简析LED路灯电源防雷设计路径
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摘 要：雷电活动是常见的自然现象，路灯安装于户外，遭受雷击的概率较大。LED路灯电源同时受到直击雷、感应雷的影响，因此，文章针对LED路灯电源设计了一套防雷方案，同时考虑了直击雷的巨大能量泄放、感应雷的电压和电流脉冲影响，以及共模和差模信号对于控制器的干扰等。可以提高LED路灯电源的雷电防护性能。
关键词：防雷设计;LED路灯电源;感应雷;防雷器
中图分类号：TU895 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）09-0095-02
Abstract： Lightning activity is a common natural phenomenon， street lamps installed outdoors， the probability of being struck by lightning is high. LED street lamp power supply is affected by both direct lightning and inductive lightning. Therefore， this paper designs a set of lightning protection scheme for LED street lamp power supply， taking into account the huge energy release of direct lightning， the influence of voltage and current pulse of inductive lightning， and the interference of common mode and differential mode signals to the controller， which can improve the lightning protection performance of LED street lamp power supply.
Keywords： lightning protection design; LED street lamp power supply; inductive lightning; lightning arrester
引言
雷电是一种常见的大气放电现象。雷击具有巨大的破坏力，路灯安装于户外，由于杆体为金属材质，所以遭受雷击的可能性较大。LED路灯采用开关电源，抗雷击能力差。如果防雷措施不当，则会造成路灯损坏，甚至引发火灾造成极为严重的经济损失和人员伤亡。基于此，本文提出了一种针对LED路灯电源防雷的方案。
1 雷击的类型及其特性
1.1 雷击的类型
（1）直擊雷
直击雷是通过地面金属物体，将大气中携带的能量直接带入大地的现象。其雷电流的峰值电压可以高达5000kV，放电时间为微秒计，可以在短时间内使地面出现较大的电位差。
（2）传导雷
传导雷是在更大的范围内（几公里甚至几十公里），雷电击中电力或通讯线路，然后沿着传输线路侵入设备。雷电可能通过接地系统或建筑物间的线路入侵雷电沿建筑物内部设备形成地电位反击。
（3）感应雷
感应雷是在云层有雷电活动时，在路灯的电源线或者信号回路中，由于电子感应或者是静电感应而产生的电压或电流突变。感应雷为云层间的放电，产生电磁波对设备形成的共模和差模干扰。
1.2 雷电的特性
（1）主放电阶段特性
雷电流的放电阶段，从云层导入大地的过程的阻抗不是常数，而是与放电通道中电流的大小相关。电流越大其阻抗越小，若定义雷电流幅值为I，雷电流的波阻抗为Z0则，其满足以下公式：
其中I0为雷电流，Z0为雷电通道阻抗，I为通过金属物体导入大地的电流，Z为金属物体的等效阻抗。
当Z0趋向于无穷大时，上式可以等效为I=2I0，由此可以认为，当雷电通道阻抗为无穷大时，雷电通道相当于是电流源。
（2）雷电流波形
雷击放电过程会在短时间内产生一个脉冲，然后随着时间的推移逐步衰减，是非周期性的波形，且放电从云层到大地呈现单极性。在实际放电过程中，伴随有振荡等杂波，很难确定最大幅值时间。
（3）雷电流幅值分布
我国大部分地区。在LED路灯电源防雷设计中，可以通过雷击概率曲线查出Im求得，计算公式如下：
另外，我国大部分地区雷电流极性为负，但是由于地形地貌的不同，也有正极性雷电存在。正极雷电所占比例一般为10%-25%之间。
2 LED路灯开关电源防雷方案设计
2.1 开关电源防雷设计
LED路灯电源由220V交流市电引入，先流过防雷器（简称SPD），Imax=20kA;再经过LED恒流驱动电源的滤波和整流系统形成直流恒流驱动电源，然后由LED模组点亮路灯。SPD包含机械脱扣型热保护压敏电阻（简称TFMOV）、热保护脱扣型气体放电管（TGDT）、失效遥信告警指示，有的型号还增加了限流、滤波功能的电感。
当LED路灯系统受到雷击影响时，TFMOV两端出现瞬态过电压，使得MOV的阻值迅速减小，流过其的电流激增而对其他电路的影响变化不大，进而减小了过电压对后续敏感电路的影响。同时TGDT可以在极短的时间内，将电源接地，对地泄放能量。浪涌电流消退后，MOV阻值迅速恢复到常态，断开电路，TGDT也恢复到开路状态。详细电路如图1所示。
LED路灯防雷设计与普通的路灯有很大差异。第一级防护采用可恢复性保险丝，根据系统的耐受电压，确定保险丝的截断电流，通常LED路灯截断电流选用1.5A，当雷电影响逐渐消失，电流恢复到额定值时，保险丝恢复导通电路。
2.2 信号控制器防雷设计
信号控制器容易受到感应雷的影响，因此在信号控制器根据感应电压或电流对信号产生的影响设计。信号控制器的防雷电路如图2所示。
第一级防护需要对共模和差模信号进行泄放，采用两根玻璃放电管分别串联在正负极与地线之间，然后采用一根玻璃放电管跨接于正负极之间，阻断感应雷干扰信号通道。第一级防雷设计可以泄放140V以上的感应雷影响。
第二级防护为保险丝设计，在正负极串联可恢复保险丝，在电流超过340mA时截断电路。恢复到140mA以内时导通电路。
第三级防护采用两组TSS管瞬态电压抑制半导体放电管，与电源防护不同之处在于，此处采用共模与差模配合接法，在钳位电压到6V的同时，再次对感应雷影响进行防设。
2.3 其他高质量保护设备
防雷器的响应速度可以达到纳秒级。在浪涌电流冲击时，防雷器可以在瞬间将设备的电压钳位到安全水平，同时将雷电的能量通过TGDT对大地进行泄放，因此，由于设备接口的钳位，雷电流不会流经设备，从而对LED路灯进行了保护。
3 结束语
LED路灯电源及控制回路属于弱电信号设备，容易受到干扰。本文通过雷电特性的分析，结合LED路灯的特点。电源的防雷主要针对传导雷和感应雷设计，采用多级防护、自恢复电路设计，避免感应电压和电流脉冲的影响。另外，针对感应雷的共模和差模影响，设计共模和差模信号泄放电路。以此来达到LED路灯的防雷防护效果。
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