【導(dǎo)讀】戶外LED照明設(shè)備逐漸增加，隨著環(huán)境的變化LED失效問題也越來越嚴重。尤其是當(dāng)戶外LED燈具遭受雷擊浪涌的影響時失效的指數(shù)倍增。正因如此，防雷措施也越來越受重視。
隨著LED技術(shù)的深入發(fā)展，產(chǎn)品價格不斷的下降，市場逐漸打開，越來越多的照明產(chǎn)品使用LED作為光源。特別是在戶外的照明領(lǐng)域，大功率LED產(chǎn)品成為市場的主角。
然而，隨著LED燈具應(yīng)用的增加，戶外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戶外燈具大多是因為雷擊浪涌產(chǎn)生的過電應(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)的維護成本。鑒于此，LED戶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)計雷擊所帶來的危害和損失全球每年以千億美元來計。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。由于直接雷所帶來的能量沖擊非常大，破壞力極強，一般電源是無法承受的，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)或通過電磁場(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)象會對電源產(chǎn)生致命的影響，由于其產(chǎn)生的瞬間的浪涌沖擊遠遠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)的浪涌沖擊沒有對器件造成損壞也可能會干擾程序的正常運行，從而發(fā)出錯誤性指令，致使電源無法按預(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)認證中是屬于電磁兼容的范疇。
LED照明器具防雷的措施
對戶外LED照明驅(qū)動電源而言，使用環(huán)境決定了防雷擊是衡量其性能的一個重要指標(biāo)。正如上文所說，防雷應(yīng)該是針對“直擊雷”、“間接雷”一起防護，才能起到防護效果。
防雷的“防”字，其實是用字錯誤，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，一般的戶外用照明設(shè)備，因為沒有內(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)，每一個光源的前端都需要用一個“驅(qū)動電源”，因此它就有了一個內(nèi)部的系統(tǒng)終端，那么在LED照明設(shè)備應(yīng)用于戶外場合，就必須要有一個防雷器(防雷器)做末級保護。
通常意義上，防雷應(yīng)該是分區(qū)多級，以確保最終端的用電設(shè)備不會被浪涌損壞。
那么在戶外LED照明設(shè)備的特殊性就體現(xiàn)出來了：它們一般是直接由片區(qū)總配電箱來控制一個終端設(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，就戶外LED照明設(shè)備我們還需要做哪些動作呢?
圖1：防雷分區(qū)分級(一)
圖2：防雷分區(qū)分級(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)于一個避雷針，在設(shè)計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，互為補充。內(nèi)部防雷系統(tǒng)在很多器件上例如外殼、進出保護區(qū)的電纜、金屬管道等都要連接外部防雷系統(tǒng)或者設(shè)置過壓保護器，并進行等電位連接。
第二.徹底消除雷電引起的毀壞性的電位差，電源線、信號線、金屬管道等都要用過壓保護器進行等電位連接，各個內(nèi)層保護區(qū)的界面處也要進行局部等電位連接，各個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，還會設(shè)置一些通信設(shè)備用于控制路燈的開關(guān)及亮度，這些設(shè)備及電源都需要安置在雷電保護區(qū)內(nèi)，保護區(qū)域直接受外殼屏蔽。此處的電磁場要弱得多。
第四 防雷器的作用是在最短時間(納秒級)內(nèi)將被保護系統(tǒng)連入等電位系統(tǒng)中，使設(shè)備各端口等電位。同時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，從而起到保護設(shè)備的作用。新力光源研發(fā)團隊認為，LED路燈電源模塊不僅要按照上述要求進行設(shè)計，而且必須經(jīng)過嚴格的檢驗程序。
一般的防雷設(shè)計包含了一或二級防護電路。在這里并不是說一級(并聯(lián))就一定比二級(串聯(lián))差，一定要根據(jù)具體的被保護設(shè)備的自身耐受特性，再來決定防雷器的內(nèi)部電路。
圖3：防護電路原理圖
防雷是一種約定俗成的習(xí)慣稱謂，轉(zhuǎn)化為對電源的要求來說是指電源要具備防浪涌沖擊的一種能力。LED驅(qū)動電源在安規(guī)認證上要求要對其進行浪涌(沖擊)抗干擾度試驗，以保證電源具有一定的抗干擾能力。國內(nèi)執(zhí)行的標(biāo)準是GB/T17626.5《電磁兼容試驗和測試技術(shù)浪涌(沖擊)抗擾度試驗》，此標(biāo)準等同采用IEC61000-4-5：2005。
筆者參與起草的CSA-027《LED戶外照明防雷技術(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，并嚴格按照標(biāo)準要求進行施工作業(yè)。
事實上，電源除了在遭受雷擊外，在接通、斷開電感、容性負載或大型負載、電力系統(tǒng)的切換、與開關(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)組合對接地系統(tǒng)的短路和電弧故障均會產(chǎn)生很高的瞬時操作過電壓(或過電流)。
例如大功率驅(qū)動電源在開通瞬間，特別是在冷啟機條件下，會產(chǎn)生一個很大的浪涌電流流入電源設(shè)備，是因為電源里面有很多不同用途的電容，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，在啟機前電壓很低，在接通市電很短的時間內(nèi)對電容迅速充電，該峰值電流遠遠大于穩(wěn)態(tài)條件下的輸入電流。
如果同時恰好在輸入電壓為90度相位角時接通，這個時候的沖擊電流會更大。
在現(xiàn)階段，無論是照明行業(yè)還是LED行業(yè)，對于防雷事宜均不專業(yè)，然而完全按照防雷行業(yè)的標(biāo)準要求去制作戶外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的要求進行施工作業(yè)。而內(nèi)部防雷，僅防雷器一項的成本就較高(約￥20.00以上)，如果再加上等電位連接、連接點三防處理，那么成本更高。
目前，必須面對一個事實：戶外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，相對于末級保護用的防雷器來說，它不僅僅要保護電源部分，還要在一定程度上保護光源部分不受共模浪涌損害。防雷行業(yè)所說的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，那么在一些戶外LED照明設(shè)備的光源板上就會有較大的“地電位反擊”的風(fēng)險，當(dāng)金屬散熱器上的光源板采用鋁基板時，LED焊點距離非工作區(qū)金屬部件的爬電距離較短，在前級防雷電路的作用下，地電位可能在納秒級的時間內(nèi)被抬高了數(shù)萬伏特，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。
那么我們會建議，在采用這種光源方式的項目中，在電源與光源之間加裝一個直流防雷器，以確保在有浪涌流過時，防雷器能夠?qū)⒑蠹壗K端設(shè)備脫開電網(wǎng)并將所有的導(dǎo)電體拉在一起，形成等電位體，而在浪涌過后防雷器斷開泄放通道，整個系統(tǒng)繼續(xù)正常工作。
如有必要，建議改進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
我們必須認識到，不是什么電路都可以被稱之為防雷器的，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TOV實驗條款.
我們曾經(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絲與退偶器件。
第一.壓敏電阻的長期失效模式只有一種：短路!如果連保險絲都省略了，那么我們可以想象，當(dāng)防雷器長期使用后發(fā)生了劣化，而防雷器又無法再瞬間脫離電網(wǎng)，那么會引起零、火線間短路，這將是明火事故!
第二.一個自身擁有兩級防護電路的防雷器，省略了退耦器件，那么它的后級電路根本就不會發(fā)生動作。
換言之，要么它的后級電路要么是冗余設(shè)計，無法對電參數(shù)起到任何優(yōu)化效果;要么它的后級電路就是在浪費成本!
事實上，一些國內(nèi)專注與戶外電源的廠商已經(jīng)對于防雷器(SPD)有比較深刻的理解。
其實電源前級有一個簡易的一級防護電路，但是該企業(yè)又增加一個防雷器(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明書，它的防雷器必須安裝于電源前級10米開外的位置。
它正是使用連接導(dǎo)線做天然電感!這種方式對于LED照明行業(yè)來說非常合適。
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)走到了越來越規(guī)范、越來越健康的時代，防雷作為附屬保護手段，也已經(jīng)被重視起來，但是要想達到如通訊行業(yè)那么規(guī)范還要走很長很遠的路，我們看到一個又一個的標(biāo)準、規(guī)范發(fā)布實施，這是好事。
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