高壓直流供電在LED路燈中的應用前景

任新彪

摘 要：本文針對LED路燈電源故障頻發現狀，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該現狀并延長LED路燈使用壽命，以及分析此種方式的優點及改造過程中可能遇到的問題。

關鍵詞：LED路燈；高壓直流；穩定安全

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

隨著大功率發光二極管（LED）光源技術的進步，LED路燈已經在很多城市逐漸替代傳統的高壓鈉燈、金鹵燈、高壓汞燈和白熾燈，進入LED路燈高速發展期。我市在LED路燈的使用上也緊隨LED路燈發展步伐，于2011年開始進行路燈改造，到目前為止LED路燈在我市市轄區內應用范圍已超過85%，LED路燈維護已經成為路燈維護中的一項重點工作，電源的損壞約占處理問題量的42%，而維護花費更是超過全年維護費用的30%，尋找一種維護更簡便、使用更穩定的替代途徑成為必然。

現有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。一般電源模塊的設計壽命不會超過2萬小時，這與LED光源10萬小時的壽命相差甚遠。驅動電源故障成為影響LED路燈壽命的重要因素。這不僅影響了LED照明系統的可靠性，還大大增加了維護成本，為提高LED路燈整體壽命，有效保證路燈照明系統的可靠性，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應是傳統LED路燈的電源模塊拆分成兩部分： AC-DC部分和DC-DC部分。在箱變內增設AC-DC變換器，將更加廉價穩定的DC-DC部分整合到路燈端。

箱變內安裝的AC-DC變換器輸出直流電壓應采用240V，根據GB/T 13870.1-2008 電流對人和家畜的效應，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標準（標準編號 IEC 60884-2-4-2007）規定，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。綜合經濟性考慮，因為在240V電壓等級上，各類器件在市場上有相對較多的成熟產品，利于選型及成本控制；DC 240V的配電系統可以采用單極接地，變流設備可采用成熟的高頻開關電源模塊，便于路燈改造工程的實施，且原有線路完全可以滿足直流240v電壓的需求，不必再進行改造節省開支。

1 采用高壓直流供電的優點

1.1 節省維護費用

常規LED路燈驅動電源安裝在燈頭上，為確保電源長期處于室外惡劣條件下正常運行，一般都會進行密封進行防塵防水保護，由此導致散熱較差，嚴重影響驅動電源的使用壽命。并且每次維修更換驅動電源都必須進行高空作業，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，路燈端僅留穩定的直流變壓設備，這樣減少了電源維護的費用又節省人工。

1.2 提高設備運行安全性

路燈作為城市建設的必備公共設施，已經與市民的生活息息相關，隨著照明智慧化進程的不斷推進，智慧燈桿所匹配的電動車充電樁、一鍵呼叫、燈桿電子屏等應用越來越普及，以及未來5G網絡微基站的建設，都需要燈桿長期不間斷供電，在這種人桿交互活動越來越多的情況下，確保路燈的用電安全成為首要任務。正常情況下，240V直流供電如果發生正極接地漏電時，在有接地的情況下，接地電阻偏高，殘壓難以對人體造成致命損傷，且直流配電線路保護配置簡單，能準確檢測漏電電流，設備可靠性更高，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勢，但改造時應注意下面三個問題

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，計算時可以忽略電抗的作用，且只考慮線路的電阻及有功功率。由此可得計算電壓損失的簡化計算公式：

我們以末端路燈允許的電壓降做為控制條件，根據上述公式，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。按照此實例計算240v直流供電完全可以滿足我市路燈控制范圍要求，如果外地如有改動需重新核算。

2.2 接地方式及安全保護的選擇

路燈直流供電系統根據不同的工程條件可以采用TN-S或TT兩種系統。在變流器端將輸出負極接地，這樣能極大的提高系統電擊防護性能。對于TN-S系統，應把負極和專用保護線PE 嚴格分開。系統正常運行時，專用保護線上沒有電流，只是工作正負極線路上有電流。PE 線對地沒有電壓，所以燈桿外殼接零保護是接在專用的保護線PE 上，安全可靠。TT系統，沒有專用的保護線PE，將路燈燈桿的金屬外殼直接接地，稱為保護接地系統。正負極母線上使用漏電保護器。改造中需要根據現有路燈條件進行采用合適的接地方式。

安全保護分為過載及短路保護和漏電保護，路燈控制柜內的整流電源模塊應采用具備過電流保護和輸出端短路保護功能的設備，輸出電流超過1.1倍額定電流時，輸出電壓下降，設備進入限流模式；輸出電流達到1.3倍額定電流時，設備將自行關斷。漏電保護方面直流供電可以設置較為準確的漏電保護定值，且不存在三相交流系統漏電流的方向問題，可以做到漏電流的準確檢測。

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，所采用的燈頭型號分為很多種，燈珠串并聯方式也很多，有多個燈珠串聯后再并聯的，有所有燈珠進行并聯的等。不同燈頭的額定電壓也不盡相同，在改造時應關注此方面，防止因電壓過高過低給LED路燈帶來的損傷。

高壓直流供電應用在市政照明系統中，符合我國低碳節能的發展政策，有利于環保。在國家正在大力推行電動汽車、5G網絡應用的現狀下，路燈作為城市普及最廣泛的帶電市政設施，必將被用于城市相關方向的發展重點，而高壓直流供電技術也必將成為安全供電技術的必然選擇。