Правда и вымысел о пусковых токах светильников
Светодиодные светильники за последние пять лет превратились из экзотических устройств для сторонников экологического стиля жизни в предметы повседневного обихода. Поэтому не удивительно, что установка таких светильников все чаще осуществляется не инженерами экстра-класса в рамках проектов государственной важности, а в самых обычных офисах рядовыми электриками или вообще людьми, имеющими об электричестве только самые элементарные представления. И каким же бывает разочарование, когда при включении вроде бы «экономичных» светодиодных светильников срабатывает защитный автомат, выбранный, вроде бы, с соблюдением всех правил. Или возникает парадоксальная ситуация, когда при замене люминесцентных светильников на светодиодные срабатывает предохранитель, который ранее без проблем «держал» очень «прожорливые» приборы еще советского производства. Самое время разувериться в экономичности светодиодных светильников. Проблемы возникают потому, что не учитывается важнейший параметр любого светильника — значение пускового тока. Причем такой подход навязывают сами производители светильников, зачастую утверждающие, что у их продукции пусковых токов просто нет.
При включении электрического устройства, как правило, наблюдаются переходные процессы. Кроме этого, для запуска устройства может потребоваться большая мощность, чем в установившемся режиме. Из-за этого наблюдается такое явление как пусковой ток. Значение пускового тока равно максимальному значению входного тока при включении устройства. Пусковой ток выражается либо в абсолютных значениях, либо как кратность максимального значения входного тока к потребляемому току в установившемся режиме. Другим важным значением является длительность пускового тока — время при запуске, в течение которого входной ток устройства превышает потребляемый ток в установившемся режиме.
Наличие пускового тока характерно даже для такого «древнего» и простого источника света как лампа накаливания. Вольфрамовая нить в охлажденном состоянии имеет сопротивление в 10-15 раз меньше, чем в нагретом до температуры, когда она светится. Соответственно, пусковой ток лампы накаливания в 10-15 раз больше потребляемоготокавустановившемся режиме.
Вот, кстати, почему лампы накаливания (и похожи по принципу работы галогенные лампы) выходят из строя чаще всего при включении.
В разрядных источниках света при запуске энергия затрачивается на создание плазмы между электродами, то есть электрического разряда, дающего свечение. К таким источникам света относятся, например, натриевые, металлогалогенные и люминесцентные лампы. Данные по кратности пусковых токов и их продолжительности можно найти в таблице 1.
Таблица 1. Параметры запуска для традиционных источников света
Нужно ли учитывать пусковые токи светодиодных светильников?
Сегодня очень интересная тема про пусковые токи светодиодных светильников. Недавно я был удивлен, когда узнал, что у светодиодных светильников очень большие пусковые токи и я решил в этом вопросе разобраться чуть глубже, ну и конечно же, поделиться с вами.
Далеко не каждый производитель в каталоге указывает пусковые токи на светильники.
Мощность светильника при этом указана 42 Вт.
Недавно на моем канале youtube было видео, где я на примере рассказал, как бы я выполнил рабочее освещение. Я надеялся, что у меня спросят, а как же пусковые токи, автомат С6 разве не сработает? Почему-то на это никто не обратил внимание.
Дело в том, что сейчас я вам попытаюсь доказать, что на пусковые токи светодиодных светильников в большинстве случаев можно не обращать внимание.
При выборе автоматического выключателя важно знать не только рабочий ток, но и пусковой ток. Но, даже если вам известен пусковой ток, это не значит, что можно правильно выбрать защитный аппарат. Очень важное значение имеет длительность пускового тока.
Поскольку, в каталоге я не нашел длительность пускового тока, то задал вопрос производителю.
В этот же день я получил ответ:
Рекомендуемый тип автоматического выключателя: C. На 16A автомат допускается подключать до 50 устройств.
Как видим, пусковой ток данного светильника составляет всего 3 мкс. На мой взгляд, длительность пускового тока всех светильников будет примерно такая.
Давайте займемся математикой и обоснуем все на цифрах.
Расчетный ток одного светильника: 0,2 А.
Расчетный ток 50 светильников: 0,2*50=10 А.
Пусковой ток одного светильника: 35 А.
Пусковой ток 50 светильников: 50*35=1750 А.
Выберем автоматический выключатель с характеристикой С16.
Отношение пускового тока к номинальному току автоматического выключателя: 1750/16=110.
Давайте определим, какая должна быть длительность данного пускового тока, чтобы сработал электромагнитный расцепитель автоматического выключателя С16.
Округлять буду в большую сторону, задавая таким образом задел прочности нашего расчета.
Время-токовая характеристика автоматического выключателя
По графику можно сказать, что пусковой ток должен иметь длительность приблизительно 0,005 с или 5 мс. А это в 100 раз больше (если считать 5 мкс), чем длительность пускового тока нашего светодиодного светильника.
А теперь давайте, проверим, сработает ли автомат, если запас по току будет всего 20%.
Исходные данные: 40 светильников.
Расчетный ток одного светильника: 0,2 А.
Расчетный ток 40 светильников: 0,2*40=8 А.
Пусковой ток одного светильника: 35А.
Пусковой ток 40 светильников: 35*40=1400 А.
Выберем автоматический выключатель с характеристикой С10.
Отношение пускового тока к номинальному току автоматического выключателя: 1400/10=140.
К этому варианту в принципе применим тот же график: пусковой ток должен составлять 0,005 с, чтобы автомат сработал.
Вывод: при выборе светодиодных светильников, пусковые токи практически не влияют на выбор номинального тока автоматического выключателя, если характеристика автоматического выключателя «С», а запас по току составляет не менее 20%. Я же советую запас автоматического выключателя для светодиодных светильников предусматривать 20-40%.
По светильникам, думаю, еще будут статья либо видео на youtube, где расскажу о некоторых особенностях и нюансах, о которых нужно знать при выборе светильников.
Советую почитать:
комментариев 18 “Нужно ли учитывать пусковые токи светодиодных светильников?”
Производитель светильников выдал Вам не всю информацию. В светильниках МГК «Световые технологии» установлены источники питания (драйвер) DEUS, в спецификации которых кроме «пусковых» фигурируют еще «стартовые» длительностью 1,5 с. Пройдите на сайт DEUS.
Загляните так же в новый каталог ABB, там привели (в предыдущих версиях каталога отсутствовал) график срабатывания АВ при импульсных токах.
Денис все правильно сказал, если углубляться в этот вопрос, то нужно смотреть datasheet на драйвер установки, и, в большинстве случаев, там так же присутствует рекомендация по количеству подключаемых светильников в 1 группу.
В спецификации указано время старта Денис :
Извлечение из СП 256.1325800.2016:
10.3 К групповым линиям рабочего освещения лестничных клеток, поэтажных коридоров,
холлов, вестибюлей, технических этажей, подполий и чердаков разрешается присоединять на
— до 60 ламп накаливания мощностью до 60 Вт;
— до 75 люминесцентных или светодиодных ламп мощностью до 40 Вт;
— до 100 люминесцентных или светодиодных ламп мощностью 20 Вт и менее.
Прим.: светодиодных ламп — читай источников питания (драйверов).
Пункты 10.3 СП 256.1325800.2016, 9.3 СП 31-110-2003, 6.2.10 ПУЭ. Во всех случаях оперируют мощностью групповой линии рабочего освещения безотносительно номинала автомата и сечения кабеля: 3 и 2 кВт на фазу для ламп мощностью до 40 и 20 Вт соответственно. Принцип нормирования не очевиден. Понятно, что номинал автоматического выключателя и сечение кабеля определяется по расчётному току и коэффициенту мощности (и прочие аспекты: коэфф. спроса, пусковые токи, гармоники, потери напряжения и др.). Чем руководствовались при определении максимального количества светильников на фазу? Почему пункты не распространяется на офисные помещения?
За ранее спасибо за ответ!
Я на этот пункт редко обращаю внимание. Это больше актуально для больших торговых залов. Скорее всего как раз пусковыми токами это все определяется. Некоторые вообще чуть ли не на каждое помещение делают отдельную группу. Я бы ввел негласное правило: не более 2 кВт на фазу в сетях внутреннего освещения (10А расчетный ток и автомат на 16А).
Я считаю, если пусковой ток критичен при выборе автоматического выключателя, то производитель его должен указывать в каталоге, не только номинал, но и длительность. Какое значение «стартового» тока? Если до 5In, то ничего страшного.
Не понял один момент: в начале статьи два раза говорится, что пусковой ток светильника — 35А. А затем Вы считаете пусковой ток как 0,2*35=7 А. Что это за расчет и какой всё-таки пусковой ток в итоге — 35А или 7А?
Как учесть пусковой ток светодиодных светильников?
Во время включения осветительного прибора (ОП) со светодиодными источниками света в его электрической схеме происходят переходные процессы:
- зарядка емкостных элементов входных фильтров драйвера при подаче напряжения (длительность менее 1 мс);
- запуск схемы драйвера (десятки мс);
- стабилизация тока светового LED-модуля (до 0,5 с).
Эти процессы сопровождаются серией импульсов потребляемого тока и обусловливают кратковременное увеличение входного тока ОП по сравнению с его значением в рабочем режиме. На рис. 1 [1] приведена зависимость изменения входного тока светодиодного светильника во время включения и выделены четыре фазы:
1 — момент подачи напряжения на вход схемы, сопровождающийся импульсом тока, зарядкой элементов входного каскада и элементов внутренних каскадов;
2 — включение в работу схемы драйвера в целом и зарядка элементов внутренних каскадов;
3 (примерно 0,5 с) — включение LED-кластера;
4 — установившийся ток рабочего режима светильника.
Пусковой ток ОП со светодиодными источниками света — это токовый импульс или импульсы фиксированной длительности с амплитудными значениями, многократно превышающими величину рабочего тока, возникающие при включении ОП в сеть электропитания. На практике даже маломощные светодиодные лампы могут создавать значительные пусковые токи (рис. 2), кратностью до 300 раз!
На величину пускового тока влияет момент включения ОП относительно фазы и мгновенного значения напряжения сети питания. Пусковой ток будет максимален в случае включения на максимуме напряжения и минимален — при включении в зоне перехода через нулевое значение (рис. 3).
Рис. 3. Изменение параметров импульса пускового тока в зависимости от момента включения ОП: а) пусковой ток амплитудой 22 А при включении ОП в зоне максимальных значений напряжения; б) пусковой ток амплитудой 3,5 А при включении ОП в зоне минимальных значений напряжения
Параметры пускового процесса ОП (особенно при групповом подключении ОП в составе осветительных установок, (ОУ)) определяют требования как к исполнению схемотехнического решения драйвера, так и к системам электроснабжения, управления, учета электропотребления, устройствам защиты и др. При проектировании системы электроосвещения важно подобрать устройства защиты с учетом возникновения заданного числа импульсов пускового тока. Для этого пусковые параметры ОП должны быть доступно описаны и представлены для потребителей.
Работа автоматического выключателя определяется двумя механизмами срабатывания расцепителей: тепловым и электромагнитным [4]. Такая комбинация позволяет отслеживать достаточно длительные, но не мгновенные превышения тока (тепловой) и резкое значительное возрастание тока (электромагнитный). В итоге правильно выбранный автоматический выключатель, предохранитель, с одной стороны, обеспечивает отсутствие ложных срабатываний, с другой — защищает сеть в случае аварийной ситуации. Для правильного выбора типа защитного устройства следует знать параметры возможных импульсов тока перегрузки, в том числе и во время включения ОП, а именно величину амплитуды токового импульса, его длительность и форму.
Для количественной оценки влияния импульса пускового тока светодиодного светильника следует рассматривать оба типа его воздействия на механизм автоматического выключателя: тепловой и электромагнитный. В качестве примера рассмотрим пусковой импульс, в составе которого имеется и «кратковременный» начальный импульс (менее 100 мкс), формирующий электромагнитное воздействие, и достаточно длительный основной «хвост», определяющий тепловое воздействие (рис. 4).
Тепловое воздействие тока импульса на элемент электроустановки оценивается при помощи условной величины — интеграла Джоуля:
Интеграл Джоуля ЕI — величина, численно равная интегралу от квадрата амплитудного значения тока импульса (i) по времени (t) в пределах длительности импульса (t0 — t1) (А2 с). Основной импульс, показанный на рис. 4, имеет характерную форму с практически вертикальным стартовым фронтом и затухающим правым (выделен красным цветом). Его амплитудное значение составляет 53,5 A, а длительность 760 мкс. Для этого характерного случая формы импульса пускового тока интеграл Джоуля можно описать следующим образом:
где It — мгновенное максимальное значение импульса тока ОП, возникающего при включении, А; Δt — длительность импульса пускового тока, измеренная на уровне половины амплитудного значения, с. Соответственно, значение интеграла Джоуля для этой части импульса можно вычислить следующим образом:
Электромагнитное воздействие тока импульса на элемент автоматического выключателя оценим при помощи метода, предложенного специалистами компании АВВ [5, 6]. Для оценки такого воздействия рекомендовано интерпретировать характеристики кратковременных (менее 5 мс) импульсов при помощи поправочного коэффициента и приведения их к «нормированному значению пускового тока — Ir», измеряемому в амперах. Значение поправочного коэффициента можно определить на основании его зависимости от продолжительности длительности импульса, приведенной на рис. 5.
Кроме этого, следует учесть еще один коэффициет (N) [6], характеризующий параметры срабатывания автоматов различных категорий. Так, для автоматов категории В — N = 3; для автоматов категории C — N = 5; для автоматов категории D — N = 10; для автоматов категории K — N = 10. Нормированное значение величины пускового тока определяется делением амплитудного значения импульса на поправочный коэффициент К с учетом коэффициента N:
Применим данный метод к импульсам, показанным на рис. 4. Определим значение коэффициента К для лидер-импульса длительностью 80 мкс. Значение длительности на уровне полуамплитуды импульса — 40 мкс, значение К1 = 70 (красный пунктир на рис. 5). При работе с автоматом защиты категории B (N = 3) нормированное значение величины пускового тока для лидер-импульса равно Ir1 = 120/(70×3) = 0,6 А. Для основного импульса длительностью 760 мкс, при длительности на уровне полуамплитуды импульса 380 мкс значение К2 = 7 (синий пунктир на рис. 5). В этом случае нормированное значение величины пускового тока для основного импульса равно:
В данном случае электромагнитное воздействие тока импульса на элемент автоматического выключателя следует оценивать по нормированному значению большей величины Ir2 = 2,5 А, сформированному основным импульсом. Соответственно, влиянием кратковременного лидер-импульса можно пренебречь.
На основании изложенного вести оценку параметров автоматического выключателя, способного выдерживать пусковые токи данного светильника, будем по следующим параметрам:
• I2 t — кривая, дающая максимальное значение I2 t как функцию ожидаемого тока в заданных условиях эксплуатации;
• ток мгновенного расцепления — минимальное значение тока, вызывающее автоматическое срабатывание выключателя без преднамеренной выдержки времени.
Соответственно, для обеспечения надежной работы светильника в составе электроустановки необходимо применить защитное устройство, характеристики срабатывания которого больше, чем полученные значения: интеграл Джоуля I2 t = 1,1 А2 с и ток мгновенного расцепления It = 2,5 А.
В качестве примера определим максимально возможное количество ОП (M1) с рассмотренными пусковыми характеристиками для подключения к одному автомату ABB серии S200 B16 с ограничением удельной пропускаемой энергии, равной 35,156 А2 с [6].
Значение интеграла Джоуля для пускового импульса ОП равно ЕI =1,1 А2 с, соответственно, допустимое количество ОП составит M1 = 35,2/1,1 = 32 шт.
Теперь оценим этот параметр по ограничению электромагнитного воздействия, то есть по току мгновенного расцепления. Для автомата ABB серии S200 B16 с током мгновенного расцепления 48 А [6] максимальное количество ОП с нормированным значением пускового тока 2,5 А составит M2 = 48/2,5 = 19 шт.
В итоге следует выбрать допустимое количество ОП для подключения к одному автомату как меньшее из M1 и M2. Получаем: допустимое количество ОП не более 19 шт.
Необходимо помнить, что при групповом включении светильников с одним устройством защиты пусковые импульсы каждого ОП складываются, при этом возрастает амплитуда и длительность суммарного импульса тока, проходящего через устройство при включении ОУ.
На практике существуют приемы для увеличения количества ОП при использовании одного устройства защиты, такие как:
- замена автомата на автомат с бóльшим значением номинального тока срабатывания;
- применение автомата менее чувствительной категории вместо выбранного изначально;
- использование в качестве устройства защиты интеллектуального реле, контактор которого активируется при переходе напряжения питания через ноль.
В заключение отметим, что требования к устройствам защиты сети электропитания ОУ на базе светодиодных ОП следует формировать с учетом пусковых характеристик каждого ОП. Эти характеристики должны быть представлены производителем осветительного прибора в виде как минимум двух параметров:
- It — мгновенное максимальное значение импульса тока ОП, возникающего при включении (А);
- Δt — длительность импульса пускового тока, измеренная на уровне половины амплитудного значения (с) или величиной интеграла Джоуля, It 2 ×Δt (А2 с).
1. Impact of LED Lighting on Electrical Networks. www. download.schneider-electric.com/files?p_Doc_Ref=998- 2095-10-15-14AR0_EN
2. ГОСТ IEC 61009-1-2014 «Выключатели автоматические, срабатывающие от остаточного тока, со встроенной защитой от тока перегрузки, бытовые и аналогичного назначения. Общие правила».
3. ГОСТ IEC 60269-1-2016 «Предохранители плавкие низковольтные. Часть 1. Общие требования».
4. Пищур А. П. Современные автоматические выключатели // Энерго-Инфо. 2012. № 1 (60).
5. Inventronics Circuit Breakers. www.inventronics-co.com/ wp-content/uploads/2018/04/Circuit-Breaker-App-Note. pdf
6. Technische Daten System pro M compact Druck Nr. 2CDC 002 001 D0103 ersetzt 2CDC 002 001 D0102. www.abb.de/ stotz-kontakt
Оригинальный текст статьи опубликован в журнале «Полупроводниковая светотехника» ISSN 2079-9462, №2/2020 стр. 12 – 15
Авторы: Анатолий Абрамов | Александр Богданов | Андрей Данилко | Петр Дмитриев | Александр Карев | Андрей Степанов