CZ2017664A3

CZ2017664A3 - Zařízení pro ochranu LED svítidel veřejného osvětlení před přepětím

Info

Publication number: CZ2017664A3
Application number: CZ2017-664A
Authority: CZ
Inventors: Jozef ÄŚerniÄŤka; Juraj Blahunka
Original assignee: KIWA s.k., s.r.o.
Priority date: 2017-10-17
Filing date: 2017-10-17
Publication date: 2019-04-17
Also published as: EP3474406B1; EP3474406A1; CZ307763B6; SI3474406T1

Abstract

Vynález se týká zařízení pro ochranu LED svítidel veřejného osvětlení před přepětím, které obsahuje přepěťovou ochranu (1) připojenou na jednotlivé vodiče L, N, PE elektrické napájecí sítě (7) před místem připojení měniče (2) na jednotlivé vodiče L, N, PE elektrické napájecí sítě (7), přičemž k měniči (2) je připojen alespoň jeden LED panel (3) a měnič (2) i LED panel (3) jsou uspořádány v krytu (00) LED svítidla (0). Kryt (00) je vodivě spojen se zemí nebo lokální zemí (PEL) a v krytu (00) je mezi připojením přepěťové ochrany (1) na jednotlivé vodiče L, N, PE elektrické napájecí sítě (7) a připojením měniče (2) na jednotlivé vodiče L, N, PE elektrické napájecí sítě (7) je ve fázovém vodiči L a/nebo v neutrálním vodiči N zapojena tlumivka (8) pro asymetrické rozdělení energie proudové vlny mezi přepěťovou ochranu (1) a měnič (2).

Description

Oblast techniky

Vynález se týká zařízení pro ochranu LED svítidel veřejného osvětlení před přepětím, které obsahuje přepěťovou ochranu připojenou na jednotlivé vodiče L, N, PE elektrické napájecí sítě před místem připojení měniče na jednotlivé vodiče L, N, PE elektrické napájecí sítě, přičemž k měniči je připojen alespoň jeden LED panel a měnič i LED panel jsou uspořádány v krytu LED svítidla.

Dosavadní stav techniky

V oblasti osvětlení se v průběhu posledních let výrazně mění situace ohledně využívaných zdrojů světla, kdy jako zdroje světla masově nastupují LED. To je umožněno hlavně výrazným snížením ceny LED, přičemž použití LED výrazně nahrává nízká spotřeba elektrické energie v porovnání s jinými zdroji světla.

Trend používání LED jako zdroje světla se projevuje i u veřejného osvětlení, tj. osvětlení ulic, náměstí, cest, areálů atd., což však přináší další specifické podmínky, které mají vliv zejména na funkčnost, trvanlivost a odolnost systému veřejného osvětlení. Jelikož jsou zdroje světla veřejného osvětlení umístěny na sloupech ve venkovním prostředí a rozvody elektrické energie pro ně jsou vedeny buď vzduchem, nebo pod zemí na relativně velké vzdálenosti, klade toto uspořádání specifické podmínky na ochranu zdrojů světla veřejného osvětlení před přepětím, protože z provozní praxe i z experimentů na zkušebně je známo, že bez použití přepěťové ochrany je účinek přepětí na svítidlo zcela devastující, protože dochází ke zničení předřadníku i LED prvků, případně při menším energetickém obsahu proudového impulsu dojde ke zničení pouze části LED svítidla. V každém případě se tím však svítidlo stane nefunkční a je potřebný opravárenský zásah nebo i výměna svítidla.

Ochrana zdrojů světla veřejného osvětlení před přepětím přitom kromě potřebného výkonu musí splňovat i potřebné podmínky celkové odolnosti venkovnímu prostředí, včetně svodu přepětí při různých způsobech ohrožení svítidla přepětím.

Pro venkovní použití je u veřejného osvětlení zpravidla požadováno vysoké krytí IP 65 nebo IP 66, přičemž ochrana před přepětím dále musí splňovat elektrické, elektromechanické a fyzikální požadavky stanovené např. normou EN 616 43-11:2013.

S použitím technologie LED pro veřejné osvětlení vznikl samostatný problém ochrany těchto systémů před přepětím, protože je známo, že LED prvky jsou na přepětí velmi citlivé v porovnání se staršími typy zdrojů světla a svítidel. Hlavně při letních bouřkách pak dochází v důsledku např. blízkých úderů blesků do země atd. k významné poruchovosti LED svítidel veřejného osvětlení, pokud nejsou tato LED svítidla řádně chráněna proti účinkům přepětí. Použití přepěťových ochran je známým prostředkem pro ochranu proti přepětí v různých oblastech, včetně ochrany LED svítidel veřejného osvětlení.

Svítidla veřejného osvětlení na bázi LED jsou z veřejné rozvodné sítě zpravidla napájena střídavým elektrickým proudem o napětí 230 V a frekvenci 50 Hz. V krytu svítidla je umístěn měnič (driver), v němž se vstupní střídavý proud mění na jednosměrný proud s napětím, které je potřebné pro napájení LED prvků svítidla. Tyto LED prvky svítidla jsou rovněž umístěny v krytu svítidla, a to způsobem, který zabezpečuje dostatečný odvod tepla od LED prvků. Kryt svítidla, zpravidla tlakový odlitek ze slitiny hliníku, je přes výložník uložen na stožáru nebo sloupu veřejného osvětlení. Stožár nebo sloup je ukotven v zemi. Výložník je kovový, stožár nebo sloup je kovový nebo železobetonový (má ocelové výztuže). Výsledkem je tak elektricky vodivé

- 1 CZ 2017 - 664 A3 spojení krytu svítidla se zemí, neboť i železobetonový stožár představuje vodivé spojení se zemí, přestože má podstatně vyšší elektrický odpor, než má stožár ocelový. Přívod energie je, jak již bylo uvedeno, kabelem vedeným vzduchem nebo uloženým v zemi. Přepěťová ochrana se v současnosti umísťuje zpravidla do krytu svítidla, kde se přepěťová ochrana napojí na L, N, a PE vodiče přívodu energie před napojení měniče na tyto L, N, a PE vodiče přívodu energie. Toto současné zapojení je znázorněno na obr. 0. Jak známo, k ohrožení svítidla přepětím může dojít směrem od napájecí sítě nebo od země (na obr. 0 znázorněno symbolicky vlnou), přičemž přepěťová ochrana zabezpečuje z podstaty své funkce vyrovnávání potenciálů mezi L, N, PE na úrovni ochranné hladiny Up (podle EN 61643-11), což znamená, že při zatížení přepěťové ochrany proudovou vlnou je maximální rozdíl potenciálů mezi uvedenými vodiči roven Up. Toto se vztahuje i na vstupní vodiče měniče, s ohledem ke vzájemnému bezodporovému pospojování vodičů. Takové známé použití přepěťové ochrany sice snižuje riziko vzniku škod vlivem přepětí, ale jak se ukázalo z provozní praxe, nesnižuje toto riziko dostatečně výrazně, protože i přes použití řádně dimenzované přepěťové ochrany dochází k relativně častému poškození LED svítidel veřejného osvětlení vlivem přepětí.

Z CN 2015/89156 U je známo konkrétní provedení LED svítidla veřejného osvětlení, které neřeší vztah mezi krytem svítidla a zemnicím vodičem, přičemž vysoký zemní potenciál vzniklý úderem blesku do země v blízkosti instalace svítidla, tzv. blízký úder blesku, může u namítaného řešení způsobit průraz na LED prvky, což prudce snižuje odolnost tohoto řešení. Další nevýhodou namítaného řešení je umístění PO na vnější straně chladiče LED prvků, což vyžaduje dodatečná opatření pro ochranu před povětrnostními vlivy, zejména opatření charakteru vysoké krytí PO, včetně vysokého krytí vnějších propojení, což významně zvyšuje náklady na výrobu svítidla a také zvyšuje možnost výrobních vad atd. Dále toto řešení popisuje umístění pojistek přímo v PO, což je nevýhodné, protože se obvykle používá jedna pojistka umístěná u paty stožáru a zapojená v napájecím vedení před všemi elektrickými prvky svítidla. Toto řešení tak představuje poměrně složitou konstrukci s ohledem na množství použitých prvků, která je rozměrově a ekonomicky náročná.

Cílem vynálezu je zlepšit ochranu LED svítidel veřejného osvětlení před přepětím.

Podstata vynálezu

Cíle vynálezu je dosaženo zařízením pro ochranu svítidel veřejného osvětlení před přepětím, jehož podstata spočívá v tom, že kryt je vodivě spojen se zemí nebo lokální zemí a v krytu je mezi připojením přepěťové ochrany na jednotlivé vodiče L, N, PE elektrické napájecí sítě a připojením měniče na jednotlivé vodiče L, N, PE elektrické napájecí sítě je ve fázovém vodiči L a/nebo v neutrálním vodiči N zapojena tlumivka pro asymetrické rozdělení energie proudové vlny mezi přepěťovou ochranu a měnič.

Zařízení podle vynálezu podstatným způsobem snižuje zatížení měniče proudovou vlnou a přenáší toto zatížení na přepěťovou ochranu, která je na takové situace, resp. na takové zvýšené zatížení, dimenzována, takže pravděpodobnost, že v důsledku takového přepětí, např. od blízkého úderu blesku, dojde k poškození měniče je v porovnání se známým stavem techniky bez oddělovací tlumivky v LED svítidle veřejného osvětlení podstatně menší. Použití oddělovací tlumivky je sice samo o sobě známým způsobem pro oddělení několika přepěťových ochran, ale dosahuje se jím pouze ochrana méně výkonné přepěťové ochrany proti přetížení. Řešení podle vynálezu dále umožňuje integrovat tlumivku přímo do tělesa přepěťové ochrany, takže se odstraňuje problém s instalací tlumivky přímo do obvodů svítidla, do vodičů mezi přepěťovou ochranou a měničem.

Vynález využívá poznatku, že měniče používané pro napájení LED prvků svítidel veřejného osvětlení jsou sice charakterizovány pomocí parametrů, které jsou z hlediska projektování svítidla dostatečné, nicméně jejich vstupní obvody jsou z hlediska ochrany proti přepětí

-2CZ 2017 - 664 A3 dimenzovány pouze na nízkou odolnost, která neodpovídá reálným hodnotám zatížení v případě vzniku přepětí od blízkého úderu blesku do země. Uder blesku do země je charakterizován proudovou vlnou 10/350, podle STNEN 62305-1. Tato proudová vlna má při stejné amplitudě podstatně vyšší (15 až 20 krát) energetický obsah než má proudová vlna 8/20 a také má podstatně delší trvání poklesu amplitudy na poloviční hodnotu (opět 15 až 20 krát) než má proudová vlna 8/20. Současné vstupní obvody měničů pro LED svítidla veřejného osvětlení jsou přitom obvykle dimenzovány na proudovou vlnu 8/20. Experimentální ověřování použití přepěťové ochrany v LED svítidle veřejného osvětlení při zatěžování dlouhou proudovou vlnou 10/350 ve směru od země vedlo k poškození měniče, zatímco při zatěžování proudovou vlnou 8/20 k poškození měniče nedošlo. Experimenty bylo ověřeno, že příčina tohoto rozdílného výsledku je v množství energie, která je do systému LED svítidla dodána každou z proudových vln, kdy se proudová vlna rozdělí mezi přepěťovou ochranu svítidla a měnič, přičemž přepěťová ochrana je dimenzována i na vlnu 10/350, zatímco měnič na tuto vlnu dimenzován není. Z experimentů tak vyplývá, že je potřeba buď upravit vstupní obvody měniče tak, aby byly dimenzovány i na proudovou vlnu 10/350, nebo využít řešení podle vynálezu a specifickým zapojením tlumivky do obvodu LED svítidla veřejného osvětlení zabezpečit takové rozdělení energie proudové vlny, aby se adekvátně zvýšila zátěž dostatečně dimenzované přepěťové ochrany a adekvátně se snížila zátěž nedostatečně dimenzovaného (z hlediska ochrany proti přepětí) měniče na přijatelnou hodnotu pro jeho vstupní obvody. Správného rozdělení zátěže musí být přitom dosaženo v obou směrech ohrožení svítidla, tj. jak od země, tak i od napájecí sítě.

Objasnění výkresů

Na obr. 0 je schematicky znázorněno zapojení přepěťové ochrany a hlavních prvků LED svítidla veřejného osvětlení podle současného stavu techniky, na obr. 1 je schematicky znázorněno obecné zapojení přepěťové ochrany a hlavních prvků LED svítidla veřejného osvětlení podle tohoto vynálezu, na obr. 2 je schematicky znázorněno zapojení přepěťové ochrany a hlavních prvků LED svítidla veřejného osvětlení, kde přepěťová ochrana je ve své vnitřní struktuře opatřena tlumivkou k naplnění tohoto vynálezu a na obr. 3 je schematicky znázorněn sloup veřejného osvětlení v exteriéru.

Příklady uskutečnění vynálezu

Vynález bude popsán na příkladu zapojení hlavních prvků LED svítidla 0 veřejného osvětlení (dále - LED svítidlo 0 veřejného osvětlení je uváděno jen jako LED-SVO 0), které obsahuje kryt 00, ve kterém jsou uspořádány jednotlivé prvky LED-SVO 0.

Kryt 00 je uzpůsoben pro uchycení na výložníku 4, který je uložen na sloupu 5 nebo stožáru veřejného osvětlení. Sloup 5 nebo stožár je ukotven v zemi 6. Do krytu 00 jsou přivedeny vodiče L, N a PE elektrické napájecí sítě 7, a to buď znázorněným kabelem v zemi, nebo neznázoměným kabelem s rozvodem vzduchem. Napájecí síť je elektrický rozvod, který má v Evropě zpravidla parametry 230 V/ 50 Hz. Kryt 00 je vodivě spojen se zemí, resp. lokální zemí (PEL) v daném případě přes kovový výložník 4 a kovový nebo železobetonový sloup 5.

V krytu 00 je umístěn měnič 2 a s ním spojený LED panel 3 s jednotlivými LED. Měnič 2 je na svém vstupu opatřen trojicí přípojných bodů pro napojení na jednotlivé vodiče (L, N, PE) elektrické napájecí sítě 7.

V krytu 00 je dále uspořádána přepěťová ochrana 1, která bývá též uváděna, a je třeba ji tak i chápat, jako zařízení pro přepěťovou ochranu. Přepěťová ochrana 1 je opatřena přípojnými body pro napojení svého ochranného obvodu na jednotlivé vodiče (L, N, PE) elektrické napájecí sítě 7, přičemž toto napojení je provedeno před napojením měniče 2 na jednotlivé vodiče (L, N, PE) elektrické napájecí sítě 7.

-3 CZ 2017 - 664 A3

Ve fázovém vodiči L elektrické napájecí sítě 7 a/nebo v neutrálním vodiči N elektrické napájecí sítě 7 (tzn. buď v jednom, nebo ve druhém, nebo v obou současně, jak je na obr. 1 a 2 znázorněno plnou a přerušovanou čárou) je v místě mezi místem připojení ochranného obvodu přepěťové ochrany 1 a místem připojení vstupu měniče 2 zapojena tlumivka 8.

Tlumivka 8 je podle provedení na obr. 1 uspořádána v příslušném vodiči L a/nebo N jako samostatný prvek mimo těleso přepěťové ochrany 1, nebo je, jak je znázorněno na obr. 2 zakomponována do vnitřní struktury přepěťové ochrany 1.

V příkladu provedení na obr. 2 je těleso přepěťové ochrany 1 opatřeno vstupními přípojnými body pro připojení jednotlivých vodičů (L, N, PE) elektrické napájecí sítě 7, které jsou ve vnitřním prostoru tělesa přepěťové ochrany 1 elektricky vodivě propojeny s výstupními přípojnými body jednotlivých vodičů (L, N, PE) elektrické napájecí sítě 7. K propojení vstupních a výstupních bodů jednotlivých vodičů (L, N, PE) elektrické napájecí sítě 7 v tělese přepěťové ochrany 1 je připojen ochranný obvod 10 přepěťové ochrany L Tlumivka 8 je pak zapojena uvnitř tělesa přepěťové ochrany 1 v propojení vstupních a výstupních přípojných bodů fázového vodiče L elektrické napájecí sítě 7 a/nebo neutrálního vodiče N elektrické napájecí sítě 7, tzn. buď v jednom, nebo ve druhém, nebo v obou současně, jak je na obr. 2 znázorněno plnou a přerušovanou čárou.

Vynález pracuje tak, že přepěťová ochrana připojená k elektrické napájecí síti 7 zajišťuje ochranu měniče 2 a LED panelu 3 jak před přepětím šířícím se po elektrické napájecí síti 7, tak i před přepětím od místní země PEL, např. od blízkých úderů blesku. Pokud se tedy od země PEL nebo PE šíří impulsní proud, dojde k jeho rozdělení v obvodech LED-SVO 0 podle rozdělení napětí na vstupu přepěťové ochrany 1 a na vstupu měniče 2. Tlumivka 8 zapojená podle tohoto vynálezu ve fázovém vodiči L elektrické napájecí sítě 7 a/nebo v neutrálním vodiči N elektrické napájecí sítě 7 mezi přepěťovou ochranou 1 a měničem 2 zajistí asymetrické rozdělení napětí a tedy i impulsního proudu na vstupu přepěťové ochrany 1 a na vstupu měniče 2 tak, že velikost napětí a impulsního proudu na vstupu přepěťové ochrany 1 je podstatně větší, než je velikost napětí a impulsního proudu na vstupu měniče 2. Protože přepěťová ochrana 1 má svůj ochranný obvod obecně dimenzován na podstatně vyšší proudové zatížení, než na jaké je dimenzován vstup měniče 2, je tímto asymetrickým rozdělením napětí a impulsního proudu na vstupu přepěťové ochrany 1 a vstupu měniče 2 podstatně sníženo zatížení vstupních obvodů měniče 2, které tak s podstatně větší pravděpodobností odolají zatížení přepětím. Velikost proudu protékajícího přepěťovou ochranou 1. a měničem 2 je určena velikostí elektrických odporů v každé této větvi obvodu, tj. velikostí odporu přepěťové ochrany 1 a velikostí odporu měniče 2 a dynamickým odporem tlumivky 8 (jednotka Henry). Protože je však síťová frekvence elektrické napájecí sítě 7 nízká, dynamický odpor tlumivky 8 se neprojeví z hlediska napájení měniče 2 a neovlivní spotřebu LED-SVO 0. Správným dimenzováním tlumivky 8 je možno dosáhnout takového rozdělení impulsního proudu, které odpovídá zatížitelnosti přepěťové ochrany 1 a zatížitelnosti měniče 2, takže měnič 2 je přepěťovou ochranou 1 spolehlivě chráněn.

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims

1. Zařízení pro ochranu LED svítidel veřejného osvětlení před přepětím, které obsahuje přepěťovou ochranu (1) připojenou na jednotlivé vodiče L, N, PE elektrické napájecí sítě (7) před místem připojení měniče (2) na jednotlivé vodiče L, N, PE elektrické napájecí sítě (7), přičemž k měniči (2) je připojen alespoň jeden LED panel (3) a měnič (2) i LED panel (3) jsou uspořádány v krytu (00) LED svítidla (0), vyznačující se tím, že kryt (00) je vodivě spojen se zemí nebo lokální zemí (PEL) a v krytu (00) je mezi připojením přepěťové ochrany (1) na jednotlivé vodiče L, N, PE elektrické napájecí sítě (7) a připojením měniče (2) na jednotlivé vodiče L, N, PE elektrické napájecí sítě (7) ve fázovém vodiči L a/nebo v neutrálním vodiči N

-4CZ 2017 - 664 A3 zapojena tlumivka (8) pro asymetrické rozdělení energie proudové vlny mezi přepěťovou ochranu (1) a měnič (2).

2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že přepěťová ochrana (1) je umístěna v tělese,

5 které je opatřeno vstupními přípojnými body pro připojení jednotlivých vodičů L, N, PE elektrické napájecí sítě (7), které jsou ve vnitřním prostoru tělesa přepěťové ochrany (1) elektricky vodivě propojeny s výstupními přípojnými body jednotlivých vodičů L, N, PE elektrické napájecí sítě (7), přičemž k propojení vstupních a výstupních bodů jednotlivých vodičů L, N, PE elektrické napájecí sítě (7) v tělese přepěťové ochrany (1) je připojen ochranný obvod ío (10) přepěťové ochrany (1) a tlumivka (8) je zapojena uvnitř tělesa přepěťové ochrany (1) v propojení vstupních a výstupních přípojných bodů fázového vodiče L elektrické napájecí sítě (7) a/nebo neutrálního vodiče N elektrické napájecí sítě (7).