【導(dǎo)讀】戶(hù)外LED照明設(shè)備逐漸增加，隨著環(huán)境的變化LED失效問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重。尤其是當(dāng)戶(hù)外LED燈具遭受雷擊浪涌的影響時(shí)失效的指數(shù)倍增。正因如此，防雷措施也越來(lái)越受重視。
隨著LED技術(shù)的深入發(fā)展，產(chǎn)品價(jià)格不斷的下降，市場(chǎng)逐漸打開(kāi)，越來(lái)越多的照明產(chǎn)品使用LED作為光源。特別是在戶(hù)外的照明領(lǐng)域，大功率LED產(chǎn)品成為市場(chǎng)的主角。
然而，隨著LED燈具應(yīng)用的增加，戶(hù)外LED燈具受雷擊浪涌影響失效的數(shù)量也在增加。據(jù)調(diào)查，在正常使用年限內(nèi)受損的LED戶(hù)外燈具大多是因?yàn)槔讚衾擞慨a(chǎn)生的過(guò)電應(yīng)力失效了燈具電源及LED光源。
這不僅影響燈具的使用壽命，而且增加企業(yè)的維護(hù)成本。鑒于此，LED戶(hù)外燈具的抗雷擊浪涌能力應(yīng)引起足夠的重視。
LED照明器具防雷的必要性
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)雷擊所帶來(lái)的危害和損失全球每年以千億美元來(lái)計(jì)。雷擊分為直接雷和間接雷，間接雷主要包括傳導(dǎo)雷和感應(yīng)雷。由于直接雷所帶來(lái)的能量沖擊非常大，破壞力極強(qiáng)，一般電源是無(wú)法承受的，所以必須要有災(zāi)害規(guī)避的手段。
雷擊所形成的浪涌沖擊是一種瞬態(tài)波，是一種瞬變干擾，可以是浪涌電壓也可以是浪涌電流。沿著電源線或其它路徑(傳導(dǎo)雷)或通過(guò)電磁場(chǎng)(感應(yīng)雷)而傳送至電源線路。其波形特征是先快速上升然后慢慢下降。
這種現(xiàn)象會(huì)對(duì)電源產(chǎn)生致命的影響，由于其產(chǎn)生的瞬間的浪涌沖擊遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出一般電子器件的電性應(yīng)力，導(dǎo)致的直接結(jié)果是電子元件損壞從而引起“死燈”現(xiàn)象。
如果是智能電源的話，即便是瞬態(tài)的浪涌沖擊沒(méi)有對(duì)器件造成損壞也可能會(huì)干擾程序的正常運(yùn)行，從而發(fā)出錯(cuò)誤性指令，致使電源無(wú)法按預(yù)期的指令工作。這也很好的解釋了為什么浪涌(沖擊)抗擾度在安規(guī)認(rèn)證中是屬于電磁兼容的范疇。
LED照明器具防雷的措施
對(duì)戶(hù)外LED照明驅(qū)動(dòng)電源而言，使用環(huán)境決定了防雷擊是衡量其性能的一個(gè)重要指標(biāo)。正如上文所說(shuō)，防雷應(yīng)該是針對(duì)“直擊雷”、“間接雷”一起防護(hù)，才能起到防護(hù)效果。
防雷的“防”字，其實(shí)是用字錯(cuò)誤，有根本意義上的歧義。防雷的核心手段是引導(dǎo)、泄放，“防”是防不住的。防雷手段分為外部防雷與內(nèi)部防雷，一般的戶(hù)外用照明設(shè)備，因?yàn)闆](méi)有內(nèi)部電路(設(shè)備終端)，因此不需要做內(nèi)部防雷，只需要將外部防雷做好即可，即：接閃器、引下線、接地。
而在LED照明行業(yè)，每一個(gè)光源的前端都需要用一個(gè)“驅(qū)動(dòng)電源”，因此它就有了一個(gè)內(nèi)部的系統(tǒng)終端，那么在LED照明設(shè)備應(yīng)用于戶(hù)外場(chǎng)合，就必須要有一個(gè)防雷器(防雷器)做末級(jí)保護(hù)。
通常意義上，防雷應(yīng)該是分區(qū)多級(jí)，以確保最終端的用電設(shè)備不會(huì)被浪涌損壞。
那么在戶(hù)外LED照明設(shè)備的特殊性就體現(xiàn)出來(lái)了：它們一般是直接由片區(qū)總配電箱來(lái)控制一個(gè)終端設(shè)備，那么除了在片區(qū)配電箱內(nèi)，按照GB50057標(biāo)配防雷器以外，就戶(hù)外LED照明設(shè)備我們還需要做哪些動(dòng)作呢?
圖1：防雷分區(qū)分級(jí)(一)
圖2：防雷分區(qū)分級(jí)(二)
第一.現(xiàn)在一般的LED路燈外部都是導(dǎo)體材料，本身就相當(dāng)于一個(gè)避雷針，在設(shè)計(jì)上必須安裝引下線和地網(wǎng)，這些系統(tǒng)構(gòu)成外部防雷系統(tǒng)。該系統(tǒng)可避免LED路燈因直擊雷引起火災(zāi)及人身安全事故。
這兩者之間是相輔相成的，互為補(bǔ)充。內(nèi)部防雷系統(tǒng)在很多器件上例如外殼、進(jìn)出保護(hù)區(qū)的電纜、金屬管道等都要連接外部防雷系統(tǒng)或者設(shè)置過(guò)壓保護(hù)器，并進(jìn)行等電位連接。
第二.徹底消除雷電引起的毀壞性的電位差，電源線、信號(hào)線、金屬管道等都要用過(guò)壓保護(hù)器進(jìn)行等電位連接，各個(gè)內(nèi)層保護(hù)區(qū)的界面處也要進(jìn)行局部等電位連接，各個(gè)局部等電位連接處要互相連接，最后與主等電位處相連。
第三.目前LED路燈除了電源設(shè)備外，還會(huì)設(shè)置一些通信設(shè)備用于控制路燈的開(kāi)關(guān)及亮度，這些設(shè)備及電源都需要安置在雷電保護(hù)區(qū)內(nèi)，保護(hù)區(qū)域直接受外殼屏蔽。此處的電磁場(chǎng)要弱得多。
第四 防雷器的作用是在最短時(shí)間(納秒級(jí))內(nèi)將被保護(hù)系統(tǒng)連入等電位系統(tǒng)中，使設(shè)備各端口等電位。同時(shí)將電路中因雷擊而產(chǎn)生的巨大脈沖能量經(jīng)短路線釋放到大地，降低設(shè)備各接口端的電位差，從而起到保護(hù)設(shè)備的作用。新力光源研發(fā)團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，LED路燈電源模塊不僅要按照上述要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，而且必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的檢驗(yàn)程序。
一般的防雷設(shè)計(jì)包含了一或二級(jí)防護(hù)電路。在這里并不是說(shuō)一級(jí)(并聯(lián))就一定比二級(jí)(串聯(lián))差，一定要根據(jù)具體的被保護(hù)設(shè)備的自身耐受特性，再來(lái)決定防雷器的內(nèi)部電路。
圖3：防護(hù)電路原理圖
防雷是一種約定俗成的習(xí)慣稱(chēng)謂，轉(zhuǎn)化為對(duì)電源的要求來(lái)說(shuō)是指電源要具備防浪涌沖擊的一種能力。LED驅(qū)動(dòng)電源在安規(guī)認(rèn)證上要求要對(duì)其進(jìn)行浪涌(沖擊)抗干擾度試驗(yàn)，以保證電源具有一定的抗干擾能力。國(guó)內(nèi)執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)是GB/T17626.5《電磁兼容試驗(yàn)和測(cè)試技術(shù)浪涌(沖擊)抗擾度試驗(yàn)》，此標(biāo)準(zhǔn)等同采用IEC61000-4-5：2005。
筆者參與起草的CSA-027《LED戶(hù)外照明防雷技術(shù)要求》中已經(jīng)有非常明確的防雷器選型優(yōu)選參數(shù)表，建議參考選型，并嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行施工作業(yè)。
事實(shí)上，電源除了在遭受雷擊外，在接通、斷開(kāi)電感、容性負(fù)載或大型負(fù)載、電力系統(tǒng)的切換、與開(kāi)關(guān)器件相關(guān)聯(lián)的諧振現(xiàn)象及各種系統(tǒng)故障如系統(tǒng)組合對(duì)接地系統(tǒng)的短路和電弧故障均會(huì)產(chǎn)生很高的瞬時(shí)操作過(guò)電壓(或過(guò)電流)。
例如大功率驅(qū)動(dòng)電源在開(kāi)通瞬間，特別是在冷啟機(jī)條件下，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很大的浪涌電流流入電源設(shè)備，是因?yàn)殡娫蠢锩嬗泻芏嗖煌猛镜碾娙?，尤其是用于PFC(功率因數(shù)調(diào)整)線路后的高壓、大容量的電解電容，在啟機(jī)前電壓很低，在接通市電很短的時(shí)間內(nèi)對(duì)電容迅速充電，該峰值電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于穩(wěn)態(tài)條件下的輸入電流。
如果同時(shí)恰好在輸入電壓為90度相位角時(shí)接通，這個(gè)時(shí)候的沖擊電流會(huì)更大。
在現(xiàn)階段，無(wú)論是照明行業(yè)還是LED行業(yè)，對(duì)于防雷事宜均不專(zhuān)業(yè)，然而完全按照防雷行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)要求去制作戶(hù)外LED照明設(shè)備的外、內(nèi)部防雷，成本極高。
尤其是最為關(guān)鍵的外部防雷，很少有施工方愿意遵循GB50343或GB50057的要求進(jìn)行施工作業(yè)。而內(nèi)部防雷，僅防雷器一項(xiàng)的成本就較高(約￥20.00以上)，如果再加上等電位連接、連接點(diǎn)三防處理，那么成本更高。
目前，必須面對(duì)一個(gè)事實(shí)：戶(hù)外LED照明設(shè)備正在往高度集成化、模塊化方向上去發(fā)展。如此，相對(duì)于末級(jí)保護(hù)用的防雷器來(lái)說(shuō)，它不僅僅要保護(hù)電源部分，還要在一定程度上保護(hù)光源部分不受共模浪涌損害。防雷行業(yè)所說(shuō)的0.5m原則及凱文接線法在這里就顯得尤為重要。
由于GB7000.1-2014的最新修改導(dǎo)致了安規(guī)條款的變化，爬電距離及電氣間隙都有降額，那么在一些戶(hù)外LED照明設(shè)備的光源板上就會(huì)有較大的“地電位反擊”的風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)金屬散熱器上的光源板采用鋁基板時(shí)，LED焊點(diǎn)距離非工作區(qū)金屬部件的爬電距離較短，在前級(jí)防雷電路的作用下，地電位可能在納秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)被抬高了數(shù)萬(wàn)伏特，極易引起光源板部分的“地電位反擊”，從而導(dǎo)致光源部分被擊穿。
那么我們會(huì)建議，在采用這種光源方式的項(xiàng)目中，在電源與光源之間加裝一個(gè)直流防雷器，以確保在有浪涌流過(guò)時(shí)，防雷器能夠?qū)⒑蠹?jí)終端設(shè)備脫開(kāi)電網(wǎng)并將所有的導(dǎo)電體拉在一起，形成等電位體，而在浪涌過(guò)后防雷器斷開(kāi)泄放通道，整個(gè)系統(tǒng)繼續(xù)正常工作。
如有必要，建議改進(jìn)光源板外形尺寸及其與散熱器的連接方式。
已經(jīng)有企業(yè)走出LED照明器具的防雷第一步
我們必須認(rèn)識(shí)到，不是什么電路都可以被稱(chēng)之為防雷器的，在防雷行業(yè),GB18802.1-2011中明確規(guī)定了，交流設(shè)備用防雷器必須通過(guò)TOV實(shí)驗(yàn)條款.
我們?cè)?jīng)解剖分析了多家公司的“防雷器”，發(fā)現(xiàn)其原有電路中的很多器件都被省略了，特別不可以接受是省略了防雷器中的保險(xiǎn)絲與退偶器件。
第一.壓敏電阻的長(zhǎng)期失效模式只有一種：短路!如果連保險(xiǎn)絲都省略了，那么我們可以想象，當(dāng)防雷器長(zhǎng)期使用后發(fā)生了劣化，而防雷器又無(wú)法再瞬間脫離電網(wǎng)，那么會(huì)引起零、火線間短路，這將是明火事故!
第二.一個(gè)自身?yè)碛袃杉?jí)防護(hù)電路的防雷器，省略了退耦器件，那么它的后級(jí)電路根本就不會(huì)發(fā)生動(dòng)作。
換言之，要么它的后級(jí)電路要么是冗余設(shè)計(jì)，無(wú)法對(duì)電參數(shù)起到任何優(yōu)化效果;要么它的后級(jí)電路就是在浪費(fèi)成本!
事實(shí)上，一些國(guó)內(nèi)專(zhuān)注與戶(hù)外電源的廠商已經(jīng)對(duì)于防雷器(SPD)有比較深刻的理解。
其實(shí)電源前級(jí)有一個(gè)簡(jiǎn)易的一級(jí)防護(hù)電路，但是該企業(yè)又增加一個(gè)防雷器(SPD)，該防雷器是假串聯(lián)真并聯(lián)的電路結(jié)構(gòu)，依據(jù)該公司的操作指引說(shuō)明書(shū)，它的防雷器必須安裝于電源前級(jí)10米開(kāi)外的位置。
它正是使用連接導(dǎo)線做天然電感!這種方式對(duì)于LED照明行業(yè)來(lái)說(shuō)非常合適。
第一.它的電源本身具備一定的抗浪涌功能，并且可以單獨(dú)使用!
第二.它的防雷器可以安裝在路燈桿的底部電氣窗口位置，便于維修更換!
第三.它的防雷器本身成本極低，但是需要和它自身的電源配合使用!
LED照明行業(yè)，已經(jīng)走到了越來(lái)越規(guī)范、越來(lái)越健康的時(shí)代，防雷作為附屬保護(hù)手段，也已經(jīng)被重視起來(lái)，但是要想達(dá)到如通訊行業(yè)那么規(guī)范還要走很長(zhǎng)很遠(yuǎn)的路，我們看到一個(gè)又一個(gè)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范發(fā)布實(shí)施，這是好事。
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