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實現LED路燈安全運行的過電壓保護

節能LED光源和相關的電子控制裝置或驅動器提供諸如路燈的戶外區域照明應用中的長壽命,減少的維護和可控波束圖案等許多益處,但是室外應用是環境苛刻的。 與室內照明的情況相反,在街道照明的情況下,必須解決可能的過電壓或浪涌電壓的問題。 因此,為了對抗L / N(線/中性)和地線之間的10 kV尖峰以及L和N之間的6 kV的浪涌保護概念是絕對必要的。

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向基于LED的固態照明(SSL)的轉變為城市帶來巨大的潛在利益。 公共照明的運行和維護費用占市政府和地方當局能源成本的很大一部分,但通過用LED光源代替常規光源,在照明應用中節省了巨大的潛力。 但LED與傳統光源不同。 以低電壓運行的LED和驅動LED的電子控制裝置比HID燈和鎮流器更容易受到過電壓狀態的影響。 因此,如果充分注意保護LED路燈免受過電壓條件的影響,對戶外SSL產品的改造只能取得成功。

過電壓條件有各種潛在的原因:

•在電源系統或附近的工業設施中切換操作

•在維護工作期間進行靜電放電

•LED路燈或電源線上的雷擊

•附近閃電,導致電偶耦合

小的過電壓條件即使在不受保護的LED模塊上也幾乎沒有影響,但頻繁的過電壓事件可能會對LED光源的壽命產生不利影響。 大的過電壓,如雷擊產生的過電壓,很可能會立即摧毀幾個LED路燈的LED模塊或電子控制裝置。

閃電仍然是主要風險

由于電源系統中的開關操作導致的過電壓通常發生在相間和中性點之間 - 換句話說,在L和N之間或差模干擾之間。它們達到6 kV的峰值,僅影響控制裝置。 因此,標準控制器具有4-6kV的內置浪涌保護,因此這些過電壓事件被吸收,對壽命和可靠性沒有影響。

與其他浪涌電壓源相比,與雷擊相關的過電壓事件對于可靠的路燈操作來說是一個更重要的風險。

該圖表明,與其他浪涌電壓源相比,與雷擊相關的過電壓事件對于可靠的路燈操作來說是一個更重要的風險。


雷擊造成的浪涌電壓要計算得更難。 圖。 1概述了浪涌電壓的風險。 從雷電起,風險主要發生在電力線(L / N)和地線(PE) - 差模干擾之間 - 可以快速達到幾十千伏。 結果是在整個街道運行中可以破壞燈的感應電壓。 然而,雷擊的風險并不一樣。 區域差異很大。 閃電地面閃光密度Ng定義了每平方公里和年份的雷擊次數,比利時為1,南非為150個。 因此,必須考慮到這種區域差異。

專注于保護班

由于環境的變化,業界已經開發出不同的防護等級,可以設計LED燈具。 在我們考慮這些課程之前,請記住,LED照明系統由燈具外殼(也稱為路燈上的燈/燈具頭)組成,具有用于引導光(透鏡,反射器)的光學系統的LED模塊和用于為LED模塊提供適當電力的電子控制裝置。


照明行業長期以來一直使用防護等級來定義室外燈具如何防止過電壓事件。

防護等級I中的燈具設計成使得所有導電部件具有與保護性接地的定義連接。 良好的浪涌保護概念能夠在L / N和地之間進行10 kV的電壓,L和N之間的電壓為6 kV。這一級別的保護是根據IEC61000-4-5進行測試的,并且能夠承受甚至多個過電壓事件。 因此,建議盡可能使用I級防護等級的燈具,因為根據相關標準,高壓應僅用保護地球補償。

然而,出于歷史原因,歐洲的大部分街道照明都屬于二級保護。 在二級防護等級的燈具中,所有帶電部件都有保護絕緣,但沒有確定與保護接地的連接。 浪涌保護裝置(避雷器)不得危及根據IEC61643-11的保護絕緣,即使是雷擊時間很短的時間。 因此,在防護等級II照明設備中,不能以連接金屬外殼或接地的導體形式的最佳浪涌保護。

在防護等級II中,區別于具有由金屬制成的燈具頭的設計和其中燈頭由不導電材料制成的設計。 在由金屬制成的燈具頭的情況下,最好在控制裝置和LED模塊之間提供等電位連接,以防止潛在的阻力,從而增加浪涌電壓。 即使燈具頭通過桅桿連接到地面,該連接可能具有高或未定義的阻抗,并且系統必須根據II類防護等級提供適當的絕緣。

如果照明器頭由非導電材料制成,則所有暴露部分也必須由非導電材料制成,或根據II類防護等級進行絕緣。 在這里不需要等電位連接。 這里最薄弱的環節是LED模塊,它取決于絕緣材料及其厚度,可以實現10 kV的浪涌保護。 沒有可靠的浪涌保護,光源可能會過早老化甚至完全失效。

推薦用于可靠的浪涌保護

據德國電氣與電子工業中央協會ZVEI稱,二級保護燈具燈具的高達10kV的浪涌保護要求正在越來越多地被用于街道照明項目的投標。 如果有將照明轉換為防護等級I的選項,那么這將是最佳解決方案。

否則,LED燈具有高品質的驅動程序,如來自銳高的Premium Outdoor Drivers。 LCA one4all C PRE OTD是一款可調光恒流LED驅動器,包括浪涌保護,防止由于電源系統中的開關操作而導致的電壓波動,并在L和N之間發生。驅動器還提供高達10 kV的浪涌保護電源線(L和N)和地線。 該等級的保護措施經過IEC61000-4-5測試,并將承受甚至多個過電壓事件。

在驅動程序中實現浪涌保護的方法有很多。 銳捷在開發基于不同電容器的驅動器中開發了一種特殊的電壓分配裝置,以確保即使在高輸入瞬變的情況下,最大只有500V到達驅動器的輸出側。 大部分電壓從電源側消耗到輸出側。 對于只有低到平均雷擊頻率的區域,具有10 kV的控制裝置提供高浪涌保護,以前只能通過照明器頭中的附加浪涌模塊來實現。 然而,防護等級II燈具不再允許。


雷擊浪涌的影響如何隨距離罷工的距離而減小,但一擊可能會損害多路燈。

該圖顯示了雷擊浪涌的影響如何隨距離罷工的距離而減小,但一擊可能會損害多路燈。


LED路燈150m以內發生的雷擊不再影響LED模塊的可靠運行。 如果雷電直接照射燈具,假設LED燈具間距為30米,則前五個燈具將失敗,但整個街道上的照明燈不會熄滅。 

雷擊的影響如何相對于距離罷工的距離而變化。

圖3描述了雷擊的影響如何相對于距離罷工的距離而變化。

定制的概念,以提高安全性

對于雷擊次數高的地區,除了強大的驅動器設計,或者如果分配器太遠的地方,建議在電纜接線盒中使用照明系統的主電源分配器中的避雷器。 這些外部過電壓設備必須按照EN 61643-11進行測試,并與燈具中的集成浪涌保護(換言之,在控制裝置中)相匹配。

由于符合奧地利理工學院(OIT)的ÖVE/ÖNORMEN 61547標準的LED路燈高壓測試顯示,符合通常的測試標準不足以保證室外照明設備的運行可靠性。 實際實踐表明,即使符合標準的要求,在某些情況下,僅在2-4 kV的過電壓水平下也會發生燈泡故障。

與標準測試相反,AIT進行的測試包括增加電壓直到器件被破壞。 結果一般符合實際經驗。 如果整個系統中的所有元件相互匹配,浪涌保護設備才能可靠地運行。 L和N之間以及L / N和地(PE)之間的介電強度(浪涌和ESD)越高,在實際操作過程中,LED光源能夠承受過電壓事件越好。

燈具開發商甚至城市和公用設施的指定者應確保安裝在路燈項目中的驅動程序與當地環境相匹配。 在功率和流明輸出方面,有驅動程序可以跨越應用范圍。 例如,上述的Tridonic Premium Outdoor系列產品包括功率范圍從30W到150W的六種功能。 所有這些都按照IEC-916000-4-5進行測試,特性不對稱浪涌保護為10 kV,額定壽命為100,000小時,可以調光至10%,并可選配網絡控制。 做過電壓作業的市政府應該獲得SSL的好處 - 包括低能源使用和長壽命,低維護要求,相對于傳統來源可以提供巨大的生命周期成本優勢。

定義過壓條件的常用術語

保護接地:為了電氣安全,保護接地被定義為系統或設備或組件中的一個或多個點的接地。 這通常被理解為所有金屬部件的電連接,其易于觸摸并且不屬于工作電流電路(即,非活性金屬部件)到接地電位,以防止導電部件處的高接觸電壓(例如,外殼)發生故障。

功能性地球/等電位:與保護地相比,功能性地球或操作性地球不是為了安全起見而是為了保護人,而是為了確保電氣設備的無故障運行。 功能性地球可以可靠地防止干擾電流。 功能性地球還提供電氣設備之間的共同參考電位。

防護等級I:防護等級的電氣設備我有一個保護地。 將保護接地連接到設備外殼可確保在故障的情況下,故障電流通過保護接地導線路由到地電位。

防護等級II:防護等級II在電源電路和輸出電壓或金屬外殼之間加強或雙重絕緣。 即使設備具有導電表面,它們也可以通過良好的絕緣保護,防止與其他帶電部件接觸。







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