Щит против молний: грозозащита в LED-драйверах Xitanium

11 марта

Виктор Чистяков (г. Малоярославец)

Варисторы и газоразрядники, используемые в LED-драйверах Xitanium для наружного освещения, производимых компанией Philips, позволяют применять эти драйверы в наиболее грозоопасных районах при работе с уличными источниками света.

Броски повышенного напряжения в электрической сети общего пользования, возникающие под воздействием разрядов атмосферного электричества, способны оказывать серьезное разрушительное воздействие на импульсные источники питания (ИИП) уличного и производственного освещения.

Помимо материального ущерба в связи с повреждением светильников, скачки напряжения, вызванные грозовой молнией, могут стать причиной преждевременного старения (ухудшения защитных характеристик) дорогостоящего  электрооборудования.

Обеспечить необходимый уровень защиты драйверов Philips Xitanium позволяют встроенные в них цепи защиты и проектирование с учетом требований стандартов по защите от импульсных помех.

Опасность импульсов повышенной энергии в электросетях

В результате разряда молнии возникает лавинообразный электрический ток, который за несколько миллисекунд может достичь максимальных значений порядка 200 кA и затухает за время порядка 100 мкс. В течение этого процесса за счет электромагнитной индукции наводится электрический ток и высокое напряжение во всех близко расположенных и незащищенных проводниках.

В общем случае броском, всплеском или скачком напряжения называют внезапное импульсное повышение уровня напряжения (перенапряжение). Длительность таких импульсов невелика, но ее более чем достаточно для того чтобы вывести из строя ИИП, если не предпринять соответствующих мер защиты.

Подобные броски напряжения возникают не только в длинных линиях электропитания, но и во внутренних цепях с индуктивными свойствами. Например, переключения внутри трансформаторных подстанций и шкафов электропитания или отключение двигателей и других мощных индуктивных нагрузок в цепях переменного и постоянного токов вызывают коммутационные перенапряжения, хотя и не столь разрушительные (рисунок 1).

Рис. 1. Типичные броски напряжения

Есть два варианта для протекания повышенного разрядного тока в период воздействия бросков напряжения – дифференциальный и синфазный. В первом случае ток протекает по двум фазным проводам либо через фазный и нулевой провод (нейтраль), как показано на рисунке 2а. Во втором случае цепь разряда с фазного или нулевого провода замыкается через заземляющую шину (рисунок 2б).

Рис. 2. Дифференциальный (а) и синфазный (б) режимы разрядного тока

Зональная грозовая активность

Грозовые разряды атмосферного электричества вызывают молнии и представляют серьезную опасность. На земном шаре одновременно происходит до 1800 гроз. В высоких широтах грозы бывают редко, но в летнее время они иногда наблюдаются даже в центральной части арктической зоны. Количество и продолжительность гроз зависит от местных и географических условий, в отдельные годы эта статистика может существенно отличаться от средних значений, которые представлены на рисунке 3.

Рис. 3. Карта грозовой активности России

Согласно седьмому изданию Правил устройства электроустановок (ПУЭ), интенсивность гроз в центральных регионах России составляет около 50 часов в год, при этом разряды молний воздействуют на участок в 1 км² два раза в год, а для южных регионов – пять раз в год. Показатели зональной грозовой активности учитывают при проектировании систем защиты от разрядов молний.

Требования стандарта по защите от импульсных помех

ГОСТ IEC 61000-4-5-2017 устанавливает требования к помехоустойчивости, методы испытаний и диапазон рекомендуемых испытательных уровней для оборудования с учетом однополярных выбросов напряжения от переходных процессов в результате коммутации или разрядов молнии.

Степень защищенности входных цепей питания AC/DC делится на шесть классов (от 0 до 5), в зависимости от условий мест размещения оборудования и интенсивности возникающих помех (таблица 1).

Таблица 1. Классификация условий размещения оборудования по допустимым уровням импульсных помех

Предусмотренная в стандарте ГОСТ IEC 61000-4-5-2017 и рекомендуемая компанией Philips методика испытаний позволяет оценивать реальную защищенность оборудования с помощью подаваемых на входные порты устройств испытательных импульсов повышенного напряжения, нормируемых по длительности переднего и заднего фронтов (рисунок 4). По переднему фронту оценивается нарастание напряжения и тока от 10% до 90%, по заднему фронту – спад до 50%.

Рис. 4. Форма напряжения испытательного импульса

Как работает защита LED-драйверов Philips

Сложные и достаточно дорогие устройства защиты включают в себя датчики, контроллеры и цепи коммутации, которые отключают питание защищаемых устройств в случае появления броска напряжения. Более простые и распространенные цепи защиты просто ограничивают напряжение импульса при превышении им заданного уровня. Подобный тип защиты применен в драйверах для наружных LED-светильников Philips, схематично он представлен на рисунке 5.

Рис. 5. Схема каскада грозозащиты с дифференциальным и синфазным ограничением напряжения

Ограничители бросков напряжения могут включаться между отдельными линиями питания или между каждой линией и шиной заземления. Подобным образом действуют встраиваемые в драйверы схемы защиты от бросков напряжения и внешние модульные УЗИП, способные сгладить (ограничить) импульсы величиной в несколько тысяч вольт.

На рисунке 6 представлена используемая компанией Philips схема защиты от импульсов повышенного напряжения. В качестве ограничителей напряжения используются варисторы MOV (Metal Oxide Varistor) и газовые разрядники GDT (Gas Discharge Tube). Самовосстанавливающийся электронный предохранитель (PPTC) обеспечивает защиту оборудования и защитной схемы. GDT, подключенные последовательно с варисторами, помогают обеспечить защиту повышенного уровня, что особенно важно для оборудования, подключаемого к воздушным линиям электропередач.

Рис. 6. Схема грозозащиты на варисторах и газоразрядниках в драйверах Philips

Количество импульсов, поглощаемых варисторами без увеличения тока утечки и ухудшения других характеристик, определяется мощностью импульсов, то есть величиной тока, пропускаемого варистором.

Параметры грозозащиты в ИИП Philips Xitanium

Согласно требованиям стандарта IEC61547, все светильники должны быть защищены от воздействия импульсов повышенного (до 1 кВ) напряжения в дифференциальном режиме (ДР) и до 2 кВ – в синфазном режиме (СР).

Тем не менее, выпускаемое Philips осветительное оборудование отвечает еще более жестким требованиям по защите от бросков напряжения. Все европейские уличные светильники Philips со встроенным светодиодным драйвером Xitanium (рисунок 7) обеспечивают защиту драйвера в синфазном режиме при бросках напряжения до 8…10 кВ и до 6 кВ в дифференциальном режиме. Минимальная защита светильника предусмотрена на уровне 6 кВ в СР/ДР. Это гарантирует приемлемую базовую защиту уже на уровне светильника для большинства европейских установок уличного освещения, то есть до 4 класса, как определено в стандарте EN61000-4-5, требующем защиты до 6 кВ в СР/ДР.

Рис. 7. Драйверы Philips Xitanium для наружных систем светодиодного освещения

При проектировании размещения осветительных установок должна оцениваться уязвимость площадки к ударам молнии, а также проводиться оценка требований к наработке на отказ. Например, уязвимость или риск воздействия ударов молнии обычно оцениваются по среднему статистическому показателю для заданной зоны грозовой активности.

В зависимости от плотности ударов молнии (в ударах на км² в год), можно установить дополнительную синфазную защиту от перенапряжения. При наружной установке важно также определить требования ко времени наработки на отказ. Чем выше эти требования, тем больше защитных мер должно применяться.

Заключение

Наводимые разрядами атмосферного электричества высоковольтные импульсы в цепях питания светодиодных источников становятся причиной повреждений в распределительных панелях электропитания и выхода из строя драйверов. Все это приводит к перебоям в освещении, которые могут стать серьезной проблемой для безопасности в пешеходных и транспортных туннелях, на опасных участках дорог, на производстве и в общественных местах.

В светодиодных системах уличного и промышленного освещения производства компании Philips предусмотрена надежная система защиты для нейтрализации опасных импульсов повышенного напряжения, возникающих в цепях электропитания.

Литература

1. ГОСТ IEC 61000-4-5-2017 «Электромагнитная совместимость (ЭМС). Часть 4-5. Методы испытаний и измерений. Испытание на устойчивость к выбросу напряжения»;
2. ГОСТ Р МЭК 62305-1-2010. «Менеджмент риска. Защита от молнии»;
3. The challenges of surge protection;
4. SURGE PROTECTION CIRCUIT PRINCIPLE and DESIGN.

Дополнительные материалы:

• Вебинар «Возможности LED-драйверов Philips Xitanium для уличного и промышленного освещения».
• Вебинар «Программирование LED-драйверов Philips Xitanium для современного освещения».
• Источники питания Philips для LED-светильников промышленного назначения
• Xitanium 40 и 52 Вт – LED драйверы бюджетной серии для внутреннего освещения от PHILIPS