华巨电子低成本复合压敏电阻防雷模块在LED路灯防雷中的应用-华巨电子


大家都在知道,路灯安装在户外,雷击是一个非常大的威胁。轻则导致路灯损坏,重则引起火灾或人员伤亡,产生巨大的损失。在此,领冠LED路灯电源厂家就向大家介绍一下关于雷电对led 路灯的影响以及防范措施。

方法/步骤 

华巨电子总结雷击主要有以下四种类型:

1.直击雷

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:

a 巨大的富电流在数微秒时间内流下地,使地电位迅速拾高,造成反击事故,危害人身和设备安全。

b 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。

c 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。那么我们又将如何防范雷击事故的发生呢?

 

以下几种方式是防范路灯被雷电破坏最有效的办法:

4.1 外部防雷与内部防雷相结合

现在一般的led 路灯外部都是导体材料,本身就相当于一个避雷针,在设计上必须安装引下线和地网,这些系统构成外部防雷系统。该系统可避免led 路灯因直击雷引起火灾及人身安全事故。内部防雷系统是指路灯内部通过接地、设置电压保护等方式对设备进行保护。该系统可防止感应雷和其他形式的过电压侵入,造成电源毁坏、这是外部防雷系统无法保证的。这两者之间是相辅相成的,互为补充。内部防雷系统在很多器件上例如外壳、进出保护区的电缆、金属管道等都要连接外部防雷系统或者设置过压保护器,并进行等电位连接。

4.2 防雷等电位连接

彻底消除雷电引起的毁坏性的电位差,电源线、信号线、金属管道等都要用过压保护器进行等电位连接,各个内层保护区的界面处也要进行局部等电位连接,各个局部等电位连接处要互相连接,最后与主等电位处相连。

4.3 设置雷电保护区

目前LED 路灯除了电源设备外,还会设置一些通信设备用于控制路灯的开关及亮度,这些设备及电源都需要安置在雷电保护区内,保护区域直接受外壳屏蔽。此处的电磁场要弱得多。

4.4 高质量保护设备--防雷模块和过压保护模块

防雷器的作用是在最短时间(纳秒级)内将被保护系统连入等电位系统中,使设备各端口等电位。同时将电路中因雷击而产生的巨大脉冲能量经短路线释放到大地,降低设备各接口端的电位差,从而起到保护设备的作用。中电华星技术研发团队认为,LED 路灯电源模块不仅要按照上述要求进行设计,而且必须经过严格的检验程序。

a 具有恒压输出功能或具有恒流输出功能或两者功能兼有的控制装置,应采用GB19510.12/IEC61347-2-13安全标准检验。

b 对仅具有控制LED 亮暗、闪动、颜色等逻辑变化功能的控制装置,应采用GB19510.12/IEC61347-2-11安全标准检验。

c 如果一个控制装置兼有上述两者的功能的,应按照GB19510.12/IEC61347-2-13安全标准检验。

传统压敏电阻防雷应用

LED路灯安装在室外,极易受雷击或浪涌电压而损坏,所以需要设计防雷单元。路灯的防雷分为两级,第一级是防护直击雷,利用金属灯杆接地进行处理。第二级是防护传导雷击和感应雷击,电网电压波动等,采用突波吸收器Varistor作为主要组件设计防雷单元。

 

 

 

          LED驱动电源过流保护设计

 

    传统的热保护压敏电阻(TMOV),可简化LED路灯的防雷设计。这种新型TMOV集成温度保险丝和Varistor,能够在Varistor失效着火前安全隔离。


    传统LED驱动电源采用电流保险丝作为过流保护,这里介绍新设计的热保护绕线熔断电阻,拥有比电流保险丝更好的价格和性能,比普通绕线电阻更好的安全性能。

    在电源前端设计一个热保护压敏电阻Thermo-fuse Varistor,用来防止浪涌或雷击。

普通绕线电阻器作为过流保护时,需要4倍额定电流以上的故障电流才能快速的断开。在2倍的额定电流时断开时间长,并且会产生300℃~500℃高温,具有安全隐患。

   但是传统的热保护压敏电阻具有不可恢复性,也没有过热过流保护功能,华巨电子新研发的具有过热、过流、过压保护功能的复合防雷器件,节省了客户的成本,空间和开发时间,并且就有自动恢复功能。

华巨电子LED路灯防雷产品简单可靠,目前开发出用于10W,30W,40W,50W,100W以内的产品防雷,华巨电子开创性的使用一个具有过热过压保护作用的高耐压自恢复保险丝复合一个压敏电阻组合成复合压敏电阻用于LED防雷,已经申请专利产品。本产品具有过流过热保护,同时也能很好地防雷及节省安装空间和安装成本。大幅度降低LED路灯的防雷成本。同时具有持续耐过压保护功能,长时间持续耐压能力680Vac。

经试验台测试带负载后通过8KV 8/20,10KV 8/20,雷击脉冲试验台正负冲击20次,不损坏。15KV 8/20雷击脉冲试验台正负冲击2次,不损坏。

应对感应浪涌事件的技术

  保护户外LED照明免于感应浪涌冲击损害的方式是阻断高电压/电流瞬态干扰进入照明灯具。因此可以在户外LED照明应用中采用一种浪涌保护器(SPD)来抑制浪涌能量并最大限度地减少对照明设备的浪涌冲击。

  对于SPD,有多种过电压保护元件可用,包括金属氧化物压敏电阻(MOV)、气体放电管(GDT)和瞬态电压抑制(TVS)二极管。这些元件被放置于通常具有高阻抗的交流电源线之间,在检测到高电压时会变为低阻抗。在低阻抗状态下,这些元件可以将浪涌能量转移回到交流电源线,在浪涌事件后又回到高阻抗状态。在现有的技术中,MOV因其较高的浪涌能量处理能力和对瞬态电压的快速响应成为首选,在配电板的SPD保护中也得以广泛应用。因此MOV是户外LED照明应用中浪涌保护器件的最为适用的技术。

  在一个室外灯具中并入一条强大的浪涌抑制电路能消除浪涌能量造成的破坏,从而提高照明设备的可靠性,最大程度地减少维护并提高使用寿命。一个能将过高的浪涌抑制到较低电压水平的浪涌保护组件是保护LED灯具设施的最佳方式。

 

  图:LED路灯保护方案。

  华巨电子过热过流过压防雷保护型MOV保护SPD的安全

使用一个具有过流保护的高耐压自恢复保险和一个压敏电阻复合,压敏电阻选用390V的压敏电压的压敏电阻,可以把压敏电压钳制在390V,比一般用的471K的钳制电压低。自恢复保险丝可以限制电流保护压敏电阻和后面设备,电路正常工作时本防雷模块正常流过电流,如果被保护的设备出现故障,短路,过流,或者过载时,复合的自恢复保险丝就会动作呈现高阻态,切断电流保护设备,故障去除热敏电阻自恢复保险丝恢复正常,电路又能正常工作,当电源出现瞬间尖峰脉冲时压敏电阻动作导通将电压钳制在390V保护后面设备,当电源长时间过压时,压敏电阻动作导通,这时候压敏电阻的动作一方面将电压钳制在390V使得设备可以正常运转,另一方面由于压敏电阻的导通使得回路中通过自恢复保险丝的电流增加从而引起自恢复保险丝的动作,这时候自恢复保险丝一方面限制电流,由于自恢复保险丝阻值变大,所以一部分电压加在保险丝两端,加上后面压敏电阻的钳制可以使得设备的工作电压稳定在设备的所需的工作电压。防雷时自恢复保险丝由于自身有一定的阻值,可以限制过大的雷击电流损坏压敏电阻,亦可以到将雷电高压隔离在压敏电阻之外的线路中从而能有效保护压敏电阻和后续设备

  金属氧化物压敏电阻(MOV)技术不仅价格便宜,而且是抑制电源中瞬态的一种非常有效的技术。在许多其他的应用中,这种技术同样有效,比如通常被放置于LED驱动器前面的浪涌保护器(SPD)模块。

  在经历一次大浪涌或多次小浪涌之后,MOV的性能会逐渐退化。这种退化导致金属氧化物压敏电阻泄漏电流增加,进而使得MOV的温度升高,即使是在120VAC/240VAC工作电压的正常条件下。MOV相邻的一个PTC热敏电阻自恢复保险丝可以在金属氧化物压敏电阻持续退化至寿命终止状态时用以检测其温度的增加;这时,PTC自恢复保险丝就会变成高阻态,将性能退化的压敏电阻从电路中去除,以防止灾难性故障。

  

 

  图6:热敏电阻自恢复保险丝防止性能退化的MOV出现故障。

WMZ13A-2W-265Vac  适用LED路灯功率2W及以下电子产品防雷,过流过压过热保护用

WMZ13A-3W-265Vac  适用LED路灯功率3W及以下电子产品防雷,过流过压过热保护用

WMZ13A-5W-265Vac  适用LED路灯功率5W及以下电子产品防雷,过流过压过热保护用

WMZ13A-6W-265Vac  适用LED路灯功率6W及以下电子产品防雷,过流过压过热保护用

WMZ13A-7W-265Vac  适用LED路灯功率7W及以下电子产品防雷,过流过压过热保护用

WMZ13A-10W-265Vac  适用LED路灯功率10W及以下电子产品防雷,过流过压过热保护用

WMZ13A-15W-265Vac  适用LED路灯功率15W及以下电子产品防雷,过流过压过热保护用

WMZ13A-20W-265Vac  适用LED路灯功率20W及以下电子产品防雷,过流过压过热保护用

WMZ13A-26W-265Vac 适用LED路灯功率26W及以下电子产品防雷,过流过压过热保护用

WMZ13A-40W-265Vac  适用LED路灯功率40W及以下电子产品防雷,过流过压过热保护用

WMZ13A-90W-265Vac  适用LED路灯功率90W及以下电子产品防雷,过流过压过热保护用

WMZ13A-120W-230Vac  适用LED路灯功率120W及以下电子产品防雷,过流过压过热保护用

WMZ13A-150W-256Vac  适用LED路灯功率150W及以下电子产品防雷,过流过压过热保护用

WMZ13A-200W-265Vac  适用LED路灯功率200W及以下电子产品防雷,过流过压过热保护用

 

  MOV的设计旨在微秒时间内钳制快速过电压瞬态。然而,除了短时瞬态,在SPD模块中的MOV还会受到因零线缺失或安装时的不正确接线造成的临时过电压情况的影响。这些情况会对MOV造成严重压力,使其进入一种散热失控状况;反过来,这又将导致过热、冒烟、甚至起火。SPD的安全标准UL 1449和IEC 61643-11,定义了为确保SPD安全而必须对器件进行测试的特定异常条件。在可靠的设计中,在浪涌保护器内部加入了热敏断路器,以保护MOV不会出现散热失控。

  

 

  图:AC过电流事件。

  为SPD而设的寿命终止/更换指示功能

  当MOV因临时过电压或过高的泄露电流而变得过热时,热敏断路器可用来将金属氧化物压敏电阻从交流电路中去除。SPD因此停止其电涌抑制功能。所以应考虑设计合适的指示功能,以便维修人员能够知道SPD不能正常工作且需要更换。

  照明设计人员可以根据他们的维护和包修策略从两种主要类型的SPD模块配置中进行选择。这些都是并联和串联的浪涌保护组件。

  

 

  图:并联和串联连接。

  ● 并联连接:SPD模块与负载并联在一起。一个寿命终止的SPD模块从电源上断开的同时,AC/DC电源装置保持通电状态。照明依然处于工作状态,但却失去了抵抗电源装置和LED模块所面临的下一次浪涌的防护功能。在一个并联的SPD模块中,可以通过使用一个能向维护技术人员指示SPD模块状态的小的发光二极管来起到更换指示的作用。可以选择使用绿色发光二极管来指示SPD模块在线,或者用红色发光二极管来指示SPD模块离线。或者,更换SPD模块的需要可以在SPD模块寿命终止指示线连接至一个网络智能照明系统的照明管理中心中远程显示,而不是在每个灯具上都安装LED指示。

  ● 串连连接:SPD模块与负载串联在一起,寿命终止的SPD模块从电源上断开的同时,也会使灯熄灭。灯具停电便可作为呼叫维修的指示。已断开的SPD模块不仅熄灭照明以作为更换的指示,同时使交流/直流电源装置与之后的浪涌冲击隔离开来。对这种配置的普遍偏好迅速增长,是因为在SPD模块等待更换期间,照明设施仍然受到保护。与使用并联浪涌保护器模块的情况下需更换整个灯具相比,在串联情况下仅更换SPD模块的费用要低得多。

  总结

  LED技术所带来的高效节能提升了户外照明的价值。为了使LED照明设备能达到其预期寿命,应在户外LED照明中加入浪涌保护模块,以防止因雷击浪涌事件和其他电源线路浪涌造成的早期故障。安装于LED电源装置前端的浪涌保护模块,为照明系统提供了有效的保护。但是,其可能会受到临时过电压威胁和因多次浪涌事件而疲劳的影响。放置于浪涌保护模块中的热敏断路器提高了模块的整体安全性,并能使模块达到UL 1449和IEC 61643-11认证标准。

  当浪涌保护模块达到其使用寿命期限时,串联的SPD模块提供的是一种最为简单的更换指示方式,即通过将灯具从电源上断开,从而使灯熄灭。并联的SPD模块提供的是一种与发光二极管相连接的方式,对模块是否在线做出提示。

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