浅析户外 LED 照明设备用防雷措施

熊猫照明2018-03-09 08:25:07


浅析户外 LED 照明设备用防雷措施

文/龚玮


编辑手记

在11月13日推送的《论 LED 户外照明错误的防雷观念及系统防护注意事项》一文,引起了业内人士的争论,他们认为制造 LED 路灯,成本是第一因素,作者说的那些不适用于LED户外照明,否则没有订单可拿。


好吧,做路灯的把防雷的责任推给电源,电源公司要求成本但是不管工程,工程又把责任推给防雷,这难道是小编的责任么?::>_<::


想不担责、不接受高成本、要求长寿命防护可靠并且还能过认证,世上哪有这么好的事儿?


一起来看看龚玮先生专门探讨在半导体照明行业中的防雷技术的一篇文章吧。


随着 LED 技术的深入发展,产品价格不断的下降,市场逐渐打开,越来越多的照明产品使用 LED 作为光源。特别是在户外的照明领域,大功率 LED 产品成为市场的主角。


然而,随着 LED 灯具应用的增加,户外 LED 灯具受雷击浪涌影响失效的数量也在增加。据调查,在正常使用年限内受损的 LED 户外灯具大多是因为雷击浪涌产生的过电应力失效了灯具电源及 LED 光源。


这不仅影响灯具的使用寿命,而且增加企业的维护成本。鉴于此,LED 户外灯具的抗雷击浪涌能力应引起足够的重视。


LED照明器具防雷的必要性


据不完全统计雷击所带来的危害和损失全球每年以千亿美元来计。雷击分为直接雷和间接雷,间接雷主要包括传导雷和感应雷。由于直接雷所带来的能量冲击非常大,破坏力极强,一般电源是无法承受的,所以必须要有灾害规避的手段。


图1:雷击的瞬间(资料图片)


雷击所形成的浪涌冲击是一种瞬态波,是一种瞬变干扰,可以是浪涌电压也可以是浪涌电流。沿着电源线或其它路径(传导雷)或通过电磁场(感应雷)而传送至电源线路。其波形特征是先快速上升然后慢慢下降。


这种现象会对电源产生致命的影响,由于其产生的瞬间的浪涌冲击远远超出一般电子器件的电性应力,导致的直接结果是电子元件损坏从而引起“死灯”现象。


如果是智能电源的话,即便是瞬态的浪涌冲击没有对器件造成损坏也可能会干扰程序的正常运行,从而发出错误性指令,致使电源无法按预期的指令工作。这也很好的解释了为什么浪涌(冲击)抗扰度在安规认证中是属于电磁兼容的范畴。


LED照明器具防雷的措施


对户外 LED 照明驱动电源而言,使用环境决定了防雷击是衡量其性能的一个重要指标。正如上文所说,防雷应该是针对“直击雷”、“间接雷”一起防护,才能起到防护效果。


防雷的“防”字,其实是用字错误,有根本意义上的歧义。防雷的核心手段是引导、泄放,“防”是防不住的。防雷手段分为外部防雷与内部防雷,一般的户外用照明设备,因为没有内部电路(设备终端),因此不需要做内部防雷,只需要将外部防雷做好即可,即:接闪器、引下线、接地。


而在 LED 照明行业,每一个光源的前端都需要用一个“驱动电源”,因此它就有了一个内部的系统终端,那么在 LED 照明设备应用于户外场合,就必须要有一个防雷器(防雷器)做末级保护。


通常意义上,防雷应该是分区多级,以确保最终端的用电设备不会被浪涌损坏。


那么在户外 LED 照明设备的特殊性就体现出来了:它们一般是直接由片区总配电箱来控制一个终端设备,那么除了在片区配电箱内,按照 GB50057 标配防雷器以外,就户外 LED 照明设备我们还需要做哪些动作呢?


图2:防雷分区分级(一)


图3:防雷分区分级(二)


第一


现在一般的 LED 路灯外部都是导体材料,本身就相当于一个避雷针,在设计上必须安装引下线和地网,这些系统构成外部防雷系统。该系统可避免 LED 路灯因直击雷引起火灾及人身安全事故。


内部防雷系统是指路灯内部通过接地、设置电压保护等方式对设备进行保护。该系统可防止感应雷和其他形式的过电压侵入,造成电源毁坏、这是外部防雷系统无法保证的。


这两者之间是相辅相成的,互为补充。内部防雷系统在很多器件上例如外壳、进出保护区的电缆、金属管道等都要连接外部防雷系统或者设置过压保护器,并进行等电位连接。


第二


彻底消除雷电引起的毁坏性的电位差,电源线、信号线、金属管道等都要用过压保护器进行等电位连接,各个内层保护区的界面处也要进行局部等电位连接,各个局部等电位连接处要互相连接,最后与主等电位处相连。


第三


目前 LED 路灯除了电源设备外,还会设置一些通信设备用于控制路灯的开关及亮度,这些设备及电源都需要安置在雷电保护区内,保护区域直接受外壳屏蔽。此处的电磁场要弱得多。


第四


防雷器的作用是在最短时间(纳秒级)内将被保护系统连入等电位系统中,使设备各端口等电位。同时将电路中因雷击而产生的巨大脉冲能量经短路线释放到大地,降低设备各接口端的电位差,从而起到保护设备的作用。新力光源研发团队认为,LED 路灯电源模块不仅要按照上述要求进行设计,而且必须经过严格的检验程序。


一般的防雷设计包含了一或二级防护电路。在这里并不是说一级(并联)就一定比二级(串联)差,一定要根据具体的被保护设备的自身耐受特性,再来决定防雷器的内部电路。


图4:防护电路原理图


防雷是一种约定俗成的习惯称谓,转化为对电源的要求来说是指电源要具备防浪涌冲击的一种能力。


LED 驱动电源在安规认证上要求要对其进行浪涌(冲击)抗干扰度试验,以保证电源具有一定的抗干扰能力。国内执行的标准是 GB/T17626.5《电磁兼容试验和测试技术浪涌(冲击)抗扰度试验》,此标准等同采用 IEC61000-4-5:2005。


笔者参与起草的 CSA-027《LED 户外照明防雷技术要求》中已经有非常明确的防雷器选型优选参数表,建议参考选型,并严格按照标准要求进行施工作业。


事实上,电源除了在遭受雷击外,在接通、断开电感、容性负载或大型负载、电力系统的切换、与开关器件相关联的谐振现象及各种系统故障如系统组合对接地系统的短路和电弧故障均会产生很高的瞬时操作过电压(或过电流)。


例如大功率驱动电源在开通瞬间,特别是在冷启机条件下,会产生一个很大的浪涌电流流入电源设备,是因为电源里面有很多不同用途的电容,尤其是用于PFC(功率因数调整)线路后的高压、大容量的电解电容,在启机前电压很低,在接通市电很短的时间内对电容迅速充电,该峰值电流远远大于稳态条件下的输入电流。


如果同时恰好在输入电压为90度相位角时接通,这个时候的冲击电流会更大。


在现阶段,无论是照明行业还是 LED 行业,对于防雷事宜均不专业,然而完全按照防雷行业的标准要求去制作户外 LED 照明设备的外、内部防雷,成本极高。


尤其是最为关键的外部防雷,很少有施工方愿意遵循 GB50343 或 GB50057 的要求进行施工作业。而内部防雷,仅防雷器一项的成本就较高(约¥20.00以上),如果再加上等电位连接、连接点三防处理,那么成本更高。


目前,必须面对一个事实:户外LED照明设备正在往高度集成化、模块化方向上去发展。如此,相对于末级保护用的防雷器来说,它不仅仅要保护电源部分,还要在一定程度上保护光源部分不受共模浪涌损害。防雷行业所说的 0.5m 原则及凯文接线法在这里就显得尤为重要。


由于 GB7000.1-2014 的最新修改导致了安规条款的变化,爬电距离及电气间隙都有降额,那么在一些户外 LED 照明设备的光源板上就会有较大的“地电位反击”的风险,当金属散热器上的光源板采用铝基板时,LED 焊点距离非工作区金属部件的爬电距离较短,在前级防雷电路的作用下,地电位可能在纳秒级的时间内被抬高了数万伏特,极易引起光源板部分的“地电位反击”,从而导致光源部分被击穿。


那么我们会建议,在采用这种光源方式的项目中,在电源与光源之间加装一个直流防雷器,以确保在有浪涌流过时,防雷器能够将后级终端设备脱开电网并将所有的导电体拉在一起,形成等电位体,而在浪涌过后防雷器断开泄放通道,整个系统继续正常工作。


如有必要,建议改进光源板外形尺寸及其与散热器的连接方式。


已经有企业走出LED照明器具的防雷第一步


我们必须认识到,不是什么电路都可以被称之为防雷器的,在防雷行业,GB18802.1-2011中明确规定了,交流设备用防雷器必须通过 TOV 实验条款.


我们曾经解剖分析了多家公司的“防雷器”,发现其原有电路中的很多器件都被省略了,特别不可以接受是省略了防雷器中的保险丝与退偶器件。


第一 、 压敏电阻的长期失效模式只有一种:短路!如果连保险丝都省略了,那么我们可以想象,当防雷器长期使用后发生了劣化,而防雷器又无法再瞬间脱离电网,那么会引起零、火线间短路,这将是明火事故!


第二 、一个自身拥有两级防护电路的防雷器,省略了退耦器件,那么它的后级电路根本就不会发生动作。


换言之,要么它的后级电路要么是冗余设计,无法对电参数起到任何优化效果;要么它的后级电路就是在浪费成本!


事实上,一些国内专注与户外电源的厂商已经对于防雷器(SPD)有比较深刻的理解。


其实电源前级有一个简易的一级防护电路,但是该企业又增加一个防雷器(SPD),该防雷器是假串联真并联的电路结构,依据该公司的操作指引说明书,它的防雷器必须安装于电源前级10米开外的位置。


它正是使用连接导线做天然电感!这种方式对于 LED 照明行业来说非常合适。


第一、它的电源本身具备一定的抗浪涌功能,并且可以单独使用!


第二、它的防雷器可以安装在路灯杆的底部电气窗口位置,便于维修更换!


第三、它的防雷器本身成本极低,但是需要和它自身的电源配合使用!


LED 照明行业,已经走到了越来越规范、越来越健康的时代,防雷作为附属保护手段,也已经被重视起来,但是要想达到如通讯行业那么规范还要走很长很远的路,我们看到一个又一个的标准、规范发布实施,这是好事。


一路上有你,我道不孤!




龚玮

新疆乌鲁木齐人,现居四川省成都市。

防雷工程师,多项专利授权。

主要编写有 CSA027-2014《LED户外照明防雷技术要求》、《LED 行业防雷器规范要求》等,曾在成都兴业雷安电子有限公司、四川新力光源股份有限公司担任防雷技术专家职务。目前兼任惠州华阳光电有限公司、杭州华普永明有限公司及南翔经贸公司的防雷技术顾问。现任“北京兴天通电讯科技有限公司”产品部技术总监一职。


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