+7 (495) 663-35-73

Светодиодам нужна защита

Э. Базелян

 

В старом коттедже лампы накаливания заменили на светодиодные. Хозяева довольны. Ровный теплый свет без задержки заливает комнату после поворота выключателя, плата за освещение снизилась раз в десять, а о замене ламп можно вообще не беспокоиться, по крайней мере, десяток лет. Такая же реконструкция в скором времени ждет и уличное освещение. Здесь достоинства светодиодных светильников еще заметнее. Кроме очень весомой экономии электроэнергии важна долговечность светодиодов. Десятки тысяч часов их безотказной работы стоят дорогого, тем более, если светильники располагаются высоко над землей и для их замены нужна специальная вышка.

 

У специалиста по молниезащите восторгов заметно меньше. В жилом доме к  телевизору, музыкальному центру и системе охраны периметра здания добавилось по крайней мере еще два десятка микроэлектронных приборов. А на улицах даже небольшого городка их число превысило несколько тысяч. Преувеличений здесь нет. Светодиодная лампа с полным основанием должна быть отнесена к разряду микроэлектронной техники. В ее баллоне размещена цепочка светодиодов и миниатюрный преобразователь напряжения со стабилизатором для их питания постоянным током (его почему-то называют драйвером). Последний черпает энергию из сети 220 В. Как видите, налицо обычный набор микроэлектронных элементов, которые непосредственно контактируют с наружной сетью 380/220 В, а потому нуждаются в защите от грозовых воздействий.

 

Владелец дома с грамотно организованным электроснабжением вряд ли увидит особые основания для беспокойства. Если в доме установлены правильно выбранные УЗИП, то они защитят не только медиа-технику, но заодно и светодиодные лампы. Их стойкость к импульсным перенапряжениям вполне сопоставима. Положение с уличным освещением заметно хуже. Стоит начать анализ с самой неблагоприятной ситуации. По улице идет линия 380/220 В с голыми проводами традиционного исполнения. Три фазных и нулевой провода размещены друг от друга на расстоянии около 0,5 м. Примерно также размещены и провода уличного освещения. Их светильники смонтированы непосредственно на линейной опоре, как правило, железобетонной. Удар молнии в такую опору наверняка перекроет изоляционные воздушные промежутки между проводами и выведет из строя драйвер светодиодной лампы. УЗИП, установленное на выходе трансформатора, питающего воздушную линию, не обеспечит защиты, потому что расстояние до него может составлять сотни метров.

 

Ток в канале молнии возбуждает магнитное поле, которое наводит ЭДС магнитной индукции между проводами ВЛ, величина которой может быть приближенно оценена как

где m0 = 4p·10-7 Гн/м – магнитная проницаемость вакуума, d —  среднее расстояние между проводами ВЛ, l – длина пролета до следующего светильника, r0 – усредненный радиус металлической арматуры опоры. Оценка даже для средней по силе молнии с током 30 кА и средней крутизной фронта A= 6·109 А/с оказывается далеко не обнадеживающей. При длине пролета l = 40 м и r0  = 0,1 м амплитуда электромагнитной наводки составит около 3,5 кВ. При столь высоком напряжении у светодиодной лампы на соседних опорах нет шансов уцелеть. Остается добавить, что нормированная крутизна фронта импульса тока молнии даже для III уровня защиты по существующим нормативным документам должна приниматься равной 1011 А/с. Неудивительно, что по опыту эксплуатации прямой удар молнии в ВЛ выводит из строя не один светодиодный светильник, а сразу несколько.

 

Чтобы оценить возможные потери, можно сделать оценку для светильников  МКАД длиной l » 109 км. При высоте опор светильников в 8 м радиус стягивания молний  с двух сторон составит R »  8 × 6 = 48 м, а полная площадь стягивания будет равна

S » Rl »   0,048 × 109 » 5,2 км.

Это значит, что за грозовой сезон светильники испытают воздействие не менее 15 прямых ударов молнии. Ущерб от них окажется вполне чувствительным.

 

Реально опасность возрастет еще больше, поскольку удары молнии на расстоянии в 100 м и даже более также нельзя сбрасывать со счета. В зарубежной литературе можно найти очень осторожные прогнозы в части оценки устойчивости светодиодных светильников к воздействию на них электромагнитного поля удаленных молний. Утверждается, что даже при сохранении работоспособности воздействие грозовых перенапряжений не проходит бесследно. Исследователи находят снижение световой  отдачи светодиодов и заметное сокращение срока их службы.

 

Скрытая подача электроэнергии к светодиодным светильникам представляется первым шагом к их рациональному использованию. Экранированный подземный кабель подходит для этой цели в наибольшей степени. Единственной серьезной оговоркой является высокая стоимость такого кабеля. Зарубежные публикации предпочитают обходить стороной вопрос о его применении для уличного освещения. Кабель с пластиковой оболочкой намного дешевле, но его взаимодействие с током молнии особого благополучия не сулит. Удар молнии с током IM в опору светильника, в соседнее дерево или просто в землю создает в грунте с удельным сопротивлением r электрическое поле, потенциал которого на расстоянии r от точки удара в однородном грунте поднимется до уровня

На этом же уровне окажется потенциал фундамента опор светильников и их металлоконструкций. Так, при токе молнии 100 кА (расчетный ток для III уровня молниезащиты) в среднем по качеству грунте с удельным сопротивлением 200 Ом•м потенциал опоры, удаленной от точки удара на 100 м, поднимется приблизительно до 30 кВ. Вряд ли его выдержит изоляция сети 220 В.

 

Распространение от места удара молнии скользящих искровых каналов вдоль поверхности грунта еще более опасно. Мировая практика накопила большой опыт повреждения подземных кабелей связи. До появления космической связи они обеспечивали междугородные телефонные переговоры и тянулись на тысячи километров. Как правило, такие кабели имели металлическую оболочку и пластиковую защиту от коррозии. Это не спасало их от механических разрушений за счет электрогидравлических воздействий и коротких замыканий между жилами в месте контакта с искровым каналом.  Сказанным выше дело не ограничивалось. Ток молнии, доставленный искровым каналом,  входил в оболочку подземного кабеля и распространялся по ней на несколько километров, создавая перенапряжение на изоляции жил. Его величина может быть приближенно оценена сверху как

где l  — длина кабеля с погонным сопротивлением оболочки R0.. Например, при погонном сопротивлении оболочки 5·10-4 Ом/м (алюминиевая оболочка радиусом около 10 мм и толщиной 1 мм) ток в 100 кА  приведет к перенапряжению около 50 кВ. Его не выдержит изоляция кабеля.

 

После сказанного выше трудно сомневаться в целесообразности использования УЗИП для защиты светодиодных светильников. Его установка на выводах вторичной обмотки питающего трансформатора обеспечит ее защиту от перенапряжений, набегающих по подземному кабелю, но ни в коем случае не защитит светодиодные лампы, размещенные вдоль кабеля с шагом 30 – 50 м. Для безопасности ламп УЗИП придется размещать в каждой металлической опоре (рис. 1). На вводах питания по низкому напряжению непосредственно в комплектной трансформаторной подстанции (БКТП на рис. 1) могут быть установлены специально разработанные для подобной цели УЗИП класса I+II DEHNshield TNS 255 FM. Устройства гарантируют надежную защиту  низковольтного трансформатора от всех видов воздействия тока молнии (варианты S1-S4 на рис. 1), в т.ч. при прямом ударе молнии в воздушную линию, питающую ПС, и в ее металлический шкаф. УЗИП того же типа можно применить и для защиты электронной аппаратуры управления освещением, которая также размещается в наружном металлическом шкафу и весьма чувствительна к грозовым перенапряжениям.

Рис.1 — Варианты воздействия молнии на светодиодные  светильники и схема расстановки УЗИП для их защиты

 

Требования к УЗИП для защиты самих светодиодных ламп особо жесткие. Кроме надежности и эффективности работы их должны отличать достаточно низкая стоимость и минимально возможные габариты. Иначе трудно обеспечить монтаж УЗИП  на каждой

 

Рис. 2. Малогабаритное УЗИП класса II для защиты светодиодных ламп

 

опоре. В случае металлических опор ситуация еще относительно благоприятная, поскольку местом установки может служить монтажный лючок в основании опоры. Для железобетонных опор УЗИП целесообразно разместить прямо перед светильником (в идеале  — непосредственно в его корпусе). Один из вариантов подходящего для этой цели УЗИП — DEHNcord L 2P 275 SO IP — представлен на рис. 2. Это УЗИП безупречно при ограничении индуцированных перенапряжений, но при ударе в опору светильника (S3 на рис.1) может быть повреждено молнией с сильным током. Принципиально важно, что светильник при этом не пострадает, потому что сеть питания лампы будет автоматически прервана. Чтобы восстановить работу светильника оперативному персоналу будет достаточно лишь заменить УЗИП.

Выбор высоты молниеотвода

Два до сих пор действующие национальных нормативов допускают достаточно серьезные разночтения, касающиеся как установки молниеотводов, так и использования металлической кровли в качестве молниеприемников.

Шаговое воздействие молнии

Удар молнии в человека – большая редкость. Находящийся в чистом поле человек должен ростоять от Рождества Христова до наших дней, прежде чем непосредственно встретиться с каналом молнии. Тем не менее, в печати ежегодно описываются ужасные последствия гроз с десятками пострадавших.

Смерть на стадионе

Доклад о смертельном случае на территории, защищенной с помощью активного молниеотвода сранней стримерной эмиссией (ESE)Удар молнии в Малайзии

По поводу максимальной температуры перегрева токоотводов

Нормативный документ РФ “Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций СО-153-34.21.122-2003” дает исчерпывающий материал для оценки предельной температуры токоотвода.