施秉縣太陽(yáng)能LED自動(dòng)光控路燈防雷設(shè)計(jì)分析

王仁珍，劉 崛

(1.貴州省施秉縣氣象局，貴州 施秉 556200;2.貴州省麻江縣氣象局，貴州 麻江 557600)

施秉縣太陽(yáng)能LED自動(dòng)光控路燈防雷設(shè)計(jì)分析

王仁珍1，劉 崛2

(1.貴州省施秉縣氣象局，貴州 施秉 556200;2.貴州省麻江縣氣象局，貴州 麻江 557600)

該文綜合考慮施秉縣雷暴活動(dòng)特點(diǎn)、線路的雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、太陽(yáng)能LED自動(dòng)光控路燈的建設(shè)現(xiàn)狀，對(duì)施秉縣太陽(yáng)能LED自動(dòng)光控路燈外部防雷措施和內(nèi)部防雷措施等技術(shù)和方法進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了一套綜合防雷的方案。在采用完善的直擊雷防護(hù)措施的前提下，著重考慮雷擊電磁脈沖對(duì)太陽(yáng)能LED自動(dòng)光控路燈的影響，提出采用接地系統(tǒng)、等電位連接、合理布線、加裝浪涌保護(hù)器等綜合技術(shù)。實(shí)施該方案可使雷擊損害降到最低程度，為L(zhǎng)ED自動(dòng)光控路燈安全可靠運(yùn)行提供保障。

LED路燈;感應(yīng)雷;浪涌保護(hù)器防雷設(shè)計(jì)

1 引言

近年來(lái)，市政照明路燈特別是太陽(yáng)能LED自動(dòng)光控路燈的建設(shè)方興未艾。LED是一種新型半導(dǎo)體固態(tài)冷光源，是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見(jiàn)光的光電器件。由于LED能耗少、熱輻射低、發(fā)光效率高，是一種節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、安全的新型照明器件，但是此類路燈內(nèi)包含大量的電子控制設(shè)備與太陽(yáng)能充放電系統(tǒng)。這些系統(tǒng)通常屬于耐電壓等級(jí)低，防干擾要求高的弱電設(shè)備，最怕受到雷擊。普通建筑物防雷保護(hù)的避雷裝置引入了強(qiáng)大的雷電流通過(guò)引下線入地，在附近空間產(chǎn)生了強(qiáng)大的電磁場(chǎng)變化，會(huì)在與其相鄰的金屬桿路燈上感應(yīng)出雷電過(guò)電壓，因此普通建筑物的防雷系統(tǒng)不但不能保護(hù)這些路燈，反而可能會(huì)引入雷電，輕則擊壞充放電控制系統(tǒng)，重則可能會(huì)造成人員傷亡。隨著新農(nóng)村建設(shè)的進(jìn)一步深入，市政建設(shè)別是鄉(xiāng)鎮(zhèn)亮化工程推進(jìn)速度加快，LED自動(dòng)光控路燈防雷已刻不容緩。本文結(jié)合LED自動(dòng)光控路燈工作原理及具體實(shí)際情況為其設(shè)計(jì)一套綜合防雷方案。

2 太陽(yáng)能LED自動(dòng)光控路燈系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理

太陽(yáng)能LED自動(dòng)光控路燈，一般由太陽(yáng)能組件、蓄電池、太陽(yáng)能充放電控制器、光源及燈具等幾大部件組成。其中，太陽(yáng)能充放電動(dòng)作由微電腦芯片控制，放電方式包括感光控制和定時(shí)控制兩種，目前主流產(chǎn)品兩種控制方式兼而有之，這也是整個(gè)路燈系統(tǒng)中最智能化、最脆弱的部分。

在充電系統(tǒng)控制下，太陽(yáng)能光伏板吸收太陽(yáng)能，將其轉(zhuǎn)化為電能存儲(chǔ)在畜電池中。在放電系統(tǒng)的控制下，路燈系統(tǒng)是按照外界光線強(qiáng)度或分季節(jié)分時(shí)段開(kāi)啟路燈。此種路燈充分發(fā)揮了LED直流低壓工作壽命長(zhǎng)、維護(hù)成本低、節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，太陽(yáng)能光伏板與LED光源相結(jié)合，為市政工程建設(shè)提供了最佳性價(jià)比和高可靠性的解決方案，符合“低碳環(huán)保”的理念，是輸電線路欠發(fā)達(dá)的山區(qū)、電力供應(yīng)緊張地區(qū)的最佳選擇。

圖1 施秉縣太陽(yáng)能LED自動(dòng)光控路燈圖

3 雷擊風(fēng)險(xiǎn)分析

3.1 現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)

貴州省施秉縣8個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)所在地均建成了主干道路燈系統(tǒng)。每鄉(xiāng)鎮(zhèn)安裝的太陽(yáng)能LED自動(dòng)光控路燈均在200盞以上，全縣約2 000盞左右(圖1)。此類路燈由于綠色環(huán)保、投資少、無(wú)需架設(shè)線路等優(yōu)點(diǎn)在農(nóng)村備受青睞。但是市政部門及供貨商在安裝過(guò)程中，對(duì)接地電阻和雷電流泄放入大地瞬間對(duì)低壓線路的影響沒(méi)作考慮，只是注意燈的亮度、機(jī)械強(qiáng)度和自動(dòng)化程度等，忽視了防雷問(wèn)題，對(duì)防雷風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)不足，因而存在嚴(yán)重的雷擊安全隱患。

2001年5月4日午后13時(shí)左右，施秉縣突降暴雨，雷電交加。14歲的吳某出門到車站附近購(gòu)物，路過(guò)路燈時(shí)被雷電擊中，當(dāng)場(chǎng)身亡。因此事件，當(dāng)?shù)卣畬?duì)路燈防雷安全高度重視。

3.2 施秉縣1957—2011年氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)施秉縣1957—2011年氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果：施秉縣年平均雷暴日為49 d，月平均雷暴日為39 d;雷電活動(dòng)主要發(fā)生在3－8月，雷暴日最多的年份為1973年和1975年，天數(shù)均為66 d;雷暴日最少年份為2011年，天數(shù)為22 d。初雷日最早為1月1日發(fā)生在1987年;終雷日最晚為12月31日發(fā)生在1985年;初終間跨度最長(zhǎng)的年份為1984年，從1月25日—12月6日。

根據(jù)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)施秉縣年平均雷暴日數(shù)為49 d，根據(jù)GB50343－2004對(duì)雷暴強(qiáng)弱等級(jí)劃分，施秉縣屬高雷暴區(qū)。

3.3 施秉縣雷電災(zāi)害事故主要類型

3.3.1 直擊雷 直擊雷蘊(yùn)含極大的能量，峰值電壓可達(dá)5 000 kV的雷電流入地，具有極大的破壞力。會(huì)造成以下3種影響：巨大的雷電流在數(shù)微秒時(shí)間內(nèi)流下地，使地電位迅速抬高，造成反擊事故，危害人身和設(shè)備安全;雷電流產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁波，在電源線和信號(hào)線上感應(yīng)極高的脈沖電壓;雷電流流經(jīng)電氣設(shè)備產(chǎn)生極高的熱量，造成火災(zāi)或爆炸事故。

3.3.2 傳導(dǎo)雷 遠(yuǎn)處的雷電擊中線路或因電磁感應(yīng)產(chǎn)生的極高電壓，由室外電源線路和通信線路傳至建筑物內(nèi)室內(nèi)的電氣設(shè)備。

3.3.3 感應(yīng)雷 云層之間頻繁放電產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁波導(dǎo)致共模和差模干擾，影響電氣設(shè)備運(yùn)行。

3.3.4 開(kāi)關(guān)過(guò)電壓 供電系統(tǒng)中的電感性和電容性負(fù)載開(kāi)啟或斷開(kāi)、地極短路、電源線路短路等，都能在電源線路上產(chǎn)生高壓脈沖，脈沖電壓可達(dá)正常電壓的3～5倍，可嚴(yán)重?fù)p壞設(shè)備，破壞效果與雷擊類似。

4 防雷工程設(shè)計(jì)思路

4.1 外部防雷與內(nèi)部防雷相結(jié)合

現(xiàn)在一般的LED路燈外部都是導(dǎo)體材料，本身就相當(dāng)于一個(gè)避雷針，在設(shè)計(jì)上必須安裝引下線和地網(wǎng)，這些系統(tǒng)構(gòu)成外部防雷系統(tǒng)。內(nèi)部防雷系統(tǒng)是指路燈內(nèi)部通過(guò)接地、設(shè)置電壓保護(hù)等方式對(duì)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。這兩者之間是相輔相成的，互為補(bǔ)充。內(nèi)部防雷系統(tǒng)在很多器件上例如外殼、進(jìn)出保護(hù)區(qū)的電纜、金屬管道等都要連接外部防雷系統(tǒng)或者設(shè)置過(guò)壓保護(hù)器，并進(jìn)行等電位連接。

4.2 防雷等電位連接

徹底消除雷電引起的毀壞性的電位差，電源線、信號(hào)線、金屬管道等都要用過(guò)壓保護(hù)器進(jìn)行等電位連接，各個(gè)內(nèi)層保護(hù)區(qū)的界面處也要進(jìn)行局部等電位連接，各個(gè)局部等電位連接處要互相連接，最后與主等電位處相連。

4.3 設(shè)置雷電保護(hù)區(qū)

目前LED路燈除了電源設(shè)備外，還會(huì)設(shè)置一些通信設(shè)備(如GPRS通訊模塊)，用于遠(yuǎn)程控制路燈開(kāi)關(guān)時(shí)間、亮度以及光伏板吸收太陽(yáng)能的同時(shí)對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。這些設(shè)備及電源都需要安置在雷電保護(hù)區(qū)內(nèi)，保護(hù)區(qū)域直接受外殼屏蔽。此處的電磁場(chǎng)要弱得多。

4.4 高質(zhì)量保護(hù)設(shè)備—防雷模塊和過(guò)壓保護(hù)模塊

防雷器的作用是在最短時(shí)間(納秒級(jí))內(nèi)將被保護(hù)系統(tǒng)連入等電位系統(tǒng)中，使設(shè)備各端口等電位。同時(shí)將電路中因雷擊而產(chǎn)生的巨大脈沖能量經(jīng)短路線釋放到大地，降低設(shè)備各接口端的電位差，從而起到保護(hù)設(shè)備的作用。本文認(rèn)為，LED路燈電源模塊不僅要按照上述要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，而且必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的檢驗(yàn)程序。

①具有恒壓輸出功能或具有恒流輸出功能或兩者功能兼有的控制裝置，應(yīng)采用GB19510.12/IEC61347－2－13安全標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)。

②對(duì)僅具有控制LED亮暗、閃動(dòng)、顏色等邏輯變化功能的控制裝置，應(yīng)采用 GB19510.12/IEC61347－2－11安全標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)。

③如果一個(gè)控制裝置兼有上述兩者的功能，應(yīng)按照GB19510.12/IEC61347－2－13安全標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)。

實(shí)踐證明，經(jīng)過(guò)科學(xué)的設(shè)計(jì)及嚴(yán)格的檢驗(yàn)，不僅能確保LED路燈系統(tǒng)不受到雷電的傷害，而且杜絕了雷電擊中路燈后對(duì)附近行人的傷害。

5 防雷擊電路設(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn)

LED路燈防雷跟普通路燈不同，主要在于LED的響應(yīng)速度比普通燈快，承受過(guò)電壓能力(范圍)比普通等小。LED路燈雷電風(fēng)險(xiǎn)主要是雷電活動(dòng)時(shí)在LED的電源線路上由于靜電感應(yīng)或者電磁感應(yīng)而在線路上產(chǎn)生一個(gè)突峰電壓或突峰電流從而影響或破壞LED路燈設(shè)備。因此需要選擇適合的LED專用浪涌保護(hù)器對(duì)電源線路浪涌過(guò)電壓保護(hù)，避免同一地區(qū)出現(xiàn)大面積LED路燈雷擊損壞現(xiàn)象。

5.1 直擊雷的設(shè)防

接閃器：利用燈柱頂部兼作接閃器，或利用避雷針、高大建(構(gòu))筑物等作接閃器。太陽(yáng)能光伏板等應(yīng)在接閃器保護(hù)范圍之內(nèi)，使太陽(yáng)能電池板、燈具等不會(huì)被雷電直接擊中;燈桿的防雷接地，依據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》，保護(hù)接地不大于4Ω，防直擊雷接地不大于10Ω。

引下線：金屬燈柱可作為引下線，要求燈柱壁厚≥4 mm;如果使用混凝土燈柱，應(yīng)采用內(nèi)置引下線：鍍鋅圓鋼 φ10 mm，或者鍍鋅扁鋼40 mm×4 mm。

接地：“接地極+基礎(chǔ)接地”構(gòu)成太陽(yáng)能或風(fēng)光互補(bǔ)路燈防雷接地，再用PE線(鍍鋅圓鋼φ10 mm或鍍鋅扁鋼40 mm×4 mm)連接各燈柱接地極。避雷引下線以及SPD的接地線必須良好接地，接地電阻≤10Ω。LED路燈燈桿接地及地網(wǎng)制作見(jiàn)圖2。

圖2 LED路燈燈桿地網(wǎng)制作圖

5.2 雷擊電磁脈沖設(shè)防

①線路和設(shè)備防雷：太陽(yáng)能光伏板引入控制器并加裝SPD電涌保護(hù)器。

②太陽(yáng)能光伏板、燈具等金屬構(gòu)架應(yīng)與金屬燈柱可靠連接。若無(wú)金屬燈柱，則必須專設(shè)避雷引下線。

③電涌保護(hù)器SPD電壓、頻率等性能應(yīng)與光伏系統(tǒng)性能相匹配;根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)主供電線有3條：火線、零線和保護(hù)地線(PE)。屬TN－S系統(tǒng)，有獨(dú)立的接地線，為雷擊浪涌電流的泄放提供了途徑。

④根據(jù)線路的雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估得知由于R'2=3.508 ×10－3高于容許值 Rr=10－3，LED 線路需要防雷保護(hù)。由于線路段S2的風(fēng)險(xiǎn)分量R'Z較大，過(guò)渡點(diǎn)Ta、Tb以及T1/2處的風(fēng)險(xiǎn) R'2超過(guò)了容許值。因此要降低該風(fēng)險(xiǎn)分量。由于線路已經(jīng)安裝完畢(所以不能再用將非屏蔽線改為屏蔽線之類的方法)，所以必須安裝符合IEC 62305－5要求的SPD作為保護(hù)措施。為了將風(fēng)險(xiǎn)R'2降低到容許值以下，按照Ⅲ級(jí) LPL來(lái)選擇 SPD(PSPD=0.03)就足夠了。

⑤并網(wǎng)太陽(yáng)能路燈防雷：為保證室外重要太陽(yáng)能路燈供電，太陽(yáng)能路燈電源可接入市電電網(wǎng)，要安裝SPD電涌保護(hù)器(圖3)。

圖3 LED并網(wǎng)太陽(yáng)能路等電涌保護(hù)器安裝圖

6 結(jié)論

施秉縣太陽(yáng)能LED自動(dòng)光控路燈系統(tǒng)耐電壓等級(jí)低，防干擾要求高的弱電設(shè)備，最怕受到雷擊分析。為此設(shè)計(jì)了一套綜合防雷的方案，采用外部防雷措施和內(nèi)部防雷措施相結(jié)合，等電位連接，設(shè)置雷電保護(hù)區(qū)，高質(zhì)量保護(hù)設(shè)備防雷模塊和過(guò)壓保護(hù)模塊。在采用完善的直擊雷防護(hù)措施的前提下，重點(diǎn)考慮雷擊電磁脈沖對(duì)太陽(yáng)能LED自動(dòng)光控路燈的影響，提出采用接地系統(tǒng)、等電位連接、合理布線、加裝浪涌保護(hù)器等綜合技術(shù)。可使雷擊損害降到最低程度，為L(zhǎng)ED自動(dòng)光控路燈安全可靠運(yùn)行提供保障。

［1］姜榮.農(nóng)村防雷工程技術(shù)對(duì)策［J］.貴州氣象 ，2011，2.

［2］楊仲江.雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與管理基礎(chǔ)［M］.北京：氣象出版社，2010.

［3］GB/T 21431－2008.建筑物防雷裝置檢測(cè)技術(shù)規(guī)范［S］.2008.

［4］GB/T 19271.1－2003.雷電電磁脈沖的防護(hù)［S］.

［5］GB 50057－1994.建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

TM863

B

1003－6598(2012)05－0052－03

2012－04－15

王仁珍(1963—)，男(苗族)，助工，主要從事公共氣象服務(wù)工作。