簡析LED路燈電源防雷設(shè)計路徑

王彥軍

摘? 要：雷電活動是常見的自然現(xiàn)象，路燈安裝于戶外，遭受雷擊的概率較大。LED路燈電源同時受到直擊雷、感應(yīng)雷的影響，因此，文章針對LED路燈電源設(shè)計了一套防雷方案，同時考慮了直擊雷的巨大能量泄放、感應(yīng)雷的電壓和電流脈沖影響，以及共模和差模信號對于控制器的干擾等。可以提高LED路燈電源的雷電防護(hù)性能。

關(guān)鍵詞：防雷設(shè)計;LED路燈電源;感應(yīng)雷;防雷器

中圖分類號：TU895? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）09-0095-02

Abstract： Lightning activity is a common natural phenomenon， street lamps installed outdoors， the probability of being struck by lightning is high. LED street lamp power supply is affected by both direct lightning and inductive lightning. Therefore， this paper designs a set of lightning protection scheme for LED street lamp power supply， taking into account the huge energy release of direct lightning， the influence of voltage and current pulse of inductive lightning， and the interference of common mode and differential mode signals to the controller， which can improve the lightning protection performance of LED street lamp power supply.

Keywords： lightning protection design; LED street lamp power supply; inductive lightning; lightning arrester

引言

雷電是一種常見的大氣放電現(xiàn)象。雷擊具有巨大的破壞力，路燈安裝于戶外，由于桿體為金屬材質(zhì)，所以遭受雷擊的可能性較大。LED路燈采用開關(guān)電源，抗雷擊能力差。如果防雷措施不當(dāng)，則會造成路燈損壞，甚至引發(fā)火災(zāi)造成極為嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。基于此，本文提出了一種針對LED路燈電源防雷的方案。

1 雷擊的類型及其特性

1.1 雷擊的類型

（1）直擊雷

直擊雷是通過地面金屬物體，將大氣中攜帶的能量直接帶入大地的現(xiàn)象。其雷電流的峰值電壓可以高達(dá)5000kV，放電時間為微秒計，可以在短時間內(nèi)使地面出現(xiàn)較大的電位差。

（2）傳導(dǎo)雷

傳導(dǎo)雷是在更大的范圍內(nèi)（幾公里甚至幾十公里），雷電擊中電力或通訊線路，然后沿著傳輸線路侵入設(shè)備。雷電可能通過接地系統(tǒng)或建筑物間的線路入侵雷電沿建筑物內(nèi)部設(shè)備形成地電位反擊。

（3）感應(yīng)雷

感應(yīng)雷是在云層有雷電活動時，在路燈的電源線或者信號回路中，由于電子感應(yīng)或者是靜電感應(yīng)而產(chǎn)生的電壓或電流突變。感應(yīng)雷為云層間的放電，產(chǎn)生電磁波對設(shè)備形成的共模和差模干擾。

1.2 雷電的特性

（1）主放電階段特性

雷電流的放電階段，從云層導(dǎo)入大地的過程的阻抗不是常數(shù)，而是與放電通道中電流的大小相關(guān)。電流越大其阻抗越小，若定義雷電流幅值為I，雷電流的波阻抗為Z0則，其滿足以下公式：

其中I0為雷電流，Z0為雷電通道阻抗，I為通過金屬物體導(dǎo)入大地的電流，Z為金屬物體的等效阻抗。

當(dāng)Z0趨向于無窮大時，上式可以等效為I=2I0，由此可以認(rèn)為，當(dāng)雷電通道阻抗為無窮大時，雷電通道相當(dāng)于是電流源。

（2）雷電流波形

雷擊放電過程會在短時間內(nèi)產(chǎn)生一個脈沖，然后隨著時間的推移逐步衰減，是非周期性的波形，且放電從云層到大地呈現(xiàn)單極性。在實際放電過程中，伴隨有振蕩等雜波，很難確定最大幅值時間。

（3）雷電流幅值分布

我國大部分地區(qū)。在LED路燈電源防雷設(shè)計中，可以通過雷擊概率曲線查出Im求得，計算公式如下：

另外，我國大部分地區(qū)雷電流極性為負(fù)，但是由于地形地貌的不同，也有正極性雷電存在。正極雷電所占比例一般為10%-25%之間。

2 LED路燈開關(guān)電源防雷方案設(shè)計

2.1 開關(guān)電源防雷設(shè)計

LED路燈電源由220V交流市電引入，先流過防雷器（簡稱SPD），Imax=20kA;再經(jīng)過LED恒流驅(qū)動電源的濾波和整流系統(tǒng)形成直流恒流驅(qū)動電源，然后由LED模組點亮路燈。SPD包含機械脫扣型熱保護(hù)壓敏電阻（簡稱TFMOV）、熱保護(hù)脫扣型氣體放電管（TGDT）、失效遙信告警指示，有的型號還增加了限流、濾波功能的電感。

當(dāng)LED路燈系統(tǒng)受到雷擊影響時，TFMOV兩端出現(xiàn)瞬態(tài)過電壓，使得MOV的阻值迅速減小，流過其的電流激增而對其他電路的影響變化不大，進(jìn)而減小了過電壓對后續(xù)敏感電路的影響。同時TGDT可以在極短的時間內(nèi)，將電源接地，對地泄放能量。浪涌電流消退后，MOV阻值迅速恢復(fù)到常態(tài)，斷開電路，TGDT也恢復(fù)到開路狀態(tài)。詳細(xì)電路如圖1所示。

LED路燈防雷設(shè)計與普通的路燈有很大差異。第一級防護(hù)采用可恢復(fù)性保險絲，根據(jù)系統(tǒng)的耐受電壓，確定保險絲的截斷電流，通常LED路燈截斷電流選用1.5A，當(dāng)雷電影響逐漸消失，電流恢復(fù)到額定值時，保險絲恢復(fù)導(dǎo)通電路。

2.2 信號控制器防雷設(shè)計

信號控制器容易受到感應(yīng)雷的影響，因此在信號控制器根據(jù)感應(yīng)電壓或電流對信號產(chǎn)生的影響設(shè)計。信號控制器的防雷電路如圖2所示。

第一級防護(hù)需要對共模和差模信號進(jìn)行泄放，采用兩根玻璃放電管分別串聯(lián)在正負(fù)極與地線之間，然后采用一根玻璃放電管跨接于正負(fù)極之間，阻斷感應(yīng)雷干擾信號通道。第一級防雷設(shè)計可以泄放140V以上的感應(yīng)雷影響。

第二級防護(hù)為保險絲設(shè)計，在正負(fù)極串聯(lián)可恢復(fù)保險絲，在電流超過340mA時截斷電路。恢復(fù)到140mA以內(nèi)時導(dǎo)通電路。

第三級防護(hù)采用兩組TSS管瞬態(tài)電壓抑制半導(dǎo)體放電管，與電源防護(hù)不同之處在于，此處采用共模與差模配合接法，在鉗位電壓到6V的同時，再次對感應(yīng)雷影響進(jìn)行防設(shè)。

2.3 其他高質(zhì)量保護(hù)設(shè)備

防雷器的響應(yīng)速度可以達(dá)到納秒級。在浪涌電流沖擊時，防雷器可以在瞬間將設(shè)備的電壓鉗位到安全水平，同時將雷電的能量通過TGDT對大地進(jìn)行泄放，因此，由于設(shè)備接口的鉗位，雷電流不會流經(jīng)設(shè)備，從而對LED路燈進(jìn)行了保護(hù)。

3 結(jié)束語

LED路燈電源及控制回路屬于弱電信號設(shè)備，容易受到干擾。本文通過雷電特性的分析，結(jié)合LED路燈的特點。電源的防雷主要針對傳導(dǎo)雷和感應(yīng)雷設(shè)計，采用多級防護(hù)、自恢復(fù)電路設(shè)計，避免感應(yīng)電壓和電流脈沖的影響。另外，針對感應(yīng)雷的共模和差模影響，設(shè)計共模和差模信號泄放電路。以此來達(dá)到LED路燈的防雷防護(hù)效果。

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