Per garantire un accettabile ritorno dell'investimento sull'illuminazione stradale a Led, è necessario iniziare specificando le apparecchiature dotate di protezione integrata da danni causati da sovratensioni, inclusa l'installazione di un modulo Spd davanti all'unità di alimentazione a Led, che offre protezione efficace per i sistemi di illuminazione. Il posizionamento di interruttori termici in questi moduli migliora la sicurezza generale e consente loro di ottenere la certificazione UL 1449. Per ottimizzare le opportunità relative a un rapido ritorno dell'investimento, i progettisti di sistema devono incorporare meccanismi che indicano il momento in cui eseguire la sostituzione dei moduli Spd. Le lampade a olio e le candele rientrano tra le prime forme di illuminazione per esterni. Tuttavia, con l'avvento dell'era industriale, sono state largamente sostituite dalle lampade a gas illuminante, gasolio o cherosene. Le lampade ad arco a carbone, introdotte alla fine del diciannovesimo secolo, sono state i primi sistemi di illuminazione stradale a elettricità. Tuttavia, la maggior parte dei comuni è passata rapidamente alle tecnologie più moderne, che offrivano un'illuminazione meno fastidiosa, più duratura e che richiedeva interventi di manutenzione meno frequenti. Tra queste tecnologie vi erano le lampadine incandescenti e le luci a scarica ad alta intensità, come le lampade a vapore di mercurio, ad alogenuro metallico e a vapori di sodio. Dal momento che le luci a Led offrono un'efficienza energetica sempre maggiore e migliori caratteristiche di dissipazione termica, l'illuminazione a Led sta sostituendo sempre più queste vecchie tecnologie di illuminazione stradale. Tuttavia, l'illuminazione stradale a Led può essere molto costosa per i comuni. Gli urbanisti devono essere in grado di giustificare le spese, ottenendo un ritorno dell'investimento entro un periodo di tempo ragionevole, basandosi sul wattaggio inferiore, sui costi di manutenzione più bassi e sulla durata maggiore dell'illuminazione a Led. Circa un terzo dei risparmi attribuibili al passaggio all'illuminazione stradale a Led è dovuto alla maggiore durata offerta da queste apparecchiature. Il loro potenziale di riduzione dei costi di manutenzione è essenziale per garantire economicità a lungo termine. Elevata resistenza e affidabilità sono elementi cruciali per garantire protezione da guasti prematuri, dovuti in particolare a sovratensioni causate da fulmini. Negli ultimi dieci anni, un numero crescente di comuni è passato da luci a scarica ad alta intensità ad apparecchi di illuminazione stradale a Led. Il Municipal Solid-State Street Lighting Consortium, la Clinton Climate Initiative e il Federal Energy Management Program del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno collaborato per sviluppare lo Street and Parking Facility Lighting Retrofit Financial Analysis Tool (strumento di analisi finanziaria per l'ammodernamento dei sistemi di illuminazione di strade e parcheggi) per eseguire l'analisi finanziaria relativa all'ammodernamento dei sistemi di illuminazione di strade e parcheggi con alternative più efficienti.
Dal 2010, il Seattle City Light Department converte costantemente l'illuminazione stradale residenziale da lampade al sodio ad alta pressione (installate nella metà degli anni 80, ma senza risultati) alle lampade a Led per esterni. La decisione è stata guidata da varie motivazioni: costi energetici ridotti; emissioni di gas serra ridotte; durata maggiore; immunità alle vibrazioni; maggiore sicurezza; rapido ritorno dell'investimento; risparmio costante.
Ritorno sugli investimenti sostenibile garantito
I fulmini sono cariche elettrostatiche, che in genere viaggiano da nuvola a nuvola o da nuvola a terra, con valori di milioni di volt. I fulmini indiretti, anche se cadono a diversi chilometri di distanza, possono indurre campi magnetici che generano sovratensioni di migliaia di volt attraverso fili di rame conduttori di corrente, come le linee aeree e i cavi sotterranei, che alimentano l'illuminazione stradale. Questi fulmini indiretti possono produrre livelli di energia con valori superiori a 1000 A2s. L'energia dei fulmini indiretti può influire negativamente sugli impianti di illuminazione a Led per esterni. Per garantire la disponibilità di luce e ridurre i costi di manutenzione, gli apparecchi di illuminazione utilizzati negli impianti di illuminazione stradale a Led richiedono protezione. La protezione contro sovratensioni è un elemento cruciale per eliminare guasti di campo causati dall'ambiente elettrico. Gli apparecchi di illuminazione sono soggetti a danni nella modalità differenziale e comune:
- Modalità differenziale: l'alta tensione/corrente transitoria tra i terminali L-N o L-L di un apparecchio di illuminazione potrebbe danneggiare i componenti dell'unità di alimentazione o della scheda del modulo a Led.
- Modalità comune: l'alta tensione/corrente transitoria tra i terminali L-G (terra) o N-G (terra) dell'apparecchio di illuminazione potrebbe infrangere l'isolamento di sicurezza dell'unità di alimentazione o della scheda del modulo Led, incluso il Led fino all'isolamento dello scambiatore di calore.
La diversa frequenza dei fulmini a livello geografico deve servire da guida per la scelta di un modulo di protezione del circuito per un'applicazione specifica. Sulla base di statistiche e indagini sui siti relative ai dati sulla frequenza dei fulmini negli Stati Uniti, lo standard Ieee C62.41.2 raccomanda criteri di test per forme d'onda delle sovratensioni indotte e livelli di energia per ambienti interni/esterni. Una volta definiti gli standard sui test negli Stati Uniti, le raccomandazioni Ieee sono state indicate con il nome Ansi C136.2 dal Doe. Il Municipal Solid State Street Lighting Consortium del Doe ha sviluppato una specifica di modello, che garantisce agli apparecchi di illuminazione di strade, parcheggi e garage a Led un livello di immunità alle sovratensioni adeguato per supportare l'energia prodotta da fulmini indiretti. Città, comuni e servizi pubblici nel Nord America stanno adottando questa specifica di modello nelle richieste di preventivo per progetti di sostituzione e ammodernamento di sistemi di illuminazione. La protezione degli impianti di illuminazione a Led per esterni da sovratensioni causate da fulmini richiede la deviazione delle interferenze di alta tensione/corrente transitoria da componenti elettronici sensibili nell'impianto di illuminazione. Vengono utilizzati vari limitatori di sovratensione negli impianti di illuminazione a Led per esterni per sopprimere l'energia di sovratensione e ridurre al minimo l'impatto. I produttori di apparecchiature di illuminazione a Led si affidano a vari limitatori di sovratensione, inclusi fusibili accuratamente scelti, varistori in ossido di metallo e diodi di soppressione di sovratensioni per soddisfare importanti standard di sicurezza e normativi relativi alle sovratensioni transitorie.
Circuito di protezione da sovratensioni di impianti di illuminazione
Per prevenire danni causati da sovratensione, migliorare l'affidabilità, ridurre al minimo gli interventi di manutenzione ed estendere la durata di un'installazione a Led, è di importanza cruciale disporre di un efficiente circuito di soppressione delle sovratensioni.
Soluzioni Spd modulari
Gli apparecchi di illuminazione per esterni possono essere facilmente colpiti da sovratensioni transitorie, che vengono accoppiati induttivamente in linee elettriche come protezione da fulmini. Anche se alcuni apparecchi di illuminazione a Led incorporano limitatori di sovratensione nell'unità di alimentazione, i produttori di dispositivi di protezione del circuito raccomandano spesso di mantenere separato il circuito di protezione da sovratensioni dall'alimentazione dell'apparecchio di illuminazione. In questo modo, i produttori di apparecchi di illuminazione possono facilmente commercializzare lo stesso apparecchio di illuminazione collegando vari moduli di protezione da sovratensioni, per soddisfare diversi requisiti del livello di sovratensione, basandosi in parte sui dati relativi alla frequenza dei fulmini. I Mov sono largamente utilizzati nei circuiti di protezione da sovratensioni per i loro tempi di risposta rapidi, la gestione di sovratensioni elevate, la dimensione compatta e l'efficacia in termini di costi. Tuttavia, dopo che i Mov hanno assorbito un dato numero di sovratensioni, iniziano a deteriorarsi e non possono più garantire lo stesso livello di protezione di nuovi Mov. La possibilità di usufruire di un modulo di protezione da sovratensioni separato facilita la sostituzione quando il modulo originale raggiunge la fine della vita utile.
Mov termicamente protetti per la sicurezza degli Spd
La tecnologia Mov offre un modo economico ed efficace per sopprimere le sovratensioni transitorie negli alimentatori e in altre applicazioni, come i moduli Spd spesso posizionati davanti a un driver Led. Sono stati progettati per bloccare le sovratensioni transitorie in microsecondi. Tuttavia, se inseriti in moduli Spd, i Mov possono essere soggetti a condizioni di sovratensione temporanea a causa di perdita neutra o di errata installazione del cablaggio. Queste condizioni possono influire negativamente sul Mov e provocare instabilità termica, con conseguente fumo, surriscaldamento e possibili incendi. Gli standard di sicurezza del Nord America per i dispositivi Spd definiscono le condizioni atipiche per testare i dispositivi al fine di garantire la sicurezza del dispositivo Spd. I resistenti dispositivi Spd includono interruttori termici per proteggere i Mov da instabilità termica. Come detto in precedenza, a seguito dell'esposizione a sovratensioni di grandi dimensioni o a varie sovratensioni di piccole dimensioni, i Mov tendono a deteriorarsi in modo costante, portando a un aumento della corrente di fuga del Mov. Anche in condizioni normali, questo deterioramento aumenta la temperatura del Mov. È possibile utilizzare un interruttore termico posizionato accanto al Mov, per rilevare il relativo aumento di temperatura con il progredire del deterioramento. Quando il Mov raggiunge il termine della vita utile, l'interruttore termico apre il circuito, rimuove il Mov deteriorato al suo interno, prevenendo gravi guasti.
Fine del ciclo vita e sostituzione degli Spd
Una volta che l'interruttore termico ha rimosso il Mov dal circuito, il modulo Spd non garantisce più la soppressione delle sovratensioni. Pertanto, è importante fornire le giuste indicazioni, in modo da consentire al personale addetto alla manutenzione di sapere qual è il dispositivo Spd non più funzionante da sostituire. I progettisti di apparecchi di illuminazione possono scegliere tra due tipi principali di configurazioni del modulo Spd, basandosi sulle loro strategie di manutenzione: sottounità di protezione da sovratensioni con collegamento in parallelo o in serie.
- Collegamento in parallelo - Il modulo Spd viene collegato in parallelo al carico. Un modulo Spd, che ha raggiunto la fine del ciclo vita, viene disconnesso dalla rete di alimentazione, lasciando allo stesso tempo l'unità di alimentazione Ca/Cc energizzata. L'apparecchio di illuminazione resta operativo, ma la protezione dalla successiva sovratensione, alla quale vengono esposti l'unità di alimentazione e il modulo Led, viene persa. In un modulo Spd con collegamento in parallelo, le indicazioni relative alla sostituzione possono essere aggiunte utilizzando un piccolo Led, che indica lo stato del modulo Spd al tecnico addetto alla manutenzione. È possibile avere un Led verde, che indica un modulo Spd in linea, o un Led rosso, che indica un modulo Spd non in linea. Anziché avere un indicatore Led in ciascun impianto di illuminazione, la necessità di sostituzione del modulo Spd può essere indicata in remoto a un centro di assistenza per apparecchi di illuminazione con cavi che indicano la fine del ciclo vita del modulo Spd, collegati a un sistema di illuminazione intelligente in rete.
- Collegamento in serie - Il modulo Spd viene collegato in serie con il carico, dove il modulo Spd a fine del ciclo vita viene disconnesso dalla rete di alimentazione, che disattiva l'illuminazione. La perdita di alimentazione dell'apparecchio d'illuminazione funge da segnale per richiedere un intervento di manutenzione. Il modulo Spd disconnesso non solo disattiva l'illuminazione a indicare il momento in cui eseguire la sostituzione del modulo, ma isola l'unità di alimentazione Ca/Cc da sovratensioni future. Le preferenze generali per questa configurazione stanno crescendo rapidamente, grazie alla continua protezione degli investimenti relativi all'apparecchio di illuminazione, in attesa della sostituzione del modulo Spd. È molto meno costoso sostituire un modulo Spd con collegamento in serie rispetto all'intero apparecchio di illuminazione, come nel caso di un modulo Spd con collegamento in parallelo.
