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    led路灯雷击过压保护分析及应对建议

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    时间:2019/10/29 3:46:58

    节能的LED光源和相关的电子控制装置或驱动器为户外区域照明应用带来了许多益处,比如使用寿命长、减少维护和可控波束等,但是室外应用的环境苛刻。 与室内照明的情况相反,在街道照明中,必须解决可能出现的过电压或浪涌电压。 因此,为了应对L/N(零线/中性线)和地线之间的10 kV尖峰以及L和N之间的6 kV,提出浪涌保护概念是绝对必要的。

    led路灯雷击过压保护分析及应对建议

    向基于LED的固态照明(SSL)转变为城市带来巨大的潜在利益。公共照明的运行和维护成本占到了政府的大部分能源成本,但通过用LED光源代替传统光源,可节省很多。但LED与传统光源不同,以低电压运行的LED和驱动LED的电子控制装置更容易受到过电压的影响。因此,只有充分注意保护LED路灯免受过电压的影响,户外固态照明的改造才能取得成功。


    小的过电压影响很小,但频繁的过电压可能会对LED光源的寿命产生不利影响。大的过电压,如雷击产生的过电压,很可能会立即毁坏多个LED路灯的LED模块或电子控制装置。


    ○ 闪电仍然是主要风险

    由于电源系统中的开关操作导致的过电压通常发生在零线/中性线之间,换句话说,在L和N之间产生差模干扰。达到6 kV的峰值,仅影响控制装置。因此,标准控制器具有4-6kV的内置浪涌保护,这些过电压会被吸收,对寿命和可靠性没有影响。


    与其他浪涌电压源相比,与雷击相关的

    过电压对路灯操作的可靠性是一个更大的风险

    雷击造成的浪涌电压计算起来更难。图1概括了浪涌电压的风险。由于雷电,风险主要发生在电力线(L/N)和地线(PE)- 差模干扰之间,电压可以快速达到几十千伏,导致出现感应电压,可以破坏整个街道的灯。然而,雷击的风险并不一样,区域差异很大。地区闪电密度Ng定义了每平方公里和每年的雷击次数,比利时为1,南非为150。因此,必须考虑到这种区域差异。


    ○ 保护类型

    由于环境的变化,业界已经开发出不同的保护等级,用于设计LED灯具。LED照明系统包括灯具外壳(也称为路灯的灯头)、光学系统的LED模块(透镜,反射器)和为LED模块提供适当电力的电子控制装置。类别如图2所示。

    照明行业长期以来一直使用防护等级

    来定义室外灯具如何防止过电压事件

    在防护等级I中的灯具设计中,所有导电部件都明确连接安全接地线。良好的浪涌保护能应对L/N(零线/中性线)和地线之间的10kV尖峰以及L和N之间的6 kV。这一级别的保护可以根据IEC61000-4-5进行测试,并能承受甚至多个过电压事件。因此,建议尽可能使用I级防护等级的灯具,因为根据相关标准,高压应只能用安全接地线来抵消。

    然而,出于历史原因,欧洲的大部分街道照明都属于II类防护等级。 在II类防护等级的灯具中,所有带电部件都有保护绝缘,但没有明确与安全接地线连接。按照IEC61643-11,浪涌保护装置(避雷器)不得危及保护绝缘,即使在雷击时间短的时间内也是如此。因此,在II类防护等级的照明设备中,不能以连接金属外壳或接地线的导体形式提供最佳浪涌保护。

    在防护等级II中,由金属制成的灯具头与由不导电材料制成的灯具头在设计上有所区别。设计金属灯具头时,最好在控制装置和LED模块之间提供等电位联结,以防止潜在的阻力,从而增加浪涌电压。即使灯具头通过桅杆连接到地面,也可能会有很高的或者不能确定的阻抗,系统必须根据II类防护等级提供适当的绝缘。

    如果灯具的头部由非导电材料制成,则所有的暴露部分也必须由非导电材料制成,或根据II类防护等级进行绝缘。在这里不需要等电位连接。这里最薄弱的环节是LED模块,它取决于绝缘材料及其厚度,可以实现10 kV的浪涌保护。如果没有可靠的浪涌保护,光源可能会过早老化甚至完全失效。


    ○ 浪涌保护的建议

    德国中央电气与电子工业协会称,二级保护灯具中高达10kV的浪涌保护要求正在越来越多地被用于街道照明项目的投标。如果有选项将照明转为防护等级I,那么这将是最好的解决方案。

    另外,LED灯具也有高品质的驱动程序,如来自锐高的Premium  Outdoor Drivers。 LCA one4all C PRE OTD是一款可调光的恒流LED驱动器,里面包括浪涌保护,防止由于电源系统中的开关操作和L与N之间发生的电压波动。驱动器还提供电源线(L和N)和地线间高达10 kV的浪涌保护。该等级的保护措施经过IEC61000-4-5测试,并可以承受多个过电压事件。

    在驱动程序中实现浪涌保护的方法有很多。基于不同的电容器,锐捷在驱动器中开发了一种特殊的电压分配装置,确保即使在高输入瞬变的情况下,驱动器输出最大只有500V。大部分电压从电源端到输出端就可以消耗掉。对于只有低频率或者平均雷击频率的区域,10 kV的控制装置就可以提供高浪涌保护。以前只能通过在照明器头中增加浪涌模块来实现,但是,防护等级II灯具不再允许这种情况。

    雷击的影响与距离的关系

    离LED路灯半径150m以内的雷击不再能影响LED模块的可靠运行。如果雷电直击LED灯具,假设LED灯具的间距为30米,则前五个灯具会故障,但整个街道上的灯具不会熄灭。图3描述了雷击的影响如何随着距离的变化而变化。


    ○ 应对建议

    对于雷击次数高的地区,除了在主电源分配器中安装强大的驱动器设计外,建议另外安装过电压吸收器,或者如果分配器太远的话,装在电缆接线盒中。这些外部过电压设备必须进行测试,并与灯具中的集成浪涌保护相匹配。

    奥地利理工学院(OIT)对符合?VE/?NORMEN 61547标准的LED路灯进行高压测试显示,符合通常的测试标准不足以保证户外照明设备运行可靠。实践表明,即使符合标准,在某些情况下,仅在2-4 kV的过电压水平下也会发生灯故障。

    与标准测试相反,AIT进行的测试包括增加电压直到器件被破坏。结果与实际经验基本相符。如果整个系统中的所有元件相互匹配,浪涌保护设备才能可靠地运行。在实际操作过程中,L和N之间以及L/ N和地线(PE)之间的介电强度(浪涌和ESD)越高,LED光源越能承受过电压。


    另外,灯具开发商甚至城市和公用设施的管理人应确保安装在路灯中的驱动与当地环境相符合。


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