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浅谈户外LED照明防雷设计方案

导读: 鉴于LED灯泡的价值定位不仅仅是降低能源消耗,还有更长的使用寿命,在消除因电气环境促使的现场故障中考虑瞬态电压保护将是至关紧要的。

  发光二极管(LED)技术的出现标志着电气照明行业的重大革命。自1990年以来,LED灯在被采用之后日益取代着户外照明应用中的传统光源,如汞灯、金属卤素灯、和钠汽灯。由于其在照明效率上的进步(每瓦更高流明)、二次光学元件(更好的镜头/反射镜)、以及更强的热耗散性能,LED照明技术着实令人感到惊讶。

  消费者和工业用户寻求更为节能的照明方案促使对LED照明的需求量加速上升。LED照明机制的发展也受到旨在抑制白炽灯继续使用的政府行为的驱动。出于以上原因,LED照明的高采用率绝对是一个全球性的现象。拥有发达经济体的国家已经制定了完善的计划和方案,以逐步淘汰传统的白炽灯照明。这不应令人感到意外,因为照明约占全球能源消耗的25%。

  尽管户外LED照明的初始成本很高,但是完全有理由在这上面进行投资,因为在更低瓦数需求、更低维护成本以及更长寿命的基础之上,投资回报是可以确定的。而为了在大约五年的投资回收期内保证户外LED照明不会出现故障,其应具有很高的耐用性和可靠性。

  对于户外LED照明,一个相当大的威胁是在交流电源线路中发生的瞬态浪涌事件,其可能会对灯具造成损坏。一个LED灯含有电源转换器件(AC/DC)、LED的驱动芯片、以及用于热控的散热器和优化灯光质量的光学器件。直接连接到交流电源(如120/220VAC)的一个LED灯具可能会因灯泡内部元件或电路故障导致的短路和过载情况而损坏。除此之外,产生于灯泡外部的雷击浪涌或负荷开关瞬态能够造成电压尖峰或环形波,给元件造成压力并最终导致损坏,从而使灯泡报废。鉴于LED灯泡的价值定位不仅仅是降低能源消耗,还有更长的使用寿命,在消除因电气环境促使的现场故障中考虑瞬态电压保护将是至关紧要的。

  间接雷击感应浪涌

  由于附近电气设备的打开和关闭动作,在交流电源线路上可能会发生过压瞬态浪涌。附近发生的雷击也会在交流电源线路产生瞬态浪涌,尤其是在室外环境中。

  在发生雷击的一刹那,从云到地面的静电放电的级别通常达到数百万伏。发生于几英里以外的雷击,会在载流铜线(例如:路灯的地下电缆)诱发高达数千伏的感应电压。这些间接冲击以通常含有超过1,000A2s大量能量的特定波形为特征。

  约70%的雷击发生于热带地区的陆地地带,这也是大多数雷暴发生的地方。非洲国家经历过有史以来最为严重、持续时间最长的雷击。雷击最为经常发生的地方邻近刚果民主共和国东部山区的小村庄基夫卡,海拔约为975米。平均来说,该地区每年每平方公里会发生158次雷击。这个地方周围的一大片区域也受到严重影响,因为雷击造成的感应浪涌冲击增加了户外LED照明设备受损的几率。

  根据美国航空航天局(NASA)在全球各地闪电频数上的研究,中南美、非洲、南亚和东南亚也有与美国类似的闪电频数;因此在美国,我们建议等效浪涌抗扰度应在5kA到10kA之间。对于闪电频数较少的其他地区,如欧洲、东亚和澳大利亚,可以考虑3kA到5kA较低的浪涌抗扰度。

  暴风雨天气中这种类型的间接雷电能量会对户外LED照明装置造成不利影响。灯具在差模和共模条件下均容易受损:

  ●差模:灯具的相线和零线端子或相线和相线端子之间的高电压/电流瞬态可能会损坏电源装置或LED模块板中的元件。

  ●共模:灯具的相线和地线或零线和地线之间的高电压/电流瞬态可能会穿透电源装置或LED模块板中的安全绝缘,包括LED散热器绝缘。

  测试波形是1.2x50μs开路电压和8x20μs短路电流波形的一种组合。要进行这项测试,在连接到灯具之前要通过将输出端短接到地面在浪涌发生器上对规定的峰值电流进行校准。

  世界各地的闪电频率--单位:闪电次数/平方公里/年--(美国航空航天局全球水文资源中心)。

  应对感应浪涌事件的技术

  保护户外LED照明免于感应浪涌冲击损害的方式是阻断高电压/电流瞬态干扰进入照明灯具。因此可以在户外LED照明应用中采用一种浪涌保护器(SPD)来抑制浪涌能量并最大限度地减少对照明设备的浪涌冲击。

  对于SPD,有多种过电压保护元件可用,包括金属氧化物压敏电阻(MOV)、气体放电管(GDT)和瞬态电压抑制(TVS)二极管。这些元件被放置于通常具有高阻抗的交流电源线之间,在检测到高电压时会变为低阻抗。在低阻抗状态下,这些元件可以将浪涌能量转移回到交流电源线,在浪涌事件后又回到高阻抗状态。在现有的技术中,MOV因其较高的浪涌能量处理能力和对瞬态电压的快速响应成为首选,在配电板的SPD保护中也得以广泛应用。因此MOV是户外LED照明应用中浪涌保护器件的最为适用的技术。

  在一个室外灯具中并入一条强大的浪涌抑制电路能消除浪涌能量造成的破坏,从而提高照明设备的可靠性,最大程度地减少维护并提高使用寿命。一个能将过高的浪涌抑制到较低电压水平的浪涌保护组件是保护LED灯具设施的最佳方式。

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