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防雷工程师跟你谈谈LED路灯防雷

2016-12-25 浙江雷升电子有限公司 阅读

笔者认为,现在在 LED 照明行业内有一种非常可笑的现象:都知道浪涌问题很重要,但是大家就是瞧不起我们防雷行业,都觉得防雷行业简单,我们随便拼凑几个元器件就能形成产品。若真的那么简单,我们防雷这个50多年的行业,会有那么多企业单靠产品做上市吗?


我们如何选取全球范围内合格的防雷器?

什么东西才有资格被称之为SPD?


我们将 EMC 科学中有关浪涌防护的部分,在中国国内引申为“防雷”,归属于“气象局”来管理。我们依旧采用了国际通用的称呼: SPD 。但是在应对国际国内标准的时候,很多本行业以内的企业却做出了与外行人一样的姿态:只关心通流量、残压、最大持续运行电压而已,仅此而已!


SPD价格被很多山寨厂家压得极低,因为他们只关注以上三个参数,至于防雷器在非浪涌入侵状态下是否会发生损坏根本不予考虑。换言之,他们根本不关心防雷器的安全性能。


请注意在防雷行业,我们更加关注产品的电气安全性能。防雷器是耗材,它必须优先于被保护设备启动保护动作,并在一定程度后优先于被保护设备发生损坏而确保被保护设备完好无损,同时自身发出失效告警。


在此过程中我们必须从元器件层面理解整个防雷行业,才能做到一个基本合格的SPD应用于业主端。


我们都知道在IEC61643-11(2011)中有一个条款:热稳定性实验。见下图:


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图一

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图二


在这里是实验不是试验,在GB18802.1-2011及UL1449第四版中都有类似的要求:SPD能否在瞬间耐受暂态过电压而不发生误动作,及在SPD发生损坏时能否在规定的时间内脱开电网连接。


这些都关系着是否会造成电网明火事故,是用电环境下最为关键的一环。


关键点,即:TOV。


 电源防雷器在等待和低压试验状态下的安全性分析,对其性能要求及其试验进行研究,同时通过对比不同标准的测试方法配置,指出YD标准的不足以及后续的改进建议。电源防雷器除了具备必要的防雷性能外,其另外一个重要的性能就是其安全性能,这主要体现在两个方面:


 1. 其不能影响系统的功能;


 2. 要把防护器件失效时对系统运行的影响减到最小。


从 IEC 标准和 UL 标准的演进情况来看,对其安全性能的试验要求是最受关注的部分,也是变化最大、争议最多的部分。如第一章前言所述,正是由于出现了大量的防雷器安全事故,现在防雷器的安全性能已经成为电源防雷器其最重要的性能。


我国通信局站低压配电系统用电源防雷器所处的供电条件和使用环境也更为恶劣和复杂,这主要体现在:


1. 我国的低压供电系统相对于国外来说电网品质较差,电压波动大,而且由于线路可靠性差以及用户用电管理方面存在诸多问题,使得整个电网极易产生失零过电压、位移过电压、转移过电压等系统暂态过电压。


2. 部分电源防雷器需要应用在户外等局部环境温度很高的地区。


3. 大量电源SPD应用在极易遭受雷击的场合。


4. 三相电网缺相或电压不稳。


基于这些原因,我们对于 SPD 的安全性能应更加予以重视。


再来看看日本国对于通信行业的标准:CES-0040-2(发行于2014年6月30日),其标准之详细完全可以指导初学者进行 SPD 设计了。这份标准的出现,就是基于完整的 EMC 理论。


其实不难理解:防雷行业谈分区多级保护,按照被保护设备的自身特性进行防护等等,这些正是EMC理念。比方说雷达,雷达除了供电线是主要入侵途径之一,还有就是天线。按照EMC的理论,当一个 20-50W 的空间电磁脉冲无角度差直接冲击雷达天线,则天线后级的设备必须自身承受浪涌冲击。于是,应运而生了天馈类防雷器


笔者认为,防雷行业只不过是 EMC 学科的一个细小分支,如果不能从完整的 EMC 角度去理解防雷行业,不能从安规要求去考核防雷行业,那么防雷行业对您的设备将无法形成有效保护。同时,不是什么电路都有资格称之为SPD,没有对安全性作出保障性设计就没有资格称之为 SPD,当然,其成本也会相应的增加。


目前,在 LED 户外照明领域的细分市场,由某些电源企业发起了一种叫做“内置防雷器”的东东,但是在笔者看来这不过是个噱头,它不光无法起到防雷器的功能作用,还会因为与被保护设备配合不合理造成“不动作或误动作”。


电源内部集成防雷器除非是能够像华为公司那样,否则不可能做成功!要明白华为公司比我们防雷行业更清楚什么是防雷,什么是 EMC,华为公司是能够指导防雷器公司进行产品设计的!


笔者认为,在没有对 EMC 行业有完整理解的情况下,贸然在恒流开关电源内置防雷器,这是对我们防雷行业的一种不尊重,这是对电磁兼容学科的不尊重!


首先,防雷器不可能做成全电压,SPD 只能做成单电压,这是由于元器件原因造成的,不可能改变;


其次,防雷器必须要有必要的热脱扣装置,然而不是一颗电流保险丝能够做得到的;


最后,必须在系统里做完整的热设计,专门针对 IEC61643 里的 TOV 实验做设计,同样的实验条款出现在 UL1449 各个版本里。


笔者个人建议整个 LED 行业,包括户外大屏,都看一看这个标准:YD/T 1235.1-2002《低压配电系统用电涌保护器技术要求》以及原铁道部部标TB/T2311-2008《铁路信号设备用浪涌保护器》。通信行业对防雷这档子事已经驾轻就熟了,其对自己真实的需要以及对防雷器的要求已经完善到了极致。


笔者同意行业中一些商业大佬的看法:只要能控制到一定的品质失效率以下,产品是可以接受的。但是在我们防雷行业,我们本来就是为了客户解决那0.001%的可能性,我们必须要纠结下失效模式:轻微缺陷、一般缺陷、严重缺陷、致命缺陷。


笔者认为应该控制严重缺陷+致命缺陷为零;而轻微缺陷+一般缺陷的总量不超过0.3%则可以接受。


如此,怎么判定什么是严重缺陷或致命缺陷呢?


下面我们看几个 LED 路灯在业主端应用时的失效案例:

 
宜宾市江安县跨长江大桥路灯因雷击失效

在此案例中,电源采用英飞特电源,光源板为铝基板通过铜镀镍螺钉固定于压铸铝散热器上。制作时,将铝基板经由散热垫,贴在散热器上。整个散热器外表面使用绝缘三防漆喷涂,但是灯头的抱箍位置有三颗锁紧螺栓是铜质金属零件,外表面电镀亮镍,为导电体。


在案例发生的四个月以来,江安县有多次较大规模的雷暴天气,可以肯定桥面上有遭受直击雷,并且他们中有人很多次目视直击雷是击打在桥面中央的路灯灯头部位。若直击雷击打在远一些的位置,则被附近建筑物的避雷网吸引并由引下线引入地网。


当直击雷击打在路灯头部时,整桥桥面上105盏路灯全部熄灭,收费站内电脑、计费设备、监控、照明设备、空调等完全损毁,而一街之隔的另一个片区则在空开跳闸后断电,由人工重新开启空开后任何电气设备均未有损坏。


当雷击发生后,桥下小区的配电箱跳闸,但依旧可见空开烧毁,熔断保险器烧毁,该配电箱所辖片区完全断电。


大桥两端的路灯由于有附近的建筑物、山体保护,受损情况较轻。


当有直击雷击打在灯头位置时,必然会经由导电的锁紧螺栓吸引,并将雷电流引入灯杆杆体。而此时,由于施工方已经将市电 PE 线可靠的接在灯杆杆体内,使得雷电流有了一个泄放通道,雷电流会沿着电源 PE 线四处乱窜。


在雷电流窜入 PE 线后,整个系统的 PE 电位被抬高了数万伏特,而抬升的时间极短。过高电位的PE线在承受雷电流肆虐的时候,同时向 N 线与 L 线做出了击穿动作,击穿动作应发生在末级电路中或是绝缘强度较低的点。


然而 PE 线这个雷电流泄放通道本身就并不足够宽阔,再加上锈蚀严重,使得雷电流在纵向泄放过于拥挤的时候,就近横向“溢出”:寻找最脆弱的点,击穿并涌出。于是 LED 灯头部位的 LED 灯珠被击穿,英飞特电源则需要从电源后级承受这一部分较小的雷电流能量。


此时,纵向泄放的雷电流经由市电 PE 线涌向收费站的各类电子终端设备,不停的击穿、涌出并继续寻找泄放口,并最终在片区配电箱内找到连接地网的铜质 PE 汇流排,雷击浪涌在击穿配电箱内的空开与熔断保险器后,经由 PE 汇流排冲入大地。


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在此案例中,我们需要考虑工程界面的问题,当有可能遭遇直击雷风险的时候,我们需要做以下几个动作:


1、在桥面上立一个很高的金属框架广告牌,并将广告牌的金属支架与桥梁主钢筋做可靠的等电位连接。


2、所有灯具的接地应该做成“浮地”,只在最近的配电柜里接入PE汇流排即可。


吉林省白山市LED路灯配备的SPD并未发生动作

而造成灯具损坏


在此案例中,是由于老城区改造项目,而且施工方拒绝将市电PE线按照国标要求连接各个金属部件并在片区配电柜内妥善接地造成的PE电位不稳,最终在浮地情况下,浪涌能量无法泄放到地,在N线打火的现象下造成片区配电柜跳闸,给业主们带来多次短暂停电的影响。


按下图右,接地线的施工简直就是在犯罪,如果PE端头锈蚀那么等于没有做接地!


按照国标进行电力施工,一定按照国标把市电PE线接稳妥是必须的,接地的方式多种多样但是必须要接地!


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在此案例中使用的是业主指定的电源及其自制的防雷器。由于该防雷器没有过电流保护功能,所以大电流都将被后级系统直接承受。而后级电路形成的过电流,无法通过防雷器进行泄放。防雷器本身的压敏电阻选型与电源模块内的压敏选型不匹配,造成残压值被抬高的现象。


接地系统不可靠已经成为了影响路灯产品在现场应用的关键点。

 

山西太阳能路灯失效案例


在这个案例中,是由于浪涌击打直流控制器造成了设备无电压输入。在这个项目中选配的直流防雷器与被保护设备本身的能级匹配没有问题,但是因为直流SPD属于末级保护,其与片区配电柜内的SPD并不能否做到能级匹配,最终造成了SPD与被保护设备一同失效的情况出现。


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笔者曾经在上一篇文章里说过,能级不匹配极容易造成前级防雷器不动作而后级防雷器独自承担所有浪涌能量的事,上一次的案例发生在四川省南充市的通讯基站里,这一次发生在LED路灯上。由此可见,浪涌可是不分业主是什么行业,能击穿的绝不含糊。


综上,笔者认为现在在LED照明行业内有一种非常可笑的现象:都知道浪涌问题很重要,但是大家就是瞧不起我们防雷行业,都觉得防雷行业简单,我们随便拼凑几个元器件就能形成产品。若真的那么简单,我们防雷这个50多年的行业,会有那么多企业单靠产品做上市吗?


我们,是防雷行业,我们有我们的骄傲与行规。我们的行规就是:防雷是为了给客户解决0.001%的风险,当那0.001%发生的时候,我们行业为任何一位客户带来的承诺是:我们的产品绝对不会再关键时刻掉链子!



标签:   led路灯防雷 防雷工程 SPD

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