LED 路燈防雷設(shè)計(jì)

孫 波

(無(wú)錫市照明工程有限公司，江蘇 無(wú)錫 214000)

0 引言

雷擊是一種自然天氣現(xiàn)象，但是有可能對(duì)人們的日常生活造成巨大的影響，因此，在城市建設(shè)中，比較高的金屬建筑物及公共設(shè)施都要考慮防雷、避雷的措施。路燈安裝在戶外，金屬燈桿高度也較高，因此將面臨雷擊的威脅。傳統(tǒng)的路燈采用電感鎮(zhèn)流器，電感鎮(zhèn)流器有著抑制電壓突變的功能，所以傳統(tǒng)的路燈抗雷擊能力較強(qiáng)。由于LED 路燈采用開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，抗雷擊能力較弱，輕則導(dǎo)致路燈損壞，重則引起火災(zāi)或者人員的傷亡。文章將詳細(xì)介紹一套LED 路燈防雷的設(shè)計(jì)方案。

1 雷擊的類型

1.1 直擊雷

直擊雷蘊(yùn)含極大的能量，峰值電壓可達(dá)5 000 kV的雷電具有極大的破壞力。一般路燈遭遇直擊雷的概率很小，以目前的科學(xué)技術(shù)，路燈難以抵抗直接雷的損壞。

1.2 傳導(dǎo)雷

遠(yuǎn)處的雷電擊中線路或因電磁感應(yīng)產(chǎn)生的極高電壓，由室外電源線路和通信線路傳至路燈設(shè)備中。

1.3 感應(yīng)雷

感應(yīng)雷(二次雷)主要是雷電活動(dòng)時(shí)，在路燈設(shè)備的電源和信號(hào)線路上由于靜電感應(yīng)或者電磁感應(yīng)而產(chǎn)生一個(gè)突峰電壓或突峰電流從而影響或破壞路燈設(shè)備。

1.4 開(kāi)關(guān)過(guò)電壓

供電系統(tǒng)中的電感性和電容性負(fù)載的開(kāi)啟或斷開(kāi)、電源線路短路等，都能在電源線路上產(chǎn)生脈沖高電壓，脈沖高電壓可達(dá)額定電壓的3 到5 倍，可嚴(yán)重?fù)p壞路燈設(shè)備，破壞效果與雷擊類似。

雷擊的種類一般分為以上四種，LED 路燈的防雷設(shè)計(jì)需兼顧以上的雷擊類型。

2 防雷方案

LED 路燈的防雷設(shè)計(jì)應(yīng)采用燈桿防雷和開(kāi)關(guān)電源防雷相結(jié)合的方案，才能可靠、有效地保護(hù)LED路燈。

2.1 燈桿防雷

目前，一般路燈均采用金屬燈桿，燈桿本身就是一個(gè)良好的避雷針，在設(shè)計(jì)上必須安裝接地線，與大地可靠連接，接地電阻應(yīng)小于4 Ω。在條件允許的情況下可以再將眾多路燈桿接地線連接在一起，組成一個(gè)大型的接地網(wǎng)絡(luò)，減小接地電阻，近一步保證接地的可靠性。這些接地系統(tǒng)構(gòu)成外部防雷系統(tǒng)。該系統(tǒng)可避免LED 路燈因直擊雷引起火災(zāi)及人身安全事故。在空曠的地區(qū)，路燈遭遇直擊雷的概率相對(duì)較高，必須安裝燈桿接地系統(tǒng)。

2.2 開(kāi)關(guān)電源防雷

在城市中的路燈，遭遇直擊雷相對(duì)較少，一般路燈被雷擊損壞，是由傳導(dǎo)雷、感應(yīng)雷、開(kāi)關(guān)過(guò)電壓造成的。這三種雷擊防護(hù)電路可以在開(kāi)關(guān)電源中。

這三種雷擊主要是通過(guò)線路來(lái)侵害路燈設(shè)備，所以防護(hù)就要從設(shè)備的進(jìn)線端考慮。

2.2.1 LED 路燈開(kāi)關(guān)電源的防雷設(shè)計(jì)

以DC 24 V 開(kāi)關(guān)電源的防雷設(shè)計(jì)為例，開(kāi)關(guān)電源一般采用兩級(jí)防雷保護(hù)即可。電路如圖1 所示。

圖1 DC 24 V 電源線兩級(jí)防雷保護(hù)方案

電路第一級(jí)為保險(xiǎn)絲級(jí)，當(dāng)電流場(chǎng)超過(guò)1.5 A 時(shí)保險(xiǎn)絲就會(huì)截?cái)?，?dāng)電流減少到750 mA 時(shí)又可自動(dòng)恢復(fù)。保險(xiǎn)絲規(guī)格的選擇，需根據(jù)實(shí)際的負(fù)載大小來(lái)決定。

第二級(jí)為TVS 管瞬態(tài)電壓抑制管級(jí)，把電壓抑制在25 V 以下，在開(kāi)關(guān)電源的輸入端加裝此電路，經(jīng)過(guò)以上二級(jí)保護(hù)基本上可以防護(hù)一般感應(yīng)雷的雷擊對(duì)開(kāi)關(guān)電源所造成的損壞。

其他電壓等級(jí)開(kāi)關(guān)電源的防雷擊設(shè)計(jì)只需根據(jù)具體電壓選擇合適的自恢復(fù)保險(xiǎn)絲和瞬態(tài)電壓抑制管，即可達(dá)到防雷的要求。

2.2.2 信號(hào)控制器的防雷設(shè)計(jì)

亮化工程一般都會(huì)采用亮化信號(hào)控制器，控制器也會(huì)經(jīng)常遭到感應(yīng)雷擊而損壞。信號(hào)控制器的防雷電路如圖2 所示。

圖2 信號(hào)線三級(jí)防雷保護(hù)方案

電路第一級(jí)是放電管級(jí)，把140 V 以上的感應(yīng)雷電對(duì)地放電泄放掉，共模接法與差模接法配合，保證不管雷電從那根線進(jìn)來(lái)都可以泄放掉。

第二級(jí)為保險(xiǎn)絲級(jí)，雙保險(xiǎn)絲組合。當(dāng)電流超過(guò)340 mA 時(shí)保險(xiǎn)絲就會(huì)截?cái)?，?dāng)電流減少到140 mA 時(shí)又可自動(dòng)恢復(fù)。

第三級(jí)為TSS 管瞬態(tài)電壓抑制半導(dǎo)體放電管級(jí)，共模與差模接法配合把電壓抑制在6 V。

在信號(hào)控制器的信號(hào)輸入端和輸出端加裝此電路，經(jīng)過(guò)以上三級(jí)保護(hù)基本上可以避免一般感應(yīng)雷的雷擊危害。

2.2.3 PPTC 自動(dòng)恢復(fù)保險(xiǎn)絲簡(jiǎn)介

自恢復(fù)保險(xiǎn)絲(PPTC:高分子自恢復(fù)保險(xiǎn)絲)是一種正溫度系數(shù)聚合物熱敏電阻，有過(guò)流保護(hù)作用，可代替電流保險(xiǎn)絲。電路正常工作時(shí)它的阻值很小(壓降很小)，當(dāng)電路出現(xiàn)過(guò)流使它溫度升高時(shí)，阻值急劇增大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，使電路中的電流減小到安全值以下，從而使后面的電路得到保護(hù)，過(guò)流消失后自動(dòng)恢復(fù)為低阻值。其效果與開(kāi)關(guān)元件類似，只是響應(yīng)速度較慢。它有三種封裝形式:引線型、薄片型(帶型)和貼裝型。其外形如圖3 所示。

圖3 PPTC 的封裝形式

(1)PPTC 聚合物自恢復(fù)保險(xiǎn)絲由聚合物基體及使其導(dǎo)電的碳黑粒子組成。由于聚合物自恢復(fù)保險(xiǎn)絲為導(dǎo)體，其上會(huì)有電流通過(guò)，當(dāng)有過(guò)電流通過(guò)聚合物自恢復(fù)保險(xiǎn)絲時(shí)，產(chǎn)生的熱量(為I2R)使其膨脹，從而碳黑粒子將分開(kāi)，電阻上升。這將促使保險(xiǎn)絲更快地產(chǎn)生熱、膨脹，進(jìn)一步使電阻升高。當(dāng)溫度達(dá)到125 ℃時(shí)，電阻變化顯著，從而使電流明顯減小。此時(shí)流過(guò)聚合物自恢復(fù)保險(xiǎn)絲的小電流足以使其保持在這個(gè)溫度和處于高阻狀態(tài)。當(dāng)故障清除后，聚合物自恢復(fù)保險(xiǎn)絲收縮至原來(lái)的形狀重新將碳黑粒子聯(lián)結(jié)起來(lái)，從而降低電阻至規(guī)定的電流水平。上述過(guò)程可循環(huán)多次。

(2)PPTC 自恢復(fù)保險(xiǎn)絲的動(dòng)作原理是一種能量的動(dòng)態(tài)平衡，流過(guò)PPTC 元件的電流由于PPTC 的關(guān)系產(chǎn)生熱量，產(chǎn)生的熱量全部或部分散發(fā)到環(huán)境中，而沒(méi)有散發(fā)出去的熱量便會(huì)提高PPTC 元件的溫度。

(3)正常工作時(shí)的溫度較低，產(chǎn)生和散發(fā)的熱量平衡。PPTC 元件處于低阻狀態(tài)，PPTC 不動(dòng)作。當(dāng)流過(guò)PPTC 元件的電流增加或環(huán)境溫度升高，但產(chǎn)生和散發(fā)的熱量平衡時(shí)，PPTC 仍不動(dòng)作。當(dāng)電流或環(huán)境溫度再提高時(shí)，PPTC 會(huì)達(dá)到較高的溫度，若此時(shí)電流或環(huán)境溫度繼續(xù)增加，產(chǎn)生的熱量會(huì)大于散發(fā)出去的熱量，使PPTC 元件溫度驟增，在此階段，很小的溫度變化也會(huì)造成阻值的大幅提高，這時(shí)PPTC 元件處于高阻保護(hù)狀態(tài)。

3 小 結(jié)

LED 路燈的防雷保護(hù)不僅可以有效防止路燈由于雷擊而損壞，而且可以保護(hù)周圍人和其他物體的安全。此套方案已應(yīng)用于我公司LED 路燈防雷保護(hù)改造工程中，運(yùn)行兩年時(shí)間，防雷效果良好，安全、可靠。

［1］劉躍群.光源電器原理和應(yīng)用技術(shù)［M］.化學(xué)工業(yè)出版社，2003

［2］張肅文.高頻電子線路［M］.高等教育出版社，2006

［3］沈鴻.電機(jī)工程手冊(cè)［M］.第6 卷.機(jī)械工業(yè)出版社，1986