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LED路灯电源的防雷解决方案

供稿:中国工控网 2016/7/13 11:56:37

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  • 关键词: 浪涌 LED
  • 摘要:为了使LED照明设备能达到其预期寿命,应在户外LED照明中加入浪涌保护模块,以防止因雷击浪涌事件和其他电源线路浪涌造成的早期故障。安装于LED电源装置前端的浪涌保护模块,为照明系统提供了有效的保护。

对于户外LED照明,一个相当大的威胁是在交流电源线路中发生的瞬态浪涌(Electrical surge)事件,其可能会对灯具造成损坏。一个LED灯含有电源转换器件(AC/DC)、LED的驱动芯片、以及用于热控的散热器和优化灯光质量的光学器件。直接连接到交流电源(如120/220VAC)的一个LED灯具可能会因灯泡内部元件或电路故障导致的短路和过载情况而摧毁。除此之外,产生于灯泡外部的雷击浪涌或负荷开关瞬态能够造成电压尖峰或环形波,给元件造成压力并最终导致摧毁,从而使灯泡废弃。鉴于LED灯泡的价值定位不仅仅是降低能源消耗,还有较长的使用寿命,在排除因电气环境促使的现场故障中考虑瞬态电压保护将是至关紧要的。

间接雷击感应浪涌

由于附近电气设备的打开和关闭动作,在交流电源线路上可能会发生过压瞬态浪涌。附近发生的雷击也会在交流电源线路产生瞬态浪涌,尤其是在室外环境中。

 

图1:在交流电源线路中的瞬态浪涌。

在发生雷击的一刹那,从云到地面的静电放电的级别通常达到数百万伏。发生于几英里以外的雷击,会在载流铜线(例如:路灯的地下电缆)诱发高达数千伏的感应电压。这些间接冲击以通常含有超过1,000 A2s大量能量的特定波形为特征。

约70%的雷击发生于热带地区的陆地地带,这也是大多数雷暴发生的位置。非洲国家经历过有史以来最为严重、持续时间最长的雷击。雷击最为经常发生的地方邻近刚果民主共和国东部山区的小村庄基夫卡,海拔约为975米。平均来说,该地区每年每平方公里会发生158次雷击。这个地方周围的一大片区域也受到严重影响,因为雷击造成的感应浪涌冲击增加了户外LED照明设备受损的几率。

根据美国航空航天局(NASA)在全球各地闪电频数上的研究,中南美、非洲、南亚和东南亚也有与美国类似的闪电频数;因此在美国,我们建议等效浪涌抗扰度应在5kA到10kA之间。对于闪电频数较少的其他地区,如欧洲、东亚和澳大利亚,可以考虑3kA到5kA较低的浪涌抗扰度。

暴风雨天气中这种类型的间接雷电能量会对户外LED照明装配造成不利影响。灯具在差模和共模条件下均容易受损:

● 差模:灯具的相线和零线端子或相线和相线端子之间的高电压/电流瞬态可能会损坏电源装置或LED模块板中的元件。

● 共模:灯具的相线和地线或零线和地线之间的高电压/电流瞬态可能会穿透电源装置或LED模块板中的安全绝缘,包括LED散热器绝缘。

测试波形是1.2 x 50μs开路电压和8 x 20μs短路电流波形的一种组合。要进行这项测试,在连接到灯具之前要通过将输出端短接到地面在浪涌发生器上对规定的峰值电流进行校准。

 

图2:组合波开路电压。

 

图3:组合波短路电压。

世界各地的闪电频率--单位:闪电次数/平方公里/年--(美国航空航天局全球水文资源中心)。

 

图4 世界各地的闪电频率-单位:闪电次数/平方公里/年-(NASA GHRC)。

应对感应浪涌事件的技术

保护户外LED照明免于感应浪涌冲击损害的方式是阻断高电压/电流瞬态干扰进入照明灯具。因此可以在户外LED照明应用中采纳一种浪涌保护器(SPD)来抑制浪涌能量并最大限度地减少对照明设备的浪涌冲击。

对于SPD,有多种过电压保护元件可用,包括Metal-oxide varistors(MOV)、gas-discharge tube(GDT)和Transient Voltage Suppressor(TVS)。这些元件被放置于通常具有高阻抗的交流电源线之间,在检测到高电压时会变为低阻抗。在低阻抗状态下,这些元件可以将浪涌能量转移回到交流电源线,在浪涌事件后又回到高阻抗状态。在现有的技术中,MOV因其较高的浪涌(Electrical surge)能量处理能力和对瞬态电压的快速响应成为首选,在配电板的SPD保护中也得以广泛应用。因此MOV是户外LED照明应用中浪涌保护器件的最为适用的技术。

在一个室外灯具中并入一条强大的浪涌抑制电路能消除浪涌能量造成的破坏,从而提高照明设备的可靠性,最大程度地减少维护并提高使用寿命。一个能将过高的浪涌抑制到较低电压水平的浪涌保护组件是保护LED灯具设施的最佳方式。

 

图5:LED路灯保护方案。

华巨电子过热过流过压防雷保护型MOV保护SPD的安全

使用一个具有过流保护的高耐压自恢复保险和一个压敏电阻复合,压敏电阻选用390V的压敏电压的压敏电阻,可以把压敏电压钳制在390V,比一般用的471K的钳制电压低。自恢复保险丝可以限制电流保护压敏电阻和后面设备,电路正常工作时本防雷模块正常流过电流,如果被保护的设备出现故障,短路,过流,或者过载时,复合的自恢复保险丝就会动作呈现高阻态,切断电流保护设备,故障去除热敏电阻自恢复保险丝恢复正常,电路又能正常工作,当电源出现瞬间尖峰脉冲时压敏电阻动作导通将电压钳制在390V保护后面设备,当电源长时间过压时,压敏电阻动作导通,这时候压敏电阻的动作一方面将电压钳制在390V使得设备可以正常运转,另一方面由于压敏电阻的导通使得回路中通过自恢复保险丝的电流增加从而引起自恢复保险丝的动作,这时候自恢复保险丝一方面限制电流,由于自恢复保险丝阻值变大,所以一部分电压加在保险丝两端,加上后面压敏电阻的钳制可以使得设备的工作电压稳定在设备的所需的工作电压。防雷时自恢复保险丝由于自身有一定的阻值,可以限制过大的雷击电流损坏压敏电阻,亦可以到将雷电高压隔离在压敏电阻之外的线路中从而能有效保护压敏电阻和后续设备

金属氧化物压敏电阻(Metal-oxide varistors)技术不仅价格便宜,而且是抑制电源中瞬态的一种非常有效的技术。在许多其他的应用中,这种技术同样有效,比如通常被放置于LED驱动器前面的浪涌保护器(SPD)模块。

在经历一次大浪涌或多次小浪涌之后,MOV的性能会逐渐退化。这种退化导致金属氧化物压敏电阻泄漏电流增加,进而使得MOV的温度升高,即使是在120VAC/240VAC工作电压的正常条件下。MOV相邻的一个PTC热敏电阻自恢复保险丝可以在金属氧化物压敏电阻持续退化至寿命终止状态时用以检测其温度的增加;这时,PTC自恢复保险丝就会变成高阻态,将性能退化的压敏电阻从电路中去除,以防止灾难性故障。

 

图6:热敏电阻自恢复保险丝防止性能退化的MOV出现故障。

WMZ13A-2W-265Vac  适用LED路灯功率2W及以下电子产品防雷,过流过压过热保护用

WMZ13A-3W-265Vac  适用LED路灯功率3W及以下电子产品防雷,过流过压过热保护用

WMZ13A-5W-265Vac  适用LED路灯功率5W及以下电子产品防雷,过流过压过热保护用

WMZ13A-6W-265Vac  适用LED路灯功率6W及以下电子产品防雷,过流过压过热保护用

WMZ13A-7W-265Vac  适用LED路灯功率7W及以下电子产品防雷,过流过压过热保护用

WMZ13A-10W-265Vac  适用LED路灯功率10W及以下电子产品防雷,过流过压过热保护用

WMZ13A-15W-265Vac  适用LED路灯功率15W及以下电子产品防雷,过流过压过热保护用

WMZ13A-20W-265Vac  适用LED路灯功率20W及以下电子产品防雷,过流过压过热保护用

WMZ13A-26W-265Vac 适用LED路灯功率26W及以下电子产品防雷,过流过压过热保护用

WMZ13A-40W-265Vac  适用LED路灯功率40W及以下电子产品防雷,过流过压过热保护用

WMZ13A-90W-265Vac  适用LED路灯功率90W及以下电子产品防雷,过流过压过热保护用

WMZ13A-120W-230Vac  适用LED路灯功率120W及以下电子产品防雷,过流过压过热保护用

WMZ13A-150W-256Vac  适用LED路灯功率150W及以下电子产品防雷,过流过压过热保护用

WMZ13A-200W-265Vac  适用LED路灯功率200W及以下电子产品防雷,过流过压过热保护用

 

Metal-oxide varistors的设计旨在微秒时间内钳制快速过电压瞬态。然而,除了短时瞬态,在SPD模块中的MOV还会受到因零线缺失或安装时的不正确接线造成的临时过电压情况的影响。这些情况会对MOV造成严重压力,使其进入一种散热失控状况;反过来,这又将导致过热、冒烟、甚至起火。SPD的安全标准UL 1449和IEC 61643-11,定义了为确保SPD安全而必须对器件进行测试的特定异常条件。在可靠的设计中,在浪涌保护器内部加入了热敏断路器,以保护MOV不会出现散热失控。

 

图7:AC过电流事件。

为SPD而设的寿命终止/更换指示功能

当Metal-oxide varistors因临时过电压或过高的泄露电流而变得过热时,热敏断路器可用来将金属氧化物压敏电阻从交流电路中去除。SPD因此停止其电涌抑制功能。所以应考虑设计合适的指示功能,以便维修人员能够知道SPD不能正常工作且需要更换。

照明设计人员可以根据他们的维护和包修策略从两种主要类型的SPD模块配置中进行选择。这些都是并联和串联的浪涌保护组件。

 

图8:并联和串联连接。

● 并联连接:浪涌保护器模块与负载并联在一起。一个寿命终止的SPD模块从电源上断开的同时,AC/DC电源装置保持通电状态。照明依然处于工作状态,但却失去了抵抗电源装置和LED模块所面临的下一次浪涌的防护功能。在一个并联的SPD模块中,可以通过使用一个能向维护技术人员指示SPD模块状态的小的发光二极管来起到更换指示的作用。可以选择使用绿色发光二极管来指示SPD模块在线,或者用红色发光二极管来指示SPD模块离线。或者,更换SPD模块的需要可以在SPD模块寿命终止指示线连接至一个网络智能照明系统的照明管理中心中远程显示,而不是在每个灯具上都安装LED指示。

● 串连连接:浪涌保护器模块与负载串联在一起,寿命终止的浪涌保护器模块从电源上断开的同时,也会使灯熄灭。灯具停电便可作为呼叫维修的指示。已断开的SPD模块不仅熄灭照明以作为更换的指示,同时使交流/直流电源装置与之后的浪涌冲击隔离开来。对这种配置的普遍偏好迅速增长,是因为在浪涌保护器模块等待更换期间,照明设施仍然受到保护。与使用并联浪涌保护器模块的情况下需更换整个灯具相比,在串联情况下仅更换SPD模块的费用要低得多。

总结

发光二极管LED技术所带来的高效节能提升了户外照明的价值。为了使LED照明设备能达到其预期寿命,应在户外LED照明中加入浪涌保护模块,以防止因雷击浪涌事件和其他电源线路浪涌造成的早期故障。安装于LED电源装置前端的浪涌保护模块,为照明系统提供了有效的保护。但是,其可能会受到临时过电压威胁和因多次浪涌事件而疲劳的影响。放置于浪涌保护模块中的热敏断路器提高了模块的整体安全性,并能使模块达到UL 1449和IEC 61643-11认证标准。

当浪涌保护模块达到其使用寿命期限时,串联的SPD模块提供的是一种最为简单的更换指示方式,即通过将灯具从电源上断开,从而使灯熄灭。并联的SPD模块提供的是一种与发光二极管相连接的方式,对模块是否在线做出提示。

审核编辑(王雪)
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