Ochrona przeciwprzepięciowa źródeł światła LED

Niech nastanie światłość!

NOWOCZESNE ŹRÓDŁA ŚWIATŁA LED

Przez bardzo długi czas Słońce było jedynym źródłem światła dla człowieka. Dopiero gdy przed 300 tys. laty człowiek prehistoryczny odkrył ogień, przyniósł światło i życie niegdyś ciemnym jaskiniom. Miejsca do tej pory nieoświetlone, stały się widoczne i jasne, i mogły być dokładnie odkrywane. Również na zewnątrz światło rozniecano i wykorzystywano w różny sposób: w roku 260 p.n.e działała pierwsza latarnia w Aleksandrii, która pomagała w orientacji pływającym statkom. W roku 378 n.e opracowano nawet pierwsze wskazówki dotyczące budowy oświetlenia ulicznego. W miejscowości antycznej Antiochia w Syrii zainstalowano pierwsze oświetlenie uliczne wskazujące drogę mieszkańcom. W miarę upływu czasu ulice zostały przystosowane do nocnej przestrzeni życiowej. Ale 1-sze oficjalne oświetlenie uliczne powstało dopiero 2-go września 1667r w Paryżu. Przyczynił się do tego znacząco Ludwik XIV, który chciał kontrolować lepiej zdarzenia uliczne.

W czasach obecnych dobrze oświetlone ulice, budynki jak również wnętrza wydają się nie być niczym szczególnym. Jako integralna część bezpieczeństwa publicznego służą przede wszystkim lepszej orientacji oraz widoczności w dniu codziennym.

Lampy naftowe i oliwne z czasów Ludwika XIV dawno temu zostały wycofane a obecne źródła światła oparte są w większości na technologii LED. Są energooszczędne, efektywne, mają długą żywotność i są przyjazne środowisku.

Aby móc sprostać rosnącym wymaganiom długofalowej polityki rozwoju miast, powstaje ogromne zapotrzebowanie na modernizację i wymianę źródeł światła. Szczególnie mocno krytykowane w terenach mieszkalnych rtęciowe lampy wyładowcze muszą zostać w przyszłości ostatecznie wymienione na regulowane źródła światła LED (mówi o tym Rozporządzenie 245/2009 do Dyrektywy UE 2005/32/EG). Aby jednak te inwestycje były w ogóle opłacalne, koniecznym jest chronić wrażliwe układy elektroniczne umieszczane w oprawach (np.: sterowniki) oraz LED-y przed skutkami przepięć.

Przepięcia elektryczne powstają w wyniku pobliskich wyładowań, procesów łączeniowych w sieci zasilającej i w urządzeniach do niej podłączonych w przeciągu sekund i mogą powodować ogromne straty.

Jak dają się zlokalizować potencjalne źródła przepięć i przede wszystkim jakie środki ochrony należy zastosować aby osiągnąć optymalny poziom bezpieczeństwa ?

Firma CITEL, jako producent niezawodnych i innowacyjnych rozwiązań w zakresie ochrony przeciwprzepięciowej z ponad 80-letnim doświadczeniem, udzieli odpowiedzi nie tylko na te pytania ale również przedstawi koncepcję ochrony źródeł światła LED tak aby użytkownik mógł wykorzystać w praktyce ich największe zalety.

PRZEPIĘCIA ELEKTRYCZNE vs WYTRZYMAŁOŚĆ NAPIĘCIOWA

Poziom techniki

Wytrzymałość udarowa lamp ulicznych przed kilkoma laty wynosiła między 2000 a 4000 V. Aktualnie jest to poziom od 4000 do 6000V.

Jednak nie zawsze to wystarcza co pokazuje rys. 1

Rys 1: Rodzaje przepięć i ich wielkość

PASYWNA vs AKTYWNA OCHRONA PRZECIWPRZEPIĘCIOWA (SPD)

Jest kilka różnych, skutecznych koncepcji ochrony przeciwprzepięciowej.

Ochrona pasywna

Rys.2 to przykład przepięcia niczym nieograniczonego. Jeśli źródło światła zostanie narażone na oddziaływanie przepięcia o wartości większej niż jego wytrzymałość izolacji to ulegnie uszkodzeniu.

Ochrona aktywna

Jeśli zastosowano element ochrony aktywnej, wówczas nie jest decydująca wartość pojawiającego się przepięcia lecz jego energia. Dzięki ograniczeniu wartości napięcia (rys.3) przez taki element, źródło światła LED będzie cały czas chronione. Jeśli energia impulsu przekracza zdolność odprowadzania ogranicznika to jest on wprawdzie przeciążony ale sama oprawa pozostaje wciąż chroniona. Elementy ochrony aktywnej to przede wszystkim warystory, iskierniki gazowe lub ich kombinacje. Nie tylko chronią źródła światła ale również dbają o długą żywotność ich wszystkich elementów składowych.

Porównanie aktywnych SPD wg EN61643-11 z pasywnym układem sterownika

Wykres (rys.4) pokazuje w dużym uproszczeniu zachowanie się ograniczników przepięć (SPD) i sterowników elektronicznych ze zintegrowanymi zabezpieczeniami, umieszczonych w oprawach LED przy impulsach przejściowych.
Sprawność ograniczników przepięć jest ograniczona głównie przez maksymalną umowną energię udarową lub wytrzymałość na prąd udarowy ze względu na ich funkcję ograniczania napięcia i kompaktową budowę SPD w oparciu o zastosowane komponenty (warystory, iskierniki).

Wytrzymałość przepięciową sterowników LED określa się na podstawie połączonych ze sobą poszczególnych elementów ochronnych: szeregowo lub równolegle. Dlatego ich sprawność jest ograniczona przez wrażliwe na wartość energii oraz wartość prądu impulsowego komponenty (np.: cewki, bezpieczniki, ścieżki drukowane) i dodatkowo przez wrażliwe na podwyższone napięcie elementy (np.: kondensatory, transoptory, tranzystory).

Rys 4: Obszar chroniony i niechroniony

Definicje z zakresu ochrony przeciwprzepięciowej

Aktywna ochrona przeciwprzepięciowa vs Wytrzymałość napięciowa

Niewątpliwie dużą zaletą aktywnych urządzeń ochrony przeciwprzepięciowej jest to, że pracują one relatywnie niezależnie od wielkości przepięcia. Ważnym aspektem przy doborze SPD jest max. wielkość pochłoniętej energii. Dlatego przy doborze konkretnego rozwiązania należy brać pod uwagę właściwy typ zabezpieczenia, sposób jego zabudowy i potencjalne ryzyko dla urządzeń i ludzi.

Z drugiej strony przy przekroczeniu wytrzymałości izolacji / wytrzymałości napięciowej latarni bez aktywnej ochrony przeciwprzepięciowej, należy obawiać się częściowej lub całkowitej awarii.

Typ 1:

Ograniczniki przepięć służące do ochrony przed skutkami prądu piorunowego

Typ 1+2+3 ograniczniki kombinowane

Ograniczniki kombinowane mogące odprowadzać bezpiecznie do ziemi prądy piorunowe jak również skutecznie chronić urządzenia przed szybko narastającymi przepięciami, jak np.: przepięcia łączeniowe lub te powstałe w wyniku sprzężeń pola

Typ 2 lub typ 2+3

Ograniczniki przepięć do ochrony przed przepięciami indukowanymi

Typ 3:

Ograniczniki na ogół instalowane tuż przy urządzeniu chronionym lub w bezpośrednio w nim. Należy je zawsze poprzedzić wykonaniem o większej wytrzymałości udarowej, zapewniając tym samy koordynację energetyczną urządzeń zabezpieczających w danej instalacji elektrycznej.

Koordynacja zabezpieczeń

Opisuje optymalny rozkład energii pomiędzy poszczególnymi stopniami zabezpieczeń w tym również SPD chroniącego sterownik w samej lampie LED. Ogranicznik przepięć kombinowany typu 1+2+3 wykonany w technologii VG, zainstalowany w rozdzielnicy głównej nn oraz ogranicznik przepięć kombinowany typu 2+3 chroniący sterownik w lampie LED spełniają optymalnie założenia koordynacji.

Uwaga: ograniczniki przepięć są produkowane i testowane zgodnie z normą IEC 61643-11.

Skuteczna koncepcja ochrony latarni ulicznych LED

Istotnymi aspektami skutecznej ochrony źródeł światła LED przed przepięciami przejściowymi są:

• rozdzielnice główne oświetleniowe
• skrzynki przyłączeniowe umieszczane w słupach latarni
• źródła światła

Rozdzielnice główne oświetlenia ulicznego

Niezawodne, kombinowane ograniczniki przepięć typu 1+2+3 mogą być instalowane w rozdzielnicy głównej by chronić układ centralnego zasilania jak również stanowią pierwszy stopień zabezpieczenia przeciwprzepięciowego dla szeregu latarni LED.

Pośrednio chronione są również oprawy, szczególnie przed pojawiającymi się w sieci przepięciami przejściowymi. Skuteczność ochrony zostaje podwyższona przez prawidłowo wykonane połączenia wyrównawcze między punktami świetlnymi a rozdzielnicą główną.

Punkty świetlne

Ochrona poszczególnych punktów świetlnych jest zależna od danej sytuacji. Zasadniczo jest możliwa zabudowa ogranicznika przepięć w samej oprawie LED lub wewnątrz słupa. Z reguły wystarcza jeden z nich. Ponieważ wysokość słupa oświetleniowego nie przekracza w większości przypadków 15m, wysoki poziom ochrony uzyskuje się poprzez umieszczenie SPD w skrzynce rozdzielczej w samym maszcie.

Skuteczne rozwiązanie jest zależne od panujących warunków. Znaczące są następujące punkty:

• klasa ochronności oprawy (I lub II)
• możliwość zabudowy SPD w oprawie lub w maszcie
• dostępność dla celów serwisowych
• możliwość doposażenia lub rozbudowy

Za umieszczeniem SPD w maszcie słupa oświetleniowego przemawia możliwość modernizacji, rozbudowy i serwisu. Z kolei lepszy poziom ochrony oraz mniejszy nakład instalacyjny za umieszczeniem SPD w samej oprawie LED.
W przypadku opraw w I-szej klasie ochronności gdzie został poprowadzony przewód ochronny PE i tym samym jest zapewnione bezpieczeństwo pracy instalacji, ograniczniki przepięć mogą być montowane tuż przy sterowniku w samej oprawie lub w maszcie w słupie.

W przypadku opraw w II-giej klasie ochronności gdzie jest brak przewodu ochronnego PE, możliwa jest wyłącznie ochrona pomiędzy biegunami L i N.

Montaż ograniczników przepięć w skrzynce w samym słupie oświetleniowym, powinien przebiegać zgodnie z wytycznymi zawartymi w normie przedmiotowej PN-HD 60364-4-41 „Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa – Ochrona przed porażeniem elektrycznym”, o ile sam maszt nie jest wykonany w II-giej klasie ochronności. W wielu instalacjach oświetleniowych w skrzynce przyłączeniowej znajduje się przewód ochronny umożliwiający przyłączenie masztu i ogranicznika przepięć z szyną wyrównywania potencjałów. Bezpieczeństwo eksploatacji a w szczególności bezpieczny proces wyłączania, osiągany jest poprzez właściwe połączenia wyrównawcze. Jeśli impedancja przewodu ochronnego jest niewłaściwa, jak np.: przy sieciach TT, konieczne jest zastosowanie wyłącznika różnicowo-prądowego, aby osiągnąć wymagane czasy wyłączania zgodnie z PN-HD 60364-4-41. Dzięki połączeniom przewodzącym samych opraw z masztem oświetleniowym również oprawy w II-giej klasie ochronności są skutecznie chronione przed skutkami przepięć.

Rys. 5 Typowy projekt latarni ulicznej

BEZPIECZEŃSTWO I ZACHOWANIE SIĘ W PRZYPADKU AWARII URZĄDZEŃ OGRANICZAJĄCYCH PRZEPIĘCIA

Zachowanie awaryjne przy zapewnieniu dostępności systemu

Urządzenia ochrony przeciwprzepięciowej są badane zgodnie z wytycznymi normy PN EN61643-11, gdzie podlegają licznym i znaczącym dla późniejszej eksploatacji testom. Jednym z wytycznych jest wyposażenie SPD w wewnętrzne urządzenie odłączające i sygnalizację jego stanu pracy. Dzięki temu użytkownik może sprawdzić w każdej chwili przydatność urządzenia. Wewnętrzne urządzenie odłączające ma za zadanie odłączyć SPD od sieci w przypadku błędu. W zależności od sytuacji urządzenie chronione może zostać odłączone od sieci (rys. 8 i 9) lub pracować dalej bez zabezpieczenia ale pojawi się komunikat uszkodzenia SPD (rys. 6 i 7).

Rys. 6 SPD sprawny

Rys. 7 SPD uszkodzony

→ SPD rozłączony, lampa pracuję dalej

→ Sygnalizacja zdalna zadziałania SPD

W przypadku centralnych punktów przyłączenia latarni oświetlenia ulicznego, nie ma większego sensu odłączać lampy od zasilania w przypadku uszkodzenia samego SPD. Na ulicach zapanowałby całkowity mrok. Do tego celu służą SPD bez funkcji odłączenia od zasilania. Te wykonania „odłączają” się same, wskazując do systemu zarządzania energią, poprzez styk pomocniczy, uszkodzony biegun, który ma zostać wymieniony na nowy.

Zachowanie awaryjne przy odłączeniu zasilania

Zastosowanie ograniczników przepięć z sygnalizacją optyczną w słupie oświetleniowym daje możliwość łatwej i szybkiej kontroli stanu SPD w przypadku wystąpienia przepięcia.

Rys. 8 SPD sprawny

Rys. 9 SPD uszkodzony

→ Oprawa i SPD rozdzielone

→ Błąd rozpoznany na zewnątrz i na SPD

Koordynacja

1. Lampy oświetlenia ulicznego LED z ogranicznikiem umieszczonym w słupie

Pojęcie koordynacji oznacza optymalny rozdział energii pomiędzy kilka ograniczników przepięć umieszczonych w danym obwodzie prądowym. Ograniczniki opisane jako pierwszy stopień zabezpieczeń (typ 1 lub kombinowane 1+2, 1+2+3) i umieszczone w rozdzielnicy głównej mają za zadanie przejąć i odprowadzić bezpiecznie większą część energii. SPD typu 2 stanowią kolejny stopień zabezpieczeń i ich zadaniem jest odprowadzenie części energii przepuszczonej przez typ 1 lub ochrona urządzeń przed przepięciami indukowanymi. Tym samym kolejny stopień SPD umieszczony w samej oprawie LED jest odciążony i wydłuża się znacznie jego żywotność.

Firma CITEL zaleca stosowanie w rozdzielnicach głównych oświetlenia ulicznego ograniczników kombinowanych typu 1+2+3 wykonanych w technologii VG. Warunkiem koniecznym do prawidłowej koordynacji są możliwie krótkie odcinki przewodów przyłączeniowych.

Na rys.10 przedstawiona koordynacja energetyczna między SPD typ 1+2+3 w rozdzielnicy głównej a SPD typ 2 umieszczonym w skrzynce w słupie oświetleniowym, jest zapewniona właśnie dzięki krótkim odcinkom przewodów przyłączeniowych.

Koordynację między SPD typ 2 w słupie a sterownikiem LED w samej oprawie zapewnia długość przewodu „l2”.

2. Lampy oświetlenia ulicznego LED z ogranicznikiem umieszczonym w oprawie

Na rys.11 pokazano ogranicznik przepięć typu 2 zamontowany bezpośrednio w oprawie LED. Koordynacja energetyczna między kombinowanym SPD typ 1+2+3 umieszczonym w rozdzielnicy a SPD typ 2 w oprawie jest zapewniona dzięki niezawodnej technologii VG.

Koordynacja między ogranicznikiem w oprawie a komponentami ochronnymi w samym sterowniku jest zapewniona dzięki bardzo krótkiemu połączeniu „l3” i zawsze sprawdzana podczas testów w laboratorium.

Firma CITEL zaleca w oprawach ze sterownikami lub w oprawach ulicznych stosowanie dodatkowych SPD które znacznie polepszają koordynację.

Do tego celu została opracowana specjalna seria MLPCH ze zintegrowanym układem koordynacyjnym.

OCHRONA PRZECIWPRZEPIĘCIOWA ŹRÓDEŁ ŚWIATŁA LED W HALI PRODUKCYJNEJ

Regulacja natężenia OŚWIETLENIA

bez regulacji

z regulacją, np.: poprzez DALI (cyfrowy interfejs świetlny)

PRZYKŁADY INSTALACJI LAMPY LED Z REGULACJĄ NATĘŻENIA OŚWIETLENIA

Ogranicznik MLP1 z regulacją DALI, 1-10V lub RS485 dla opraw w 1-szej klasie ochronności

Ogranicznik MLP1-2L do ochrony faz L1 i L2 dla opraw w 1-szej klasie ochronności

Ogranicznik MLP2 z regulacją DALI, 1-10V lub RS485 do opraw w 2-giej klasie ochronności

Ogranicznik MLP2-2L do ochrony faz L1 i L2 dla opraw w 2-giej klasie ochronności

* Styk zdalnej sygnalizacji opcjonalnie

** Uziemienie tylko dla MLP1 do opraw w 1-szej klasie ochronności

*** Brak uziemienia

Zastosowania specjalne

Ochrona przeciwprzepięciowa opraw w II klasie ochronności

W przypadku opraw wykonanych w 2-giej klasie ochronności, w szczególności w izolowanej konstrukcji gdzie sam maszt wykonany jest z tworzywa termoutwardzalnego może dochodzić do gromadzenia się ładunku elektrostatycznego w oprawie. Może to powodować powstawanie bardzo dużych statycznych napięć, które są później rozładowywane w sposób niekontrolowany w samej oprawie i prowadzą do uszkodzeń źródła światła LED lub sterownika.

Dostępne na rynku sterowniki nie są przed tym zjawiskiem we właściwy sposób zabezpieczone, ponieważ zabudowane w nich kondensatory które zazwyczaj służą jako zabezpieczenia nie są w tym wypadku żadnym środkiem ochronnym.
Firma CITEL opracowała ogranicznik przepięć typu MLPC2-230L-V/ESP2 którego zadaniem jest bezpieczne odprowadzanie przepięć łączeniowych (L-N) jak również ochrona urządzeń w oprawach przed wyładowaniami elektrostatycznymi (oprawa – N), zgodnie z wymaganiami normy IEC 60598-1 względem urządzeń wykonanych w 2-giej klasie ochronności.

Ochrona przeciw przepięciom tymczasowym / zerwanie przewodu neutralnego

Ogranicznik przepięć typu MLPVM2-230L-5A chroni obwody elektryczne przed skutkami przepięć łączeniowych (L-N) oraz tymczasowych (TOV – temporary overvoltages).

Przepięcia tymczasowe nie należą do przepięć łączeniowych czy atmosferycznych (przejściowych) i mogą się utrzymywać na urządzeniach końcowych (odbiornikach) przez wiele sekund. Większość urządzeń ochrony przeciwprzepięciowej chroni przed przepięciami przejściowymi, ale nie przed TOV.

W przypadku nagłej awarii spowodowanej np.: zerwaniem przewodu neutralnego N i pojawieniem się przepięcia tymczasowego, ogranicznik MLPVM2-230L-5A oddziela automatycznie urządzenie końcowe od sieci by uniknąć szkodliwych skutków. Gdy napięcie sieci powróci do wartości normatywnej ogranicznik MLPVM2-230L-5A po 10sek automatycznie przyłącza się z powrotem.

Przepięcia przejściowe ograniczane są skutecznie, dodatkowo przez zastosowane układy wysokowydajnych warystorów.

DOBÓR OGRANICZNIKÓW PRZEPIĘĆ DO OCHRONY ŹRÓDEŁ ŚWIATŁA LED

PRZEGLĄD PRODUKTÓW

Zobacz zalety technologii VG