LED 路灯防雷设计

孙 波

(无锡市照明工程有限公司，江苏 无锡 214000)

0 引言

雷击是一种自然天气现象，但是有可能对人们的日常生活造成巨大的影响，因此，在城市建设中，比较高的金属建筑物及公共设施都要考虑防雷、避雷的措施。路灯安装在户外，金属灯杆高度也较高，因此将面临雷击的威胁。传统的路灯采用电感镇流器，电感镇流器有着抑制电压突变的功能，所以传统的路灯抗雷击能力较强。由于LED 路灯采用开关电源进行驱动，抗雷击能力较弱，轻则导致路灯损坏，重则引起火灾或者人员的伤亡。文章将详细介绍一套LED 路灯防雷的设计方案。

1 雷击的类型

1.1 直击雷

直击雷蕴含极大的能量，峰值电压可达5 000 kV的雷电具有极大的破坏力。一般路灯遭遇直击雷的概率很小，以目前的科学技术，路灯难以抵抗直接雷的损坏。

1.2 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路灯设备中。

1.3 感应雷

感应雷(二次雷)主要是雷电活动时，在路灯设备的电源和信号线路上由于静电感应或者电磁感应而产生一个突峰电压或突峰电流从而影响或破坏路灯设备。

1.4 开关过电压

供电系统中的电感性和电容性负载的开启或断开、电源线路短路等，都能在电源线路上产生脉冲高电压，脉冲高电压可达额定电压的3 到5 倍，可严重损坏路灯设备，破坏效果与雷击类似。

雷击的种类一般分为以上四种，LED 路灯的防雷设计需兼顾以上的雷击类型。

2 防雷方案

LED 路灯的防雷设计应采用灯杆防雷和开关电源防雷相结合的方案，才能可靠、有效地保护LED路灯。

2.1 灯杆防雷

目前，一般路灯均采用金属灯杆，灯杆本身就是一个良好的避雷针，在设计上必须安装接地线，与大地可靠连接，接地电阻应小于4 Ω。在条件允许的情况下可以再将众多路灯杆接地线连接在一起，组成一个大型的接地网络，减小接地电阻，近一步保证接地的可靠性。这些接地系统构成外部防雷系统。该系统可避免LED 路灯因直击雷引起火灾及人身安全事故。在空旷的地区，路灯遭遇直击雷的概率相对较高，必须安装灯杆接地系统。

2.2 开关电源防雷

在城市中的路灯，遭遇直击雷相对较少，一般路灯被雷击损坏，是由传导雷、感应雷、开关过电压造成的。这三种雷击防护电路可以在开关电源中。

这三种雷击主要是通过线路来侵害路灯设备，所以防护就要从设备的进线端考虑。

2.2.1 LED 路灯开关电源的防雷设计

以DC 24 V 开关电源的防雷设计为例，开关电源一般采用两级防雷保护即可。电路如图1 所示。

图1 DC 24 V 电源线两级防雷保护方案

电路第一级为保险丝级，当电流场超过1.5 A 时保险丝就会截断，当电流减少到750 mA 时又可自动恢复。保险丝规格的选择，需根据实际的负载大小来决定。

第二级为TVS 管瞬态电压抑制管级，把电压抑制在25 V 以下，在开关电源的输入端加装此电路，经过以上二级保护基本上可以防护一般感应雷的雷击对开关电源所造成的损坏。

其他电压等级开关电源的防雷击设计只需根据具体电压选择合适的自恢复保险丝和瞬态电压抑制管，即可达到防雷的要求。

2.2.2 信号控制器的防雷设计

亮化工程一般都会采用亮化信号控制器，控制器也会经常遭到感应雷击而损坏。信号控制器的防雷电路如图2 所示。

图2 信号线三级防雷保护方案

电路第一级是放电管级，把140 V 以上的感应雷电对地放电泄放掉，共模接法与差模接法配合，保证不管雷电从那根线进来都可以泄放掉。

第二级为保险丝级，双保险丝组合。当电流超过340 mA 时保险丝就会截断，当电流减少到140 mA 时又可自动恢复。

第三级为TSS 管瞬态电压抑制半导体放电管级，共模与差模接法配合把电压抑制在6 V。

在信号控制器的信号输入端和输出端加装此电路，经过以上三级保护基本上可以避免一般感应雷的雷击危害。

2.2.3 PPTC 自动恢复保险丝简介

自恢复保险丝(PPTC:高分子自恢复保险丝)是一种正温度系数聚合物热敏电阻，有过流保护作用，可代替电流保险丝。电路正常工作时它的阻值很小(压降很小)，当电路出现过流使它温度升高时，阻值急剧增大几个数量级，使电路中的电流减小到安全值以下，从而使后面的电路得到保护，过流消失后自动恢复为低阻值。其效果与开关元件类似，只是响应速度较慢。它有三种封装形式:引线型、薄片型(带型)和贴装型。其外形如图3 所示。

图3 PPTC 的封装形式

(1)PPTC 聚合物自恢复保险丝由聚合物基体及使其导电的碳黑粒子组成。由于聚合物自恢复保险丝为导体，其上会有电流通过，当有过电流通过聚合物自恢复保险丝时，产生的热量(为I2R)使其膨胀，从而碳黑粒子将分开，电阻上升。这将促使保险丝更快地产生热、膨胀，进一步使电阻升高。当温度达到125 ℃时，电阻变化显著，从而使电流明显减小。此时流过聚合物自恢复保险丝的小电流足以使其保持在这个温度和处于高阻状态。当故障清除后，聚合物自恢复保险丝收缩至原来的形状重新将碳黑粒子联结起来，从而降低电阻至规定的电流水平。上述过程可循环多次。

(2)PPTC 自恢复保险丝的动作原理是一种能量的动态平衡，流过PPTC 元件的电流由于PPTC 的关系产生热量，产生的热量全部或部分散发到环境中，而没有散发出去的热量便会提高PPTC 元件的温度。

(3)正常工作时的温度较低，产生和散发的热量平衡。PPTC 元件处于低阻状态，PPTC 不动作。当流过PPTC 元件的电流增加或环境温度升高，但产生和散发的热量平衡时，PPTC 仍不动作。当电流或环境温度再提高时，PPTC 会达到较高的温度，若此时电流或环境温度继续增加，产生的热量会大于散发出去的热量，使PPTC 元件温度骤增，在此阶段，很小的温度变化也会造成阻值的大幅提高，这时PPTC 元件处于高阻保护状态。

3 小 结

LED 路灯的防雷保护不仅可以有效防止路灯由于雷击而损坏，而且可以保护周围人和其他物体的安全。此套方案已应用于我公司LED 路灯防雷保护改造工程中，运行两年时间，防雷效果良好，安全、可靠。

［1］刘跃群.光源电器原理和应用技术［M］.化学工业出版社，2003

［2］张肃文.高频电子线路［M］.高等教育出版社，2006

［3］沈鸿.电机工程手册［M］.第6 卷.机械工业出版社，1986