LED防雷設計方案

　　發(fā)光二極管(LED)技術(shù)的出現標志著(zhù)電氣照明行業(yè)的重大革命。自1990年以來(lái)，LED燈在被采用之后日益取代著(zhù)戶(hù)外照明應用中的傳統光源，如汞燈、金屬鹵素燈、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)、以及更強的熱耗散性能，LED照明技術(shù)著(zhù)實(shí)令人感到驚訝。

　　消費者和工業(yè)用戶(hù)尋求更為節能的照明方案促使對LED照明的需求量加速上升。LED照明機制的發(fā)展也受到旨在抑制白熾燈繼續使用的政府行為的驅動(dòng)。出于以上原因，LED照明的高采用率絕對是一個(gè)全球性的現象。擁有發(fā)達經(jīng)濟體的國家已經(jīng)制定了完善的計劃和方案，以逐步淘汰傳統的白熾燈照明。這不應令人感到意外，因為照明約占全球能源消耗的25%。

　　盡管戶(hù)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，因為在更低瓦數需求、更低維護成本以及更長(cháng)壽命的基礎之上，投資回報是可以確定的。而為了在大約五年的投資回收期內保證戶(hù)外LED照明不會(huì )出現故障，其應具有很高的耐用性和可靠性。

　　對于戶(hù)外LED照明，一個(gè)相當大的威脅是在交流電源線(xiàn)路中發(fā)生的瞬態(tài)浪涌事件，其可能會(huì )對燈具造成損壞。一個(gè)LED燈含有電源轉換器件(AC/DC)、LED的驅動(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 )因燈泡內部元件或電路故障導致的短路和過(guò)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荷開(kāi)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致?lián)p壞，從而使燈泡報廢。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(cháng)的使用壽命，在消除因電氣環(huán)境促使的現場(chǎng)故障中考慮瞬態(tài)電壓保護將是至關(guān)緊要的。

　　間接雷擊感應浪涌

　　由于附近電氣設備的打開(kāi)和關(guān)閉動(dòng)作，在交流電源線(xiàn)路上可能會(huì )發(fā)生過(guò)壓瞬態(tài)浪涌。附近發(fā)生的雷擊也會(huì )在交流電源線(xiàn)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(xiàn)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別通常達到數百萬(wàn)伏。發(fā)生于幾英里以外的雷擊，會(huì )在載流銅線(xiàn)(例如：路燈的地下電纜)誘發(fā)高達數千伏的感應電壓。這些間接沖擊以通常含有超過(guò)1，000 A2s大量能量的特定波形為特征。

　　約70%的雷擊發(fā)生于熱帶地區的陸地地帶，這也是大多數雷暴發(fā)生的地方。非洲國家經(jīng)歷過(guò)有史以來(lái)最為嚴重、持續時(shí)間最長(cháng)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東部山區的小村莊基夫卡，海拔約為975米。平均來(lái)說(shuō)，該地區每年每平方公里會(huì )發(fā)生158次雷擊。這個(gè)地方周?chē)囊淮笃瑓^域也受到嚴重影響，因為雷擊造成的感應浪涌沖擊增加了戶(hù)外LED照明設備受損的幾率。

　　根據美國航空航天局(NASA)在全球各地閃電頻數上的研究，中南美、非洲、南亞和東南亞也有與美國類(lèi)似的閃電頻數;因此在美國，我們建議等效浪涌抗擾度應在5kA到10kA之間。對于閃電頻數較少的其他地區，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(lèi)型的間接雷電能量會(huì )對戶(hù)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(xiàn)和零線(xiàn)端子或相線(xiàn)和相線(xiàn)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(xiàn)和地線(xiàn)或零線(xiàn)和地線(xiàn)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。

　　測試波形是1.2 x 50μs開(kāi)路電壓和8 x 20μs短路電流波形的一種組合。要進(jìn)行這項測試，在連接到燈具之前要通過(guò)將輸出端短接到地面在浪涌發(fā)生器上對規定的峰值電流進(jìn)行校準。

　　圖2：組合波開(kāi)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/平方公里/年--(美國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/平方公里/年-(NASA GHRC)。

　　應對感應浪涌事件的技術(shù)

　　保護戶(hù)外LED照明免于感應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(hù)外LED照明應用中采用一種浪涌保護器(SPD)來(lái)抑制浪涌能量并最大限度地減少對照明設備的浪涌沖擊。

　　對于SPD，有多種過(guò)電壓保護元件可用，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(xiàn)之間，在檢測到高電壓時(shí)會(huì )變?yōu)榈妥杩?。在低阻抗狀態(tài)下，這些元件可以將浪涌能量轉移回到交流電源線(xiàn)，在浪涌事件后又回到高阻抗狀態(tài)。在現有的技術(shù)中，MOV因其較高的浪涌能量處理能力和對瞬態(tài)電壓的快速響應成為首選，在配電板的SPD保護中也得以廣泛應用。因此MOV是戶(hù)外LED照明應用中浪涌保護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，從而提高照明設備的可靠性，最大程度地減少維護并提高使用壽命。一個(gè)能將過(guò)高的浪涌抑制到較低電壓水平的浪涌保護組件是保護LED燈具設施的最佳方式。

　　圖5：LED路燈保護方案。

　　熱防護型MOV保護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)。在許多其他的應用中，這種技術(shù)同樣有效，比如通常被放置于LED驅動(dòng)器前面的浪涌保護器(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退化至壽命終止狀態(tài)時(shí)用以檢測其溫度的增加;這時(shí)，熱敏斷路器會(huì )打開(kāi)電路，將性能退化的壓敏電阻從電路中去除，以防止災難性故障。

　　圖6：熱敏斷路器防止性能退化的MOV出現故障。

　　MOV的設計旨在微秒時(shí)間內鉗制快速過(guò)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(xiàn)缺失或安裝時(shí)的不正確接線(xiàn)造成的臨時(shí)過(guò)電壓情況的影響。這些情況會(huì )對MOV造成嚴重壓力，使其進(jìn)入一種散熱失控狀況;反過(guò)來(lái)，這又將導致過(guò)熱、冒煙、甚至起火。SPD的安全標準UL 1449和IEC 61643-11，定義了為確保SPD安全而必須對器件進(jìn)行測試的特定異常條件。在可靠的設計中，在浪涌保護器內部加入了熱敏斷路器，以保護MOV不會(huì )出現散熱失控。

　　圖7：AC過(guò)電流事件。

　　為SPD而設的壽命終止/更換指示功能

　　當MOV因臨時(shí)過(guò)電壓或過(guò)高的泄露電流而變得過(guò)熱時(shí)，熱敏斷路器可用來(lái)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。所以應考慮設計合適的指示功能，以便維修人員能夠知道SPD不能正常工作且需要更換。

　　照明設計人員可以根據他們的維護和包修策略從兩種主要類(lèi)型的SPD模塊配置中進(jìn)行選擇。這些都是并聯(lián)和串聯(lián)的浪涌保護組件。

　　圖8：并聯(lián)和串聯(lián)連接。

　　● 并聯(lián)連接：SPD模塊與負載并聯(lián)在一起。一個(gè)壽命終止的SPD模塊從電源上斷開(kāi)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功能。在一個(gè)并聯(lián)的SPD模塊中，可以通過(guò)使用一個(gè)能向維護技術(shù)人員指示SPD模塊狀態(tài)的小的發(fā)光二極管來(lái)起到更換指示的作用?？梢赃x擇使用綠色發(fā)光二極管來(lái)指示SPD模塊在線(xiàn)，或者用紅色發(fā)光二極管來(lái)指示SPD模塊離線(xiàn)?；蛘?，更換SPD模塊的需要可以在SPD模塊壽命終止指示線(xiàn)連接至一個(gè)網(wǎng)絡(luò )智能照明系統的照明管理中心中遠程顯示，而不是在每個(gè)燈具上都安裝LED指示。

　　● 串連連接：SPD模塊與負載串聯(lián)在一起，壽命終止的SPD模塊從電源上斷開(kāi)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(kāi)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(kāi)來(lái)。對這種配置的普遍偏好迅速增長(cháng)，是因為在SPD模塊等待更換期間，照明設施仍然受到保護。與使用并聯(lián)浪涌保護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模塊的費用要低得多。

　　總結

　　LED技術(shù)所帶來(lái)的高效節能提升了戶(hù)外照明的價(jià)值。為了使LED照明設備能達到其預期壽命，應在戶(hù)外LED照明中加入浪涌保護模塊，以防止因雷擊浪涌事件和其他電源線(xiàn)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模塊，為照明系統提供了有效的保護。但是，其可能會(huì )受到臨時(shí)過(guò)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，并能使模塊達到UL 1449和IEC 61643-11認證標準。

　　當浪涌保護模塊達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(guò)將燈具從電源上斷開(kāi)，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，對模塊是否在線(xiàn)做出提示。