孫 波

(無錫市照明工程有限公司，江蘇 無錫 214000)

0 引言

雷擊是一種自然天氣現(xiàn)象，但是有可能對人們的日常生活造成巨大的影響，因此，在城市建設(shè)中，比較高的金屬建筑物及公共設(shè)施都要考慮防雷、避雷的措施。路燈安裝在戶外，金屬燈桿高度也較高，因此將面臨雷擊的威脅。傳統(tǒng)的路燈采用電感鎮(zhèn)流器，電感鎮(zhèn)流器有著抑制電壓突變的功能，所以傳統(tǒng)的路燈抗雷擊能力較強。由于LED 路燈采用開關(guān)電源進行驅(qū)動，抗雷擊能力較弱，輕則導(dǎo)致路燈損壞，重則引起火災(zāi)或者人員的傷亡。文章將詳細介紹一套LED 路燈防雷的設(shè)計方案。

1 雷擊的類型

1.1 直擊雷

直擊雷蘊含極大的能量，峰值電壓可達5 000 kV的雷電具有極大的破壞力。一般路燈遭遇直擊雷的概率很小，以目前的科學(xué)技術(shù)，路燈難以抵抗直接雷的損壞。

1.2 傳導(dǎo)雷

遠處的雷電擊中線路或因電磁感應(yīng)產(chǎn)生的極高電壓，由室外電源線路和通信線路傳至路燈設(shè)備中。

1.3 感應(yīng)雷

感應(yīng)雷(二次雷)主要是雷電活動時，在路燈設(shè)備的電源和信號線路上由于靜電感應(yīng)或者電磁感應(yīng)而產(chǎn)生一個突峰電壓或突峰電流從而影響或破壞路燈設(shè)備。

1.4 開關(guān)過電壓

供電系統(tǒng)中的電感性和電容性負載的開啟或斷開、電源線路短路等，都能在電源線路上產(chǎn)生脈沖高電壓，脈沖高電壓可達額定電壓的3 到5 倍，可嚴重損壞路燈設(shè)備，破壞效果與雷擊類似。

雷擊的種類一般分為以上四種，LED 路燈的防雷設(shè)計需兼顧以上的雷擊類型。

2 防雷方案

LED 路燈的防雷設(shè)計應(yīng)采用燈桿防雷和開關(guān)電源防雷相結(jié)合的方案，才能可靠、有效地保護LED路燈。

2.1 燈桿防雷

目前，一般路燈均采用金屬燈桿，燈桿本身就是一個良好的避雷針，在設(shè)計上必須安裝接地線，與大地可靠連接，接地電阻應(yīng)小于4 Ω。在條件允許的情況下可以再將眾多路燈桿接地線連接在一起，組成一個大型的接地網(wǎng)絡(luò)，減小接地電阻，近一步保證接地的可靠性。這些接地系統(tǒng)構(gòu)成外部防雷系統(tǒng)。該系統(tǒng)可避免LED 路燈因直擊雷引起火災(zāi)及人身安全事故。在空曠的地區(qū)，路燈遭遇直擊雷的概率相對較高，必須安裝燈桿接地系統(tǒng)。

2.2 開關(guān)電源防雷

在城市中的路燈，遭遇直擊雷相對較少，一般路燈被雷擊損壞，是由傳導(dǎo)雷、感應(yīng)雷、開關(guān)過電壓造成的。這三種雷擊防護電路可以在開關(guān)電源中。

這三種雷擊主要是通過線路來侵害路燈設(shè)備，所以防護就要從設(shè)備的進線端考慮。

2.2.1 LED 路燈開關(guān)電源的防雷設(shè)計

以DC 24 V 開關(guān)電源的防雷設(shè)計為例，開關(guān)電源一般采用兩級防雷保護即可。電路如圖1 所示。

圖1 DC 24 V 電源線兩級防雷保護方案

電路第一級為保險絲級，當(dāng)電流場超過1.5 A 時保險絲就會截斷，當(dāng)電流減少到750 mA 時又可自動恢復(fù)。保險絲規(guī)格的選擇，需根據(jù)實際的負載大小來決定。

第二級為TVS 管瞬態(tài)電壓抑制管級，把電壓抑制在25 V 以下，在開關(guān)電源的輸入端加裝此電路，經(jīng)過以上二級保護基本上可以防護一般感應(yīng)雷的雷擊對開關(guān)電源所造成的損壞。

其他電壓等級開關(guān)電源的防雷擊設(shè)計只需根據(jù)具體電壓選擇合適的自恢復(fù)保險絲和瞬態(tài)電壓抑制管，即可達到防雷的要求。

2.2.2 信號控制器的防雷設(shè)計

亮化工程一般都會采用亮化信號控制器，控制器也會經(jīng)常遭到感應(yīng)雷擊而損壞。信號控制器的防雷電路如圖2 所示。

圖2 信號線三級防雷保護方案

電路第一級是放電管級，把140 V 以上的感應(yīng)雷電對地放電泄放掉，共模接法與差模接法配合，保證不管雷電從那根線進來都可以泄放掉。

第二級為保險絲級，雙保險絲組合。當(dāng)電流超過340 mA 時保險絲就會截斷，當(dāng)電流減少到140 mA 時又可自動恢復(fù)。

第三級為TSS 管瞬態(tài)電壓抑制半導(dǎo)體放電管級，共模與差模接法配合把電壓抑制在6 V。

在信號控制器的信號輸入端和輸出端加裝此電路，經(jīng)過以上三級保護基本上可以避免一般感應(yīng)雷的雷擊危害。

2.2.3 PPTC 自動恢復(fù)保險絲簡介

自恢復(fù)保險絲(PPTC:高分子自恢復(fù)保險絲)是一種正溫度系數(shù)聚合物熱敏電阻，有過流保護作用，可代替電流保險絲。電路正常工作時它的阻值很小(壓降很小)，當(dāng)電路出現(xiàn)過流使它溫度升高時，阻值急劇增大幾個數(shù)量級，使電路中的電流減小到安全值以下，從而使后面的電路得到保護，過流消失后自動恢復(fù)為低阻值。其效果與開關(guān)元件類似，只是響應(yīng)速度較慢。它有三種封裝形式:引線型、薄片型(帶型)和貼裝型。其外形如圖3 所示。

圖3 PPTC 的封裝形式

(1)PPTC 聚合物自恢復(fù)保險絲由聚合物基體及使其導(dǎo)電的碳黑粒子組成。由于聚合物自恢復(fù)保險絲為導(dǎo)體，其上會有電流通過，當(dāng)有過電流通過聚合物自恢復(fù)保險絲時，產(chǎn)生的熱量(為I2R)使其膨脹，從而碳黑粒子將分開，電阻上升。這將促使保險絲更快地產(chǎn)生熱、膨脹，進一步使電阻升高。當(dāng)溫度達到125 ℃時，電阻變化顯著，從而使電流明顯減小。此時流過聚合物自恢復(fù)保險絲的小電流足以使其保持在這個溫度和處于高阻狀態(tài)。當(dāng)故障清除后，聚合物自恢復(fù)保險絲收縮至原來的形狀重新將碳黑粒子聯(lián)結(jié)起來，從而降低電阻至規(guī)定的電流水平。上述過程可循環(huán)多次。

(2)PPTC 自恢復(fù)保險絲的動作原理是一種能量的動態(tài)平衡，流過PPTC 元件的電流由于PPTC 的關(guān)系產(chǎn)生熱量，產(chǎn)生的熱量全部或部分散發(fā)到環(huán)境中，而沒有散發(fā)出去的熱量便會提高PPTC 元件的溫度。

(3)正常工作時的溫度較低，產(chǎn)生和散發(fā)的熱量平衡。PPTC 元件處于低阻狀態(tài)，PPTC 不動作。當(dāng)流過PPTC 元件的電流增加或環(huán)境溫度升高，但產(chǎn)生和散發(fā)的熱量平衡時，PPTC 仍不動作。當(dāng)電流或環(huán)境溫度再提高時，PPTC 會達到較高的溫度，若此時電流或環(huán)境溫度繼續(xù)增加，產(chǎn)生的熱量會大于散發(fā)出去的熱量，使PPTC 元件溫度驟增，在此階段，很小的溫度變化也會造成阻值的大幅提高，這時PPTC 元件處于高阻保護狀態(tài)。

3 小 結(jié)

LED 路燈的防雷保護不僅可以有效防止路燈由于雷擊而損壞，而且可以保護周圍人和其他物體的安全。此套方案已應(yīng)用于我公司LED 路燈防雷保護改造工程中，運行兩年時間，防雷效果良好，安全、可靠。

［1］劉躍群.光源電器原理和應(yīng)用技術(shù)［M］.化學(xué)工業(yè)出版社，2003

［2］張肅文.高頻電子線路［M］.高等教育出版社，2006

［3］沈鴻.電機工程手冊［M］.第6 卷.機械工業(yè)出版社，1986