施秉县太阳能LED自动光控路灯防雷设计分析

王仁珍，刘 崛

(1.贵州省施秉县气象局，贵州 施秉 556200;2.贵州省麻江县气象局，贵州 麻江 557600)

施秉县太阳能LED自动光控路灯防雷设计分析

王仁珍1，刘 崛2

(1.贵州省施秉县气象局，贵州 施秉 556200;2.贵州省麻江县气象局，贵州 麻江 557600)

该文综合考虑施秉县雷暴活动特点、线路的雷击风险评估、太阳能LED自动光控路灯的建设现状，对施秉县太阳能LED自动光控路灯外部防雷措施和内部防雷措施等技术和方法进行了研究，设计了一套综合防雷的方案。在采用完善的直击雷防护措施的前提下，着重考虑雷击电磁脉冲对太阳能LED自动光控路灯的影响，提出采用接地系统、等电位连接、合理布线、加装浪涌保护器等综合技术。实施该方案可使雷击损害降到最低程度，为LED自动光控路灯安全可靠运行提供保障。

LED路灯;感应雷;浪涌保护器防雷设计

1 引言

近年来，市政照明路灯特别是太阳能LED自动光控路灯的建设方兴未艾。LED是一种新型半导体固态冷光源，是一种能够将电能转化为可见光的光电器件。由于LED能耗少、热辐射低、发光效率高，是一种节能、环保、经济、安全的新型照明器件，但是此类路灯内包含大量的电子控制设备与太阳能充放电系统。这些系统通常属于耐电压等级低，防干扰要求高的弱电设备，最怕受到雷击。普通建筑物防雷保护的避雷装置引入了强大的雷电流通过引下线入地，在附近空间产生了强大的电磁场变化，会在与其相邻的金属杆路灯上感应出雷电过电压，因此普通建筑物的防雷系统不但不能保护这些路灯，反而可能会引入雷电，轻则击坏充放电控制系统，重则可能会造成人员伤亡。随着新农村建设的进一步深入，市政建设别是乡镇亮化工程推进速度加快，LED自动光控路灯防雷已刻不容缓。本文结合LED自动光控路灯工作原理及具体实际情况为其设计一套综合防雷方案。

2 太阳能LED自动光控路灯系统构成与工作原理

太阳能LED自动光控路灯，一般由太阳能组件、蓄电池、太阳能充放电控制器、光源及灯具等几大部件组成。其中，太阳能充放电动作由微电脑芯片控制，放电方式包括感光控制和定时控制两种，目前主流产品两种控制方式兼而有之，这也是整个路灯系统中最智能化、最脆弱的部分。

在充电系统控制下，太阳能光伏板吸收太阳能，将其转化为电能存储在畜电池中。在放电系统的控制下，路灯系统是按照外界光线强度或分季节分时段开启路灯。此种路灯充分发挥了LED直流低压工作寿命长、维护成本低、节能环保的优点，太阳能光伏板与LED光源相结合，为市政工程建设提供了最佳性价比和高可靠性的解决方案，符合“低碳环保”的理念，是输电线路欠发达的山区、电力供应紧张地区的最佳选择。

图1 施秉县太阳能LED自动光控路灯图

3 雷击风险分析

3.1 现场勘测

贵州省施秉县8个乡镇所在地均建成了主干道路灯系统。每乡镇安装的太阳能LED自动光控路灯均在200盏以上，全县约2 000盏左右(图1)。此类路灯由于绿色环保、投资少、无需架设线路等优点在农村备受青睐。但是市政部门及供货商在安装过程中，对接地电阻和雷电流泄放入大地瞬间对低压线路的影响没作考虑，只是注意灯的亮度、机械强度和自动化程度等，忽视了防雷问题，对防雷风险估计不足，因而存在严重的雷击安全隐患。

2001年5月4日午后13时左右，施秉县突降暴雨，雷电交加。14岁的吴某出门到车站附近购物，路过路灯时被雷电击中，当场身亡。因此事件，当地政府对路灯防雷安全高度重视。

3.2 施秉县1957—2011年气象观测数据分析

根据施秉县1957—2011年气象观测数据统计结果：施秉县年平均雷暴日为49 d，月平均雷暴日为39 d;雷电活动主要发生在3－8月，雷暴日最多的年份为1973年和1975年，天数均为66 d;雷暴日最少年份为2011年，天数为22 d。初雷日最早为1月1日发生在1987年;终雷日最晚为12月31日发生在1985年;初终间跨度最长的年份为1984年，从1月25日—12月6日。

根据气象观测数据统计施秉县年平均雷暴日数为49 d，根据GB50343－2004对雷暴强弱等级划分，施秉县属高雷暴区。

3.3 施秉县雷电灾害事故主要类型

3.3.1 直击雷 直击雷蕴含极大的能量，峰值电压可达5 000 kV的雷电流入地，具有极大的破坏力。会造成以下3种影响：巨大的雷电流在数微秒时间内流下地，使地电位迅速抬高，造成反击事故，危害人身和设备安全;雷电流产生强大的电磁波，在电源线和信号线上感应极高的脉冲电压;雷电流流经电气设备产生极高的热量，造成火灾或爆炸事故。

3.3.2 传导雷 远处的雷电击中线路或因电磁感应产生的极高电压，由室外电源线路和通信线路传至建筑物内室内的电气设备。

3.3.3 感应雷 云层之间频繁放电产生强大的电磁波导致共模和差模干扰，影响电气设备运行。

3.3.4 开关过电压 供电系统中的电感性和电容性负载开启或断开、地极短路、电源线路短路等，都能在电源线路上产生高压脉冲，脉冲电压可达正常电压的3～5倍，可严重损坏设备，破坏效果与雷击类似。

4 防雷工程设计思路

4.1 外部防雷与内部防雷相结合

现在一般的LED路灯外部都是导体材料，本身就相当于一个避雷针，在设计上必须安装引下线和地网，这些系统构成外部防雷系统。内部防雷系统是指路灯内部通过接地、设置电压保护等方式对设备进行保护。这两者之间是相辅相成的，互为补充。内部防雷系统在很多器件上例如外壳、进出保护区的电缆、金属管道等都要连接外部防雷系统或者设置过压保护器，并进行等电位连接。

4.2 防雷等电位连接

彻底消除雷电引起的毁坏性的电位差，电源线、信号线、金属管道等都要用过压保护器进行等电位连接，各个内层保护区的界面处也要进行局部等电位连接，各个局部等电位连接处要互相连接，最后与主等电位处相连。

4.3 设置雷电保护区

目前LED路灯除了电源设备外，还会设置一些通信设备(如GPRS通讯模块)，用于远程控制路灯开关时间、亮度以及光伏板吸收太阳能的同时对蓄电池进行充电。这些设备及电源都需要安置在雷电保护区内，保护区域直接受外壳屏蔽。此处的电磁场要弱得多。

4.4 高质量保护设备—防雷模块和过压保护模块

防雷器的作用是在最短时间(纳秒级)内将被保护系统连入等电位系统中，使设备各端口等电位。同时将电路中因雷击而产生的巨大脉冲能量经短路线释放到大地，降低设备各接口端的电位差，从而起到保护设备的作用。本文认为，LED路灯电源模块不仅要按照上述要求进行设计，而且必须经过严格的检验程序。

①具有恒压输出功能或具有恒流输出功能或两者功能兼有的控制装置，应采用GB19510.12/IEC61347－2－13安全标准检验。

②对仅具有控制LED亮暗、闪动、颜色等逻辑变化功能的控制装置，应采用 GB19510.12/IEC61347－2－11安全标准检验。

③如果一个控制装置兼有上述两者的功能，应按照GB19510.12/IEC61347－2－13安全标准检验。

实践证明，经过科学的设计及严格的检验，不仅能确保LED路灯系统不受到雷电的伤害，而且杜绝了雷电击中路灯后对附近行人的伤害。

5 防雷击电路设计技术要点

LED路灯防雷跟普通路灯不同，主要在于LED的响应速度比普通灯快，承受过电压能力(范围)比普通等小。LED路灯雷电风险主要是雷电活动时在LED的电源线路上由于静电感应或者电磁感应而在线路上产生一个突峰电压或突峰电流从而影响或破坏LED路灯设备。因此需要选择适合的LED专用浪涌保护器对电源线路浪涌过电压保护，避免同一地区出现大面积LED路灯雷击损坏现象。

5.1 直击雷的设防

接闪器：利用灯柱顶部兼作接闪器，或利用避雷针、高大建(构)筑物等作接闪器。太阳能光伏板等应在接闪器保护范围之内，使太阳能电池板、灯具等不会被雷电直接击中;灯杆的防雷接地，依据《建筑物防雷设计规范》，保护接地不大于4Ω，防直击雷接地不大于10Ω。

引下线：金属灯柱可作为引下线，要求灯柱壁厚≥4 mm;如果使用混凝土灯柱，应采用内置引下线：镀锌圆钢 φ10 mm，或者镀锌扁钢40 mm×4 mm。

接地：“接地极+基础接地”构成太阳能或风光互补路灯防雷接地，再用PE线(镀锌圆钢φ10 mm或镀锌扁钢40 mm×4 mm)连接各灯柱接地极。避雷引下线以及SPD的接地线必须良好接地，接地电阻≤10Ω。LED路灯灯杆接地及地网制作见图2。

图2 LED路灯灯杆地网制作图

5.2 雷击电磁脉冲设防

①线路和设备防雷：太阳能光伏板引入控制器并加装SPD电涌保护器。

②太阳能光伏板、灯具等金属构架应与金属灯柱可靠连接。若无金属灯柱，则必须专设避雷引下线。

③电涌保护器SPD电压、频率等性能应与光伏系统性能相匹配;根据现场勘测主供电线有3条：火线、零线和保护地线(PE)。属TN－S系统，有独立的接地线，为雷击浪涌电流的泄放提供了途径。

④根据线路的雷击风险评估得知由于R'2=3.508 ×10－3高于容许值 Rr=10－3，LED 线路需要防雷保护。由于线路段S2的风险分量R'Z较大，过渡点Ta、Tb以及T1/2处的风险 R'2超过了容许值。因此要降低该风险分量。由于线路已经安装完毕(所以不能再用将非屏蔽线改为屏蔽线之类的方法)，所以必须安装符合IEC 62305－5要求的SPD作为保护措施。为了将风险R'2降低到容许值以下，按照Ⅲ级 LPL来选择 SPD(PSPD=0.03)就足够了。

⑤并网太阳能路灯防雷：为保证室外重要太阳能路灯供电，太阳能路灯电源可接入市电电网，要安装SPD电涌保护器(图3)。

图3 LED并网太阳能路等电涌保护器安装图

6 结论

施秉县太阳能LED自动光控路灯系统耐电压等级低，防干扰要求高的弱电设备，最怕受到雷击分析。为此设计了一套综合防雷的方案，采用外部防雷措施和内部防雷措施相结合，等电位连接，设置雷电保护区，高质量保护设备防雷模块和过压保护模块。在采用完善的直击雷防护措施的前提下，重点考虑雷击电磁脉冲对太阳能LED自动光控路灯的影响，提出采用接地系统、等电位连接、合理布线、加装浪涌保护器等综合技术。可使雷击损害降到最低程度，为LED自动光控路灯安全可靠运行提供保障。

［1］姜荣.农村防雷工程技术对策［J］.贵州气象 ，2011，2.

［2］杨仲江.雷电灾害风险评估与管理基础［M］.北京：气象出版社，2010.

［3］GB/T 21431－2008.建筑物防雷装置检测技术规范［S］.2008.

［4］GB/T 19271.1－2003.雷电电磁脉冲的防护［S］.

［5］GB 50057－1994.建筑物防雷设计规范［S］.

TM863

B

1003－6598(2012)05－0052－03

2012－04－15

王仁珍(1963—)，男(苗族)，助工，主要从事公共气象服务工作。