程 曄

(iGuzzini照明 (中國)有限公司，上海 200000)

(上接2012年第5期第111頁)

7 LED燈具的爬電距離與電氣間隙

7.1 LED燈具面臨的爬電距離和電氣間隙的挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)光源的燈具產(chǎn)品，對于爬電距離和電氣間隙的考核相對是很忽視的。傳統(tǒng)燈具產(chǎn)品，簡單來說就是接線端子、鎮(zhèn)流器、觸發(fā)器、電容和燈座等的組合。由于各自部件都有其相應標準考慮安全規(guī)定的電氣間隙和爬電距離，所以在做成燈具產(chǎn)品時只要考慮各部件上的帶電端子對于可觸及外殼需有一定的安全距離。而LED的出現(xiàn)，又將半導體行業(yè)的線路板帶入燈具，對于這方面的考核需要更為專業(yè)的知識，爬電距離和電氣間隙就不能再被忽視了。再加上LED燈具正在往小型化和緊湊型方向發(fā)展。如圖12所示的產(chǎn)品還沒有一枚一角硬幣大，對于這些燈具的爬電距離和電氣間隙有什么新的要求嗎?這一要求也是新舊標準中變化很大，對于半導體出身的LED來說也有很大的影響約束。

7.2 什么是爬電距離和電氣間隙?

首先讓我們了解一下什么是爬電距離和電氣間隙。在我國現(xiàn)行燈具標準GB7000.1—2007中實際上并未給出相應解釋，但在最新國際標準IEC60598-1:2008中，給了我們?nèi)缦?個注釋。

圖12 小型化LED燈具的爬電距離和電氣間隙

NOTE 1 Attention is drawn to the fact that the values for creepage and clearance given in this section are the absolute minimum.

NOTE 2 The way in which creepage distances and clearances are measured is specified in IEC 60664-1.

NOTE 3 For information on the sue of coating，potting or moulding to achieve insulation coordination by protection against pollution or introducing solid insulation，IEC 60665-3 should be consulted.

新標準的爬電距離和電氣間隙引用了IEC60664-1/GB16935.1《低壓系統(tǒng)內(nèi)設備的絕緣配合》。所謂絕緣配合，就是考慮了預期微觀環(huán)境及其他影響作用的情況下電氣設備絕緣特性的相互關(guān)系。其中對爬電距離和電氣間隙給出了如下定義:

電氣間隙clearance:兩導體部件之間在空氣中的最短距離。

爬電距離creepage distance:兩導電部件之間沿固體絕緣材料表面的最短距離。

7.3 爬電距離和電氣間隙的測量

為了直觀的理解定義，下面是爬電距離和電氣間隙的幾個圖示測量的例子。

圖13中的X是根據(jù)污染等級來分，燈具中一般為1mm，即污染等級2，一般僅有非導電性污染，然而必須預期到凝露會偶然發(fā)生短暫的導電性污染。

對于非常緊湊的LED燈具產(chǎn)品，有時候爬電距離和電器距離非常小，如一些線路板，這時我們可以參考IEC60664.5/GB16935.5《低壓系統(tǒng)內(nèi)設備的絕緣配合第5部分:不超過2mm的電氣間隙和爬電距離的確定方法》。

7.4 爬電距離和電氣間隙的考核環(huán)境

根據(jù)最新IEC60598-1:2008標準，燈具的電氣間隙和爬電距離基于的考核環(huán)境為

圖13 一些代表性的爬電距離和電氣間隙示例

1)海拔至2000m。

2)污染等級2，一般僅有非導電性污染，然而必須預期到凝露會偶然發(fā)生短暫的導電性污染。

3)過電壓類別Ⅱ的設備，即由固定式配電裝置供電的耗能設備。

對于其他條件可以參考IEC60664-1。例如，對于我國標準GB7000.1—2007中，基于以下原則給出了IPX1或以上具有防水功能的燈具的電氣間隙和爬電距離。

1)污染等級3:發(fā)生干燥的非導電污染，但預料到凝露造成的導電。

2)過電壓類別Ⅱ

對于爬電距離和電氣間隙，還要注意兩個要點。

第一，爬電距離應不小于所要求的最小電氣間隙。

第二，給出的限值都是基于海拔2000m以下，超過的需要根據(jù)IEC60664-1使用換算系數(shù)(見表9)。

表9 海拔修正系數(shù)

我國地勢西高東低，呈階梯狀分布。地勢的第一級階梯是青藏高原，平均海拔在4500米以上。其北部與東部邊緣分布有昆侖山脈、祁連山脈、橫斷山脈，是地勢一、二級階梯的分界線。地勢的第二級階梯上分布著大型的盆地和高原，平均海拔在1000～2000米之間，其東面的大興安嶺、太行山脈、巫山、雪峰山是地勢二、三級階梯的分界線。地勢的第三級階梯上分布著廣闊的平原，間有丘陵和低山，海拔多在500米以下。如果通過北緯32°線，自西向東作一幅中國地形剖面圖，從西部的大高原，到中部的盆地，再到東部平原，西高東低，呈階梯狀逐級下降的地勢特點十分明顯。

由此可見，考慮到我國獨特西高東低的地貌，為了保持產(chǎn)品廣泛覆蓋性，應盡量不要靠近限值，應留出足夠余量，以免高海拔地區(qū)使用時造成的不安全性。如果出口到其他高海拔地區(qū)也就更需要考慮地區(qū)差異。

7.5 LED燈具產(chǎn)品爬電距離和電氣間隙的限值

現(xiàn)在讓我們回到LED燈具的爬電距離和電氣間隙要求當中，我們還是以前文提到的LED線性燈為例。

根據(jù)國際標準和我國標準所述，工作電壓在25V以下的沒有限值，因為表10耐壓試驗就足夠能說明問題。前文我們已經(jīng)解決了直流電壓下是否Ⅲ類的問題，對于25V以下的LED燈具我們可以直接用Ⅲ類燈具的500V耐壓試驗來衡量爬電距離和電氣間隙。如上述24V電壓驅(qū)動系列的所有線性燈產(chǎn)品以及500mA電流驅(qū)動的產(chǎn)品1和產(chǎn)品2，只需要用耐壓試驗來考核爬電距離和電氣間隙 (見表10)。

表10 電氣強度

那對于25V以上的燈具呢，如上述線性燈500mA電流驅(qū)動型的產(chǎn)品3、4和5?如表11，我國現(xiàn)有標準只針對交流電壓而未針對直流電壓給出任何限值。那我們的LED燈具就沒有要求了嗎?

而在最新的國際標準IEC60598-1:2008中則給出了對于直流電壓的限值。我們可以看到表12注解b和c分別提到了如何將此表格運用到直流電壓上。此外，還要注意新舊標準中限值的變化。

需要注意的是國家標準根據(jù)IP20和IP1X以上燈具分別給出了不同限值的表格，而最新國際標準并未給出。那是否說明國際標準降低了此方面的要求呢?答案是否定的。因為這方面的內(nèi)容，IEC60598-1:2008給出了一個資料性附錄U《更高適應條件下 (過電壓類別Ⅲ)燈具的爬電距離和電氣間隙Creepage and clearances distances for luminaires where a higher degree of availability(impulse withstand categoryⅢ)may be requested》。具體限值參見表13。除此之外我們可以直接參考 IEC60664-1/GB16935.1《低壓系統(tǒng)內(nèi)設備的絕緣配合》。

表11 GB7000.1—2007中爬電距離和電氣間隙的限值

綜上所述，若要考慮LED燈具的緊湊化和小型化則選擇電壓驅(qū)動型為宜，但由于電壓的限制，為了使用更多的LED元件只能選擇小功率的LED。若要考慮LED燈具的功能化，則宜選擇電流驅(qū)動型的大功率LED，但隨著LED顆粒的增加，電壓也相應增加，爬電距離和電氣間隙的限制則對燈具尺寸的緊湊也有了限制 (見圖14)。

圖14 如何選擇LED的驅(qū)動類型

7.6 需要考核爬電距離和電氣間隙的部件

IEC60598-1:2008中附錄M又給出了需要考核爬電距離和電氣間隙的部件。以前我們傳統(tǒng)燈具在這方面考慮的較少，但半導體行業(yè)的LED進入照明領域，電子電工技術(shù)的引入將對此項內(nèi)容受到更嚴格的要求 (見表14)。

表12 IEC60598-1:2008中爬電距離和電氣間隙的限值

8 LED燈具的接觸電流和保護導體電流

8.1 LED燈具觸電的危險

LED燈具與傳統(tǒng)燈具有著很大的不同 (見圖15)。因為LED光源不需要燈座支撐，再加上散熱的考慮，往往將LED直接貼在金屬外殼上面。這樣的燈具會觸電嗎?

由于LED燈具開始大量與電子技術(shù)結(jié)合，一些新型的控制技術(shù)得到應用，如人體直接接觸LED燈具進行調(diào)光。這些新型電子技術(shù)的應用能保證對人體的安全嗎?

表14 IEC60598-1:2008附錄M規(guī)定的需要考核爬電距離和電氣間隙的部件

圖15 LED元件與燈具外殼直接接觸

帶著上述的一些問題，我們該如何對LED燈具進行考核呢?

8.2 電流、電壓和人體電阻與電擊危害

電擊對人體的危害程度，主要取決于通過人體電流的大小和通電時間長短。電流強度越大，致命危險越大;持續(xù)時間越長，死亡的可能性越大。電死人的關(guān)鍵是電流的大小。脫毛衣時發(fā)出的火花電壓達幾萬伏，但沒有形成持續(xù)電流，所以不會電死人。

根據(jù)GB/T13870.1—1992《電流通過人體的效應第一部分:常用部分》可知，電流的效應由生理參數(shù)和電氣參數(shù)決定，心室纖維性顫動是電擊引起死亡的主要原因。人體心臟在易致顫期受到足夠強度的電流刺激就發(fā)生心室纖維性顫動，直接對人體心電圖和血壓產(chǎn)生影響。該時間是心搏周期內(nèi)較短的一部分，在此期間心臟纖維處于不協(xié)調(diào)的興奮狀態(tài)，如圖16所示。

10～100 Hz正弦交流電流過人體的效應如表15和圖17，以時間/電流為坐標，可劃分為四個區(qū)域。

圖16 易致顫期及心室觸發(fā)纖維性顫動對心電圖和血壓影響

表15 15～100Hz正弦交流電的時間/電流區(qū)域

圖17 15～100Hz正弦交流電的時間/電流效應區(qū)域的劃分

直流電流比交流易于擺脫。當電擊時間大于心搏周期時，直流電流的心室纖維性顫動閾比交流電流高的多。要產(chǎn)生相同的刺激效應，恒定的直流電流的強度要比交流電流大二到四倍。此處指的直流電流含有正弦紋波不超過10%的方均根值。直流電流的時間/電流區(qū)域說明見表16和圖18。

表16 直流電的時間/電流區(qū)域

圖18 直流電的時間/電流效應的區(qū)域的劃分

根據(jù)該標準中4.4章條表述的直流電流其他效應中提及:

a.接近300mA時，通電期間四肢有發(fā)熱感。

b.300mA以下橫向電流流過人體幾分鐘時，隨著時間和電流量的增加，可引起可以恢復的心律失常、電流傷痕、燒傷、頭暈以及有時失去知覺。超過300mA時，往往失去知覺。

可見LED燈具普通的驅(qū)動電流350mA和700mA對人體都有一定危害。

根據(jù)歐姆定律 (I=U/R)可以得知流經(jīng)人體電流的大小與外加電壓和人體電阻有關(guān)。人體電阻除人的自身電阻外，還應附加上人體以外的衣服、鞋、褲等電阻，雖然人體電阻一般可達5000Ω，但是，影響人體電阻的因素很多，如皮膚潮濕出汗、帶有導電性粉塵、加大與帶電體的接觸面積和壓力以及衣服、鞋、襪的潮濕油污等情況，均能使人體電阻降低，所以通常流經(jīng)人體電流的大小是無法事先計算出來的。下文中將提及如何用電子網(wǎng)絡來模擬人體電阻。

因此，為確定安全條件，往往不采用安全電流，而是采用安全電壓來進行估算，可被限制在較小范圍內(nèi)，可在一定的程度上保障人身安全。當電壓超過設定的安全電壓時，還需要通過測試電流的方式把電流限制在安全范圍內(nèi)。

2.3 泄漏電流、接觸電流和保護導體電流

現(xiàn)有國家標準GB7000.1—2007中，反應電流觸電傷害的試驗是如下所示的泄漏電流測試。10.3 泄漏電流

燈具正常工作時在電源各極與其殼體 (見表17)之間可能產(chǎn)生的泄漏電流不應超過表17的數(shù)值。

表17 泄漏電流

合格性根據(jù)IEC60990:1999的第7章檢驗。

注:對于用交流供電的電子鎮(zhèn)流器的燈具，由于光源的高頻工作，泄漏電流可能主要取決于光源和接地啟動裝置之間的間距。

標準中引用了IEC60990:1999，但此標準的名字為《METHODS OF MEASUREMENT OF TOUCH CURRENT AND PROTECTIVE CONDUCTOR CURRENT》即《接觸電流和保護導體電流的測試方法》，在當時就已經(jīng)舍棄了“泄漏電流”這個概念。主要因為:

(1)考慮到人體阻抗，流經(jīng)人體的有害電流和保護導體的電流不是必然相同的。

(2)隨著科技發(fā)展，人們意識到流經(jīng)人體電流的電效應遠比以前標準中的復雜，主要包括:感知、反應、擺脫和電灼傷。每種反應都有其不同的閾值，并且隨著頻率的變化而變化。

所以，根據(jù)需要必須對流經(jīng)人體和保護導體的電流不同的測試方法，而泄漏電流實質(zhì)上考慮了上述兩種情況的綜合，所以在之后標準中已經(jīng)舍棄。在最新的國際標準IEC60598-1:2008中就使用了接觸電流和保護導體電流作為測試方法 (見圖19)。

圖19 接觸電流和保護導體電流

根據(jù)IEC60598-1:2008中接觸電流定義:接觸電流是指當人員或動物接觸到設備的一個或多個可觸及零件時，通過人體或動物身體的電流。

1.2.78

touch current

electric current passing through a human body or through an animal body when it touches one or more accessible parts of an installation or of equipment

在此標準中規(guī)定的接觸電流的現(xiàn)值如表18，可見其和國家標準的限值有著很大差異。

表18 IEC60598-1:2008規(guī)定的接觸電流和保護導體電流的限值

8.4 接觸電流和保護導體電流的測試方法

關(guān)于其測試方法，我們需要參照附錄G中所描述的。

G.1 燈具在25°C±5°C環(huán)境溫度以及額定電源電壓和額定頻率下進行試驗。試驗接線如圖20所示，接線方式適用的是TN或TT系統(tǒng)。

隔離變壓器的使用，一是最大程度的保護安全，二是中心導體與地之間的電壓小于1%的線電壓，減少測量誤差。這些都是IEC60990中給出的指導。

根據(jù)IEC60364-3《建筑物電氣裝置第3部分:

圖20 測試線路圖

一般特性評估》，交流配電系統(tǒng)根據(jù)載流導體的安排和接地方式被劃分為TN、TT和IT系統(tǒng) (見表19，圖21)。

G.2 燈具帶有預期型號的光源進行工作，在額定電壓下達到穩(wěn)定時，熒光燈和其他氣體放電燈的光源功率和電壓值其額定值的±5%范圍內(nèi)。

此處標準中也未給出LED的測試要求，我們可以將上述值作為參考。

G.3 燈具按照標準中12.4.1章條 (即燈具熱試驗)進行連接然后測量保護導體電流。測試網(wǎng)絡如圖22所示，A和B分別連接至G.1所示電路中的燈具的接地導體PE和電源接地之間。此時接觸電流測試網(wǎng)絡應斷開。

測試順序如下文的G.5所示，但是“e”端始終斷開。Ⅱ類燈具不需要進行這項測試。由高阻抗電壓表測得的U4交流有效值除以電阻R得到電流的有效值。G.4 對于測量接觸電流，線路參考圖21和圖25和圖26。測試順序參考下文G.5。用符合IEC60529的標準試驗指作為試驗探極施加到可觸及的金屬部件，或燈具殼體裹著尺寸10cmx20cm金屬箔的可觸及的絕緣部件 (見圖23)。

表19 交流配電系統(tǒng)代碼的含義

圖21 交流配電系統(tǒng)示例

圖22 保護導體電流測試網(wǎng)絡

這里描述的測量方法是基于燈具用于星型TN或TT系統(tǒng)，例如燈具連接在火線 (L)和中性線 (N)之間。對于其他系統(tǒng)，見IEC60990的有關(guān)部分。

對于多相連接的情況，程序相同，但每一次測量是在一相上進行。相同的限值適用于每一相。圖25測量網(wǎng)絡用于I類可移式燈具，圖24用于除了測量保護導體電流外的其他所有情況。在測量網(wǎng)絡圖24和25中電壓U2和U3測得的電壓為峰值電壓。

試驗端子A電極 (標準試驗指)應依次施加于每一個可觸及的部件。對于每一次施加試驗端子A電極時，試驗端子B電極應施加到地，然后依次施加其他的可觸及部件。注意測試電路應使用隔離變壓器。

G.5 測試順序。接觸電流如表20所示測量。裝有開關(guān)的使用熒光燈或其他氣體放電燈的可移式燈具，測量以后燈具應斷開開關(guān)。然后將燈具開關(guān)閉合，在光源再次啟動前再次按表G.1所述的規(guī)定測量接觸電流。

圖23 IEC60529的標準試驗指

圖24 加權(quán)感知或反應測試網(wǎng)絡

圖25 加權(quán)擺脫測試網(wǎng)絡

8.5 人體電阻和模擬網(wǎng)絡

人體阻抗值由電流通路、接觸電壓、通電時間、頻率、皮膚濕度、接觸面積、施加壓力和溫度等因素決定。皮膚阻抗和人體內(nèi)阻抗組成的人體總阻抗是由阻性和容性的分量組成，根據(jù)GB/T13870.1—1992《電流通過人體的效應第一部分:常用部分》以及IEC60479-1:1994《Effects of current on human beings and livestock-Part 1:general aspects》，其定義為:

2.10 皮膚阻抗 (Zp)impedance of the skin

在皮膚上的電極與皮下導電組織之間的阻抗。

表20 測試順序

2.11 人體內(nèi)阻抗 (Zi)internal impedance of the human body

兩電極分別接觸人體兩部位，除去皮膚阻抗后電極間的阻抗。

2.12 人體總阻抗(ZT)total impedance of the human body

人體內(nèi)阻抗與皮膚阻抗的向量和。

其等效電路圖如圖26所示。

圖24和圖25中的由元件RS、CS、RB和試驗端子A、試驗端子B構(gòu)成的網(wǎng)絡是模擬總得人體阻抗ZT。其中RS和CS模擬兩個接觸點間總的皮膚阻抗Zp。CS阻抗是由皮膚接觸區(qū)域決定的，對于較大接觸區(qū)域，可以使用較大的電容值。RB模擬人體的內(nèi)阻抗 Zi。

A.感知電流、反應電流測量網(wǎng)絡

感知電流是指能夠引起人的感覺的最小電流。人體對電流的感知和反應是由流過人體內(nèi)部器官的電流引起的。為了準確測量這些效應，要求對感知電流和反應電流隨頻率變化進行研究和補償。對于引起感知或不自主的反應電流，圖24的測量網(wǎng)絡給出了人體阻抗，并且給出了加權(quán)值，根據(jù)IEC60479-1以符合人體阻抗的頻率特性，如圖27。為了設計測量網(wǎng)絡，假定在正弦、混合頻率正弦和50Hz或60Hz的非正弦交流下，大約0.7mA峰值即可感知。測量網(wǎng)絡考慮到了較高頻率的電流對人體的作用，并模擬了人體阻抗隨著頻率增高而降低的情況。

圖26 人體阻抗等效電路以及等效內(nèi)阻抗

圖27 感知、反應電流網(wǎng)絡的人體阻抗的頻率響應

B.擺脫電流測量網(wǎng)絡

擺脫電流是指人能忍受并能自主擺脫的最大電流。人體喪失擺脫能力是由于流過人體內(nèi)部，例如通過肌肉的電流所致。但是，擺脫電流限值的頻率效應不同于感知電流、反應電流或電灼傷電流的頻率效應，特別是頻率在1kHz以上更是如此。圖26的測量網(wǎng)絡模擬了人體阻抗，并額外加權(quán)以模擬人體對電流的頻率效應。該電流應能引起肌肉收縮，喪失擺脫可握緊零部件的能力 (見圖28)。

8.6 Ⅲ類燈具的接觸電流

在我國國家標準GB7000.1—2007未規(guī)定Ⅲ類燈具的泄漏電流，而最新國際標準 IEC60598-1:2008在相關(guān)章節(jié)似乎也未提及。事實并非如此，對于Ⅲ類燈具，最新的國際標準IEC60598-1:2008規(guī)定了在特定條件下，載流部件可暴露在外，其中就提到了接觸電流的概念。具體章條如下:

圖28 擺脫電流網(wǎng)絡的人體電阻的頻率響應

c) ClassⅢ luminaires may have exposed current carring parts in the SELV circuit under the following conditions.

-For ordingary luminaires，the voltage under load does not exceed 25V r.m.s.or 60V ripple-free d.c.and where the voltage exceeds 25V r.m.s.or 60V d.c.，the touch current does not exceed:

-for a.c.:0.7mA(peak);

-for d.c.:2mA.

-the no-load voltage does not exceed 35V peak or 60V ripple-free d.c.

If the voltages or currents exceed the values given above，at least one of the conductive parts in the SELV circuit shall be insulated by insulation capable of withstanding a test voltage of 500V r.m.s.for 1min.

-for luminaires which are other than ordinary，the nominal voltge does not exceed 12V r.m.s.or 30V ripple-free d.c.

NOTE 1 These limits are based on IEC60364-4-41.See also Annex A of this standard.

ClassⅢluminaires are accepted only for connection to a SELV source.

9 結(jié)束語

綜上所述，上文主要談及了LED直流電參數(shù)對燈具的影響以及標準中的關(guān)注點和發(fā)展動態(tài)。在實際產(chǎn)品中，LED作為燈具的一部分，除了這部分的考核可以借鑒本文的一些觀點外，其余部分還是要關(guān)注相關(guān)標準的其他條款。本文主要談了LED電參數(shù)對燈具以及標準的影響，但我們知道LED不單單只是這方面，熱學、光學、機械等都與產(chǎn)品息息相關(guān)。本文涉及到了很多現(xiàn)有標準的不足，寫這篇文章的目的也是想讓更多的行業(yè)從業(yè)者引起對標準滯后及混亂的重視，盡快完善我國的標準體系，做好基礎研究，共同努力使我國的LED健康、快速的發(fā)展，為我國照明產(chǎn)業(yè)的新發(fā)展添磚加瓦，為我國節(jié)能減排造福子孫的目標貢獻力量。

［1］GB7000.1—2007.燈具 第1部分:一般要求與試驗.

［2］IEC60598-1:2008.Luminaires-Part 1:General requirements and tests.

［3］GB19510.14—2009.燈的控制裝置 第14部分:led模塊用直流或交流電子控制裝置的特殊要求.

［4］GB8898—2001.音頻和視頻以及類似電子設備安全要求.

［5］GB/T16935.1—2008.低壓系統(tǒng)內(nèi)設備的絕緣配合第1部分:原理、要求和試驗.

［6］GB/T18379—2001.建筑物電氣裝置的電壓分段.

［7］GB/T 3805—2008.特低電壓 (ELV)限值.

［8］IEC60364-4-41:2005.Low-voltage electrical installations-Part 4-41:Protection for safety-Protection against electric shock.

［9］IEC60990:1999.Methods of measurement of touch current and protective conductor current.

［10］楊素行.模擬電子技術(shù)基礎簡明教程.高等教育出版社，2005.

［11］俞安琪.LED控制裝置標準中主要安全要求的識別及應用.市政照明節(jié)能產(chǎn)品與技術(shù)交流會，2009.

［12］GB/T13870.1—1992.電流通過人體的效應第一部分:常用部分.

［13］IEC60479-1:1994.Effects of current on human beings and livestock-Part 1:general aspects.

［14］IEC61032:1997.Protection of persons and equipment by enclosures-Probes for verification.

［15］IEC60529:2001.Degreesofprotection provided by enclosures(IP code).