高壓直流供電在LED路燈中的應(yīng)用前景

任新彪

摘 要：本文針對(duì)LED路燈電源故障頻發(fā)現(xiàn)狀，分析LED路燈工作原理，提出一種高壓直流供電方式用于改變?cè)摤F(xiàn)狀并延長LED路燈使用壽命，以及分析此種方式的優(yōu)點(diǎn)及改造過程中可能遇到的問題。

關(guān)鍵詞：LED路燈；高壓直流；穩(wěn)定安全

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.13.161

隨著大功率發(fā)光二極管（LED）光源技術(shù)的進(jìn)步，LED路燈已經(jīng)在很多城市逐漸替代傳統(tǒng)的高壓鈉燈、金鹵燈、高壓汞燈和白熾燈，進(jìn)入LED路燈高速發(fā)展期。我市在LED路燈的使用上也緊隨LED路燈發(fā)展步伐，于2011年開始進(jìn)行路燈改造，到目前為止LED路燈在我市市轄區(qū)內(nèi)應(yīng)用范圍已超過85%，LED路燈維護(hù)已經(jīng)成為路燈維護(hù)中的一項(xiàng)重點(diǎn)工作，電源的損壞約占處理問題量的42%，而維護(hù)花費(fèi)更是超過全年維護(hù)費(fèi)用的30%，尋找一種維護(hù)更簡便、使用更穩(wěn)定的替代途徑成為必然。

現(xiàn)有LED路燈AC-DC電源模塊的壽命很大程度受制于模塊中的電解電容。一般電源模塊的設(shè)計(jì)壽命不會(huì)超過2萬小時(shí)，這與LED光源10萬小時(shí)的壽命相差甚遠(yuǎn)。驅(qū)動(dòng)電源故障成為影響LED路燈壽命的重要因素。這不僅影響了LED照明系統(tǒng)的可靠性，還大大增加了維護(hù)成本，為提高LED路燈整體壽命，有效保證路燈照明系統(tǒng)的可靠性，我感覺高壓直流供電將成為替代電源電源模供電的方式。

LED路燈高壓直流供電系統(tǒng)應(yīng)是傳統(tǒng)LED路燈的電源模塊拆分成兩部分： AC-DC部分和DC-DC部分。在箱變內(nèi)增設(shè)AC-DC變換器，將更加廉價(jià)穩(wěn)定的DC-DC部分整合到路燈端。

箱變內(nèi)安裝的AC-DC變換器輸出直流電壓應(yīng)采用240V，根據(jù)GB/T 13870.1-2008 電流對(duì)人和家畜的效應(yīng)，人體耐受交流電流的極限值是30mA，而人體耐受直流電流的極限值是130mA；IEC標(biāo)準(zhǔn)（標(biāo)準(zhǔn)編號(hào) IEC 60884-2-4-2007）規(guī)定，在通常狀況下，接觸電壓上限值為交流50伏或無波紋直流120伏。綜合經(jīng)濟(jì)性考慮，因?yàn)樵?40V電壓等級(jí)上，各類器件在市場上有相對(duì)較多的成熟產(chǎn)品，利于選型及成本控制；DC 240V的配電系統(tǒng)可以采用單極接地，變流設(shè)備可采用成熟的高頻開關(guān)電源模塊，便于路燈改造工程的實(shí)施，且原有線路完全可以滿足直流240v電壓的需求，不必再進(jìn)行改造節(jié)省開支。

1 采用高壓直流供電的優(yōu)點(diǎn)

1.1 節(jié)省維護(hù)費(fèi)用

常規(guī)LED路燈驅(qū)動(dòng)電源安裝在燈頭上，為確保電源長期處于室外惡劣條件下正常運(yùn)行，一般都會(huì)進(jìn)行密封進(jìn)行防塵防水保護(hù)，由此導(dǎo)致散熱較差，嚴(yán)重影響驅(qū)動(dòng)電源的使用壽命。并且每次維修更換驅(qū)動(dòng)電源都必須進(jìn)行高空作業(yè)，人工成本劇增，采用高壓直流供電后，將交直流變壓器等部件安裝在路燈箱變內(nèi)，路燈端僅留穩(wěn)定的直流變壓設(shè)備，這樣減少了電源維護(hù)的費(fèi)用又節(jié)省人工。

1.2 提高設(shè)備運(yùn)行安全性

路燈作為城市建設(shè)的必備公共設(shè)施，已經(jīng)與市民的生活息息相關(guān)，隨著照明智慧化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，智慧燈桿所匹配的電動(dòng)車充電樁、一鍵呼叫、燈桿電子屏等應(yīng)用越來越普及，以及未來5G網(wǎng)絡(luò)微基站的建設(shè)，都需要燈桿長期不間斷供電，在這種人桿交互活動(dòng)越來越多的情況下，確保路燈的用電安全成為首要任務(wù)。正常情況下，240V直流供電如果發(fā)生正極接地漏電時(shí)，在有接地的情況下，接地電阻偏高，殘壓難以對(duì)人體造成致命損傷，且直流配電線路保護(hù)配置簡單，能準(zhǔn)確檢測漏電電流，設(shè)備可靠性更高，在極大程度上確保用電安全。

2 高壓直流供電雖然有較大優(yōu)勢(shì)，但改造時(shí)應(yīng)注意下面三個(gè)問題

2.1 是否與原箱變的控制半徑相匹配

一般情況下道路照明供電線路電阻要比電抗大得多，計(jì)算時(shí)可以忽略電抗的作用，且只考慮線路的電阻及有功功率。由此可得計(jì)算電壓損失的簡化計(jì)算公式：

我們以末端路燈允許的電壓降做為控制條件，根據(jù)上述公式，采用25mm2 YJV22電纜，電阻率ρ為0.73Ω/km，燈桿間距取60米，燈具功率130瓦，則供電半徑為1.3公里。按照此實(shí)例計(jì)算240v直流供電完全可以滿足我市路燈控制范圍要求，如果外地如有改動(dòng)需重新核算。

2.2 接地方式及安全保護(hù)的選擇

路燈直流供電系統(tǒng)根據(jù)不同的工程條件可以采用TN-S或TT兩種系統(tǒng)。在變流器端將輸出負(fù)極接地，這樣能極大的提高系統(tǒng)電擊防護(hù)性能。對(duì)于TN-S系統(tǒng)，應(yīng)把負(fù)極和專用保護(hù)線PE 嚴(yán)格分開。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，專用保護(hù)線上沒有電流，只是工作正負(fù)極線路上有電流。PE 線對(duì)地沒有電壓，所以燈桿外殼接零保護(hù)是接在專用的保護(hù)線PE 上，安全可靠。TT系統(tǒng)，沒有專用的保護(hù)線PE，將路燈燈桿的金屬外殼直接接地，稱為保護(hù)接地系統(tǒng)。正負(fù)極母線上使用漏電保護(hù)器。改造中需要根據(jù)現(xiàn)有路燈條件進(jìn)行采用合適的接地方式。

安全保護(hù)分為過載及短路保護(hù)和漏電保護(hù)，路燈控制柜內(nèi)的整流電源模塊應(yīng)采用具備過電流保護(hù)和輸出端短路保護(hù)功能的設(shè)備，輸出電流超過1.1倍額定電流時(shí)，輸出電壓下降，設(shè)備進(jìn)入限流模式；輸出電流達(dá)到1.3倍額定電流時(shí)，設(shè)備將自行關(guān)斷。漏電保護(hù)方面直流供電可以設(shè)置較為準(zhǔn)確的漏電保護(hù)定值，且不存在三相交流系統(tǒng)漏電流的方向問題，可以做到漏電流的準(zhǔn)確檢測。

2.3 路燈端DC-DC變壓器的選擇

我市路燈改造并不是整體同批改造，所采用的燈頭型號(hào)分為很多種，燈珠串并聯(lián)方式也很多，有多個(gè)燈珠串聯(lián)后再并聯(lián)的，有所有燈珠進(jìn)行并聯(lián)的等。不同燈頭的額定電壓也不盡相同，在改造時(shí)應(yīng)關(guān)注此方面，防止因電壓過高過低給LED路燈帶來的損傷。

高壓直流供電應(yīng)用在市政照明系統(tǒng)中，符合我國低碳節(jié)能的發(fā)展政策，有利于環(huán)保。在國家正在大力推行電動(dòng)汽車、5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的現(xiàn)狀下，路燈作為城市普及最廣泛的帶電市政設(shè)施，必將被用于城市相關(guān)方向的發(fā)展重點(diǎn)，而高壓直流供電技術(shù)也必將成為安全供電技術(shù)的必然選擇。