淺談LED防爆燈照明技術(shù)與光輻射標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)判及測(cè)量

(華榮科技股份有限公司,上海 201808)

1 引言

改革開放以來，我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展取得了巨大成就，尤其是電力，冶金，石化等行業(yè)得到了快速發(fā)展，造就了煤炭、石油、化工行業(yè)經(jīng)營狀況良好和飛速發(fā)展。同時(shí)，煤炭、石油、化工行業(yè)對(duì)安全生產(chǎn)和生產(chǎn)效率越來越重視，在許多易燃易爆場(chǎng)所的操作室、生產(chǎn)車間、倉庫等需要良好的照明環(huán)境才能保證正常的生產(chǎn)和工作。防爆燈具的光源先后經(jīng)歷了白熾燈、熒光燈、高強(qiáng)度氣體放電(HID)燈三個(gè)時(shí)代。同時(shí)隨著照明技術(shù)的發(fā)展，特別是LED照明光源的出現(xiàn)，LED作為第四代新光源,具有優(yōu)越的節(jié)能環(huán)保、壽命長(zhǎng)、高顯色性、能見度高、瞬時(shí)啟動(dòng)、安全可靠、耐振動(dòng)及體積小等優(yōu)點(diǎn)，并能在寬電壓范圍下驅(qū)動(dòng)燈亮，實(shí)現(xiàn)從純白色到接近日光色的色溫[1]。LED照明被譽(yù)為21世紀(jì)之光，正推動(dòng)著第四波照明革命。

LED照明因?yàn)楣?jié)能、環(huán)保的優(yōu)勢(shì)將占據(jù)照明市場(chǎng)的主導(dǎo)地位。但是由于LED燈具亮度高，輻射能量大，其光輻射引起點(diǎn)燃的可能性也更大[2]。隨著國際國內(nèi)光輻射研究的深入以及各種光輻射標(biāo)準(zhǔn)的制定,LED防爆燈光源的光輻射安全問題越來越為人們所關(guān)注。目前世界上許多國家或地區(qū)都在不斷完善LED防爆燈光輻射安全性要求、光輻射的安全標(biāo)準(zhǔn)和探討光輻射危害。對(duì)各種光源尤其是LED防爆燈進(jìn)行光輻射檢測(cè)和評(píng)估將成為一種趨勢(shì)。

國際電工委員會(huì)IEC TC31工作組于2006年發(fā)布了IEC 60079-28標(biāo)準(zhǔn)，并于2015年對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了更新。目前，ATEX和IECEx認(rèn)證對(duì)部分LED防爆燈具的光輻射檢測(cè)已是強(qiáng)制要求，但國內(nèi)防爆認(rèn)證對(duì)于光輻射還未作要求，爆炸危險(xiǎn)環(huán)境光輻射系統(tǒng)的國家標(biāo)準(zhǔn)正在推出[3]。

2 LED防爆燈具有如下性能特點(diǎn)

(1)高效節(jié)能，在同樣照明效果的情況下，其耗能遠(yuǎn)低于白熾燈、熒光燈、高壓鈉燈、金屬鹵化物燈等傳統(tǒng)光源，僅為熒光燈的二分之一，白熾燈的十分之一；相同照明效果比傳統(tǒng)光源節(jié)能60%以上。

(2)超長(zhǎng)壽命。LED光源平均使用壽命一般為50000～100000小時(shí)；整燈平均使用壽命一般為50000小時(shí)以上； 極大地降低了燈具的維護(hù)費(fèi)用,避免在石油開采等檢修更換困難的特殊場(chǎng)所經(jīng)常換燈要拉閘停電等一系列的麻煩。

(3)固體發(fā)光，抗震性能好，耐沖擊，牢固可靠， LED被完全封裝在環(huán)氧樹脂或硅膠里面，燈體內(nèi)沒有松動(dòng)的部分，使得LED不易損壞。

(4)免維護(hù)，綠色環(huán)保，光源中不含有汞、鈉等有害金屬元素，光譜中沒有紫外線和紅外線，熱量低，無頻閃，容易回收，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，屬于典型的綠色照明光源。

(5)有很強(qiáng)的發(fā)光方向性，光通量利用率高，且體積小， LED防爆燈具易于外觀設(shè)計(jì)和光強(qiáng)分布的控制。

(6)可采用直流低壓供電，安全可靠。

(7)不受啟動(dòng)溫度限制，可瞬態(tài)啟動(dòng)，一般為幾個(gè)ms，且能瞬態(tài)達(dá)到全光通量輸出。

(8)光色柔和,無眩光,配光簡(jiǎn)單:LED封裝時(shí)可以做成色溫不同的顏色,色溫范圍廣可以根據(jù)用戶要求在3700～8000K 之間靈活選擇。LED顯色指數(shù)可達(dá)70以上,燈具發(fā)光顏色更接近于自然光。

3 LED光源在工業(yè)照明防爆燈中的應(yīng)用

由于LED光源的諸多優(yōu)點(diǎn),LED照明已經(jīng)在安全生產(chǎn)的區(qū)域中得到了廣泛的應(yīng)用,并發(fā)揮了不可替代的作用,像LED路燈、LED泛光燈、LED工礦燈、支架式LED燈管等已經(jīng)得到了普及。近年來LED防爆燈具在防爆領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。對(duì)石油開發(fā)，煉油，化工等爆炸性危險(xiǎn)環(huán)境的場(chǎng)所的節(jié)能,提高安全生產(chǎn),降低成本具有重大意義。

目前,工業(yè)照明防爆燈中所使用的LED光源主要分為兩大類：?jiǎn)涡酒?single die)獨(dú)立封裝和多芯片陣列(multi-die array)集成封裝。

單芯片獨(dú)立封裝的LED功率較小，目前在1～5W居多，其中1W的應(yīng)用最多。單個(gè)功率較小的LED應(yīng)用靈活，可以通過光學(xué)設(shè)計(jì)得到理想的照明效果，但是單個(gè)光源的總光通量輸出量較小，如果要做成大功率燈具，必須要數(shù)十個(gè)甚至一百多個(gè)1W的LED,這個(gè)排布對(duì)光源的散熱是有利的，不利之處是產(chǎn)品零件較多，導(dǎo)致產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，產(chǎn)品的重量和安裝成本增加。

相比之下，采用多芯片陣列集成封裝(COB)，將多個(gè)芯片封裝在同一個(gè)光源模塊中提高單一光源的總輸出光通量，有效的降低了LED燈具的設(shè)計(jì)制造難度，目前，各個(gè)廠商生產(chǎn)了不同規(guī)格的COB光源，有圓形，方形，長(zhǎng)條形等以滿足不同的應(yīng)用需求，在單個(gè)光源模塊中集成的芯片數(shù)量從數(shù)十到幾百個(gè)不等，單一光源輸出的光通量可以達(dá)到數(shù)百流明至數(shù)千流明。如CREE的XLamp CXA 1816/1820，在驅(qū)動(dòng)電流在分別在450mA,550mA時(shí)光通量可以達(dá)到2100lm和2600lm。集成式LED結(jié)構(gòu)緊湊，便于安裝更換，然而由于熱量集中，散熱比較困難，如果散熱不充分，會(huì)導(dǎo)致LED的結(jié)溫過高，影響光效和使用壽命。

LED的固有安全特性是指利用LED的功率或能量超標(biāo)引發(fā)的故障保護(hù)功能，防止?jié)撛诒ㄐ原h(huán)境中有超強(qiáng)的光輻射強(qiáng)度。其基本原理是流經(jīng)LED的電流過大會(huì)引起LED光通量衰減，導(dǎo)致其光輻射強(qiáng)度下降，同時(shí)，由于LED的熱效應(yīng)，在LED的發(fā)光功率上升至一定程度會(huì)導(dǎo)致LED發(fā)生故障而自動(dòng)熄滅[4]。

同時(shí)，出于亮度考慮，一般將多顆固有安全型LED排布成陣列，形成LED燈具的光源。LED陣列有串聯(lián)連接、并聯(lián)連接和串并聯(lián)組合連接三種方式，三種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。無論采取何種連接方式，都應(yīng)采用同一批次的LED作為負(fù)載，保證LED特性的一致性，降低由于LED電氣特性生差異引發(fā)的故障[5]。

4 LED防爆燈要有合理的驅(qū)動(dòng)電源

眾所周知，LED是可長(zhǎng)壽命工作的光源，但LED防爆照明燈具是否能夠長(zhǎng)壽命穩(wěn)定工作，還取決于與之相匹配的電源質(zhì)量。這也是限制很多LED燈具制造廠家的技術(shù)瓶頸。因此要保證大功率LED防爆燈具可靠應(yīng)用，電源的適用性設(shè)計(jì)不可或缺。 LED防爆燈具在驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮解決好以下幾個(gè)問題。

(1)電源必須具有高可靠性、高效率驅(qū)動(dòng)(電源效率超過90%以上),具有高功率因數(shù)； LED防爆燈具在石化行業(yè)長(zhǎng)期使用,維修很困難,可靠性必須得以保證。高的電源效率,耗損功率自然就小,也就降低了燈具的溫升,對(duì)延緩 LED的光衰能提供同步的輔助作用，電源應(yīng)能提供自動(dòng)恒功率控制和光通量補(bǔ)償，自動(dòng)調(diào)整功率使用并減少故障率及提高整體系統(tǒng)的穩(wěn)定度和光通量的輸出。

(2)寬范圍輸入電壓恒功率輸出,電路要具備開路、短路保護(hù)、防浪涌保護(hù)等功能，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)自動(dòng)保護(hù)，防止光源或電源因系統(tǒng)故障造成元件損壞，當(dāng)系統(tǒng)故障解除時(shí)則停止保護(hù)，正常輸出工作，保證燈具的正常使用。 由石油開采、煉油、海洋平臺(tái)、鉆井平臺(tái)等場(chǎng)所下電壓波動(dòng)較大,燈具要能滿足在 100～300V范圍內(nèi)正常工作;LED抗浪涌的能力是比較差的,特別是抗反向電壓能力。這方面的保護(hù)在電路設(shè)計(jì)時(shí)也很重要。由于電網(wǎng)負(fù)載的頻繁啟用和雷擊的感應(yīng),從電網(wǎng)系統(tǒng)會(huì)侵入各種浪涌,有些浪涌會(huì)導(dǎo)致 LED的損壞。因此 LED驅(qū)動(dòng)電源有抑制浪涌的侵入,保護(hù)LED不被損壞的能力。電源除了常規(guī)的保護(hù)功能外,最好在恒流輸出中增加 LED溫度負(fù)反饋,防止LED溫度過高。

(3)電源要具備其他電氣性能;石化行業(yè)環(huán)境惡劣,燈具要防水、防潮;驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)使用壽命要與 LED的壽命相適配;

(4)電源的電磁兼容、諧波含量要求。LED的驅(qū)動(dòng)電源為電子類電源，為了保證應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)不會(huì)影響其他電子設(shè)備的工作，要求驅(qū)動(dòng)電源必須滿足國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電磁兼容等性能的要求，附表是華榮科技股份有限公司防爆LED燈電磁兼容及諧波電流限值的部分檢測(cè)報(bào)告。

圖1 LED燈具諧波

(5)對(duì)于Ga保護(hù)級(jí)別和Gb保護(hù)級(jí)別的LED防爆燈具，需要考慮LED驅(qū)動(dòng)電源在其正常工作以及故障狀態(tài)下，LED的光輻射強(qiáng)度均不會(huì)超過標(biāo)準(zhǔn)的限值?？稍贚ED驅(qū)動(dòng)電路的后端設(shè)置過流保護(hù)電路，以確保驅(qū)動(dòng)電路在任何狀態(tài)下流經(jīng)LED陣列的電流不會(huì)超過限值，過流保護(hù)電路的可靠性至關(guān)重要[6]。過流保護(hù)一般應(yīng)用電流控制環(huán)的原理來實(shí)現(xiàn)。

5 LED防爆燈光輻射標(biāo)準(zhǔn)的淺析

5.1 光輻射的點(diǎn)燃機(jī)理和其標(biāo)準(zhǔn)的保護(hù)原理[7]

研究表明，激光、LED、光纖等光輻射對(duì)爆炸性環(huán)境的點(diǎn)燃機(jī)理有以下四種：

圖2 LED燈具電磁兼容

(1)輻射被設(shè)備表面或浮塵吸收后，可能會(huì)因溫度升高進(jìn)而達(dá)到點(diǎn)燃溫度；

(2)可燃性氣體通過吸收同波段的光波，可能會(huì)引起熱點(diǎn)燃；

(3)短波輻射(如紫外線)能光解空氣中的氧，可能引起光-化學(xué)點(diǎn)燃；

(4)激光燈強(qiáng)光聚焦可引起氣體衰變導(dǎo)致氣體分解，可能產(chǎn)生引起點(diǎn)燃的能量；

此外，當(dāng)環(huán)境存在吸收物質(zhì)，如強(qiáng)光聚焦在某固體物質(zhì)時(shí)，會(huì)顯著加大點(diǎn)燃的可能；

因此2006年，國際電工委員會(huì)根據(jù)光輻射對(duì)可燃性環(huán)境的點(diǎn)燃機(jī)理，以及對(duì)光輻射點(diǎn)燃的保護(hù)原理，發(fā)布了IEC 60079-28的標(biāo)準(zhǔn)，并在2015年發(fā)布了該標(biāo)準(zhǔn)的第二版。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了對(duì)光學(xué)設(shè)備的結(jié)構(gòu)要求，相應(yīng)的保護(hù)原理，并定義了光輻射保護(hù)等級(jí)，以及在認(rèn)證和測(cè)試這這些光學(xué)設(shè)備和光學(xué)傳輸系統(tǒng)②的評(píng)估與測(cè)試方法，以保護(hù)和限制用于光輻射的設(shè)備和傳輸系統(tǒng)的輻射能量。由此，電氣設(shè)備在爆炸性環(huán)境中的保護(hù)型式由原先的9種增加到了10種③。

5.2 LED燈具的光輻射標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)判措施和測(cè)量方法(光輻射安全評(píng)價(jià)指標(biāo))[7]

由于紫外線光解及氣體原子直接吸收光能的情況極其罕見④，因此，在EN/IEC60079-28的標(biāo)準(zhǔn)中只考慮設(shè)備表面、空氣浮塵和強(qiáng)光聚焦在固體材料上的影響，并根據(jù)可燃環(huán)境最小點(diǎn)燃能量和結(jié)合其他的防爆型式，確立了以下7種對(duì)LED設(shè)備光輻射的適用范圍：

(1)低強(qiáng)度的非陣列而集中的輻射，如指示性質(zhì)的或背光性質(zhì)的光源等；

(2)連續(xù)且發(fā)散的，或保護(hù)級(jí)別為Gc/Dc級(jí)的LED光源；

(3)輻射被限制在封閉(遮光)殼內(nèi)，且外殼符合相關(guān)防爆型式(如隔爆型、正壓型、限制呼吸型、粉塵防護(hù)、及IP6X的外殼等)

(4)LED為固有安全元件(輻照度低于5mW/mm2)，可用于所有設(shè)備；

選用10只LED顆粒，依此施加電流發(fā)光，使主要光束貼近并通過一直徑為3～4mm的圓孔，用光功率計(jì)測(cè)量光功率，然后逐漸提高電流，使其光功率逐漸升高，直到升至最高點(diǎn)并開始下降，記錄10只LED中測(cè)得的最高光功率值。當(dāng)光功率最高值/通孔面積，求出輻照度，若不超過5mW/mm2，則通過評(píng)定。

(5)輻射功率/輻照度限值[7];

測(cè)量?jī)x器：光功率計(jì)、光譜分析儀，或單色光傳感器等。

測(cè)量方法：給光源施加電流，使光束的最強(qiáng)部分通過一面積小于100mm2的孔，測(cè)量穿過該孔的光功率，然后求得輻照度值。

①輻射功率低于15mW，或輻照度低于5mW/mm2，可用于所有設(shè)備；對(duì)驅(qū)動(dòng)要求為四種方式之一：

(a)設(shè)備實(shí)際電路驅(qū)動(dòng)：根據(jù)設(shè)備EPL級(jí)別，參考本安電路對(duì)設(shè)備驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行故障分析，然后輸入理論最大電功率，在設(shè)備工作溫度下測(cè)量最大光功率；

(b)可調(diào)電源驅(qū)動(dòng)：根據(jù)設(shè)備EPL級(jí)別，參考本安電路對(duì)電路故障進(jìn)行分析，然后用可調(diào)電源輸入理論最大電功率，在設(shè)備工作溫度下測(cè)量最大光功率；

(c)可調(diào)電源驅(qū)動(dòng)：選10個(gè)樣品，然后用可調(diào)電源輸入無限制電流，測(cè)得最大的光功率

(d)可調(diào)電源驅(qū)動(dòng)：以b計(jì)算出的最大電功率作為該光源的最大光功率；

②輻射功率低于35mW，可用于IIC/T4或IIB、IIA設(shè)備；

一般而言，由于照明燈具的功率遠(yuǎn)超過35mW，因此輻射功率限值的意義僅在儀表指示燈之類的設(shè)備，但又由于其非陣列的指示用途，可免于參照本標(biāo)準(zhǔn)。

(6)輻射面積限值[7];

①當(dāng)受輻射表面積超過400mm2時(shí),可通過測(cè)量輻射表面最高溫度，用溫度組別的方式替代輻射功率或輻照度的限制。對(duì)于LED燈具來說，有專門的光源腔對(duì)LED進(jìn)行保護(hù)，不同防爆型式的光源腔，有效光源輻射面位置不同(有效光源輻射面是指直接與可燃物接觸的發(fā)光表面)。對(duì)于隔爆型“d”、限制呼吸型“nR”以及粉塵防爆的外殼防護(hù)型“t”的光源腔，其有效的光源輻射面是在LED燈具的透明件表面。對(duì)于本質(zhì)安全型“i”和無火花型“nA”的光源腔，其有效的光源輻射面在LED的表面。而對(duì)于將LED進(jìn)行澆封的LED燈具，其有效的光源輻射面在澆封復(fù)合物的表面。

②當(dāng)受輻射表面積小于130mm2時(shí),輻射功率的限值最大為400mW；

(7)通過在特定氣體的點(diǎn)燃試驗(yàn)。

以上評(píng)估依據(jù)中，對(duì)(1)、(2)和(3)條可依據(jù)結(jié)構(gòu)評(píng)估等方式判定是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求，而對(duì)(4)、(5)、(6)條又可合并為對(duì)光功率/輻照度的測(cè)量，而對(duì)7)條類似與隔爆點(diǎn)燃原理。

(a)lm是光(準(zhǔn)確的說是指可見光)的功率單位，準(zhǔn)確的說，是指人眼感覺到的可見光的能量，也叫光通量?？梢姽獾牟ǘ螢?80～780nm，研究表明，人眼對(duì)波長(zhǎng)為555nm的光(差不多位于可見光的中段，光色黃中偏綠)最敏感，此時(shí)1W的電能如果全部轉(zhuǎn)換為555nm的光，其光通量為683lm,然后隨著波長(zhǎng)的偏離，人眼敏感度越來越低。如1W電能完成轉(zhuǎn)換為500nm的光為221lm,450nm為261lm,而當(dāng)1W電能全部轉(zhuǎn)為400nm的光時(shí)，光通量還不到0.31lm,已經(jīng)幾乎看不見了。

(b)光學(xué)傳輸設(shè)備通常指含光纖設(shè)備，光纖設(shè)備的保護(hù)原理分為結(jié)構(gòu)保護(hù)(標(biāo)志為op pr)，和開蓋連鎖防護(hù)(標(biāo)志為op sh)。

(c)這10種防爆型式依次為：d/e/n/m/o/p/i/q/t和op is/pr/sh.

對(duì)于光纖以外的LED燈具或激光等光輻射設(shè)備，其保護(hù)原理不依賴于其他保護(hù)措施，而是從源頭上限制光輻射的能量，具有最高的安全等級(jí)，因此也歸于固有安全型，也即光輻射的本質(zhì)安全型。為了將其與電路的本安型(Ex i)區(qū)分開來,故將本標(biāo)準(zhǔn)的防爆標(biāo)志定為“op is”。

(d)光纖設(shè)備而言，其保護(hù)措施通常都是采用鋼纜護(hù)套包覆，或埋入地下溝渠等方式，由于本文重點(diǎn)在于對(duì)LED照明的光輻射標(biāo)準(zhǔn)。

6 結(jié)束語

LED防爆燈為爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所的人們提供了良好舒適的照明環(huán)境、除了有良好的視覺效果外，還應(yīng)正確評(píng)估造成潛在光輻射傷害的可能性，并能預(yù)先防范危害的發(fā)生。隨著光輻射安全研究的深入和光輻射安全標(biāo)準(zhǔn)的推廣普及，光輻射安全將在越來越多的領(lǐng)域里引起重視，尤其對(duì)于照明要求較高的防爆危險(xiǎn)環(huán)境場(chǎng)所，比如石油開發(fā)，煉油，化工、航空照明等，光輻射安全問題已經(jīng)引起了一定程度的重視。然而安全的保障除了產(chǎn)品本身的性能和質(zhì)量外，還有賴于合理的選型、正確的使用和維護(hù)。希望大家都能遠(yuǎn)離危險(xiǎn)，擁有安全。