浅谈电子镇流器及其配套照明系统的防雷措施

2011-12-04兰振兴

照明工程学报 2011年1期

兰振兴

(福建源光亚明电器有限公司，南平市 353000)

1 前言

随着先进的照明技术的快速发展尤其是电子技术在照明领域的普遍应用，一批节能、高效、长寿命的照明电子镇流器产品开始逐步取代传统电感镇流器，而被广泛应用于各种照明场所。因此，先进的电子技术在照明系统的应用不仅要符合国家提倡的高效节能、绿色环保的要求，还应具有安全、稳定、可靠的基本性能，才能真正被社会所接受。

作为照明系统中的重要组成部分的电子镇流器在实际使用过程中除了自身原材料的性能下降容易造成损坏以外，在产品的电路设计结构和配套的灯具以及在安装施工过程中都应特别注意加强预防雷击所产生的浪涌电流造成对电子镇流器的大面积的损坏，尤其是作为户外照明使用的照明系统。一方面由于电子镇流器内部结构具有较高的集成化 (IC芯片)，从而导致电子镇流器较传统电感镇流器在耐压、耐过电流的水平下降，对雷电 (包括感应雷及过电压浪涌)的承受能力下降。另一方面由于信号来源路径增多，如感应雷击、电磁干扰 (EMC)、无线电干扰和静电干扰等，尤其是具有0～10V或DALI等调光控制信号功能的电子镇流器较以前更容易遭受雷电波侵入。因为，浪涌电压可以从电源线或信号线等途径窜入电子镇流器。

电子镇流器作为整个照明系统的重要组成部分，其安全性能的好坏将直接影响到整个照明系统的正常稳定工作。如何在实际应用过程中真正实现照明系统的安全可靠运行而不受雷击的侵扰是所有灯具和电子电路设计人员以及终端用户都应当加以重视的。从实际使用情况看，要做好照明系统的防雷措施，应从以下几个方面加以重视:

2 重视和加强电子镇流器自身防雷保护电路的设计

目前电子镇流器的设计中通常会采用在电源线路或者其他被保护的电子元器件前端，通过防雷压敏电阻用做瞬态电压的抑制保护电路，使其符合相关标准要求，保证了电子镇流器不因电源中瞬时过电压而影响其性能或受伤害。其中比较常见的有以下图1所示结构的电路。线路中RV1 RV2 RV3为防雷压敏电阻，用做瞬态电压的抑制器，其最大特点就是能够吸收极大的瞬态浪涌能量，但它不能承受毫安级以上的持续电流，在过电压保护电路中，它不能长期工作在过电压状态下。因此，在电子镇流器中采用压敏电阻时应在电源输入端配置合适的保险熔断丝或保险管。线路正常工作时，压敏电阻器只相当于一个小容量的电容器，对电源线路具有一定的滤波作用，并不影响线路的正常工作。当电路的输入端出现瞬态过电压且过电压超过压敏电阻的压敏值时，压敏电阻的内阻急剧下降，呈导通状态，从而使输入电压通过压敏电阻泄放短路，此时，其工作电流迅速增加，使串联在电源输入端的保险丝瞬间熔断，从而保护了电子镇流器中各元器件不会被过高的瞬态过电压所烧毁。

从目前防雷电路的设计结构看，线路的保护方式主要有相线与零线的防护，相线与地的防护，零线与地的防护。当电路中出现雷电感应过电压或瞬态操作过电压Vs时，保护电路和被保护的设备 (或者线路中的元器件)同时承受了过电压Vs。由于压敏电阻 (保护电路的核心元件)的响应速度快，它以纳秒级的时间迅速呈现优良的非线性导电特性，使压敏电阻其两端的电压迅速下降，远远低于Vs值，有效地将过电压限制在被保护设备或被保护元器件的绝缘耐压值等级下，从而使电子镇流器免受过电压的伤害。因此，在整个电子镇流器保护电路的设计中对压敏电阻的标称电压的选择是比较关键的。压敏电压值选得过高，意味着增大了保护电路的动作电压，同时压敏电压值越高，相对的承受电压会增高，则压敏电阻对电子镇流器可能起不到保护作用。如果压敏电压值选得太低，频繁的过电压冲击，会使压敏电阻器的性能有所下降，漏电流增大，当压敏电压低于电源电压的峰值时，造成压敏电阻器的劣化失效，不仅会影响电子镇流器的正常工作，甚至可能烧毁压敏电阻器本身。通常比较常用的防雷电路会与EMI净化电路共同组成比较可靠的保护电路。因此，我们说良好的照明系统的接地不仅有利于防雷的设计要求，同时也对抗防电磁干扰 (EMC电磁兼容)起到积极的作用。

图1

3 配套灯具的规范设计、组装是确保照明系统及其配套电子镇流器免受雷击的重要保证

最新版的国标GB7000.1—2007《灯具一般安全要求与试验》中7.2条就明确规定照明灯具的接地安全问题。接地的主要作用不仅是防止人身遭受电击、预防火灾，其中另一重要作用也是为防止雷击造成灯具内电器附件遭受损坏，同时也符合电磁兼容 (EMC)国家相关标准，不会对其他仪器设备产生干扰。因此，作为一家正规照明生产企业应该按照国标要求在照明灯具内设置符合规范的接地装置。应当在照明灯具内设置专用接地端子，在灯具外壳内设置专用接地螺丝柱，将黄绿接地线用金属铜焊片可靠焊接后用绿色专用接地螺丝固定在灯具内的专用接地螺丝柱上，同时将电子镇流器引出的PE黄绿接地线一同牢靠地接入接地端子，并通过电源接地线引出。在该接地端子下方应该有明显的接地标识 (图2)。根据GB50034—2004建筑照明设计标准7.2.12要求，1类灯具外露可导电部分应可靠接地，接地电阻小于0.5欧姆。灯具如果不接地时一旦灯具出现漏电时人体如果接触灯具将产生触电的危险 (图3)，同样如果一旦有雷电通过灯具，因灯具没有接地措施，导致雷电瞬间的高电压无法通过接地导入大地将直接造成对灯具内电器附件的破坏，也有可能导致整条线路的照明灯具出现大面积的损坏。

4 配套电力线路正确的供电及安全接地是对照明系统防雷保护的重要保障

照明系统尤其是户外照明灯具的使用场合为露天，用电环境较为复杂，不正常的接线方式时常发生，例如，三相4线制供电时的零线断线，而引发三相配电系统的相电压大幅升高或降低，安装灯具的供电系统没有按规定可靠接地，导致无法吸收雷击时的感应雷所带来的尖峰电压，进而危及灯具的正常运行，引发灯具的非正常损坏。从实际应用情况看，电源浪涌并不仅源于雷击，当电力系统出现短路故障、投切大负荷时都会产生电源浪涌。电网绵延千里，不论是雷击还是线路浪涌发生的几率都很高。当距你几百公里的远方发生了雷击时，雷击浪涌可以通过电网光速传输，经过变电站等衰减，到灯具内的镇流器上可能仍然有上千伏。虽然这个高压很短，只有几十到几百个微秒，或者不足以烧毁电子镇流器，但是对于其内部的半导体元件却有很大的损害。目前，照明系统配套的灯杆及电力线路施工中主要应该注意以下几方面的规范要求:

图2

图3 灯具不接地对人体的危害示意

(1)根据国家相关规范要求，对于防雷分区属于雷电密集区中的照明电灯杆，必须在地下做接地保护，并且通过接地线和建筑物的接地系统相连接，这点对照明系统尤其是户外照明配电系统的接地尤为重要。在实际应用中我们知道，在建筑物内采用TN-S及TN-C-S方式比较多，但处于室外环境的照明系统，条件不尽相同，使用TN-S仍然不能完全保证安全。其中一个重要因素是室内环境要求作等电位联结，作为防电击的重要措施之一;而处于室外环境的照明系统则难以作等电位联结，这是TN-S广泛应用于建筑物内，而不适宜于室外的主要原因。在已经有较完善的剩余电流动作保护器的今天，有条件采用TT方式，对于户外照明更符合安全要求。TT方式的接地故障电流 (Id1)比TN方式更小，使用熔断器或断路器更不能满足规范要求，所以应选用剩余电流动作保护器，这种保护器的动作电流仅为几十、以至几百毫安，最大达几安培，容易使之动作，更能保证安全。另外，TT方式要求灯杆接地，由于多数使用金属灯杆，有良好接地条件，使用钢筋混凝土杆，接地条件也较好。

(2)在照明系统接地使用材料的尺寸及截面积上，建议采用IEC 62305—3(EN 62305—3)中的“表7”的要求。下表1是其中的节录，使用的材料还应该根据可能的腐蚀情况进行选择。

表1 接地导线的最小尺寸，用于雷电区照明灯杆的互连和与建筑物的接地系统的连接

(3)在照明系统中需减小由于直接接触或跨步电压而发生电击风险的措施，根据具体情况而定。例如，依据IEC 62305—3(EN 62305—3)中减小接触电压的措施，应在照明灯电线杆周围3m范围内，要求至少要有5cm厚的沥青层或15cm厚的砂砾层。

(4)在IEC 62305－3(EN 62305－3)中也提到减小跨步电压的措施，比如电势控制等。这里，在照明电灯杆周围，按照距离1.0 m、4.0 m、7.0 m以及10.0 m，相应安装四个深度为0.5 m、1.0 m、1.5 m以及2.0 m的环形接地体。这些环形接地体相互间的交角为90°，彼此间通过连接导线连接，并与照明灯杆连接。

(5)防雷分区中的所有室外照明，都应该使用1级雷电流保护器，安装在配套的配电系统上。为确定它的防雷分区范围，可使用滚球法来确定:在所有室外照明可能的方向上“滚动”，如果接触到滚球，则该室外照明处于防雷分区。另外，在安装1级雷电流保护器之前，必须检查室外照明电路中是否在配电柜中已安装了能量协调的2级电涌保护器，如果没有，则建议应在电力变压器的二次侧加装电源模块式电涌保护器 (SP系列D级电源模块式电涌保护器)。

图4

因此，照明系统安装配套的电力设备的规范接地及其他线路辅助防雷措施所要求的规格较高，尤其对户外照明系统的防雷接地等措施是确保照明系统安全稳定运行的重要保证。

5 提高照明尤其是户外照明用户的防雷意识

从实际使用过程中发现，有的因为对照明灯具防雷意识不足，认为照明灯具不接地一样可以使用，并不会影响什么。但是，往往就是因为这种对防雷接地不重视的思想，导致照明灯具的大面积损坏，甚至影响到其他用电设备的正常使用。尤其是作为户外照明使用的灯具，有的因原旧的电力线路在线路设计上没有设计和预埋接地线路，在新改换灯具时没有按现有国家标准进行接地线路整改，如果再重新安装新的灯具尤其是现在的节能照明灯具内部往往采用电子触发器、电子镇流器或电子调光器等等电子设备时，就很容易遭到雷击的破坏，从而给用户带来损失。例如，在某一森林公园内的一个盘山道路照明改造工程中，因原电力线路没有预埋专用接地线，在改造中，公园管理人员采用高效节能电子镇流器照明灯具作为该道路改造照明产品。在该工程结束并运行一段时间后的5月份某天突然接到反馈，该批照明灯具一夜之间出现70多套灯具不亮，且发现有较多损坏都是7～8盏灯连续的不亮。随后在经过相关技术人员到现场检查发现，因为原接入的电力线路不规范，电力线路没有设置专用接地线，导致灯具专用接地线闲置没有接入。同时使用方片面的认为灯杆是埋入地面的可以作为接地使用，但其不知，这种方式是完全无法满足接地要求的。结合灯具内电子镇流器损坏情况看均为保险丝和场效应管被击穿烧毁，技术人员结合现场安装情况并了解到近日该地区雷电频繁，且该森林公园地势较高，树木茂密，容易引入雷电，从而发生灯具内电子镇流器大面积被雷击损坏的事故。随后我们建议用户在每个灯杆下方加装一个避雷装置，将灯具内接地线与灯杆可靠连接，并要求其在配电系统中加装复合型雷电流电涌保护器。改进后的该道路照明工程至今未出现雷击损坏现象，运行稳定。