La introducción de tecnologías electrónicas complejas en el alumbrado público, incluido el LED, ha significado gestionar el riesgo de sobretensiones y perturbaciones eléctricas, incluidos los rayos, que se han vuelto más críticos y desafiantes.
Como los profesionales de iluminación conocen bien, las luminarias de exterior y equipos asociados están sujetos a una variedad de perturbaciones eléctricas que dependiendo de su origen pueden ser permanentes, temporales o transitorias. Estas perturbaciones representan una amenaza considerable para estas tecnologías, siendo la antigüedad y el mal estado de mantenimiento de las redes, factores que agravan considerablemente el problema.
Las amenazas son numerosas e incluyen los rayos y sus efectos secundarios, sobretensiones de conmutación, problemas de distribución de red, por ejemplo, pérdida de neutro, errores de conexión y tensiones armónicas.
Siendo estas perturbaciones muy habituales y generalizadas en las redes externas de alumbrado público, históricamente las diferentes tecnologías de equipos conectados a ellas solían ser suficientemente robustos para tolerar los efectos sin incidentes.
Esto nos lleva a la conclusión de que la introducción de tecnologías electrónicas complejas en estas redes, pese a sus ventajas, supone enfrentar los inconvenientes de no poder asegurar la continuidad del servicio así como la reducción de la vida útil esperada. Un excelente ejemplo de esto es el cambio en los últimos años a la tecnología LED en el mercado de alumbrado público.
Peligros principales para la iluminación LED al aire libre
Hay muchas áreas problemáticas potenciales cuando se consideran los sistemas de iluminación exterior y los riesgos potenciales que enfrentan. Éstas incluyen:
- Equipo muy sensible (controladores electrónicos, componentes LED, etc.)
- Instalación en redes antiguas con alta probabilidad de perturbaciones
- Conexiones de suministro muy largas
- Gran cantidad de equipos dispersos externamente
- Sensibilidad por parte del usuario/cliente a la cuestión de la duración y calidad de la vida de la red y, por lo tanto, el requisito de una gran inversión inicial.
En consecuencia, los equipos LED estarán sujetos a diversas amenazas que pueden afectar seriamente su rendimiento y vida útil. Esto nos hace mencionar, no sin cierta ironía, que precisamente estos son los dos principales argumentos para acometer la inversión que supone el cambio a esta nueva tecnología.
Sobretensiones debidas a rayos
Las sobretensiones transitorias debidas a los rayos, son un fenómeno transitorio y un peligro bien conocido, tanto si es directo en las redes de distribución como indirecto por afectación a la línea de tierra, los dos casos más probables, y suponen la exposición de los equipos a elevadas sobretensiones temporales, así como a perturbaciones electromagnéticas.
Los escenarios son numerosos y crearán sobretensiones transitorias de muy alta amplitud (varios kilovoltios) que son el la mayoría de los casos destructivos para los componentes y equipos sensibles, como las luces LED, y sus drivers de alimentación, y en todo caso supondrán siempre la reducción de vida útil, como se muestra en la Figura 1:
Sobretensiones debidas a Conmutaciones
Las redes eléctricas cuentan con gran número de cargas inductivas que pueden generar sobretensiones transitorias de hasta varios kilovoltios. Una fuente importante de sobretensiones de conmutación en las redes de alumbrado exterior son los módulos de suministro de energía ferromagnéticos para lámparas de descarga que se utilizan en la iluminación LED. Cada puesta en marcha crea sobretensiones de impulso que pueden llegar al frágil equipo LED, como se muestra en la Figura 2.
Sobretensiones debidos a fallo de neutro o errores de conexión
La Figura 3 muestra un error de conexión (conexión de fase / fase) o un fallo de neutro en la red de suministro que generará casi el doble de voltaje CA en el equipo, estas sobretensiones de tipo permanente son devastadoras suponiendo casi siempre la destrucción para el equipo conectado.
Perturbaciones Armónicas
La figura 4, mientras tanto, ilustra cómo las cargas activas en las redes generan perturbaciones armónicas que son fuentes de fallos y la causa del envejecimiento prematuro de los circuitos electrónicos. En los circuitos de iluminación, las lámparas de descarga y otros tubos de neón son poderosos generadores de armónicos.
Cargas Electrostáticas
Estos fenómenos no están relacionados con la calidad de la red de distribución, sino directamente con la construcción específica de la luminaria LED, y son una causa probada de fallos del sistema.
La mayoría de las luminarias para exteriores en algunos países europeos se fabrican como Clase II (protección contra el contacto indirecto mediante aislamiento doble o aislamiento reforzado). Estos tienen una carcasa de metal que contiene el equipo y no está conectado directamente a la tierra de protección (PE), ni está conectado indirectamente a través de un soporte conductor.
Un ejemplo típico es una lámpara en un mástil de madera o fibra de vidrio. En consecuencia, existe el riesgo de que la carcasa metálica sea cargada electrostáticamente por el viento (fricción con partículas de polvo) sin posibilidad de descargarla. Esta carga electrostática puede alcanzar altos voltajes (kV) y, en ciertas condiciones, transferir su energía a componentes internos. Este escenario se ilustra en la Figura 5.
Soluciones de protección para iluminación LED de exterior
Como hemos visto, el problema de los sistemas de iluminación LED externos que son sensibles a los voltajes de sobretensión ahora es bien conocido y, por lo tanto, se deben proporcionar soluciones.
Una posible solución es el uso de controladores reforzados para resistir los altos voltajes de sobretensión. En consecuencia, algunos fabricantes de luminarias LED están reforzando sus controladores con la capacidad de soportar 8 kV a 10 kV en voltaje de impulso (forma de onda de 1.2 / 50 microsegundos).
Sin embargo, incluso si este método refuerza la luminaria LED, su efectividad sigue estando por debajo de la solución ‘controlador + protector de sobretensión externo’.
La Figura 6 a continuación compara y explica las diferentes opciones, la mejor solución es el SPD externo, ya que es capaz de soportar el peor escenario posible (un pico de tensión de 20 kV) a un costo total equivalente y al mismo tiempo facilita el proceso de mantenimiento.
Los dispositivos de protección contra sobretensiones, o supresores de sobretensiones de voltaje transitorio (TVSS), para redes de baja tensión son una tecnología madura, confiable y estandarizada (NF EN 61643-11). Son muy efectivos para proporcionar protección contra transitorios de voltaje como rayos y sobretensiones de conmutación.
Un buen proveedor de dispositivos de protección contra sobretensiones deberá ofrecer versiones adecuadas para su uso en luminarias que se instalarán en la caja de conexiones al pie del mástil o integradas en la cabeza de la luminaria.
En ciertas guías técnicas utilizadas en Europa, la necesidad de utilizar dispositivos de protección contra sobretensiones está integrada (reglas para la instalación de redes externas de baja tensión) y se basa en un análisis de riesgos simplificado. Los dispositivos de protección contra sobretensiones deben integrarse en el centro de mando, así como en las redes de monitorización/ control cuando corresponda.
En cuanto a la protección contra sobretensiones temporales y pérdida de neutro(sobretensiones permanentes), para estas situaciones potencialmente muy dañinas hay dispositivos especiales de protección contra sobretensiones diseñados para sacrificarse (modo de fin de vida controlado) y desconectar el equipo terminal asegurando así su protección. Alternativamente, esto puede lograrse utilizando dispositivos de protección contra sobretensiones de frecuencia industrial, por ejemplo, el VM230 de Citel (y, en su totalidad, somos el distribuidor de equipos de protección contra sobretensiones Citel en el España).
La eliminación del riesgo de carga electrostática en las luminarias de Clase II debe cubrirse durante la fabricación. No obstante, se pueden realizar acciones correctivas o complementarias utilizando dispositivos de descarga específicos, a veces incluidos en los dispositivos de protección contra sobretensiones, por ejemplo, Citel’s MLPC2-230L-R / ESP.
Conclusión
La tecnología que cambia rápidamente de los equipos instalados en las redes de alumbrado exterior es un problema importante en términos de fiabilidad.
Para garantizar la fiabilidad y una vida útil deseable, es fundamental comprender la naturaleza distribuida de estos sistemas, sus vulnerabilidades así como las medidas de protección muy específicas que se requieren y que nos ayudarán al éxito de la inversión
