LED路燈雷擊過壓保護(hù)分析及應(yīng)對(duì)建議

節(jié)能的LED光源和相關(guān)的電子控制裝置或驅(qū)動(dòng)器為戶外區(qū)域照明應(yīng)用帶來了許多益處，比如使用壽命長、減少維護(hù)和可控波束等，但是室外應(yīng)用的環(huán)境苛刻。 與室內(nèi)照明的情況相反，在街道照明中，必須解決可能出現(xiàn)的過電壓或浪涌電壓。 因此，為了應(yīng)對(duì)L/N（零線/中性線）和地線之間的10 kV尖峰以及L和N之間的6 kV，提出浪涌保護(hù)概念是必要的。

向基于LED的固態(tài)照明（SSL）轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘袔砭薮蟮臐撛诶妗９舱彰鞯倪\(yùn)行和維護(hù)成本占到了政府的大部分能源成本，但通過用LED光源代替?zhèn)鹘y(tǒng)光源，可節(jié)省很多。但LED與傳統(tǒng)光源不同，以低電壓運(yùn)行的LED和驅(qū)動(dòng)LED的電子控制裝置更容易受到過電壓的影響。因此，只有充分注意保護(hù)LED路燈免受過電壓的影響，戶外固態(tài)照明的改造才能取得成功。：178*-1777*-5781

小的過電壓影響很小，但頻繁的過電壓可能會(huì)對(duì)LED光源的壽命產(chǎn)生不利影響。大的過電壓，如雷擊產(chǎn)生的過電壓，很可能會(huì)立即毀壞多個(gè)LED路燈的LED模塊或電子控制裝置。

○ 閃電仍然是主要風(fēng)險(xiǎn)

由于電源系統(tǒng)中的開關(guān)操作導(dǎo)致的過電壓通常發(fā)生在零線/中性線之間，換句話說，在L和N之間產(chǎn)生差模干擾。達(dá)到6 kV的峰值，僅影響控制裝置。因此，標(biāo)準(zhǔn)控制器具有4-6kV的內(nèi)置浪涌保護(hù)，這些過電壓會(huì)被吸收，對(duì)壽命和可靠性沒有影響。

圖1 與其他浪涌電壓源相比，與雷擊相關(guān)的，過電壓對(duì)路燈操作的可靠性是一個(gè)更大的風(fēng)險(xiǎn)

雷擊造成的浪涌電壓計(jì)算起來更難。圖1概括了浪涌電壓的風(fēng)險(xiǎn)。由于雷電，風(fēng)險(xiǎn)主要發(fā)生在電力線（L/N）和地線（PE）- 差模干擾之間，電壓可以快速達(dá)到幾十千伏，導(dǎo)致出現(xiàn)感應(yīng)電壓，可以破壞整個(gè)街道的燈。然而，雷擊的風(fēng)險(xiǎn)并不一樣，區(qū)域差異很大。地區(qū)閃電密度Ng定義了每平方公里和每年的雷擊次數(shù)，比利時(shí)為1，南非為150。因此，必須考慮到這種區(qū)域差異。

○ 保護(hù)類型

由于環(huán)境的變化，業(yè)界已經(jīng)開發(fā)出不同的保護(hù)等級(jí)，用于設(shè)計(jì)LED燈具。LED照明系統(tǒng)包括燈具外殼（也稱為路燈的燈頭）、光學(xué)系統(tǒng)的LED模塊（透鏡，反射器）和為LED模塊提供適當(dāng)電力的電子控制裝置。類別如圖2所示。

圖2 照明行業(yè)長期以來一直使用防護(hù)等級(jí)來定義室外燈具如何防止過電壓事件

在防護(hù)等級(jí)I中的燈具設(shè)計(jì)中，所有導(dǎo)電部件都明確連接安全接地線。良好的浪涌保護(hù)能應(yīng)對(duì)L/N（零線/中性線）和地線之間的10kV尖峰以及L和N之間的6 kV。這一級(jí)別的保護(hù)可以根據(jù)IEC61000-4-5進(jìn)行測試，并能承受甚至多個(gè)過電壓事件。因此，建議盡可能使用I級(jí)防護(hù)等級(jí)的燈具，因?yàn)楦鶕?jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，高壓應(yīng)只能用安全接地線來抵消。

然而，出于歷史原因，歐洲的大部分街道照明都屬于II類防護(hù)等級(jí)。 在II類防護(hù)等級(jí)的燈具中，所有帶電部件都有保護(hù)絕緣，但沒有明確與安全接地線連接。按照IEC61643-11，浪涌保護(hù)裝置（避雷器）不得危及保護(hù)絕緣，即使在雷擊時(shí)間短的時(shí)間內(nèi)也是如此。因此，在II類防護(hù)等級(jí)的照明設(shè)備中，不能以連接金屬外殼或接地線的導(dǎo)體形式提供*浪涌保護(hù)。

在防護(hù)等級(jí)II中，由金屬制成的燈具頭與由不導(dǎo)電材料制成的燈具頭在設(shè)計(jì)上有所區(qū)別。設(shè)計(jì)金屬燈具頭時(shí)，在控制裝置和LED模塊之間提供等電位聯(lián)結(jié)，以防止?jié)撛诘淖枇?，從而增加浪涌電壓。即使燈具頭通過桅桿連接到地面，也可能會(huì)有很高的或者不能確定的阻抗，系統(tǒng)必須根據(jù)II類防護(hù)等級(jí)提供適當(dāng)?shù)慕^緣。

如果燈具的頭部由非導(dǎo)電材料制成，則所有的暴露部分也必須由非導(dǎo)電材料制成，或根據(jù)II類防護(hù)等級(jí)進(jìn)行絕緣。在這里不需要等電位連接。這里zui薄弱的環(huán)節(jié)是LED模塊，它取決于絕緣材料及其厚度，可以實(shí)現(xiàn)10 kV的浪涌保護(hù)。如果沒有可靠的浪涌保護(hù)，光源可能會(huì)過早老化甚至*失效。

○ 浪涌保護(hù)的建議

德國*電氣與電子工業(yè)協(xié)會(huì)稱，二級(jí)保護(hù)燈具中高達(dá)10kV的浪涌保護(hù)要求正在越來越多地被用于街道照明項(xiàng)目的投標(biāo)。如果有選項(xiàng)將照明轉(zhuǎn)為防護(hù)等級(jí)I，那么這將是的解決方案。

另外，LED燈具也有高品質(zhì)的驅(qū)動(dòng)程序，如來自銳高的Premium  Outdoor Drivers。 LCA one4all C PRE OTD是一款可調(diào)光的恒流LED驅(qū)動(dòng)器，里面包括浪涌保護(hù)，防止由于電源系統(tǒng)中的開關(guān)操作和L與N之間發(fā)生的電壓波動(dòng)。驅(qū)動(dòng)器還提供電源線（L和N）和地線間高達(dá)10 kV的浪涌保護(hù)。該等級(jí)的保護(hù)措施經(jīng)過IEC61000-4-5測試，并可以承受多個(gè)過電壓事件。

在驅(qū)動(dòng)程序中實(shí)現(xiàn)浪涌保護(hù)的方法有很多。基于不同的電容器，銳捷在驅(qū)動(dòng)器中開發(fā)了一種特殊的電壓分配裝置，確保即使在高輸入瞬變的情況下，驅(qū)動(dòng)器輸出zui大只有500V。大部分電壓從電源端到輸出端就可以消耗掉。對(duì)于只有低頻率或者平均雷擊頻率的區(qū)域，10 kV的控制裝置就可以提供高浪涌保護(hù)。以前只能通過在照明器頭中增加浪涌模塊來實(shí)現(xiàn)，但是，防護(hù)等級(jí)II燈具不再允許這種情況。

圖3 雷擊的影響與距離的關(guān)系

離LED路燈半徑150m以內(nèi)的雷擊不再能影響LED模塊的可靠運(yùn)行。如果雷電直擊LED燈具，假設(shè)LED燈具的間距為30米，則前五個(gè)燈具會(huì)故障，但整個(gè)街道上的燈具不會(huì)熄滅。圖3描述了雷擊的影響如何隨著距離的變化而變化。

○ 應(yīng)對(duì)建議

對(duì)于雷擊次數(shù)高的地區(qū)，除了在主電源分配器中安裝強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)外，建議另外安裝過電壓吸收器，或者如果分配器太遠(yuǎn)的話，裝在電纜接線盒中。這些外部過電壓設(shè)備必須按照EN 61643-11進(jìn)行測試，并與燈具中的集成浪涌保護(hù)相匹配。

奧地利理工學(xué)院（OIT）對(duì)符合ÖVE/ÖNORMEN 61547標(biāo)準(zhǔn)的LED路燈進(jìn)行高壓測試顯示，符合通常的測試標(biāo)準(zhǔn)不足以保證戶外照明設(shè)備運(yùn)行可靠。實(shí)踐表明，即使符合標(biāo)準(zhǔn)，在某些情況下，僅在2-4 kV的過電壓水平下也會(huì)發(fā)生燈故障。

與標(biāo)準(zhǔn)測試相反，AIT進(jìn)行的測試包括增加電壓直到器件被破壞。結(jié)果與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)基本相符。如果整個(gè)系統(tǒng)中的所有元件相互匹配，浪涌保護(hù)設(shè)備才能可靠地運(yùn)行。在實(shí)際操作過程中，L和N之間以及L/ N和地線（PE）之間的介電強(qiáng)度（浪涌和ESD）越高，LED光源越能承受過電壓。

另外，燈具開發(fā)商甚至城市和公用設(shè)施的管理人應(yīng)確保安裝在路燈中的驅(qū)動(dòng)與當(dāng)?shù)丨h(huán)境相符合。