LED防雷設(shè)計(jì)方案

　　發(fā)光二極管(LED)技術(shù)的出現(xiàn)標(biāo)志著電氣照明行業(yè)的重大革命。自1990年以來，LED燈在被采用之后日益取代著戶外照明應(yīng)用中的傳統(tǒng)光源，如汞燈、金屬鹵素?zé)?、和鈉汽燈。由于其在照明效率上的進(jìn)步(每瓦更高流明)、二次光學(xué)元件(更好的鏡頭/反射鏡)、以及更強(qiáng)的熱耗散性能，LED照明技術(shù)著實(shí)令人感到驚訝。

　　消費(fèi)者和工業(yè)用戶尋求更為節(jié)能的照明方案促使對(duì)LED照明的需求量加速上升。LED照明機(jī)制的發(fā)展也受到旨在抑制白熾燈繼續(xù)使用的政府行為的驅(qū)動(dòng)。出于以上原因，LED照明的高采用率絕對(duì)是一個(gè)全球性的現(xiàn)象。擁有發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體的國(guó)家已經(jīng)制定了完善的計(jì)劃和方案，以逐步淘汰傳統(tǒng)的白熾燈照明。這不應(yīng)令人感到意外，因?yàn)檎彰骷s占全球能源消耗的25%。

　　盡管戶外LED照明的初始成本很高，但是完全有理由在這上面進(jìn)行投資，因?yàn)樵诟屯邤?shù)需求、更低維護(hù)成本以及更長(zhǎng)壽命的基礎(chǔ)之上，投資回報(bào)是可以確定的。而為了在大約五年的投資回收期內(nèi)保證戶外LED照明不會(huì)出現(xiàn)故障，其應(yīng)具有很高的耐用性和可靠性。

　　對(duì)于戶外LED照明，一個(gè)相當(dāng)大的威脅是在交流電源線路中發(fā)生的瞬態(tài)浪涌事件，其可能會(huì)對(duì)燈具造成損壞。一個(gè)LED燈含有電源轉(zhuǎn)換器件(AC/DC)、LED的驅(qū)動(dòng)芯片、以及用于熱控的散熱器和優(yōu)化燈光質(zhì)量的光學(xué)器件。直接連接到交流電源(如120/220VAC)的一個(gè)LED燈具可能會(huì)因燈泡內(nèi)部元件或電路故障導(dǎo)致的短路和過載情況而損壞。除此之外，產(chǎn)生于燈泡外部的雷擊浪涌或負(fù)荷開關(guān)瞬態(tài)能夠造成電壓尖峰或環(huán)形波，給元件造成壓力并最終導(dǎo)致?lián)p壞，從而使燈泡報(bào)廢。鑒于LED燈泡的價(jià)值定位不僅僅是降低能源消耗，還有更長(zhǎng)的使用壽命，在消除因電氣環(huán)境促使的現(xiàn)場(chǎng)故障中考慮瞬態(tài)電壓保護(hù)將是至關(guān)緊要的。

　　間接雷擊感應(yīng)浪涌

　　由于附近電氣設(shè)備的打開和關(guān)閉動(dòng)作，在交流電源線路上可能會(huì)發(fā)生過壓瞬態(tài)浪涌。附近發(fā)生的雷擊也會(huì)在交流電源線路產(chǎn)生瞬態(tài)浪涌，尤其是在室外環(huán)境中。

　　圖1：在交流電源線路中的瞬態(tài)浪涌。

　　在發(fā)生雷擊的一剎那，從云到地面的靜電放電的級(jí)別通常達(dá)到數(shù)百萬伏。發(fā)生于幾英里以外的雷擊，會(huì)在載流銅線(例如：路燈的地下電纜)誘發(fā)高達(dá)數(shù)千伏的感應(yīng)電壓。這些間接沖擊以通常含有超過1，000 A2s大量能量的特定波形為特征。

　　約70%的雷擊發(fā)生于熱帶地區(qū)的陸地地帶，這也是大多數(shù)雷暴發(fā)生的地方。非洲國(guó)家經(jīng)歷過有史以來最為嚴(yán)重、持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的雷擊。雷擊最為經(jīng)常發(fā)生的地方鄰近剛果民主共和國(guó)東部山區(qū)的小村莊基夫卡，海拔約為975米。平均來說，該地區(qū)每年每平方公里會(huì)發(fā)生158次雷擊。這個(gè)地方周圍的一大片區(qū)域也受到嚴(yán)重影響，因?yàn)槔讚粼斐傻母袘?yīng)浪涌沖擊增加了戶外LED照明設(shè)備受損的幾率。

　　根據(jù)美國(guó)航空航天局(NASA)在全球各地閃電頻數(shù)上的研究，中南美、非洲、南亞和東南亞也有與美國(guó)類似的閃電頻數(shù);因此在美國(guó)，我們建議等效浪涌抗擾度應(yīng)在5kA到10kA之間。對(duì)于閃電頻數(shù)較少的其他地區(qū)，如歐洲、東亞和澳大利亞，可以考慮3kA到5kA較低的浪涌抗擾度。

　　暴風(fēng)雨天氣中這種類型的間接雷電能量會(huì)對(duì)戶外LED照明裝置造成不利影響。燈具在差模和共模條件下均容易受損：

　　● 差模：燈具的相線和零線端子或相線和相線端子之間的高電壓/電流瞬態(tài)可能會(huì)損壞電源裝置或LED模塊板中的元件。

　　● 共模：燈具的相線和地線或零線和地線之間的高電壓/電流瞬態(tài)可能會(huì)穿透電源裝置或LED模塊板中的安全絕緣，包括LED散熱器絕緣。

　　測(cè)試波形是1.2 x 50μs開路電壓和8 x 20μs短路電流波形的一種組合。要進(jìn)行這項(xiàng)測(cè)試，在連接到燈具之前要通過將輸出端短接到地面在浪涌發(fā)生器上對(duì)規(guī)定的峰值電流進(jìn)行校準(zhǔn)。

　　圖2：組合波開路電壓。

　　圖3：組合波短路電壓。

　　世界各地的閃電頻率--單位：閃電次數(shù)/平方公里/年--(美國(guó)航空航天局全球水文資源中心)。

　　圖4 世界各地的閃電頻率-單位：閃電次數(shù)/平方公里/年-(NASA GHRC)。

　　應(yīng)對(duì)感應(yīng)浪涌事件的技術(shù)

　　保護(hù)戶外LED照明免于感應(yīng)浪涌沖擊損害的方式是阻斷高電壓/電流瞬態(tài)干擾進(jìn)入照明燈具。因此可以在戶外LED照明應(yīng)用中采用一種浪涌保護(hù)器(SPD)來抑制浪涌能量并最大限度地減少對(duì)照明設(shè)備的浪涌沖擊。

　　對(duì)于SPD，有多種過電壓保護(hù)元件可用，包括金屬氧化物壓敏電阻(MOV)、氣體放電管(GDT)和瞬態(tài)電壓抑制(TVS)二極管。這些元件被放置于通常具有高阻抗的交流電源線之間，在檢測(cè)到高電壓時(shí)會(huì)變?yōu)榈妥杩?。在低阻抗?fàn)顟B(tài)下，這些元件可以將浪涌能量轉(zhuǎn)移回到交流電源線，在浪涌事件后又回到高阻抗?fàn)顟B(tài)。在現(xiàn)有的技術(shù)中，MOV因其較高的浪涌能量處理能力和對(duì)瞬態(tài)電壓的快速響應(yīng)成為首選，在配電板的SPD保護(hù)中也得以廣泛應(yīng)用。因此MOV是戶外LED照明應(yīng)用中浪涌保護(hù)器件的最為適用的技術(shù)。

　　在一個(gè)室外燈具中并入一條強(qiáng)大的浪涌抑制電路能消除浪涌能量造成的破壞，從而提高照明設(shè)備的可靠性，最大程度地減少維護(hù)并提高使用壽命。一個(gè)能將過高的浪涌抑制到較低電壓水平的浪涌保護(hù)組件是保護(hù)LED燈具設(shè)施的最佳方式。

　　圖5：LED路燈保護(hù)方案。

　　熱防護(hù)型MOV保護(hù)SPD的安全

　　金屬氧化物壓敏電阻(MOV)技術(shù)不僅價(jià)格便宜，而且是抑制電源中瞬態(tài)的一種非常有效的技術(shù)。在許多其他的應(yīng)用中，這種技術(shù)同樣有效，比如通常被放置于LED驅(qū)動(dòng)器前面的浪涌保護(hù)器(SPD)模塊。

　　在經(jīng)歷一次大浪涌或多次小浪涌之后，MOV的性能會(huì)逐漸退化。這種退化導(dǎo)致金屬氧化物壓敏電阻泄漏電流增加，進(jìn)而使得MOV的溫度升高，即使是在120VAC/240VAC工作電壓的正常條件下。MOV相鄰的一個(gè)熱敏斷路器可以在金屬氧化物壓敏電阻持續(xù)退化至壽命終止?fàn)顟B(tài)時(shí)用以檢測(cè)其溫度的增加;這時(shí)，熱敏斷路器會(huì)打開電路，將性能退化的壓敏電阻從電路中去除，以防止災(zāi)難性故障。

　　圖6：熱敏斷路器防止性能退化的MOV出現(xiàn)故障。

　　MOV的設(shè)計(jì)旨在微秒時(shí)間內(nèi)鉗制快速過電壓瞬態(tài)。然而，除了短時(shí)瞬態(tài)，在SPD模塊中的MOV還會(huì)受到因零線缺失或安裝時(shí)的不正確接線造成的臨時(shí)過電壓情況的影響。這些情況會(huì)對(duì)MOV造成嚴(yán)重壓力，使其進(jìn)入一種散熱失控狀況;反過來，這又將導(dǎo)致過熱、冒煙、甚至起火。SPD的安全標(biāo)準(zhǔn)UL 1449和IEC 61643-11，定義了為確保SPD安全而必須對(duì)器件進(jìn)行測(cè)試的特定異常條件。在可靠的設(shè)計(jì)中，在浪涌保護(hù)器內(nèi)部加入了熱敏斷路器，以保護(hù)MOV不會(huì)出現(xiàn)散熱失控。

　　圖7：AC過電流事件。

　　為SPD而設(shè)的壽命終止/更換指示功能

　　當(dāng)MOV因臨時(shí)過電壓或過高的泄露電流而變得過熱時(shí)，熱敏斷路器可用來將金屬氧化物壓敏電阻從交流電路中去除。SPD因此停止其電涌抑制功能。所以應(yīng)考慮設(shè)計(jì)合適的指示功能，以便維修人員能夠知道SPD不能正常工作且需要更換。

　　照明設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)他們的維護(hù)和包修策略從兩種主要類型的SPD模塊配置中進(jìn)行選擇。這些都是并聯(lián)和串聯(lián)的浪涌保護(hù)組件。

　　圖8：并聯(lián)和串聯(lián)連接。

　　● 并聯(lián)連接：SPD模塊與負(fù)載并聯(lián)在一起。一個(gè)壽命終止的SPD模塊從電源上斷開的同時(shí)，AC/DC電源裝置保持通電狀態(tài)。照明依然處于工作狀態(tài)，但卻失去了抵抗電源裝置和LED模塊所面臨的下一次浪涌的防護(hù)功能。在一個(gè)并聯(lián)的SPD模塊中，可以通過使用一個(gè)能向維護(hù)技術(shù)人員指示SPD模塊狀態(tài)的小的發(fā)光二極管來起到更換指示的作用?？梢赃x擇使用綠色發(fā)光二極管來指示SPD模塊在線，或者用紅色發(fā)光二極管來指示SPD模塊離線?；蛘撸鼡QSPD模塊的需要可以在SPD模塊壽命終止指示線連接至一個(gè)網(wǎng)絡(luò)智能照明系統(tǒng)的照明管理中心中遠(yuǎn)程顯示，而不是在每個(gè)燈具上都安裝LED指示。

　　● 串連連接：SPD模塊與負(fù)載串聯(lián)在一起，壽命終止的SPD模塊從電源上斷開的同時(shí)，也會(huì)使燈熄滅。燈具停電便可作為呼叫維修的指示。已斷開的SPD模塊不僅熄滅照明以作為更換的指示，同時(shí)使交流/直流電源裝置與之后的浪涌沖擊隔離開來。對(duì)這種配置的普遍偏好迅速增長(zhǎng)，是因?yàn)樵赟PD模塊等待更換期間，照明設(shè)施仍然受到保護(hù)。與使用并聯(lián)浪涌保護(hù)器模塊的情況下需更換整個(gè)燈具相比，在串聯(lián)情況下僅更換SPD模塊的費(fèi)用要低得多。

　　總結(jié)

　　LED技術(shù)所帶來的高效節(jié)能提升了戶外照明的價(jià)值。為了使LED照明設(shè)備能達(dá)到其預(yù)期壽命，應(yīng)在戶外LED照明中加入浪涌保護(hù)模塊，以防止因雷擊浪涌事件和其他電源線路浪涌造成的早期故障。安裝于LED電源裝置前端的浪涌保護(hù)模塊，為照明系統(tǒng)提供了有效的保護(hù)。但是，其可能會(huì)受到臨時(shí)過電壓威脅和因多次浪涌事件而疲勞的影響。放置于浪涌保護(hù)模塊中的熱敏斷路器提高了模塊的整體安全性，并能使模塊達(dá)到UL 1449和IEC 61643-11認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。

　　當(dāng)浪涌保護(hù)模塊達(dá)到其使用壽命期限時(shí)，串聯(lián)的SPD模塊提供的是一種最為簡(jiǎn)單的更換指示方式，即通過將燈具從電源上斷開，從而使燈熄滅。并聯(lián)的SPD模塊提供的是一種與發(fā)光二極管相連接的方式，對(duì)模塊是否在線做出提示。