Сквозь огонь, воду и медные трубы: взрывозащищенный светильник

Практика внедрения взрывозащищенных источников света показывает, что наиболее часто они применяются для освещения производственных помещений и наружных площадей атомной, нефтяной, химической и других промышленных областей с взрывоопасными зонами, в подземных выработках горнодобывающих шахт, рудников и их наземных строений, на автозаправочных станциях (рис. 1–3).

Рис. 1. Освещенная АЗС

Светильник не должен стать причиной взрыва или воспламенения как при нормальных условиях работы, так и при возникновении неисправности в самом светильнике.

Рис. 2. Тоннель рудниковой шахты

Особенностями взрывозащищенных светильников в сравнении с осветительными приборами общего назначения (офисное, промышленное, уличное освещение) являются:

• искробезопасное исполнение, а именно: изоляция частей светильника, способных стать причиной взрыва;
• тепловой режим, при котором температура наружных частей не превышает допустимой величины;
• прочность оболочки, выдерживающая внутренний взрыв;
• плотное соединение деталей.

Рис. 3. Блок АЭС

Одна из самых уязвимых частей светильника — его источник питания. Постоянные скачки напряжения в электросети приводят к негативным последствиям: компоненты драйвера светильника могут перегреться, вероятно короткое замыкание или даже взрыв компонента. Поэтому искробезопасность — это, пожалуй, ключевой фактор при использовании светильников на объектах с повышенной взрывоопасностью.

Помимо этого, есть еще несколько причин выхода из строя драйвера.

Во-первых, если источник питания недостаточно хорошо защищен от воздействия влаги, в нем может образовываться конденсат. Особенно это критично при работе в условиях морского климата — со временем накапливающийся конденсат приводит к выходу из строя или неправильному функционированию.

Во-вторых, на работу драйвера светильника влияют постоянные вибрации. Например, если светильник установлен рядом с железно­дорожным полотном, крупной автомобильной магистралью или в шахте горнодобывающего комплекса, то непрерывные колебания способны повредить элементную базу источника. В-третьих, остается вопрос эффективного теплоотвода на корпус от элементов источника питания.

Для защиты источника питания взрывобезопасного светильника целесообразно полностью изолировать его от внешней среды. Одно из таких решений — заливка компаундом. Традиционно взрывобезопасное исполнение источника питания обеспечивалось за счет литого корпуса светильника, что увеличивает его массогабаритные характеристики.

Учитывая перечисленные уязвимости драйвера, компаунд должен соответствовать следующим требования:

• работать в широком диапазоне температур –50…+150 °С;
• обладать хорошей теплопроводностью для эффективного отвода тепла от элементов источника на корпус светильника;
• иметь хорошую эластичность для эффективного сглаживания разницы ТКЛР и демпфирования постоянных нагрузок и вибраций;
• быть текучим, для заполнения всех зазоров между элементами драйвера;
• обладать отличными диэлектрическими свойствами;
• полимеризоваться в объеме.

Рис. 4. Источник питания, залитый материалом Dow Corning 160

В настоящее время существует множество видов различных компаундов, самые распространенные из них — силиконовые, полиуретановые, эпоксидные, полисульфидные. Наиболее подходящими компаундами для заливки источника питания являются силиконы и полиуретаны (рис. 4, 5). Также используются эпоксидные компаунды, но после полимеризации материалы данного класса становятся очень жесткими и при перепадах температур могут повредить элементы.

Рис. 5. Залитый и не залитый источник питания в корпусе

Рассмотрим свойства силиконового эластомера Dow Corning Sylgard 160. Он разработан для широкого диапазона применения, в том числе для заливки источников питания. Данный материал соответствует предъявленным требованиям: обладает коэффициентом теплопроводности 0,62 Вт/(м·К) и превосходными диэлектрическими характеристиками (диэлектрическая прочность 19 кВ/мм), работает в широком диапазоне температур –55…+200 °С, имеет динамическую вязкость менее 10 000 сП.

В светодиодном светильнике есть еще одно уязвимое место, которое может стать причиной взрыва, — плата со светодиодами. Со временем постоянные термоциклы и вибрации могут повредить паяные соединения платы со светодиодом, что приведет к искрообразованию. Традиционно безопасность платы обеспечивалась за счет защитного стекла. Одним из решений, позволяющих создать дополнительную взрывобезопасность светильника и исключить использование защитного стекла, является заливка светодиодной платы прозрачным компаундом.

Компаунд для заливки должен соответствовать всем требованиям, описанным выше, а также:

• быть прозрачным, обеспечивать светопропускание;
• не содержать вещества, вступающие в реакцию со светодиодом;
• быть устойчивым к воздействию УФ-излучения.

Кроме того, введение прозрачного материала на линзу светодиода может повысить светоотдачу. Показатель преломления силиконовой линзы светодиода составляет 1,53–1,54. Далее свет попадает в воздушную среду с показателем преломления 1. И наконец, защитное стекло, в зависимости от материала, имеет показатель преломления 1,5–1,59. Виден «провал» в воздушной среде. Заполнение этого объема силиконовым оптически прозрачным компаундом с показателем преломления, близким к 1,5, дает прирост светоотдачи, что увеличивает энергоэффективность светильника [1].

Использование такого компаунда дает некоторые преимущества:

• высокоэффективная влагозащита платы со светодиодами и исключение появления влаги на внутренней поверхности стекла;
• уход от использования защитного стекла в конструкции светильника;
• повышение стойкости к воздействиям вибрации и ударов;
• улучшение температурного режима работы светодиода (дополнительная площадь рассеяния тепла).

Из популярных на сегодня прозрачных компаундов наиболее подходящим вариантом является силикон, например, можно использовать Dow Corning Sylgard 184 (рис. 6). Это прозрачный двухкомпонентный силиконовый компаунд, позволяющий достигнуть всех вышеперечисленных характеристик, обладающий показателем преломления 1,4, низкой динамической вязкостью и широким диапазоном температур эксплуатации (–55…+200 °С).

Рис. 6. Светодиодная плата, залитая материалом Dow Corning 184

На рис. 7 показана конструкция взрывозащищенного светильника с залитыми источником питания и светодиодной платой. По сравнению со стандартными способами защиты герметизация компаундом уменьшает массу и габариты светильника и удовлетворяет требованиям, предъявляемым к взрывобезопасным источникам света.

Рис. 7. Конструкция залитого взрывозащищенного светильника