Как работают уличные фонари: объяснение фотоэлемента, переключения, драйвера и лампы

Окно фотоэлемента, забитое пылью, пыльцой и оболочками насекомых, с радостью обеспечит освещение дороги в полдень. Приезжает ремонтная бригада, не находит в лампе ничего неисправного и заменяет датчик стоимостью несколько долларов. Этот единственный сценарий объясняет больше о том, как работают уличные фонари, чем большинство диаграмм: свет сам по себе является лишь последним звеном в цепочке решений, и любое слабое звено выше по течению превращает совершенно хороший светильник либо в темный участок дороги, либо в напрасный счет за электроэнергию.

Вот краткий ответ перед подробностями. Современный уличный фонарь работает в четыре этапа: датчик или часы решают, что наступила темнота, коммутационное устройство замыкает цепь, драйвер или балласт преобразует поступающий переменный ток в форму, необходимую источнику света, а лампа преобразует это электричество в свет. Все остальное на опоре, от фундамента до кронштейна и сетевого фильтра, существует для обеспечения безопасной работы этих четырех ступеней в течение пятнадцати-двадцати лет.

В оставшейся части этой статьи эта цепочка рассматривается в том порядке, в котором проходит ток, затем рассматривается, что меняется, когда светильник работает от солнечной энергии, что добавляют интеллектуальные элементы управления, какие характеристики на самом деле предсказывают надежность и что типичные неисправности говорят вам об установке.

Рабочая цепочка: восприятие, переключение, преобразование и излучение

Большинство людей представляют уличный фонарь как лампу на палке. На практике это небольшая электрическая система с четырьмя функциональными блоками, и поиск неисправностей или определение одного из них намного проще, если думать об этих блоках.

• Смысл. Фотоэлемент, астрономические часы внутри контроллера, датчик движения или команда центральной системы управления определяют, должен ли свет быть включен, выключен или затемнен.
• Выключатель. Контактор, реле, полупроводниковый переключатель или собственный вход разрешения драйвера подключает или отключает питание. В старых установках это механический контактор в опоре фидера, обслуживающий всю цепь; на более новых это реле внутри каждого светильника.
• Конвертировать. Электропитание регулируется магнитным балластом для натрия высокого давления или электронным драйвером для светодиодов. Этот блок определяет эффективность, коэффициент мощности, регулируемую яркость и то, насколько корректно ведет себя свет при падении напряжения.
• Эмитировать. Лампа или светодиодный модуль преобразует ток в видимый свет, а оптика, отражатель или линза рассеивает его по дороге по схеме, соответствующей классу освещения.

Вокруг этих четырех блоков расположены механические и защитные части: опора, фундаментные и анкерные болты, кронштейн или кронштейн, предохранитель или миниатюрный автоматический выключатель, устройство защиты от перенапряжения, клеммная колодка и заземляющий проводник. Выход из строя любого из них прерывает цепь, из-за чего светильник может «сломаться» по причинам, не имеющим к лампе никакого отношения.

Внутри полюса: детали, которые работают тихо

Столб выглядит наименее техническим элементом в системе и фактически является той частью, которая чаще всего решает, пройдет ли проект проверку. Шестиметровый дорожный столб со светодиодным светильником мощностью 60 Вт на кронштейне длиной 1,5 м подвергается ветровым нагрузкам, вибрации от движения транспорта, движения грунта и, в прибрежных районах, соли. Оцинкованная сталь по стандарту ISO 1461 с минимальным цинковым покрытием толщиной от 70 до 86 микрометров, приваренная с обеих сторон опорная плита и правильно затянутый анкерный комплект не являются декоративными деталями; именно они удерживают светильник направленным на дорогу в течение двух десятилетий.

Размеры интерфейса имеют такое же значение при закупках, как и марка стали. Большинство светильников монтируются на патрубок диаметром 60 или 76 мм, и поставщик, который придерживается этого диаметра в пределах ±1 мм, экономит установщику час шлифовки на опору. Толщина стенки, конусность, положение прорези для ввода кабеля и дверцы смотрового отверстия — все это зависит от метода проводки, и их следует согласовывать на чертеже перед производством, а не обнаруживать на месте.

Индивидуальные стальные уличные фонарные столбы для наружного освещения Ознакомьтесь с настраиваемыми круглыми, шестиугольными, восьмиугольными и квадратными стальными опорами (3–40 м, горячеоцинкованными) при согласовании размеров интерфейсов и деталей проводки в смотровых отверстиях перед производством. Посмотреть продукт →

Внутри смотрового отверстия обычно находится клеммная колодка с предохранителем, шпилька заземления, а при подвесной установке или установке на длинном кронштейне кабельный ввод, имеющий тот же уровень IP, что и корпус. В цепях с воздушным распределением или сильным грозовым воздействием устройство защиты от перенапряжения на опоре или рядом с ней является тем, что стоит между обычным сезоном гроз и чередой вышедших из строя драйверов.

Как сама лампа излучает свет

В дорожном освещении по-прежнему доминируют три источника света, каждый из которых преобразует электроэнергию по-разному.

Натрий высокого давления. Дуга проходит через амальгаму натрия и ртути под высоким давлением, создавая теплый золотисто-белый свет с индексом цветопередачи от 20 до 25. Магнитный балласт, часто с воспламенителем, обеспечивает пусковой импульс, а затем ограничивает ток. HPS требуется от трех до пяти минут, чтобы выйти на полную мощность из холодного состояния, а после кратковременного отключения электроэнергии может потребоваться от одной до двух минут для повторного включения. Такое поведение повторного включения является причиной того, что старые установки иногда отключаются на несколько минут после сбоя на подстанции.

ВЕЛ. Электронный драйвер преобразует сетевой переменный ток в регулируемый постоянный ток, обычно от 350 мА до 1050 мА в зависимости от модуля, а диоды напрямую излучают свет. Нет разминки и задержки повторного удара. Поскольку выходная мощность масштабируется в зависимости от тока, яркость того же светильника можно уменьшить до 30 процентов в час ночи за счет уменьшения тока возбуждения, что сейчас обеспечивает значительную долю экономии энергии.

Металлогалогенные и другие газоразрядные лампы. ведут себя аналогично HPS, но с лучшей цветопередачей и более коротким, хотя и заметным, прогревом. Они становятся все более редкими в новых дорожных схемах.

Светодиодный уличный фонарь серии DDK-LD121 для городского наружного освещения Проверьте этот светодиодный уличный фонарь мощностью 40–200 Вт, мощностью 150 лм/Вт, корпусом IP66/IK09, регулируемым монтажом ±15° и регулировкой яркости для модернизации натриевых ламп или металлогалогенных ламп. Посмотреть продукт →

Одно из практических последствий этой таблицы: когда натриевая установка оснащается светодиодами, нагрузка на цепь обычно падает вдвое или более. Эта свободная мощность часто используется для добавления точек освещения, поэтому модернизация может улучшить покрытие дороги без каких-либо изменений в кабельной сети.

Как уличный фонарь узнает, что темно

Решение о включении — это та часть, которая интересует большинство людей, и она действительно проста на уровне компонентов.

Фотоэлементы и их гистерезис

Классический фотоэлемент использует фоторезистор на основе сульфида кадмия, материал, сопротивление которого падает от нескольких МОм в темноте до нескольких сотен Ом при дневном свете. Подключенный к делителю напряжения, он управляет компаратором или транзисторным каскадом, который управляет реле. Поскольку при голом пороге свет будет дребезжать в пасмурные дни, в схеме включен гистерезис: лампа включается при низком пороге, обычно где-то от 30 до 70 люкс, и снова выключается только тогда, когда окружающий свет поднимается значительно выше этого порога, часто от 100 до 150 люкс. Временная задержка от 30 до 120 секунд отфильтровывает свет фар, молнию и проходящие тени.

Использование кадмия ограничено директивой RoHS, поэтому во многих новых датчиках используются кремниевые фотодиоды или фототранзисторы с аналогичным поведением и лучшей долговременной стабильностью. Практическая разница для покупателя невелика, но способы отказа различаются: фоторезисторные датчики смещаются по мере старения материала, а кремниевые датчики более чувствительны к грязи на окне.

Астрономические часы и таймеры

Астрономические часы хранят широту и долготу и рассчитывают закат и восход солнца для каждого дня года, а затем применяют настраиваемое смещение, скажем, на пятнадцать минут до захода солнца и на двадцать минут после восхода солнца. Контроллеры этого типа обычно добавляют функцию отключения в полночь или полночь и автоматически обрабатывают изменения летнего времени. Они невосприимчивы к проблеме пыли, от которой страдают фотоэлементы, но они не могут реагировать на необычно темную бурю, поэтому во многих схемах фотоэлемент используется в качестве запасного варианта или средства контроля.

Датчики движения и адаптивное затемнение.

Пассивные инфракрасные и микроволновые радарные датчики обнаруживают движение и повышают выходную мощность с уровня ожидания, обычно от 20 до 30 процентов, до полной мощности в течение заданного времени удержания. На дорогах и велосипедных дорожках с низким трафиком это может существенно сократить потребление энергии. Инженерное предостережение заключается в том, что экономия сохраняется только в том случае, если уровень ожидания по-прежнему соответствует минимальному классу освещения, и что датчики должны быть направлены так, чтобы ветви деревьев и потоки теплого воздуха не вызывали постоянную работу на полной мощности.

Какой бы метод ни использовался, датчик представляет собой небольшой компонент, оказывающий огромное влияние на эксплуатационные расходы. Датчик, который включается на двадцать минут раньше на двухстах столбах, дает измеримую годовую цифру, а датчик, который никогда не выключается, обычно обнаруживается жильцом, а не оператором. Для более широкого взгляда на сторону безопасности этого уравнения, это обсуждение Как уличные фонарные столбы повышают безопасность города в ночное время охватывает взаимосвязь между последовательным переключением и воспринимаемой безопасностью.

Электрический путь от фидера к светильнику

Между подстанцией и лампой существует кабельная сеть с реальными потерями, и эти потери объясняют несколько конструктивных решений, которые в противном случае выглядят произвольными.

Цепи уличного освещения обычно работают от трехфазного напряжения 230/400 В, при этом полюса распределены по фазам для балансировки нагрузки. Падение напряжения на длинных ветвях является ограничением, определяющим размер кабеля. Возьмем однофазную ветку напряжением 230 В, питающую 5 А на протяжении 300 м в меди площадью 6 мм²: сопротивление одного проводника составляет около 0,88 Ом, сопротивление петли — примерно 1,75 Ом, а падение напряжения — почти 9 В, или около 4 процентов. Это уже превышает 3 процента, обычно разрешенные для ответвленной цепи, поэтому для более длинных участков используется 16 мм² или почему конструкция переключается на трехфазный фидер с более короткими однофазными выводами.

Внутри светильника драйвер или балласт выполняет три функции одновременно: регулирует ток, подаваемый к источнику света, поддерживает коэффициент мощности выше 0,9, чтобы источник питания не был перегружен реактивным током, и ограничивает гармонические искажения, обычно ниже 20 процентов в целом. Хороший светодиодный драйвер также включает в себя защиту от перенапряжения с номиналом 10 кВ / 5 кА или выше на входе сети и термозащиту, которая снижает выходную мощность, а не позволяет модулю нагреваться при блокировке радиатора.

Заземление заслуживает отдельного приговора. Светильники класса I имеют прочное защитное заземление на каждом полюсе; проржавевший заземляющий штифт или оборванный соединительный проводник превращают незначительное повреждение изоляции в опасность поражения электрическим током, и это один из элементов, который чаще всего упускают из виду при периодических проверках.

Солнечные уличные фонари: одна и та же работа, другая физика

Уличный фонарь на солнечной энергии выполняет те же четыре этапа, но блок «преобразования» разделен на две части, а блок «переключателя» получает энергетический бюджет. Панель генерирует постоянный ток в течение дня, контроллер заряда регулирует его подачу в батарею, а ночью контроллер потребляет энергию от батареи и управляет светодиодом через каскад постоянного тока. Контроллер также принимает решение о сумерках, используя напряжение панели в качестве датчика освещенности, поэтому солнечные фонари иногда включаются во время сильного шторма.

Определение размеров – это арифметика, и именно здесь большинство разочаровывающих солнечных проектов идут не так, как надо. Рассмотрим светодиод мощностью 60 Вт, который работает 11 часов в сутки на полной мощности. Это 660 Втч ежедневной энергии. С литий-железо-фосфатным аккумулятором, ограниченным глубиной разряда 80 процентов и тремя днями автономной работы, требуемая емкость составляет 660 × 3 ÷ 0,8, примерно 2475 Втч, что при 25,6 В составляет около 97 Ач. Панель должна заменить 660 Втч в среднем за четыре часа пиковой солнечной активности с системными потерями около 25 процентов, поэтому ей требуется примерно 220 Вт. Поставщик, который цитирует панель мощностью 100 Вт для этой нагрузки, указывает на систему, которая выйдет из строя в первую пасмурную неделю.

DDK-S0219 Универсальный уличный фонарь на солнечной батарее «все в одном» Встроенный уличный фонарь на солнечных батареях с панелью мощностью 100 Вт, аккумулятором LiFePO4, светодиодом мощностью 150 Вт, алюминиевым корпусом со степенью защиты IP65 и возможностью крепления на расстоянии 8–10 м для расчета проекта. Посмотреть продукт →

Физическое расположение также имеет значение. Устройства «все в одном» объединяют панель, аккумулятор и освещение в одном корпусе, что упрощает установку, но концентрирует тепло вокруг аккумулятора. В отдельных конструкциях панель размещается поверх опоры или на кронштейне, а аккумулятор - в базовом отсеке, что более удобно в жарком климате и упрощает обслуживание. В любом случае, химический состав батареи определяет срок службы гораздо больше, чем светодиод: свинцово-кислотный в горячем корпусе может прослужить два года, литий-железо-фосфатный - от пяти до восьми.

Умные уличные фонари и централизованное управление

Изменение, которое больше всего изменило работу уличных фонарей, связано не с источником света, а с контроллером. Современный светильник часто имеет 7-контактную розетку NEMA по стандарту ANSI C136.41 или интерфейс Zhaga Book 18, в который подключается узел. Этот узел может содержать фотоэлемент, часы реального времени, измеритель мощности, датчик наклона или вибрации и радио.

Коммуникации осуществляются через беспроводную ячеистую сеть, в которой каждый узел передает информацию своим соседям, или через сотовую сеть NB-IoT и LoRaWAN, где ячеистая сеть нецелесообразна. Что касается освещения, регулировка яркости осуществляется по протоколу DALI или сигналу 0–10 В. Результатом является система, которая может сообщать о собственных сбоях, регулировать яркость по расписанию, повышать мощность при обнаружении, измерять энергию на каждом столбе и обеспечивать передачу данных в город.

Стоит отметить два практических момента. Во-первых, совместимость — это вопрос закупок: собственный протокол привязывает оператора к одному поставщику для каждого будущего узла. Во-вторых, кибербезопасность не является обязательной, если в сети находится несколько тысяч устройств. Пароли по умолчанию, незашифрованные ссылки на ячеистую сеть и непропатченная прошивка — обычные слабые места, и их следует устранять в спецификации, а не после ввода в эксплуатацию.

Цифры, которые решают, сработает ли это

Проектирование освещения определяется фотометрическим программным обеспечением, но важные параметры можно указать ясно, и их знание значительно упрощает написание спецификации.

Два из них заслуживают особого внимания, поскольку их часто недооценивают. Однородность — это то, что на самом деле испытывают водители: расстояние между полюсами, обеспечивающее высокую среднюю яркость с однородностью 0,2, создает чередующиеся лужи света и тени, которые кажутся менее безопасными, чем диммер, но равномерная установка. За техническое обслуживание Lumen платит оператор: рейтинг L70 при 50 000 часов означает, что установка будет выдавать 70 процентов своей первоначальной мощности примерно в двенадцатый год по десять часов в сутки, что является моментом для планирования замены модуля, а не вызова службы экстренной помощи.

Неудачи и на что они указывают

Диагностика на месте становится намного быстрее, если вы работаете от симптома к блоку, а не заменяете детали случайным образом.

Стоит запомнить одну закономерность: когда несколько светильников в одной ветке выходят из строя с разницей в несколько недель, причина обычно кроется в восходящем потоке или в окружающей среде, а не в самих лампах. Перенапряжение, потеря нейтрали или коррозия заземляющей шины приведут к выходу из строя драйверов группами, а замена их без устранения причины просто повторит затраты.

Что указать в спецификации

Большая часть рисков, связанных с закупками наружного освещения, возникает в промежутке между описанием в каталоге и чертежом. Устранение этого пробела во многом зависит от документации.

1. Для каждого типа опоры потребуется подписанный чертеж с указанием конусности, толщины стенки, размеров опорной плиты, расположения анкерных болтов, положения смотрового отверстия, кабельного ввода и диаметра патрубка с допусками.
2. Запрашивайте фотометрические файлы, а не претензии, а также данные LM-79 и LM-80 или TM-21 для светодиодного модуля и драйвера.
3. Точно укажите систему коррозии: толщина цинкования в микрометрах по стандарту ISO 1461, плюс толщина порошкового покрытия, если требуется цвет, и часы солевого тумана для прибрежных объектов.
4. Укажите классы IP и IK для каждого отсека отдельно и требуйте отчет об испытаниях IP, а не маркировку.
5. Согласуйте интерфейс управления, будь то фотоэлемент, астрономические часы, 0–10 В, DALI или розетка NEMA, и подтвердите, что происходит при удалении контроллера.
6. Определите упаковку, план загрузки контейнера и документацию, поскольку проект, который поставляется с неподходящими аксессуарами, задерживает установку больше, чем когда-либо стоит небольшая разница в цене.

Это также помогает узнать техническую глубину вашего поставщика, а не только его прайс-лист. Производитель, который может прочитать чертеж клиента, изготовить образец и отметить проблему с ветровой нагрузкой перед началом производства, стоит больше в муниципальной схеме, чем тот, кто просто указывает значение люменов. Информация о производство и контроль качества продукции наружного освещения это разумный способ оценить это до выдачи приказа.

Техническое обслуживание: сохранение целостности цепи

Уличный фонарь, который никогда не обслуживается, не выходит из строя внезапно; она постепенно деградирует до тех пор, пока дорога не перестанет соответствовать своему классу. Три процедуры покрывают большую часть риска.

Уборка. Ежегодная промывка линз и окон фотоэлементов восстанавливает удивительную долю потерянной продукции, и это самое дешевое вмешательство. На прибрежных или пыльных участках реально проводить два раза в год.

Термический осмотр. Драйверы и светодиодные модули выходят из строя быстрее, если их радиаторы заблокированы или отсек заполнен конденсатом. Исследование тепловизионной камерой в ночное время выявляет как неисправные драйверы, которые нагреваются сильнее, чем исправные, так и попадание воды до того, как произойдет короткое замыкание.

Электрические проверки. Сопротивление изоляции, непрерывность заземления и крутящий момент на клеммных винтах и ​​анкерных болтах подчиняются многолетнему циклу. Устройства защиты от перенапряжения должны проверяться на предмет индикации окончания срока службы, а солнечные батареи должны проверяться на емкость начиная с четвертого года, поэтому замена должна быть плановой, а не реактивной.

Запись результатов имеет такое же значение, как и сама работа. Модель поддержания яркости действительна только в том случае, если оператор знает, что измеряла установка при вводе в эксплуатацию и что она измеряет сейчас; без этой базовой линии каждое решение о замене или замене лампы является догадкой.

Так как же работают уличные фонари? Они измеряют уровень освещенности или сверяются с часами, замыкают коммутационное устройство, преобразуют источник питания в контролируемый ток и излучают свет через оптическую систему, предназначенную для определенного класса дорог. Детали обычные; инженерная задача заключается в том, чтобы заставить их согласовываться друг с другом в течение двадцати лет, несмотря на колебания температуры, ветровые нагрузки, сезоны гроз и бюджет на техническое обслуживание, который всегда меньше, чем надеялся проектировщик.

Когда свет плохо себя ведет, работайте вдоль цепи, а не вокруг нее: сначала датчик, затем выключатель, затем источник питания, затем драйвер, затем лампа. При уточнении проекта действуйте по той же цепочке в обратном порядке, начиная с класса освещения, необходимого дороге, и заканчивая столбом, который ее будет держать. Эта привычка, в большей степени, чем выбор какого-либо отдельного компонента, отличает установку, которая тихо выполняет свою работу, от установки, которая отнимает у бригады технического обслуживания занятость.