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LED路灯电源使用环境与影响分析

  现今LED节能产品在路灯的改造上得到了政府及使用方的认可与青睐,大力促进了LED路灯的发展。但在LED路灯的实际使用中可以发现,诸多路灯电源实际应用状况不乐观。“电源”作为LED路灯的重要部件,环境因素与安装接地方式对电源的使用寿命有很大影响。根据个人对多地LED电源故障的实地勘测综合分析看,失效品多发生在雷区、水域、空旷地等路段,因此LED路灯产品要有一定的防感应雷的特性,还要改良接地技术,这两点需要LED路灯厂家和LED电源制造商的共同努力才能将LED路灯电源的使用寿命大大延伸。
  下面将多年的LED路灯电源使用中碰到的故障进行分析,并提出个人的一些改进技术建议,希望能为LED路灯的发展贡献绵薄之力。
  主要电源使用失效机理与分析 
  问题分析1: 
  电网电压高:与工业电网未隔离,造成后半夜,电压升高,超过电源规格的蕞大输入电压。
  电网电压波动对LED电源使用的影响。
  例:在对LED路灯电源维护时,在不同地区所量测监控电网电压过高情况:


  针对上述问题提出以下方法供参考:
  在供电与电源之间增加漏电保护开关。
  当发生输入过压和连续强雷击现象,可以切换电源,进行保护,维护时再人工合上开关即可,不会损坏设备。
  需要关注漏电流的选择,防止频繁动作。
  问题分析2:主要为雷击损坏 
  灯柱安装接地效果不好,造成防雷效果差,影响电源的正常工作:
  土壤环境分析
  电杆置填深度
  电源地线接地状况不良,造成防雷效果差。
  电网供电保护效果不好,造成防雷效果差。
  空中的闪电发射的是一光谱的无线电波,架空的道路灯具和供电线路,是良好的接受天线。这一瞬时差模干扰电压也可达到数百伏至3000 多伏,这一电压往往会击穿电子设备的电源电路的电气间隙,同样会损坏驱动电路。因此电源需要做防雷设计,防雷设计是一个系统工程,需要从供电电网、系统接地到用电设备等全方面进行防雷设计。
  以下将详细分析防雷设计与目前的现状:
  一、雷击失效实例 

  在分析过程中,诸如此类MOV破裂,均是雷击损坏所致。 
  二、四种类型雷击模式及电源雷击失效机理 
  1. 直击雷:蕴含极大的能量,峰值电压可达5000kv的雷电流入地,具有极大的破坏力。会造成以下三种影响:
  1) 巨大的富电流在数微秒时间内流下地,使地电位迅速升高,造成反击事故,危害人身和设备安全。
  2) 雷电流产生强大的电磁波,在电源线和信号线上感应极高的脉冲电压。
  3) 雷电流流经电气设备产生极高的热量,造成火灾或爆炸事故。
  2. 传导雷:远处的雷电击中线路或因电磁感应产生的极高电压,由室外电源线路和通信线路传至建筑物内室内的电气设备。
  3. 感应雷:云层之间频繁放电产生强大的电磁波导致共模和差模干扰,影响电气设备运行。
  4. 开关过电压:供电系统中的电感性和电容性负载开启或断开、地极短路、电源线路短路等,都能在电源线路上产生高压脉冲,脉冲电压可达正常电压的3到5倍,可严重损坏设备。破坏效果与雷击类似。
  国军标《GJB 6784-2009 军用地面电子设施防雷通用要求》,如下图所示: 
   三、防雷的系统设计: 
   TN-S结构是指变压器出来,采用三相四线制输电,中性线与保护地相连。此结构有利于浪涌电流的迅速泄放。此时的防护等级为IV级(4KV);传送到大楼后,防护等级为III级(2.5KV);到了专用机房后,防护等级为II级(1.5KV);蕞后到设备上,防护等级降为I级(1.0KV)。
防雷是系统工程,一方面要对能量逐级吸收,及防护区间量级分类的原则,需要做多级防护。另一方面要从供电系统、设备接地、产品等三方面进行防护设计。
  供电电网的防雷设计,可以根据蕞新标准《CJJ45-2006 城市道路照明设计标准》第6章要求:“6.1.9 道路照明配电系统的接地形式宜采用TN-S系统或TT系统,金属灯杆及构件、灯具外壳、配电及控制箱屏等的外露可导电部分,应进行保护接地,并应符合国家现行相关标准的要求。”
  根据现场维护反馈信息,主供电线有三条:火线、零线和保护地线(PE)。应属TN-S系统,有独立的接地线,为雷击浪涌电流的泄放提供了途径。 
  灯杆的防雷接地设计,要依据GB50057-2000《建筑物防雷设计规范》第3.2.2条“三、防雷电感应的接地装置应和电气设备接地装置共用,其工频接地电阻不应大于10Ω。”还有蕞新标准《CJJ89-2001 城市道路照明工程施工及验收规程》第6章要求:
  6.2.7 灯杆、配电箱等金属电力设备采用接地保护时,其接地电阻不应大于4Ω。
  6.3.2 接地体埋深应符合设计规定当设计无规定时埋深不宜小于0.6m。
  综上所述,路灯灯杆接地应遵循保护接地不大于4Ω,防雷接地不大于10Ω。
  土壤对接地电阻有影响,灯杆的防雷接地设计就是采取有效降阻方法。当接地点的土壤(如岩石、砂质土壤和长期冰冻的土壤)电阻率较高时,为了满足接地电阻的要求,须采取措施来降低土壤的电阻率,这些措施包括:
  1. 换土:用电阻率较低的黑土、粘土和砂质粘土等替换电阻率较高的土壤。一般换掉接地体上部1/3长度、周围0.5米以内的土壤。
  2. 深埋:如果接地点的深层土壤电阻率较低,可适当增加接地体的埋入深度。深埋还可以不考虑土壤冻结和干枯所增加电阻率的影响。
  3. 外引接地:通过金属引线将接地体埋设在附近土壤电阻率较低的地点。
  4. 化学处理:在接地点的土壤中混入炉渣、木炭粉、食盐等化学物质,以及采用专用的化学降阻剂,可以有效地降低土壤电阻率。
  5. 保土:采取措施保持接地点土壤长期湿润。
  6. 对冻土进行处理:在冬天往接地点的土壤中加泥炭,防止土壤冻结,或者将接地体埋在建筑物的下面。
  四、电源的防雷设计: 
  1. LED电源使用要求
  参照《GBT 17626.5-2008 电磁兼容 试验和测量技术浪涌(冲击)抗扰度试验》分为1\2\3\4\X级。电源线差模试验的1级参数未给,其余各级分别为0.5KV\1KV\2KV及待定。电源线共模试验的各级参数为0.5KV\1KV\2KV\4KV。试验的严酷度等级取决于环境(遭受浪涌可能性的环境)及安装条件,大体分类是:
  1级:有较好保护的环境,如工厂及电站的控制室;
  2级:有一定保护的环境,如无强干扰的工厂;
  3级:普通的电磁骚扰环境:对设备未规定特殊安装要求,如普通安装的电缆网络,工业性的工作场所和变电所;  
  4级:受严重骚扰的环境,如民用架空线,未加保护的高压变电所;
  X级:特殊级,由用户和制造协商后确定。
  从使用环境角度看,LED驱动电源需要考虑3级以上的要求。 
  2. 电源的现场应用分析 
  现场维护反馈主供电线有三条:火线、零线和保护地线(PE)。应属TN-S系统,有独立的接地线,为雷击浪涌电流的泄放提供了途径。
  安装时,PE并不是直接连接到电源的输入线对应的PE线,而是直接接到灯柱底部裸露的金属部分:希望通过灯柱体到灯模组的外壳,再从安装螺丝到电源外壳(电源的外壳与内部线路的接地端相连)。在一些旧灯改造方面更为突出。

  电源接地是一个不容忽视的问题,故障多出在安装工程上,电源保护地与外壳(雷击保护地)相连接,相互串扰;相关接头易锈蚀,由此产生许多不可靠问题。例如,电源外壳为抗氧化处理后,不导电,使接地不可靠导致防雷效果差。即使经过灯具、灯杆到接地连接端到PE线,特别是PE线的连接处,因为没有做抗氧化处理,在半年之后,均会发生锈蚀情况,导致接触电阻达不到要求,使电源的防雷效果降低。
  电源保护地与灯杆外壳(雷击保护地)相连接,浪涌电压相互串扰,此举将防雷工程复杂化,电网接受的感应雷所形成的浪涌电压作用于不同灯杆会产生不同的效果(因为灯杆接地电阻不同),多重雷区的浪涌电压交错叠加,增强特性的会压敏电阻击穿失效。 
  经分析,主要集中在现场应用,提出以下方法供参考:
  供电电网一定要采用TN-S系统—火线、零线、接地线;
  电网保护地(PE线)与灯柱防雷地(柱体)要分开,不要连接,防止串扰;
  将电源PE线与电网的PE线可靠连接;
  接地电阻小于0.1欧;
  连接接头做防水处理,可保证长期的连接可靠性;
  灯柱体接地受雨季、干燥季节等气候的影响变化较大,但需一直保持接地电阻小于10欧;
  考虑接地电阻的主要因素有土壤电阻率,接地体的尺寸、形状及埋入深度,接地线与接地体的连接等;
  连接处还需作防氧化防腐处理;
  处于大桥上、高速公路的工程,需要将灯柱底座的金属连接件与大桥的防雷系统焊接在一起,形成整体防雷;
  郊区比城区路线更需关注防雷。

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