LED路灯用电涌保护器研究

周歧斌, 张均山, 刘非凡

(1.上海市防雷中心, 上海 201615; 2.上海电力学院, 上海 200090)

LED路灯用电涌保护器研究

周歧斌1, 张均山2, 刘非凡2

(1.上海市防雷中心, 上海 201615; 2.上海电力学院, 上海 200090)

介绍了LED路灯用电涌保护器的现状。基于市场上常见的直流及交流的LED路灯用电涌保护器,对现有LED路灯用电涌保护器的特点进行了归纳,对存在的问题进行了梳理,并展望了LED路灯照明领域未来可进行的研究。

LED路灯; 电涌保护器; 过电压保护

0 引 言

随着LED在路灯照明中的广泛应用,各种问题也不断暴露。在一条道路上竖立的几百杆LED路灯,常会无缘无故地损坏。从LED路灯驱动电源内部分析来看,大多采用非隔离电源,抗冲击和抗干扰水平低。从使用环境来看,其主要原因是来自外部和系统的电涌电压。也就是说,有一个通常达到千伏以上的瞬态过电压侵入输入电源端,然后从输入电源端传导到输出端,如雷电过电压和操作过电压。用电设备如果没有抵御来自外部或系统电涌的能力,就必然失效,LED路灯良好的使用寿命不能很好地体现。

几乎所有LED路灯都面临这种问题。因此,LED路灯用电涌保护器(Surge Protective Device,SPD)应运而生。

1 市场上常见的LED路灯用SPD

1.1 直流型LED路灯用SPD

直流LED路灯通常采用风光互补的新能源发电系统供电,直流供电电压一般为12 V或24 V。型号A、B直流SPD参数如表1所示。

表1 A、B型号直流SPD参数

为保护LED灯头,应在灯头处加装直流 SPD。另外,应根据实际需要加装相应的SPD,以保护功能控制器和太阳能电池板。

由新能源独立供电的路灯,因没有联合接地网,需要设立有效的接地,以保证工频接地电阻<10 Ω。

1.2 交流型LED路灯用SPD

目前,交流供电LED路灯更加普遍。大多数户外用LED驱动电源内部已经加入压敏电阻器件等防雷设计,对2 kV及以下的电涌电压可以进行防护。但雷击引起的电涌电压可能达到该值的数倍,因此还需要加装SPD来保护LED驱动电源。

交流型LED路灯用SPD电路原理如图1所示。

图1 交流型LED路灯用SPD电路原理

交流型LED路灯用SPD与普通SPD一样,有两种保护模式:差模保护和共模保护。市场上常见的四个品牌的6种型号的LED路灯用SPD的参数如表2～表5所示。

表2 A品牌SPD参数

表3 B品牌SPD参数

表4 C品牌SPD参数

2 LED路灯用SPD存在的问题

一般路灯的灯杆都采用镍镀锌金属材料,LED路灯的灯杆也不列外。因灯杆本身是一个导体,相当于接闪器,在设计上其外部必须安装引下线和接地网防雷系统,可防止直击雷的侵害。内部应设置过电压保护,通过良好接地构成内部防雷系统。LED路灯用SPD就是内部防雷保护的关键部件。

表5 D品牌SPD参数

LED路灯用SPD按输入电源,可分为交流和直流两种类型。在交流电源环境下,大多数防雷方案中,将AC T2的SPD接入LED路灯的底部接线箱内,将AC T3的SPD接入LED路灯的顶部(LED灯具内)。在直流(如光伏)电源环境下,只在LED路灯的顶部(LED灯具内)接入直流电源保护器。

LED路灯SPD安装方式有导轨式和非导轨式两种。导轨式一般安装于LED路灯的底部,非导轨式一般置于LED的灯具内,有的也可置于LED路灯的底部。

LED路灯SPD有三种保护模式:差模、共模和全模,有串联式和非串联式两种连接方式,也称为一端口和二端口。

LED路灯SPD目前并无专门的标准,其技术性能和测试方法主要参照GB 18802.1—2011《低压电涌保护器 低压配电系统的电涌保护器性能要求和试验方法》的标准执行,此外还需参照相关道路灯具的标准。

对于LED路灯用SPD,需要研究的是置于LED灯具内的SPD。它安装于LED驱动电源的输入侧,而根据现场了解,最大放电电流Imax最好达到15 kA,电压保护水平<1 kV,开路电压为10 kV,最大持续运行电压要满足系统电压的要求。

LED路灯照明灯具的核心部件是驱动电源,驱动电源一旦损坏,LED就不能正常发光。因此,许多LED驱动电源制造商已着手研发,为用户提供整套方案。

3 LED路灯用SPD的展望

SPD在LED路灯照明领域的应用面临一些新课题,主要有以下几个方面。

(1) SPD指示状态。SPD也有使用寿命问题。安装于路灯顶部SPD所带的指示状态,根本无法观察。采用遥信装置是必不可少的方法之一,但目前市场的大部分产品没有该项功能。LED路灯防雷设计方案中也很少考虑。

(2) SPD的类型选择。路灯灯杆可视为接闪器,也就是说,在其顶部可能遭受直击雷。雷击电流从顶部侵入,即置于顶部LED灯具有可能先受到侵害。因此,SPD的选择应考虑到这一风险,尤其是独立光伏供电的LED路灯。UL在路灯灯具的认证中就有一条,即灯具中必须安装符合T2试验条件的SPD。目前在LED防雷解决方案中,基本上是将T2的SPD装在灯杆的底部。该类型选择也应认真验证。

(3) SPD的结构形式。LED路灯用SPD的结构没有统一的规范,应在制定LED路灯过电压防护的标准规范中进行统一,并在灯具设计时预留过电压保护模组的位置。

(4) SPD的IP防护等级。一般SPD防护等级为IP20,但是应用于LED灯具中,其防护等级一般要求达到IP65,有的甚至达到IP65以上。

(5) SPD的型式试验。作为LED路灯用SPD,特别是非导轨式结构,如何设计及其与导轨式的试验有何区别需进一步分析。

4 结 语

SPD在LED路灯照明领域的应用面临一些新课题,如何使用SPD有效保护LED路灯,已成为越来越多LED制造商所关心的问题。文中介绍了基于市场上常见的直流及交流的LED路灯用SPD,希望对研究者、使用者提供帮助。

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[4] 陈超中,施晓红,於立成,等.LED路灯防浪涌干扰设计中的绝缘耐压问题解析[J].中国照明电器,2010(7):33-37.

[5] 王逢士,周歧斌.光伏系统直流侧电涌保护器的过载特性试验与分析[J].现代建筑电气,2014,5(11):1-5.

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Research of Surge Protective Device Used in LED Streetlight

ZHOU Qibin1, ZHANG Junshan2, LIU Feifan2

(1.Shanghai Lightning Protection Center, Shanghai 201615, China; 2.Shanghai Univeristy of Electric Power, Shanghai 200090, China)

This paper introduced the present situation and development of surge protective device(SPD)used in LED streetlight.Based on the common AC and DC SPDs in the market,the characteristics of SPD were generalized,and the existing problems were synthesized.Some studies for the development of the SPD used in streetlights were prospected.

LED streetlight; surge protective device(SPD); overvoltage protection

周歧斌(1977—),男,高级工程师,从事电涌保护器、过电压保护和建筑物防雷方面的研究。

TU 856

B

1674-8417(2014)10-0013-04

2014-10-08

张均山(1959—),男,从事雷电防护及电涌保护器生产工艺方面的研究。

刘非凡(1988—),男,硕士研究生,从事电力系统过电压保护方面的研究。