【導讀】戶(hù)外LED照明設備逐漸增加，隨著(zhù)環(huán)境的變化LED失效問(wèn)題也越來(lái)越嚴重。尤其是當戶(hù)外LED燈具遭受雷擊浪涌的影響時(shí)失效的指數倍增。正因如此，防雷措施也越來(lái)越受重視。
隨著(zhù)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(zhù)LED燈具應用的增加，戶(hù)外LED燈具受雷擊浪涌影響失效的數量也在增加。據調查，在正常使用年限內受損的LED戶(hù)外燈具大多是因為雷擊浪涌產(chǎn)生的過(guò)電應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(hù)外燈具的抗雷擊浪涌能力應引起足夠的重視。
LED照明器具防雷的必要性
據不完全統計雷擊所帶來(lái)的危害和損失全球每年以千億美元來(lái)計。雷擊分為直接雷和間接雷，間接雷主要包括傳導雷和感應雷。由于直接雷所帶來(lái)的能量沖擊非常大，破壞力極強，一般電源是無(wú)法承受的，所以必須要有災害規避的手段。
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(zhù)電源線(xiàn)或其它路徑(傳導雷)或通過(guò)電磁場(chǎng)(感應雷)而傳送至電源線(xiàn)路。其波形特征是先快速上升然后慢慢下降。
這種現象會(huì )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力，導致的直接結果是電子元件損壞從而引起“死燈”現象。
如果是智能電源的話(huà)，即便是瞬態(tài)的浪涌沖擊沒(méi)有對器件造成損壞也可能會(huì )干擾程序的正常運行，從而發(fā)出錯誤性指令，致使電源無(wú)法按預期的指令工作。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(hù)外LED照明驅動(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。正如上文所說(shuō)，防雷應該是針對“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(shí)是用字錯誤，有根本意義上的歧義。防雷的核心手段是引導、泄放，“防”是防不住的。防雷手段分為外部防雷與內部防雷，一般的戶(hù)外用照明設備，因為沒(méi)有內部電路(設備終端)，因此不需要做內部防雷，只需要將外部防雷做好即可，即：接閃器、引下線(xiàn)、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)“驅動(dòng)電源”，因此它就有了一個(gè)內部的系統終端，那么在LED照明設備應用于戶(hù)外場(chǎng)合，就必須要有一個(gè)防雷器(防雷器)做末級保護。
通常意義上，防雷應該是分區多級，以確保最終端的用電設備不會(huì )被浪涌損壞。
那么在戶(hù)外LED照明設備的特殊性就體現出來(lái)了：它們一般是直接由片區總配電箱來(lái)控制一個(gè)終端設備，那么除了在片區配電箱內，按照GB50057標配防雷器以外，就戶(hù)外LED照明設備我們還需要做哪些動(dòng)作呢?
圖1：防雷分區分級(一)
圖2：防雷分區分級(二)
第一.現在一般的LED路燈外部都是導體材料，本身就相當于一個(gè)避雷針，在設計上必須安裝引下線(xiàn)和地網(wǎng)，這些系統構成外部防雷系統。該系統可避免LED路燈因直擊雷引起火災及人身安全事故。
這兩者之間是相輔相成的，互為補充。內部防雷系統在很多器件上例如外殼、進(jìn)出保護區的電纜、金屬管道等都要連接外部防雷系統或者設置過(guò)壓保護器，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(xiàn)、信號線(xiàn)、金屬管道等都要用過(guò)壓保護器進(jìn)行等電位連接，各個(gè)內層保護區的界面處也要進(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路燈除了電源設備外，還會(huì )設置一些通信設備用于控制路燈的開(kāi)關(guān)及亮度，這些設備及電源都需要安置在雷電保護區內，保護區域直接受外殼屏蔽。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)內將被保護系統連入等電位系統中，使設備各端口等電位。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(xiàn)釋放到大地，降低設備各接口端的電位差，從而起到保護設備的作用。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(jìn)行設計，而且必須經(jīng)過(guò)嚴格的檢驗程序。
一般的防雷設計包含了一或二級防護電路。在這里并不是說(shuō)一級(并聯(lián))就一定比二級(串聯(lián))差，一定要根據具體的被保護設備的自身耐受特性，再來(lái)決定防雷器的內部電路。
圖3：防護電路原理圖
防雷是一種約定俗成的習慣稱(chēng)謂，轉化為對電源的要求來(lái)說(shuō)是指電源要具備防浪涌沖擊的一種能力。LED驅動(dòng)電源在安規認證上要求要對其進(jìn)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。國內執行的標準是GB/T17626.5《電磁兼容試驗和測試技術(shù)浪涌(沖擊)抗擾度試驗》，此標準等同采用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)選參數表，建議參考選型，并嚴格按照標準要求進(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、容性負載或大型負載、電力系統的切換、與開(kāi)關(guān)器件相關(guān)聯(lián)的諧振現象及各種系統故障如系統組合對接地系統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)。
例如大功率驅動(dòng)電源在開(kāi)通瞬間，特別是在冷啟機條件下，會(huì )產(chǎn)生一個(gè)很大的浪涌電流流入電源設備，是因為電源里面有很多不同用途的電容，尤其是用于PFC(功率因數調整)線(xiàn)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(shí)間內對電容迅速充電，該峰值電流遠遠大于穩態(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。
在現階段，無(wú)論是照明行業(yè)還是LED行業(yè)，對于防雷事宜均不專(zhuān)業(yè)，然而完全按照防雷行業(yè)的標準要求去制作戶(hù)外LED照明設備的外、內部防雷，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(diǎn)三防處理，那么成本更高。
目前，必須面對一個(gè)事實(shí)：戶(hù)外LED照明設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(lái)說(shuō)，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(shuō)的0.5m原則及凱文接線(xiàn)法在這里就顯得尤為重要。
由于GB7000.1-2014的最新修改導致了安規條款的變化，爬電距離及電氣間隙都有降額，那么在一些戶(hù)外LED照明設備的光源板上就會(huì )有較大的“地電位反擊”的風(fēng)險，當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(shí)間內被抬高了數萬(wàn)伏特，極易引起光源板部分的“地電位反擊”，從而導致光源部分被擊穿。
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)，防雷器能夠將后級終端設備脫開(kāi)電網(wǎng)并將所有的導電體拉在一起，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)系統繼續正常工作。
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
我們必須認識到，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中明確規定了，交流設備用防雷器必須通過(guò)TOV實(shí)驗條款.
我們曾經(jīng)解剖分析了多家公司的“防雷器”，發(fā)現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(cháng)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，當防雷器長(cháng)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(xiàn)間短路，這將是明火事故!
第二.一個(gè)自身?yè)碛袃杉壏雷o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(huì )發(fā)生動(dòng)作。
換言之，要么它的后級電路要么是冗余設計，無(wú)法對電參數起到任何優(yōu)化效果;要么它的后級電路就是在浪費成本!
事實(shí)上，一些國內專(zhuān)注與戶(hù)外電源的廠(chǎng)商已經(jīng)對于防雷器(SPD)有比較深刻的理解。
其實(shí)電源前級有一個(gè)簡(jiǎn)易的一級防護電路，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)的電路結構，依據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10米開(kāi)外的位置。
它正是使用連接導線(xiàn)做天然電感!這種方式對于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)越規范、越來(lái)越健康的時(shí)代，防雷作為附屬保護手段，也已經(jīng)被重視起來(lái)，但是要想達到如通訊行業(yè)那么規范還要走很長(cháng)很遠的路，我們看到一個(gè)又一個(gè)的標準、規范發(fā)布實(shí)施，這是好事。
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