LED 路燈防雷設計

2015-11-18 13:16:54孫波

燈與照明 2015年1期

孫波

(無錫市照明工程有限公司，江蘇無錫 214000)

0 引言

雷擊是一種自然天氣現象，但是有可能對人們的日常生活造成巨大的影響，因此，在城市建設中，比較高的金屬建筑物及公共設施都要考慮防雷、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。傳統的路燈采用電感鎮流器，電感鎮流器有著抑制電壓突變的功能，所以傳統的路燈抗雷擊能力較強。由于LED 路燈采用開關電源進行驅動，抗雷擊能力較弱，輕則導致路燈損壞，重則引起火災或者人員的傷亡。文章將詳細介紹一套LED 路燈防雷的設計方案。

1 雷擊的類型

1.1 直擊雷

直擊雷蘊含極大的能量，峰值電壓可達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，以目前的科學技術，路燈難以抵抗直接雷的損壞。

1.2 傳導雷

遠處的雷電擊中線路或因電磁感應產生的極高電壓，由室外電源線路和通信線路傳至路燈設備中。

1.3 感應雷

感應雷(二次雷)主要是雷電活動時，在路燈設備的電源和信號線路上由于靜電感應或者電磁感應而產生一個突峰電壓或突峰電流從而影響或破壞路燈設備。

1.4 開關過電壓

供電系統中的電感性和電容性負載的開啟或斷開、電源線路短路等，都能在電源線路上產生脈沖高電壓，脈沖高電壓可達額定電壓的3 到5 倍，可嚴重損壞路燈設備，破壞效果與雷擊類似。

雷擊的種類一般分為以上四種，LED 路燈的防雷設計需兼顧以上的雷擊類型。

2 防雷方案

LED 路燈的防雷設計應采用燈桿防雷和開關電源防雷相結合的方案，才能可靠、有效地保護LED路燈。

2.1 燈桿防雷

目前，一般路燈均采用金屬燈桿，燈桿本身就是一個良好的避雷針，在設計上必須安裝接地線，與大地可靠連接，接地電阻應小于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，組成一個大型的接地網絡，減小接地電阻，近一步保證接地的可靠性。這些接地系統構成外部防雷系統。該系統可避免LED 路燈因直擊雷引起火災及人身安全事故。在空曠的地區，路燈遭遇直擊雷的概率相對較高，必須安裝燈桿接地系統。

2.2 開關電源防雷

在城市中的路燈，遭遇直擊雷相對較少，一般路燈被雷擊損壞，是由傳導雷、感應雷、開關過電壓造成的。這三種雷擊防護電路可以在開關電源中。

這三種雷擊主要是通過線路來侵害路燈設備，所以防護就要從設備的進線端考慮。

2.2.1 LED 路燈開關電源的防雷設計

以DC 24 V 開關電源的防雷設計為例，開關電源一般采用兩級防雷保護即可。電路如圖1 所示。

圖1 DC 24 V 電源線兩級防雷保護方案

電路第一級為保險絲級，當電流場超過1.5 A 時保險絲就會截斷，當電流減少到750 mA 時又可自動恢復。保險絲規格的選擇，需根據實際的負載大小來決定。

第二級為TVS 管瞬態電壓抑制管級，把電壓抑制在25 V 以下，在開關電源的輸入端加裝此電路，經過以上二級保護基本上可以防護一般感應雷的雷擊對開關電源所造成的損壞。

其他電壓等級開關電源的防雷擊設計只需根據具體電壓選擇合適的自恢復保險絲和瞬態電壓抑制管，即可達到防雷的要求。

2.2.2 信號控制器的防雷設計

亮化工程一般都會采用亮化信號控制器，控制器也會經常遭到感應雷擊而損壞。信號控制器的防雷電路如圖2 所示。

圖2 信號線三級防雷保護方案

電路第一級是放電管級，把140 V 以上的感應雷電對地放電泄放掉，共模接法與差模接法配合，保證不管雷電從那根線進來都可以泄放掉。

第二級為保險絲級，雙保險絲組合。當電流超過340 mA 時保險絲就會截斷，當電流減少到140 mA 時又可自動恢復。

第三級為TSS 管瞬態電壓抑制半導體放電管級，共模與差模接法配合把電壓抑制在6 V。

在信號控制器的信號輸入端和輸出端加裝此電路，經過以上三級保護基本上可以避免一般感應雷的雷擊危害。

2.2.3 PPTC 自動恢復保險絲簡介

自恢復保險絲(PPTC:高分子自恢復保險絲)是一種正溫度系數聚合物熱敏電阻，有過流保護作用，可代替電流保險絲。電路正常工作時它的阻值很小(壓降很小)，當電路出現過流使它溫度升高時，阻值急劇增大幾個數量級，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，過流消失后自動恢復為低阻值。其效果與開關元件類似，只是響應速度較慢。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 聚合物自恢復保險絲由聚合物基體及使其導電的碳黑粒子組成。由于聚合物自恢復保險絲為導體，其上會有電流通過，當有過電流通過聚合物自恢復保險絲時，產生的熱量(為I2R)使其膨脹，從而碳黑粒子將分開，電阻上升。這將促使保險絲更快地產生熱、膨脹，進一步使電阻升高。當溫度達到125 ℃時，電阻變化顯著，從而使電流明顯減小。此時流過聚合物自恢復保險絲的小電流足以使其保持在這個溫度和處于高阻狀態。當故障清除后，聚合物自恢復保險絲收縮至原來的形狀重新將碳黑粒子聯結起來，從而降低電阻至規定的電流水平。上述過程可循環多次。

(2)PPTC 自恢復保險絲的動作原理是一種能量的動態平衡，流過PPTC 元件的電流由于PPTC 的關系產生熱量，產生的熱量全部或部分散發到環境中，而沒有散發出去的熱量便會提高PPTC 元件的溫度。

(3)正常工作時的溫度較低，產生和散發的熱量平衡。PPTC 元件處于低阻狀態，PPTC 不動作。當流過PPTC 元件的電流增加或環境溫度升高，但產生和散發的熱量平衡時，PPTC 仍不動作。當電流或環境溫度再提高時，PPTC 會達到較高的溫度，若此時電流或環境溫度繼續增加，產生的熱量會大于散發出去的熱量，使PPTC 元件溫度驟增，在此階段，很小的溫度變化也會造成阻值的大幅提高，這時PPTC 元件處于高阻保護狀態。