【導(dǎo)讀】LED照明已經(jīng)逐漸取代傳統(tǒng)照明成為照明市場的主導(dǎo)。由于照明領(lǐng)域的二次革命，照明效率上的進(jìn)步（每瓦更高流明）、二次光學(xué)元件（更好的鏡頭/反射鏡）、以及更強(qiáng)的熱耗散性能等LED照明技術(shù)層出不窮。然而，LED戶外照明在這前景一片大好的情況下依然存在諸多挑戰(zhàn)，雷擊就是一個重大威脅。
對于戶外LED照明，一個相當(dāng)大的威脅是在交流電源線路中發(fā)生的瞬態(tài)浪涌事件，其可能會對燈具造成損壞。一個LED燈含有電源轉(zhuǎn)換器件（AC/DC）、LED的驅(qū)動芯片、以及用于熱控的散熱器和優(yōu)化燈光質(zhì)量的光學(xué)器件。直接連接到交流電源（如120/220VAC）的一個LED燈具可能會因燈泡內(nèi)部元件或電路故障導(dǎo)致的短路和過載情況而損壞。除此之外，產(chǎn)生于燈泡外部的雷擊浪涌或負(fù)荷開關(guān)瞬態(tài)能夠造成電壓尖峰或環(huán)形波，給元件造成壓力并最終導(dǎo)致?lián)p壞，從而使燈泡報廢。鑒于LED燈泡的價值定位不僅僅是降低能源消耗，還有更長的使用壽命，在消除因電氣環(huán)境促使的現(xiàn)場故障中考慮瞬態(tài)電壓保護(hù)將是至關(guān)緊要的。
間接雷擊感應(yīng)浪涌
由于附近電氣設(shè)備的打開和關(guān)閉動作，在交流電源線路上可能會發(fā)生過壓瞬態(tài)浪涌。附近發(fā)生的雷擊也會在交流電源線路產(chǎn)生瞬態(tài)浪涌，尤其是在室外環(huán)境中。
圖1：在交流電源線路中的瞬態(tài)浪涌。
在發(fā)生雷擊的一剎那，從云到地面的靜電放電的級別通常達(dá)到數(shù)百萬伏。發(fā)生于幾英里以外的雷擊，會在載流銅線（例如：路燈的地下電纜）誘發(fā)高達(dá)數(shù)千伏的感應(yīng)電壓。這些間接沖擊以通常含有超過1,000 A2s大量能量的特定波形為特征。約70%的雷擊發(fā)生于熱帶地區(qū)的陸地地帶，這也是大多數(shù)雷暴發(fā)生的地方。非洲國家經(jīng)歷過有史以來最為嚴(yán)重、持續(xù)時間最長的雷擊。雷擊最為經(jīng)常發(fā)生的地方鄰近剛果民主共和國東部山區(qū)的小村莊基夫卡，海拔約為975米。平均來說，該地區(qū)每年每平方公里會發(fā)生158次雷擊。這個地方周圍的一大片區(qū)域也受到嚴(yán)重影響，因為雷擊造成的感應(yīng)浪涌沖擊增加了戶外LED照明設(shè)備受損的幾率。
根據(jù)美國航空航天局（NASA）在全球各地閃電頻數(shù)上的研究，中南美、非洲、南亞和東南亞也有與美國類似的閃電頻數(shù)；因此在美國，我們建議等效浪涌抗擾度應(yīng)在5kA到10kA之間。對于閃電頻數(shù)較少的其他地區(qū)，如歐洲、東亞和澳大利亞，可以考慮3kA到5kA較低的浪涌抗擾度。
暴風(fēng)雨天氣中這種類型的間接雷電能量會對戶外LED照明裝置造成不利影響。燈具在差模和共模條件下均容易受損：
差模：燈具的相線和零線端子或相線和相線端子之間的高電壓/電流瞬態(tài)可能會損壞電源裝置或LED模塊板中的元件。
共模：燈具的相線和地線或零線和地線之間的高電壓/電流瞬態(tài)可能會穿透電源裝置或LED模塊板中的安全絕緣，包括LED散熱器絕緣。
測試波形是1.2 x 50μs開路電壓和8 x 20μs短路電流波形的一種組合。要進(jìn)行這項測試，在連接到燈具之前要通過將輸出端短接到地面在浪涌發(fā)生器上對規(guī)定的峰值電流進(jìn)行校準(zhǔn)。
圖2：組合波開路電壓。
圖3：組合波短路電壓。
圖4 世界各地的閃電頻率—單位：閃電次數(shù)/平方公里/年—(NASA GHRC)。
應(yīng)對感應(yīng)浪涌事件的技術(shù)
保護(hù)戶外LED照明免于感應(yīng)浪涌沖擊損害的方式是阻斷高電壓/電流瞬態(tài)干擾進(jìn)入照明燈具。因此可以在戶外LED照明應(yīng)用中采用一種浪涌保護(hù)器（SPD）來抑制浪涌能量并最大限度地減少對照明設(shè)備的浪涌沖擊。
對于SPD，有多種過電壓保護(hù)元件可用，包括金屬氧化物壓敏電阻（MOV）、氣體放電管（GDT）和瞬態(tài)電壓抑制（TVS）二極管。這些元件被放置于通常具有高阻抗的交流電源線之間，在檢測到高電壓時會變?yōu)榈妥杩埂Ｔ诘妥杩範(fàn)顟B(tài)下，這些元件可以將浪涌能量轉(zhuǎn)移回到交流電源線，在浪涌事件后又回到高阻抗?fàn)顟B(tài)。在現(xiàn)有的技術(shù)中，MOV因其較高的浪涌能量處理能力和對瞬態(tài)電壓的快速響應(yīng)成為首選，在配電板的SPD保護(hù)中也得以廣泛應(yīng)用。因此MOV是戶外LED照明應(yīng)用中浪涌保護(hù)器件的最為適用的技術(shù)。
在一個室外燈具中并入一條強(qiáng)大的浪涌抑制電路能消除浪涌能量造成的破壞，從而提高照明設(shè)備的可靠性，最大程度地減少維護(hù)并提高使用壽命。一個能將過高的浪涌抑制到較低電壓水平的浪涌保護(hù)組件是保護(hù)LED燈具設(shè)施的最佳方式。
圖5：LED路燈保護(hù)方案。
圖中文字：1.電線桿底板的斷路器 - 用于燈具底端線路的過流保護(hù)
2.SPD內(nèi)的熱防護(hù)處理
3.電源保險絲用于電源電路過流保護(hù)
熱防護(hù)型MOV保護(hù)SPD的安全
金屬氧化物壓敏電阻（MOV）技術(shù)不僅價格便宜，而且是抑制電源中瞬態(tài)的一種非常有效的技術(shù)。在許多其他的應(yīng)用中，這種技術(shù)同樣有效，比如通常被放置于LED驅(qū)動器前面的浪涌保護(hù)器（SPD）模塊。
在經(jīng)歷一次大浪涌或多次小浪涌之后，MOV的性能會逐漸退化。這種退化導(dǎo)致金屬氧化物壓敏電阻泄漏電流增加，進(jìn)而使得MOV的溫度升高，即使是在120VAC/240VAC工作電壓的正常條件下。MOV相鄰的一個熱敏斷路器可以在金屬氧化物壓敏電阻持續(xù)退化至壽命終止?fàn)顟B(tài)時用以檢測其溫度的增加；這時，熱敏斷路器會打開電路，將性能退化的壓敏電阻從電路中去除，以防止災(zāi)難性故障。
圖6：熱敏斷路器防止性能退化的MOV出現(xiàn)故障。
MOV的設(shè)計旨在微秒時間內(nèi)鉗制快速過電壓瞬態(tài)。然而，除了短時瞬態(tài)，在SPD模塊中的MOV還會受到因零線缺失或安裝時的不正確接線造成的臨時過電壓情況的影響。這些情況會對MOV造成嚴(yán)重壓力，使其進(jìn)入一種散熱失控狀況；反過來，這又將導(dǎo)致過熱、冒煙、甚至起火。SPD的安全標(biāo)準(zhǔn)UL 1449和IEC 61643-11，定義了為確保SPD安全而必須對器件進(jìn)行測試的特定異常條件。在可靠的設(shè)計中，在浪涌保護(hù)器內(nèi)部加入了熱敏斷路器，以保護(hù)MOV不會出現(xiàn)散熱失控。
圖7：AC過電流事件。
為SPD而設(shè)的壽命終止/更換指示功能當(dāng)MOV因臨時過電壓或過高的泄露電流而變得過熱時，熱敏斷路器可用來將金屬氧化物壓敏電阻從交流電路中去除。SPD因此停止其電涌抑制功能。所以應(yīng)考慮設(shè)計合適的指示功能，以便維修人員能夠知道SPD不能正常工作且需要更換。
照明設(shè)計人員可以根據(jù)他們的維護(hù)和包修策略從兩種主要類型的SPD模塊配置中進(jìn)行選擇。這些都是并聯(lián)和串聯(lián)的浪涌保護(hù)組件。
圖8：并聯(lián)和串聯(lián)連接。
并聯(lián)連接：SPD模塊與負(fù)載并聯(lián)在一起。一個壽命終止的SPD模塊從電源上斷開的同時，AC/DC電源裝置保持通電狀態(tài)。照明依然處于工作狀態(tài)，但卻失去了抵抗電源裝置和LED模塊所面臨的下一次浪涌的防護(hù)功能。在一個并聯(lián)的SPD模塊中，可以通過使用一個能向維護(hù)技術(shù)人員指示SPD模塊狀態(tài)的小的發(fā)光二極管來起到更換指示的作用。可以選擇使用綠色發(fā)光二極管來指示SPD模塊在線，或者用紅色發(fā)光二極管來指示SPD模塊離線。或者，更換SPD模塊的需要可以在SPD模塊壽命終止指示線連接至一個網(wǎng)絡(luò)智能照明系統(tǒng)的照明管理中心中遠(yuǎn)程顯示，而不是在每個燈具上都安裝LED指示。串連連接：SPD模塊與負(fù)載串聯(lián)在一起，壽命終止的SPD模塊從電源上斷開的同時，也會使燈熄滅。燈具停電便可作為呼叫維修的指示。已斷開的SPD模塊不僅熄滅照明以作為更換的指示，同時使交流/直流電源裝置與之后的浪涌沖擊隔離開來。對這種配置的普遍偏好迅速增長，是因為在SPD模塊等待更換期間，照明設(shè)施仍然受到保護(hù)。與使用并聯(lián)浪涌保護(hù)器模塊的情況下需更換整個燈具相比，在串聯(lián)情況下僅更換SPD模塊的費用要低得多。
結(jié)語
LED技術(shù)所帶來的高效節(jié)能提升了戶外照明的價值。為了使LED照明設(shè)備能達(dá)到其預(yù)期壽命，應(yīng)在戶外LED照明中加入浪涌保護(hù)模塊，以防止因雷擊浪涌事件和其他電源線路浪涌造成的早期故障。安裝于LED電源裝置前端的浪涌保護(hù)模塊，為照明系統(tǒng)提供了有效的保護(hù)。但是，其可能會受到臨時過電壓威脅和因多次浪涌事件而疲勞的影響。放置于浪涌保護(hù)模塊中的熱敏斷路器提高了模塊的整體安全性，并能使模塊達(dá)到UL 1449和IEC 61643-11認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。
當(dāng)浪涌保護(hù)模塊達(dá)到其使用壽命期限時，串聯(lián)的SPD模塊提供的是一種最為簡單的更換指示方式，即通過將燈具從電源上斷開，從而使燈熄滅。并聯(lián)的SPD模塊提供的是一種與發(fā)光二極管相連接的方式，對模塊是否在線做出提示。
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