LED光源火災(zāi)危險(xiǎn)性探究

榮彥超

(中國(guó)人民警察大學(xué)，河北 廊坊 065000)

0 引言

LED光源(Light-emitting Diode)，是以發(fā)光二極管作為發(fā)光體的光源，其發(fā)光效率高、耗電量少、使用壽命長(zhǎng)，已逐步成為照明燈具中的主流。由于LED光源發(fā)熱量少，安全可靠性高，人們往往忽視其潛在的火災(zāi)危險(xiǎn)性。然而，由LED光源引發(fā)的火災(zāi)已經(jīng)出現(xiàn)。2014年7月15日，日本JR電車靜岡站地下廣場(chǎng)的噴泉設(shè)施有煙霧冒出，消防隊(duì)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后發(fā)現(xiàn)設(shè)施的LED燈在燃燒，起火原因?yàn)長(zhǎng)ED燈電源配線的接線板處由于電氣阻抗值的增大過(guò)熱。2015年湖南省張家界市武陵源建材市場(chǎng)某照明店發(fā)生嚴(yán)重火災(zāi)，經(jīng)調(diào)查，店面內(nèi)的LED照明燈具發(fā)生故障，引燃周圍可燃物造成火災(zāi)。由此可見(jiàn)，LED光源雖為冷光源，但并不是人們認(rèn)為的那樣安全。

目前，LED光源的火災(zāi)危險(xiǎn)性未得到足夠的重視，相較于白熾燈、碘鎢燈等傳統(tǒng)光源的火災(zāi)危險(xiǎn)性研究，有關(guān)LED光源的研究欠缺[1]。邸曼等人統(tǒng)計(jì)從1997年至2004年我國(guó)電氣火災(zāi)發(fā)生起數(shù)及起火源所占比例，對(duì)電氣火災(zāi)的原因作以詳細(xì)分析[2]；王海春分析導(dǎo)體連接不當(dāng)可能會(huì)引燃絕緣材料、可燃物質(zhì)及積落的可燃灰塵燃燒[3]；高偉等人得出銅導(dǎo)線在不同過(guò)載試驗(yàn)條件下的規(guī)律[4]；陳杰認(rèn)為當(dāng)前LED燈具散熱方案分為被動(dòng)散熱和主動(dòng)散熱，但室內(nèi)照明LED燈具受其體積大小、外觀要求、工作環(huán)境的限制影響，更多的還是采用自然散熱[5]；佟鑫對(duì)一款LED燈具進(jìn)行實(shí)際測(cè)溫，并運(yùn)用ANSYS軟件進(jìn)行溫度場(chǎng)模擬對(duì)比，校核了軟件模擬與參數(shù)選擇的準(zhǔn)確性[6]；羅永剛等人提出照明燈具需要選擇合適的位置，吸頂燈、嵌入式燈、燈槽應(yīng)用非燃材料石棉板做隔熱保護(hù)[7]。

本文通過(guò)類比傳統(tǒng)光源火災(zāi)危險(xiǎn)性的研究方法，分析LED光源的危險(xiǎn)性，探究LED日光燈容易發(fā)生電氣事故的故障點(diǎn)，可為L(zhǎng)ED光源火災(zāi)的調(diào)查工作提供理論基礎(chǔ)。

1 LED光源的構(gòu)造及發(fā)光機(jī)理

LED光源的核心部件就是發(fā)光二極管，也是LED光源的發(fā)光部件。發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)如圖1所示，就是在N型半導(dǎo)體上外延生長(zhǎng)P型層構(gòu)成，當(dāng)發(fā)光二極管正向偏置時(shí)，外加電場(chǎng)將削弱內(nèi)部電場(chǎng)，使得空間電荷區(qū)變窄，載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)。由于電子躍遷率總是遠(yuǎn)大于空穴的遷移率，因此電子由N區(qū)擴(kuò)散到P區(qū)是載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的主體。由半導(dǎo)體的能帶理論可知，當(dāng)導(dǎo)帶中的電子與價(jià)帶中的空穴復(fù)合時(shí)，電子由高能級(jí)躍遷到低能級(jí)，電子將多余的能量以發(fā)射光子的形式釋放出來(lái)，產(chǎn)生電子發(fā)光現(xiàn)象，結(jié)型二極管的發(fā)光區(qū)域?yàn)镻區(qū)。電子和空穴復(fù)合時(shí)放出能量及光子能量，取決于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg，放出的能量越大，發(fā)出的光輻射波長(zhǎng)也就越短。

圖1 典型LED結(jié)構(gòu)圖

在LED日光燈中，還有一個(gè)重要的結(jié)構(gòu)，即驅(qū)動(dòng)電源，主要部件為電壓轉(zhuǎn)換裝置。發(fā)光二極管所用電源為低電壓的直流電，紅黃光的發(fā)光二極管額定電壓一般為1.8～2.2 V，藍(lán)綠光的發(fā)光二極管額定電壓一般為3.0～3.6 V，而日常生活中的電源為220 V的交流電。因此，需要一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換裝置將220 V的交流電轉(zhuǎn)換成發(fā)光二極管所需的低壓直流電源。此裝置中，由于有高低電壓的轉(zhuǎn)換和交變電流，容易產(chǎn)熱，并且易發(fā)生電氣故障。

2 試驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)耗材及設(shè)備

試驗(yàn)耗材包括：LED日光燈(額定功率為3 W、10 W、30 W、60 W)及其燈具，多股銅導(dǎo)線，脫脂棉，紙殼。

試驗(yàn)設(shè)備包括：Fluke Ti400型紅外熱成像儀，電氣故障試驗(yàn)臺(tái)，Canon 700D型數(shù)碼相機(jī)。

2.2 試驗(yàn)方法

聚熱條件下燈體溫度試驗(yàn)共分4組，分別使用額定功率為3 W、10 W、30 W、60 W的LED日光燈，用紙殼和脫脂棉將燈泡裹覆，通電120 min，定時(shí)使用Fluke Ti400型紅外熱成像儀測(cè)量燈身溫度，記錄測(cè)量結(jié)果。由于試驗(yàn)所采用的LED日光燈主要由燈身玻璃和下部金屬片構(gòu)成，當(dāng)燈泡通電后，燈身玻璃和燈身金屬片溫度差距較大，因此分別測(cè)量燈身玻璃和金屬片溫度。每組共重復(fù)3次，剔除無(wú)效數(shù)據(jù)后取平均值記錄。

過(guò)電壓故障試驗(yàn)?zāi)MLED日光燈發(fā)生過(guò)電壓故障，共分為兩組：第一組試驗(yàn)分別將額定功率為3 W、10 W、30 W、60 W的LED日光燈接入380 V電壓的電源中，觀察燈泡現(xiàn)象；第二組使用額定功率為10 W的LED日光燈，接入電壓不同的電源，試驗(yàn)組電壓為380 V，對(duì)照組電壓為220 V。用紙殼和脫脂棉將燈裹覆，使用Fluke Ti400型紅外熱成像儀測(cè)量燈身溫度。每組共重復(fù)3次，剔除無(wú)效數(shù)據(jù)后取平均值記錄。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 聚熱條件下燈體溫度試驗(yàn)

在聚熱條件良好的情況下，測(cè)量燈體溫度，由于LED日光燈燈身主要分為金屬片和玻璃兩部分，測(cè)量結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 燈身玻璃表面溫度關(guān)系

圖3 燈身金屬片表面溫度關(guān)系

試驗(yàn)結(jié)果顯示：隨著通電時(shí)間的增加，燈體表面溫度逐漸升高，且一直保持上升趨勢(shì)；通電時(shí)間相同的情況下，燈體溫度隨著燈泡額定功率的提高而增加，通電時(shí)間120 min內(nèi)，3 W、10 W、30 W、60 W的LED日光燈燈體最高溫度分別為79.3 ℃、132.2 ℃、140.3 ℃和149.8 ℃。由于LED日光燈的下部由金屬片制成，上部為白色玻璃制成，燈體同一通電時(shí)間內(nèi)溫度并不相同，且燈體金屬片溫度大于燈體玻璃溫度。試驗(yàn)過(guò)程中，額定功率為3 W、10 W、30 W、60 W的LED日光燈的燈體金屬片溫度與玻璃溫度平均差值分別為13.6 ℃、22.0 ℃、26.9 ℃、16.3 ℃；10 W與3 W燈體金屬片的平均溫差為39.7 ℃，30 W與10 W燈體金屬片的平均溫差為7.2 ℃，60 W與30 W燈體金屬片的平均溫差為7.7 ℃。由圖4可以看到，LED日光燈身金屬片平均溫度約是玻璃溫度的1.1～1.4倍，燈體金屬片部位的火災(zāi)危險(xiǎn)性更大。

圖4 燈身金屬片與玻璃溫度比及最高溫度分布情況

3.2 過(guò)電壓故障試驗(yàn)

本試驗(yàn)分為兩組，第一組試驗(yàn)分別將額定功率為3 W、10 W、30 W、60 W的LED日光燈接入380 V電壓的電源中，觀察燈泡變化，結(jié)果見(jiàn)表1。

試驗(yàn)結(jié)果表明：不同額定功率LED日光燈的耐壓情況不同，隨著額定功率的升高，燈泡處于過(guò)電壓故障下火災(zāi)危險(xiǎn)性不斷提高。3 W、10 W的LED日光燈可以適用于380 V的電壓中，并不會(huì)由于電壓激增導(dǎo)致電容擊穿，致使燈泡損壞。

對(duì)于3 W的燈影響較小未見(jiàn)明顯異常；10 W的燈體表面溫度明顯增高，燈泡的亮度提升，且試驗(yàn)結(jié)束將試驗(yàn)組燈泡冷卻至常溫，可以觀察到燈泡表面有一層深棕色物質(zhì)覆蓋，同時(shí)燈泡內(nèi)部的玻璃表面覆蓋一層濃密的小液滴，覆蓋范圍較大。事實(shí)上由于實(shí)際電壓的激增，燈泡產(chǎn)生了非正常性發(fā)光，使用壽命減少。

表1 過(guò)電壓故障第一組試驗(yàn)現(xiàn)象

對(duì)于30 W的LED日光燈來(lái)說(shuō)，380 V的電壓已經(jīng)足夠破壞燈泡，平均通電7 s后，燈泡熄滅，但是未見(jiàn)其他異常，測(cè)量燈體表面溫度后，發(fā)現(xiàn)燈體金屬片平均溫升為7 ℃，無(wú)火災(zāi)危險(xiǎn)性。由圖5可以看到，接入380 V電壓后，30 W的LED日光燈只有一個(gè)受損部件(圖中已用紅圈標(biāo)出)，該部件為VDR07D471K，是一種壓敏電阻，可以隨著加載電壓的變化而改變自身電阻值。該壓敏電阻受到破壞，產(chǎn)生電氣故障，同時(shí)旁邊的電氣元件表面有輕微煙熏，內(nèi)部未受損。3組重復(fù)試驗(yàn)燈受損部件都為VDR07D471K，這種壓敏電阻對(duì)于電壓的承受范圍限制著燈的承壓范圍。

圖5 30 W的LED日光燈接入380 V電壓電源后電壓轉(zhuǎn)換裝置圖

對(duì)于60 W的LED日光燈，380 V的電壓可以瞬間破壞燈的電源轉(zhuǎn)換裝置，將電容擊穿，同時(shí)發(fā)出巨大響聲，電壓轉(zhuǎn)換裝置體表分布濃重?zé)熝?如圖6)，整個(gè)裝置多處電氣元件受損，火災(zāi)危險(xiǎn)性較高。

圖6 60 W的LED日光燈接入380 V電壓電源后電壓轉(zhuǎn)換裝置圖

第二組試驗(yàn)使用額定功率為10 W的LED日光燈，接入電壓不同的電源，試驗(yàn)組電壓為380 V，對(duì)照組電壓為220 V。使用紙殼和脫脂棉將燈裹覆，測(cè)量燈身溫度。

第二組試驗(yàn)中試驗(yàn)組和對(duì)照組的燈泡表面溫度都會(huì)隨著通電時(shí)間的增加而導(dǎo)致溫度不斷升高，如圖7和圖8所示。由圖7可知，通電120 min內(nèi)，試驗(yàn)組燈身金屬片的最高溫度為144.8 ℃，試驗(yàn)組燈身玻璃表面最高溫度為103.5 ℃；對(duì)照組燈身金屬片的最高溫度為131.9 ℃，對(duì)照組燈身玻璃的最高溫度為92.6 ℃。圖8是試驗(yàn)組與對(duì)照組玻璃和金屬片的溫度差值，可以看到，通電初期試驗(yàn)組的燈泡升溫速率遠(yuǎn)大于對(duì)照組，為不正常升溫，隨著通電時(shí)間的增加，溫度差值逐漸減小，呈下降趨勢(shì)。這是因?yàn)樵囼?yàn)初期燈體溫度較低，散熱較少，而試驗(yàn)組產(chǎn)熱較高，試驗(yàn)組燈身的升溫速率較高，溫升較快，但30 min后，由于聚熱條件有限、燈體溫度與室溫差距較大等條件的制約，日光燈燈體溫度較高，散熱較多，因此試驗(yàn)組燈身溫升速率降低，兩者溫差減少。

3.3 結(jié)果與問(wèn)題討論

由上述數(shù)據(jù)可知，聚熱條件良好時(shí)，通電120 min內(nèi)3 W、10 W、30 W、60 W的LED日光燈燈體最高溫度分別為79.3 ℃、132.2 ℃、140.3 ℃和149.8 ℃；過(guò)電壓故障情況下10 W LED日光燈燈體最高溫度可以達(dá)到144.8 ℃。對(duì)比一些常見(jiàn)低燃點(diǎn)可燃物的燃點(diǎn)(表2)可知，紙張的燃點(diǎn)只有130 ℃，當(dāng)聚熱條件良好，發(fā)生過(guò)電壓等故障時(shí)，LED燈體表面溫度將會(huì)高于紙張燃點(diǎn)，足以將其引燃。由此可以明確，LED日光燈具備火災(zāi)危險(xiǎn)性，在條件適宜時(shí)，能夠引燃紙張、賽璐珞等一些生活中常見(jiàn)的低燃點(diǎn)可燃物，甚至導(dǎo)致爆炸。

圖7 試驗(yàn)組與對(duì)照組燈體溫度分布

圖8 試驗(yàn)組與對(duì)照組燈體溫度差

表2 部分低燃點(diǎn)可燃物的燃點(diǎn)

另外，經(jīng)市場(chǎng)調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，市面上的LED燈具有40%～50%未達(dá)到相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，為不合格燈具。它們往往存在著諸多問(wèn)題，如電壓轉(zhuǎn)換裝置上的電氣元件不達(dá)標(biāo)，使其無(wú)法在要求工作范圍正常工作，其承受電壓、電流的波動(dòng)能力會(huì)大大降低，從而導(dǎo)致這種劣質(zhì)的燈具更容易發(fā)生電氣故障，火災(zāi)危險(xiǎn)性較大。

4 結(jié)論

本文通過(guò)模擬散熱不良、過(guò)電壓故障等常見(jiàn)故障，對(duì)LED光源進(jìn)行研究得到如下結(jié)論：(1)在聚熱條件良好的情況下，LED日光燈燈身最高溫度為金屬片溫度，其溫度為玻璃溫度的1.1～1.4倍。(2)在聚熱條件良好的情況下，額定功率為3 W、10 W、30 W、60 W燈體最高溫度分別為79.3 ℃、132.2 ℃、140.3 ℃和149.8 ℃，其中10 W、30 W、60 W燈體最高溫度高于紙張燃點(diǎn)，可以引燃紙張，具備火災(zāi)危險(xiǎn)性。(3)在過(guò)電壓故障情況下，LED日光燈在通電初期溫度急劇升高，并且隨著LED日光燈額定功率的提升，燈泡的火災(zāi)危險(xiǎn)性逐步上升。(4)在過(guò)電壓故障情況下，額定功率為10 W的LED日光燈燈體最高溫度可以達(dá)到144.8 ℃，高于紙張燃點(diǎn)，可以引燃紙張，具備火災(zāi)危險(xiǎn)性。