Системы защиты электронных компонентов светильников от пиковых перенапряжений

С. Заславский, продакт-менеджер

Современная энергетическая система, обеспечивающая электроэнергией окружающие нас промышленные и социальные объекты, комплексы сооружений (крупные порты, аэропорты), уличное освещение, представляет собой сложную структуру. Системы генерирования, передачи, распределения и адаптирования обеспечивают потребителя электрической энергией исходя из его потребностей. Применение различных комплексов защиты на всех этих этапах делает использование электрической энергии максимально простым и безопасным.

Но предусмотреть всю совокупность природных и производственных факторов, влияющих на распределение и использование, а тем более на качество подаваемой потребителю электроэнергии, не всегда удается.

В этой статье речь пойдет о пиковых перенапряжениях в электрических сетях, возникающих в результате подключения к сети потребителей со значительной реактивной мощностью (мощные двигатели, соленоиды (катушки индуктивности), магниты, пускатели, сварочные аппараты), которые могут «возвращать» в сеть короткие импульсы, достигающие иногда амплитуды в несколько киловольт. И самые непредсказуемые «сюрпризы», которые могут появиться в сети, преимущественно в воздушных линиях электропередачи, это электромагнитные наводки, возникающие в результате грозовых разрядов. В зависимости от расстояния между точкой вхождения разряда в землю и линией электропередачи, пиковые перенапряжения в сети могут достигать десятка киловольт и более.

Используемые до сих пор светильники наружного освещения с газоразрядными лампами, управляемые электромагнитными ПРА, являются достаточно устойчивыми к таким пиковым перегрузкам и это их значительное преимущество по сравнению со светодиодными светильниками, в которых используются исключительно электронные источники питания (драйверы), чувствительные к различным сбоям электропитания, в том числе и к высоковольтным импульсам.

Многие производители драйверов, и в частности всемирно известный производитель компонентов для всех типов светильников компания Vossloh-Schwabe, оснащают некоторые типы своих драйверов схемами защиты от пиковых перенапряжений. Например, в драйверах для жилых, офисных, торговых помещений используется защита от пиковых перенапряжений до 1 кВ, в драйверах для промышленного или наружного освещения применяется защита от пиковых перенапряжений до 3, 4 или 6 кВ.

Но такими схемами защиты снабжены не все драйверы. Для этого случая компания Vossloh-Schwabe разработала и выпускает целое семейство устройств защиты электронных блоков питания и управления светильников. Все устройства обеспечивают защиту от пиковых перенапряжений до 10 кВ. Они отличаются по условиям работы со светильниками классов защиты I или II, по схемам подключения к входным цепям питания светильника (параллельная или последовательно-параллельная) и по наличию или отсутствию индикатора работоспособности устройства защиты. Выпускаются модели со степенью защиты IP 20 и IP 66.

Принцип работы устройства защиты рассмотрим на примере схемы модели SPC 3/230/10 K/i, предназначенного для работы совместно со светильниками класса защиты I, схема подключения устройства последовательно-параллельная (рис. 1).

Собственно схема защиты представляет собой делитель напряжения в цепи Lin–Lout–N, в которой «активными» элементами есть терморезистор, выполняющий роль термопредохранителя (Lin–Lout) и варистор, тепловое состояние которого и отслеживает термопредохранитель (Lout–N).

Справка: Варисторы – это полупроводниковые резисторы, в которых используется эффект уменьшения сопротивления полупроводникового материала при увеличении приложенного напряжения, за счет чего они являются наиболее эффективным (и дешевым) средством защиты от импульсных напряжений любого вида.

Между клеммами N и PE в схему включен разрядник.

Параллельно варистору подключена схема индикации работоспособности функции защиты. При всех исправных компонентах схемы защиты, а именно термопредохранителя, варистора и разрядника, зеленый светодиод будет светиться, тем самым сообщая о том, что схема защиты функционирует. В модели SP 3/230/10K/i используется красный светодиод и он засветится в случае если схема защиты вышла из строя.

В штатном состоянии, когда входное напряжение Lin находится в допустимых пределах, выходное напряжение Lout равно входному Lin .

При возникновении высоковольтного импульса на входе Lin, сопротивление варистора мгновенно уменьшается до своего порогового значения, изменяя параметры делителя напряжения, в результате чего на клемме Lout по отношению к клемме N возникает так называемое остаточное напряжение высоковольтного импульса, которое выше рабочего входного, но уже менее опасное для драйвера. Тем более, если такой драйвер оснащен защитой от перенапряжения на большее значение напряжение (1–4 кВ), чем остаточное.

Отношения максимально допустимого входного импульсного напряжения на клемме Lin к остаточному напряжению на клемме Lout  (Lin/ Lout) для различных моделей приведены ниже:

• SP 230/10 K, SPC 230/10 K – 10000 В/до 850 В;
• SP 3/230/10 K, SP 230/10 K/HS/i – 10000 В/до 1000 В;
• SPC 230/10 K/i, SPC 3/230/10 K/i, SPC 3/230/10 K/i, SPC 3/230/10 K/i-IP66 – 10000 В/до 1500 В.

При воздействии высоковольтного импульса на варистор через него протекают аномально высокие токи, порой достигающие номинала в 10000 А. В этой ситуации варистор успевает разогреться и в зависимости от длительности высоковольтного импульса и его амплитуды, температуры разогрева варистора может стать достаточно для срабатывания термопредохранителя, который разорвет входную цепь питания, обеспечив тем самым дополнительную защиту всей электронной системы. После того, как термопредохранитель сработает, он не восстанавливается и становится неработоспособным.

А как и любой электронный элемент, сам варистор не может безгранично выдерживать аномальные нагрузки и в определенный момент может выйти из строя. Производитель гарантирует такие количества аварийных срабатываний при различных характеристиках входных высоковольтных импульсов:

• При прохождении импульса тока через варистор номиналом 5000 А, гарантируется не менее 10 «аварийных» срабатываний системы защиты.
• При прохождении тока через варистор номиналом 10000 А, что является придельным значением, скорее всего срабатывание будет единственным. При этом варистор может разрушиться и система защиты прекратит выполнять свою функцию. Зеленый светодиодный индикатор прекратит светиться (красный светодиодный индикатор включится) и подача напряжения к драйверу будет заблокирована.

В моделях без индикатора выяснить, в рабочем ли состоянии система защиты и выполняет ли она свою функцию, проблематично. Поэтому эти модели есть смысл применять только в тех электрических сетях, в которых вероятность возникновения импульсов с предельно допустимыми значениями отсутствует, а максимально вероятная амплитуда высоковольтных импульсов не будет превышать 5-6 кВ.

Применять описанные выше системы защиты рекомендуется не только в светодиодных светильниках, а и в светильниках любых других типов, в которых используются электронные блоки питания и ЭПРА.

Модели устройств защиты, кроме той, что мы рассмотрели выше, их внешний вид и схемы подключения приведены на рис. 2–5.

Материал опубликован в журнале «Свитлотек Коммьюнити», № 1, 2017