Защита от пренапрежение при улично осветление

Уличните осветителни системи са монтирани на открито и изложени на различни въздействия от околната среда. Те се нуждаят от специална защита, за да се гарантира безпроблемната им работа, особено на местата, в които е от изключителна важност да се осигури непрекъснато осветяване. Пренапреженията, причинени например от удар на мълния върху стълбовете, на които са монтирани осветителите, оказват силно деструктивно въздействие върху публичните системи за улично осветление.

Те водят до преждевременното им амортизиране, повреждат електрообзавеждането и увеличават нежеланите прекъсвания на услугата поради авария или с цел обслужване и ремонт на съоръженията. Такива прекъсвания могат да се окажат сериозен риск за здравето и безопасността на хората, особено в случаите, когато става дума за осветление в тунели, подлези, пешеходни пресечки, на натоварени пътни артерии и др.

Пренапреженията нанасят материални щети върху осветителите и всички токопроводими елементи, задействат и често повреждат специално предвидените за целта защитни устройства в разпределителните табла на обществените осветителни системи. Уязвимостта на електрическите компоненти на тези системи към пренапрежение е проблем, засегнат обстойно в техническата литература, а съвременните европейски регулации и стандарти в областта на осветлението и електрообзавеждането посочват необходимостта от защита срещу това често срещано явление.

Инвестирането в пренапреженови защити може да удължи значително жизнения цикъл на осветителните тела, да подобри качеството на услугата и да намали общите експлоатационни и инфраструктурни разходи при публичните осветителни системи.

Същност на явлението и видове пренапрежения
Пренапрежението представлява напреженов импулс или вълна, които се наслагват върху номиналното мрежово напрежение. Различаваме четири вида пренапрежения, които могат да нарушат работата на електрообзавеждането в уличните осветителни уредби: атмосферни пренапрежения (причинени от мълния); работни пренапрежения; преходни пренапрежения с промишлена честота; пренапрежения, предизвикани от електростатичен разряд.

Когато анализираме феномена пренапрежение, обикновено разграничаваме импулсните пренапрежения от пренапреженията с промишлена честота. Макар и двете явления да представляват повишаване на напрежението над допустимия лимит, те значително се различават по своята първопричина, големина, продължителност и метод за защита.

Импулсните пренапрежения могат да достигнат десетки киловолтове, но траят само няколко микросекунди, за разлика от работните пренапрежения и тези с промишлена честота. Тяхното времетраене е от порядъка на милисекунди, честотата - от няколкостотин херца до няколкостотин килохерца, а коефициентът на пренапрежение - няколко пъти по-нисък от този при атмосферните пренапрежения.

Въпреки изключително кратката продължителност на последните, мълниевият разряд може да има разрушителни последици върху публичните осветителни системи в радиус от няколко километра, а това да наложи скъпи ремонти и да причини сериозен дискомфорт за ползвателите.

Основни причини за пренапрежение и режими на разпространение
Има редица причини за възникване на пренапрежения в обществените осветителни уредби: удар от мълния, електростатичен разряд, изключване на защитни устройства, двигатели или други индуктивни товари от веригата, повреди на изолацията или електрически пробив в кабелите и др. Мълниевите разряди например, които директно удрят електропроводите на сградите, могат да индуцират електромагнитни полета, които да генерират пикове в напрежението на ситуираните в близост улични осветителни системи.

Импулсните пренапрежения имат два режима на разпространение - обикновен и диференциален. Пренапреженията в обикновен режим възникват между токопроводими елементи и земя, например фаза/земя или неутрала/земя. Пренапреженията в диференциален режим циркулират между проводници под напрежение: фаза/фаза или фаза/неутрала. За да бъдат добре защитени срещу пренапрежение, уличните осветителни уредби трябва да разполагат със защита и срещу двата типа (режима).

Защита от пренапрежение
може да бъде осигурена, като се инсталира специално устройство за защита от пренапрежение (surge protection device, SPD) Това е термин на Международната електротехническа комисия IEC, отнасящ се до устройство, чиято цел е да ограничи напрежението, подавано към електрооборудването и да пренасочи пренапреженовия ток. Тези устройства са известни най-общо като пренапреженови защити, като в тази категория попадат и редица продукти със сходни функции но различни наименования: пренапреженови арестори, варистори, катодни отводители и др.

Когато устройство за защита от пренапрежение се свърже последователно със захранващите проводници на защитаваната осветителна уредба, то функционира като бушон или предпазител. Последователното свързване се предпочита в инсталации, при които приоритет е да бъдат защитени токопроводими (електронни или електрически) елементи, свързани във веригата след пренапреженовата защита. Такива са повечето системи за улично осветление.
Когато се използва

устройство за паралелна защита
пренапреженовата защита е свързана паралелно със захранващите проводници на осветителя, а той продължава да работи дори при повреждане (задействане) на защитата. При такива конфигурации обаче елементите от веригата след предпазителя не са защитени. Когато приоритетно е осигуряването на непрекъснатост на услугата (до следващото пренапрежение), а не на защита на всички токопроводими компоненти надолу по веригата, се предпочитат устройства за паралелна защита.

В крайна сметка, след даден брой пикове в напрежението над допустимия праг, защитата ще се повреди. В случай на импулсно пренапрежение, защитното устройство ще пренасочи излишъка от енергия към земята, като по този начин ще ограничи пиковото напрежение до допустимо ниво за свързаното надолу по веригата електрическо или електронно оборудване.

Защита от импулсни пренапрежения при уличното осветление
Устройствата за защита от пренапрежение функционират като превключватели, задействани от пикове в напрежението. Когато мрежовото напрежение е по ниско от зададения праг за задействане на защитата, компонентът е в пасивно състояние. Когато мрежовото напрежение се повиши над допустимия лимит, пренапреженовата защита пренасочва излишната енергия от електромагнитното поле на импулсния ток, като така й пречи да разруши електрообзавеждането на осветителната система.

При избор на подходяща защита от пренапрежение на система за публично осветление е добре да бъде взето предвид на какъв риск от удар от мълнии ще бъдат изложени токопроводимите елементи, както и на какво максимално импулсно напрежение ще се налага да издържат при експлоатация.

Един от най-ефективните подходи за защита от пренапрежение
на големи осветителни инсталации е използването на каскадна конфигурация от защитни елементи. Каскадната защита се изгражда на няколко нива, като всяко ниво осигурява необходимия баланс между разрядна мощност и ниво на напреженова защита.

В една типова конфигурация първото ниво (обикновено устройство за защита от пренапрежение “Тип 1” или “Тип 2”, съгласно стандарта ANSI/UL 1449 за пренапреженови защити) осигурява издръжливост на системата, пренасочвайки по-голяма част от енергията на пиковото напрежение, а второто ниво (обезпечено от устройство за защита от пренапрежение “Тип 2” или “Тип 3”) гарантира допълнителна, по-прецизна защита. Така пиковите напрежения, достигащи електрообзавеждането в осветителната система, винаги са под критичното ниво.

Международните стандарти в областта на защитата от пренапрежение
описват множество причини за възникване на пренапрежение, като от тях най-вероятно е системите за улично осветление да бъдат засегнати от: директен удар от мълния върху разпределителните електропроводи и удар от мълния в близост до сграда/конструкция, при който се генерират индуцирани пикове на пренапрежение.

Съгласно европейските стандарти EN 60.364-5-534 и EN 62.305-1, защита от такива видове смущения в мрежата на осветителните системи, застрашаващи работата на електрообзавеждането, трябва да бъде осигурена посредством устройства за защита от пренапрежение “Тип 2”. Този тип защити са предназначени да предпазват чувствителна електроника и микропроцесорни системи от остатъчна енергия от мълнии, пренапрежения от изключване на двигатели от веригата и други вътрешно генерирани в системата пикови напрежения.

Решението за защита се инсталира надолу по веригата след главния прекъсвач в разпределителния панел, паралелно на основната система.
За да се гарантира адекватна защита на уличните осветители от пренапрежение, разстоянието между осветителното тяло и защитното устройство трябва да бъде възможно най-малко.

Ако дистанцията между разпределително табло с пренапреженова защита и стълбовете на осветителните тела е повече от 20 м, е добре да се предвиди второ ниво на каскадна защита (устройство “Тип 2” или “Тип 3”), дори и защитата, осигурена от първото ниво, да изглежда достатъчна.

Типова каскадна защита на три нива
Първото ниво представлява стандартна защита на ниво осветително тяло. Съгласно международния стандарт IEC61547, касаещ имунитета на оборудването за целите на общото осветление към непланирани електромагнитни смущения, всички осветители в системите за публично осветление трябва да бъдат осигурени със защита срещу пренапрежения до 1 kV  в диференциален режим и до 2 kV в обикновен режим.

Второто ниво на каскадната конфигурация осигурява допълнителна защита на осветителите. При проектиране на системи за публично осветление, локацията, в която ще бъдат монтирани, трябва да бъде щателно обследвана по отношение на рисковете от падане на мълнии и електростатичен разряд. При висок риск се препоръчва осигуряване на допълнителна защита от пренапрежения до 10 kV, а именно устройство за защита от пренапрежение.

Ниво три на каскадната защита типично представлява защита в разпределителните табла. Такива системи обикновено могат да предпазват електрообзавеждането на осветителната уредба не само от импулсни пренапрежения (с максимален импулсен ток до около 40 kA), но и от пренапрежения с промишлена честота, причинявани най-често от повреда на изолацията или електрически пробив в кабел.

Защита от пренапрежение на светодиодно улично осветление
Светодиодното улично осветление е чувствително към преходни пренапрежения с индустриален произход, както и към импулсни пренапрежения, породени от удар от мълния. LED осветителите обикновено са свързани към електроразпределителните мрежи с дълги захранващи проводници, което допълнително усилва ефекта от тези смущаващи работата на осветителната система явления.

В допълнение, заземеното електрообзавеждане е в много по-голяма степен изложено на риск от пренапрежения, причинени от мълнии, при които един от ефектите на мълниевия разряд е увеличаване потенциала на земята. Такива пренапрежения могат напълно да разрушат силовите вериги и LED компонентите.

Ето защо при светодиодните системи за улично осветление е особено необходимо осигуряването на технология за защита от пренапрежение, която да предотврати прекъсванията на услугата при удар от мълния, да предпази токопроводимите елементи от повреждане, да спомогне за намаляване на разходите за поддръжка на осветителната уредба, както и да позволява лесен достъп до катодните отводители или другите пренапреженови защити за инспекция и обслужване.

Концепциите за защита от пренапрежения на улично LED осветление
е добре да бъдат имплементирани още на ниво дизайн на системата. Макар LED технологията да има редица предимства пред конвенционалното улично осветление, светодиодните осветители са по-уязвими от пренапрежения. Практиката показва, че в случай на импулсно пренапрежение при удар от мълния повреди възникват не само в съответния осветител, чийто стълб е ударен, а и в няколко от съседните.

В резултат, може да се стигне до частично или пълно разрушаване на светодиодните модули, повреждане на LED драйверите, намалена яркост или неизправности в електронните контролни системи. Дори осветителното тяло все още да работи, пренапреженията скъсяват значително жизнения му цикъл, което води до потребност от преждевременната му подмяна и съответно - до допълнителни разходи.

Осветителната индустрия отговаря на този проблем
като залага на по-висока диелектрична якост на LED драйверите на съвременните светодиодни улични лампи. В много случаи обаче импулсните токове и пренапрежения значително (в пъти) надвишават номиналната диелектрична якост (обикновено до 2 kA и 4 kV). Ето защо се препоръчва инсталирането на устройства за защита от пренапрежение на всички улични LED осветители, монтирани на стълбове, които са разположени в зони с висок риск от мълниеви удари.

Една добре изпълнена концепция за защита от пренапрежение на светодиодно улично осветление се състои в цялостно решение, включващо каскадна защита посредством различни типове устройства за защита от пренапрежение. Обикновено пренапреженови защити се инсталират: директно в LED осветителя; в съединителната кутия в основата на осветителния стълб; в кабелните разпределителни шкафове в точките на захранване.

Добре е такова каскадно решение да се комбинира със съответната концепция за заземяване, като всички метални стълбове бъдат свързани със защитен проводник към устройствата за защита от пренапрежение. По този начин се осигурява непрекъснатост на уличното осветление дори в случай на пренапрежение.