyż wartość przepięć może być wyższa. Dlatego jedynym właściwym rozwiązaniem technicznym jest zastosowanie specjalnych ograniczników przepięć.

Rozróżniamy kilka źródeł powstawania przepięć, które mogą mieć wpływ na zasilacze i diody LED w latarniach ulicznych:

1. Bezpośrednie uderzenie pioruna w latarnię – jest to zjawisko stosunkowo rzadkie, ale jednocześnie najgroźniejsze w skut- kach dla instalacji elektrycznej. Średnia wartość prądu udarowego to 25–30 kA, chociaż przyjmuje się, że maksymalna wartość prądów piorunowych może dochodzić do 200 kA. Ze względów technicznych i przede wszystkim ekonomicznych nie opłaca się chronić każdej latarni przed prądem udarowym pioruna. Stosując jednak odpowiednie ograniczniki zainstalowane w każdej latarni, możemy ochronić okoliczne latarnie z LED przed groźnym dla nich przepięciem, które w wyniku trafienia pioruna w jedną latarnię pojawi się w sieci zasilającej i ewentualnie sterowniczej.

2 W wyniku wzrostu różnicy potencjałów i indukcji elektro- magnetycznej (sprzężenia indukcyjne i pojemnościowe) uderzenie pioruna w jakikolwiek obiekt powoduje powstanie w przewodach elektrycznych w promieniu kilkuset metrów groźnych przepięć o wartości nawet do kilkudziesięciu kV i kilku kA. Ponieważ w Polsce występuje średnio ok. 25 dni burzowych w roku i przypada prawie 2,5 uderzenia pioruna na 1 km2, niebezpieczeństwo pojawienia się przepięć w sieciach zasilających latarnie z lampami LED jest duże.

3 Najczęściej w sieciach elektrycznych pojawiają się tzw. prze- pięcia łączeniowe. Jest wiele źródeł tych przepięć; oto kilka przykładów:

• przepalenie wkładki topikowej powoduje powstanie przepięcia do 2 kV i nawet kilka kA w czasie ok. 1,5 ms,

• w niemieckim instytucie VDE stwierdzono, że załączenie transformatora o mocy 1000 kVA i napięciu pracy 400 V AC powoduje powstanie przepięcia o wartości 4916 V,

• załączanie wielu urządzeń, np. wentylatorów i silników, powoduje powstawanie przepięć.

Przepięcia te mają wartość stosunkowo niewielką w porównaniu do skutków uderzenia pioruna, zwykle jest to maksymalnie do 6 kV i kilku kA, natomiast mogą trwać wielokrotnie dłużej niż przepięcie wywołane przez piorun.

Podsumowując zagadnienie występowania przepięć w sieciach elektroenergetycznych niskiego napięcia, warto wspomnieć, że według niedawnych badań niemieckich w ciągu roku w sieciach niskiego napięcia notuje się w tym kraju nawet do kilkudziesięciu przepięć, czyli gwałtownych wzrostów napięcia, ale oczywiście, tylko nieliczne z nich są tak duże, iż mogą uszkodzić elementy elektroniczne.

Innowacyjne ograniczniki przepięć firmy Citel do zabezpieczenia LED-ów

W Europie nie ma specjalnej normy poświęconej zabezpieczeniu oświetlenia LED przed przepięciami. Zastosowanie mają ogólne normy dotyczące oświetlenia i ograniczników prze- pięć, takie jak IEC EN 60598, 61547, 61000 i 61643. W USA wytyczne IEEE/ANSI C62.41.2 wymagają w budynkach odporności na przepięcia na poziomie 6 kV, a na zewnątrz 10 kV.

Jeden z największych producentów ograniczników i iskierników gazowych na świecie, francuska firma Citel, która produkuje ograniczniki przepięć od 70 lat, jako pierwsza na świecie opracowała zgodne z normami ograniczniki przepięć do zabezpieczania oświetlenia LED. Wliczając wykonania na rynek amerykański, jest to ponad 100 typów, które mogą zaspokoić różne potrzeby w tym zakresie. Ze względu na wartość możliwych przepięć prawie wszystkie te ograniczniki to typ 2+3 (dawne oznaczenie C+D); są one dostosowane do nominalnego prądu wyładowczego 8/20 µs o wartości 5 kA i maksymalnego 10 kA. Ograniczniki te wytrzymują też tzw. udar kombinowany 10 kV/ 5 kA, a niektóre nawet 10 kV/ 10 kA, dzięki czemu zapewniają poziom ochrony Up poniżej 1,5 kV dla napięcia roboczego 230 V AC. Tak dobre parametry techniczne udaje się osiągnąć dzięki szeregowemu połączeniu warystora i iskiernika gazowego.

Firma Citel przeprowadziła testy swoich ograniczników. Wzięto diody LED wraz z zasilaczami od dziewięciu różnych producentów, zabezpieczono je ogranicznikami typu MLP i MSB10 i wykonano 15 impulsów przepięciowych o wartości 10 kV. Żaden z tych systemów nie uległ uszkodzeniu. Następnie wymontowano ograniczniki przepięć i rozpoczęto nowe testy tych zestawów. Już przy 2 kV jeden system uległ uszkodzeniu, przy 4 kV kolejne dwa, a przepięcia 6 kV nie wytrzymał żaden zestaw. Oznacza to, że żaden z testowanych zestawów bez ochrony ogranicznikiem przepięć nie wytrzyma przepięć mogących wystąpić normalnie w sieciach zasilających latarnie.

Dobierając odpowiedni ogranicznik do konkretnego projektu, trzeba określić kilka jego istotnych cech. Po pierwsze, należy określić, jakie ma być napięcie zasilania – 230 V AC czy 24 V DC. Po drugie, czy interesują nas ograniczniki do opraw oświetleniowych LED ze sterowaniem natężeniem światła, czy bez takiego sterowania. Najprostsze ograniczniki do zabezpieczania tylko zasilania zewnętrznych opraw LED należą do typoszeregu MLPC1 lub MSB10-400. Z kolei niektóre ograniczniki z typoszeregu MLP pozwalają zabezpieczyć jednocześnie zasilanie i sterowanie natężeniem światła LED typu DALI lub RS485. Jest to możliwe, gdyż w jednej obudowie znajdują się dwa ograniczniki przepięć – jeden do zabezpieczenia zasilania np. 230 V AC, a drugi do zabezpieczenia toru sterowniczego. W przypadku systemu sterowania DALI jest to skuteczne dla napięcia maksymalnego 28 V DC, zaś w przypadku RS485 – 7 V DC i dla prądu 300 mA. Po trzecie, w zależności od stopnia ochrony mamy ograniczniki MLP1 dla klasy ochrony I i MLP2 dla klasy II (ochrona tylko L/N).

Kolejnym zagadnieniem jest określenie niezbędnego stopnia ochrony – ograniczniki MLP są dostępne w wykonaniu z zamontowanymi na stałe przewodami w obudowach ze stopniem ochrony IP65 oraz z zaciskami do podłączania kabli w obudowach z IP20. Typoszereg MLP umożliwia także wybór wykonania ze zdalną sygnalizacją uszkodzenia (miejscowa sygnalizacja w formie zielonej diody LED jest w standardzie, bo wymagają tego normy), jak też określenie stanu funkcjonowania chronionej instalacji w przypadku uszkodzenia ogranicznika. W ofercie istnieją też wykonania ograniczników MLP…2L na dwie fazy: L1 i L2, co pozwala albo zabezpieczać jednym ogranicznikiem jednocześnie dwie lampy z diodami LED o niezależnym zasilaniu, albo chronić dwa tryby pracy jednej lampy, tzn. gdy prąd płynie w L1, to lampa świeci na 100%, a gdy włączamy zasilanie przewodem L2, to lampa w środku nocy może pracować np. na 50% swojej mocy.

Ogranicznik przepięć instaluje się zwykle w oprawie lampy blisko źródeł LED tuż przed zasilaczem. Drugim rozwiązaniem może być zainstalowanie w złączu we wnęce na dole słupa latarni. Preferowane jest to pierwsze rozwiązanie, gdyż w ten sposób najlepiej chroni się zasilacz i diody LED. Wadą tego rozwiązania jest to, że w przypadku ograniczników bez zdalnej sygnalizacji uszkodzenia, a jedynie z sygnalizacją w formie zielonej diody LED wmontowanej w obudowę aparatu, nie ma możliwości łatwego sprawdzenia ewentualnego uszkodzenia ogranicznika, chyba że jest to wykonanie przerywające obwód zasilania w przypadku awarii.

Umieszczenie ogranicznika w złączu we wnęce słupa ma dwie zalety – można go zainstalować w już istniejących lampach z oświetleniem LED oraz bez kłopotu sprawdzić stan ogranicznika dzięki widocznej zielonej diodzie LED. Tu jednak pewną wadą jest odległość od chronionego zasilacza i samych diod LED – ogranicznik umieszczony u podstawy słupa latarni właściwie chroni przed pojawiającymi się przepięciami w przewodach zasilających i sterowniczych, natomiast w przypadku uderzenia pioruna w pobliżu latarni może się zaindukować niebezpieczne przepięcie w przewodach między podstawą latarni a oprawą z diodami LED.

Oczywiście, niezależnie od ochrony każdej latarni z oświetleniem LED należy też pamiętać o ochronie zwykłymi ogranicznikami przepięć kosztownych urządzeń sterujących zainstalowanych w szafkach oświetleniowych.

Czy warto stosować ograniczniki przepięć do ochrony latarni z oświetleniem LED?

Wiele podejmowanych decyzji jest uwarunkowanych ekonomicznie, zwykle chcemy osiągnąć jak najwięcej za jak najniższą cenę. Inwestorzy, a w zakresie oświetlenia ulic są to najczęściej gminy lub przedsiębiorstwa komunalne, zgodnie z ustawą o zamówieniach publicznych ogłaszają przetargi, w których zwykle jedynym kryterium jest cena. Jeżeli w warunkach przetargu nie będzie zapisu o ochronie latarni z oświetleniem LED ogranicznikami przepięć, to żaden dostawca nie doda ich z własnej inicjatywy, tym bardziej że po okresie gwarancyjnym uszkodzenie oświetlenia LED spowoduje, że trzeba będzie zamówić u takiego producenta nowe oprawy. Występowanie przepięć w sieciach spowodowane uderzeniami piorunów oraz tzw. przepięć łączeniowych jest faktem bezspornym, o którym nie ma nawet co dyskutować. Jeżeli oświetlenie LED ma działać wiele lat, to ryzyko miejscowych uszkodzeń oraz starzenia się diod LED spowodowanych przez przepięcia jest duże. Ograniczniki przepięć, o ile nie pojawi się prąd wyższy niż ten, do jakiego zostały stworzone, będą ochraniać oświetlenie LED przez wiele lat i mogą odprowadzać nawet setki lub tysiące przepięć. Obecnie koszt zwykłej oprawy ulicznej z zasilaczem i diodami LED to kwota około 800–1000 PLN za sztukę, w przypadku przepięcia uszkodzeniu może ulec jednocześnie kilka, kilkanaście, a nawet kilkadziesiąt latarni. Oprócz kosztu nowej oprawy pojawia się też koszt jej wymiany i ewentualnie wymiany przewodów, co może wynieść nawet kilkaset złotych na jedną latarnię. Ograniczniki firmy Citel do zabezpieczania latarni z oświetleniem LED, oferowane przez wyłącznego przedstawiciela na Polskę – firmę Jean Mueller Polska, to przy zakupie hurtowym koszt zaledwie kilkudziesięciu PLN za sztukę. W zamian pozwalają one znacznie ograniczyć lub całkowicie wyeliminować duże straty, które wobec ich braku poniósłby właściciel tych latarni.

Zbigniew Błażejewski (Jean Mueller Polska)