浅谈LED防爆灯照明技术与光辐射标准的评判及测量

(华荣科技股份有限公司,上海 201808)

1 引言

改革开放以来，我国经济发展取得了巨大成就，尤其是电力，冶金，石化等行业得到了快速发展，造就了煤炭、石油、化工行业经营状况良好和飞速发展。同时，煤炭、石油、化工行业对安全生产和生产效率越来越重视，在许多易燃易爆场所的操作室、生产车间、仓库等需要良好的照明环境才能保证正常的生产和工作。防爆灯具的光源先后经历了白炽灯、荧光灯、高强度气体放电(HID)灯三个时代。同时随着照明技术的发展，特别是LED照明光源的出现，LED作为第四代新光源,具有优越的节能环保、寿命长、高显色性、能见度高、瞬时启动、安全可靠、耐振动及体积小等优点，并能在宽电压范围下驱动灯亮，实现从纯白色到接近日光色的色温[1]。LED照明被誉为21世纪之光，正推动着第四波照明革命。

LED照明因为节能、环保的优势将占据照明市场的主导地位。但是由于LED灯具亮度高，辐射能量大，其光辐射引起点燃的可能性也更大[2]。随着国际国内光辐射研究的深入以及各种光辐射标准的制定,LED防爆灯光源的光辐射安全问题越来越为人们所关注。目前世界上许多国家或地区都在不断完善LED防爆灯光辐射安全性要求、光辐射的安全标准和探讨光辐射危害。对各种光源尤其是LED防爆灯进行光辐射检测和评估将成为一种趋势。

国际电工委员会IEC TC31工作组于2006年发布了IEC 60079-28标准，并于2015年对该标准进行了更新。目前，ATEX和IECEx认证对部分LED防爆灯具的光辐射检测已是强制要求，但国内防爆认证对于光辐射还未作要求，爆炸危险环境光辐射系统的国家标准正在推出[3]。

2 LED防爆灯具有如下性能特点

(1)高效节能，在同样照明效果的情况下，其耗能远低于白炽灯、荧光灯、高压钠灯、金属卤化物灯等传统光源，仅为荧光灯的二分之一，白炽灯的十分之一；相同照明效果比传统光源节能60%以上。

(2)超长寿命。LED光源平均使用寿命一般为50000～100000小时；整灯平均使用寿命一般为50000小时以上； 极大地降低了灯具的维护费用,避免在石油开采等检修更换困难的特殊场所经常换灯要拉闸停电等一系列的麻烦。

(3)固体发光，抗震性能好，耐冲击，牢固可靠， LED被完全封装在环氧树脂或硅胶里面，灯体内没有松动的部分，使得LED不易损坏。

(4)免维护，绿色环保，光源中不含有汞、钠等有害金属元素，光谱中没有紫外线和红外线，热量低，无频闪，容易回收，不会对环境造成污染，属于典型的绿色照明光源。

(5)有很强的发光方向性，光通量利用率高，且体积小， LED防爆灯具易于外观设计和光强分布的控制。

(6)可采用直流低压供电，安全可靠。

(7)不受启动温度限制，可瞬态启动，一般为几个ms，且能瞬态达到全光通量输出。

(8)光色柔和,无眩光,配光简单:LED封装时可以做成色温不同的颜色,色温范围广可以根据用户要求在3700～8000K 之间灵活选择。LED显色指数可达70以上,灯具发光颜色更接近于自然光。

3 LED光源在工业照明防爆灯中的应用

由于LED光源的诸多优点,LED照明已经在安全生产的区域中得到了广泛的应用,并发挥了不可替代的作用,像LED路灯、LED泛光灯、LED工矿灯、支架式LED灯管等已经得到了普及。近年来LED防爆灯具在防爆领域被广泛应用。对石油开发，炼油，化工等爆炸性危险环境的场所的节能,提高安全生产,降低成本具有重大意义。

目前,工业照明防爆灯中所使用的LED光源主要分为两大类：单芯片(single die)独立封装和多芯片阵列(multi-die array)集成封装。

单芯片独立封装的LED功率较小，目前在1～5W居多，其中1W的应用最多。单个功率较小的LED应用灵活，可以通过光学设计得到理想的照明效果，但是单个光源的总光通量输出量较小，如果要做成大功率灯具，必须要数十个甚至一百多个1W的LED,这个排布对光源的散热是有利的，不利之处是产品零件较多，导致产品结构复杂化，产品的重量和安装成本增加。

相比之下，采用多芯片阵列集成封装(COB)，将多个芯片封装在同一个光源模块中提高单一光源的总输出光通量，有效的降低了LED灯具的设计制造难度，目前，各个厂商生产了不同规格的COB光源，有圆形，方形，长条形等以满足不同的应用需求，在单个光源模块中集成的芯片数量从数十到几百个不等，单一光源输出的光通量可以达到数百流明至数千流明。如CREE的XLamp CXA 1816/1820，在驱动电流在分别在450mA,550mA时光通量可以达到2100lm和2600lm。集成式LED结构紧凑，便于安装更换，然而由于热量集中，散热比较困难，如果散热不充分，会导致LED的结温过高，影响光效和使用寿命。

LED的固有安全特性是指利用LED的功率或能量超标引发的故障保护功能，防止潜在爆炸性环境中有超强的光辐射强度。其基本原理是流经LED的电流过大会引起LED光通量衰减，导致其光辐射强度下降，同时，由于LED的热效应，在LED的发光功率上升至一定程度会导致LED发生故障而自动熄灭[4]。

同时，出于亮度考虑，一般将多颗固有安全型LED排布成阵列，形成LED灯具的光源。LED阵列有串联连接、并联连接和串并联组合连接三种方式，三种方式各有优缺点。无论采取何种连接方式，都应采用同一批次的LED作为负载，保证LED特性的一致性，降低由于LED电气特性生差异引发的故障[5]。

4 LED防爆灯要有合理的驱动电源

众所周知，LED是可长寿命工作的光源，但LED防爆照明灯具是否能够长寿命稳定工作，还取决于与之相匹配的电源质量。这也是限制很多LED灯具制造厂家的技术瓶颈。因此要保证大功率LED防爆灯具可靠应用，电源的适用性设计不可或缺。 LED防爆灯具在驱动电路设计时必须考虑解决好以下几个问题。

(1)电源必须具有高可靠性、高效率驱动(电源效率超过90%以上),具有高功率因数； LED防爆灯具在石化行业长期使用,维修很困难,可靠性必须得以保证。高的电源效率,耗损功率自然就小,也就降低了灯具的温升,对延缓 LED的光衰能提供同步的辅助作用，电源应能提供自动恒功率控制和光通量补偿，自动调整功率使用并减少故障率及提高整体系统的稳定度和光通量的输出。

(2)宽范围输入电压恒功率输出,电路要具备开路、短路保护、防浪涌保护等功能，当系统出现故障时自动保护，防止光源或电源因系统故障造成元件损坏，当系统故障解除时则停止保护，正常输出工作，保证灯具的正常使用。 由石油开采、炼油、海洋平台、钻井平台等场所下电压波动较大,灯具要能满足在 100～300V范围内正常工作;LED抗浪涌的能力是比较差的,特别是抗反向电压能力。这方面的保护在电路设计时也很重要。由于电网负载的频繁启用和雷击的感应,从电网系统会侵入各种浪涌,有些浪涌会导致 LED的损坏。因此 LED驱动电源有抑制浪涌的侵入,保护LED不被损坏的能力。电源除了常规的保护功能外,最好在恒流输出中增加 LED温度负反馈,防止LED温度过高。

(3)电源要具备其他电气性能;石化行业环境恶劣,灯具要防水、防潮;驱动电源的设计使用寿命要与 LED的寿命相适配;

(4)电源的电磁兼容、谐波含量要求。LED的驱动电源为电子类电源，为了保证应用到现场不会影响其他电子设备的工作，要求驱动电源必须满足国家标准规定的电磁兼容等性能的要求，附表是华荣科技股份有限公司防爆LED灯电磁兼容及谐波电流限值的部分检测报告。

图1 LED灯具谐波

(5)对于Ga保护级别和Gb保护级别的LED防爆灯具，需要考虑LED驱动电源在其正常工作以及故障状态下，LED的光辐射强度均不会超过标准的限值。可在LED驱动电路的后端设置过流保护电路，以确保驱动电路在任何状态下流经LED阵列的电流不会超过限值，过流保护电路的可靠性至关重要[6]。过流保护一般应用电流控制环的原理来实现。

5 LED防爆灯光辐射标准的浅析

5.1 光辐射的点燃机理和其标准的保护原理[7]

研究表明，激光、LED、光纤等光辐射对爆炸性环境的点燃机理有以下四种：

图2 LED灯具电磁兼容

(1)辐射被设备表面或浮尘吸收后，可能会因温度升高进而达到点燃温度；

(2)可燃性气体通过吸收同波段的光波，可能会引起热点燃；

(3)短波辐射(如紫外线)能光解空气中的氧，可能引起光-化学点燃；

(4)激光灯强光聚焦可引起气体衰变导致气体分解，可能产生引起点燃的能量；

此外，当环境存在吸收物质，如强光聚焦在某固体物质时，会显著加大点燃的可能；

因此2006年，国际电工委员会根据光辐射对可燃性环境的点燃机理，以及对光辐射点燃的保护原理，发布了IEC 60079-28的标准，并在2015年发布了该标准的第二版。标准规定了对光学设备的结构要求，相应的保护原理，并定义了光辐射保护等级，以及在认证和测试这这些光学设备和光学传输系统②的评估与测试方法，以保护和限制用于光辐射的设备和传输系统的辐射能量。由此，电气设备在爆炸性环境中的保护型式由原先的9种增加到了10种③。

5.2 LED灯具的光辐射标准的评判措施和测量方法(光辐射安全评价指标)[7]

由于紫外线光解及气体原子直接吸收光能的情况极其罕见④，因此，在EN/IEC60079-28的标准中只考虑设备表面、空气浮尘和强光聚焦在固体材料上的影响，并根据可燃环境最小点燃能量和结合其他的防爆型式，确立了以下7种对LED设备光辐射的适用范围：

(1)低强度的非阵列而集中的辐射，如指示性质的或背光性质的光源等；

(2)连续且发散的，或保护级别为Gc/Dc级的LED光源；

(3)辐射被限制在封闭(遮光)壳内，且外壳符合相关防爆型式(如隔爆型、正压型、限制呼吸型、粉尘防护、及IP6X的外壳等)

(4)LED为固有安全元件(辐照度低于5mW/mm2)，可用于所有设备；

选用10只LED颗粒，依此施加电流发光，使主要光束贴近并通过一直径为3～4mm的圆孔，用光功率计测量光功率，然后逐渐提高电流，使其光功率逐渐升高，直到升至最高点并开始下降，记录10只LED中测得的最高光功率值。当光功率最高值/通孔面积，求出辐照度，若不超过5mW/mm2，则通过评定。

(5)辐射功率/辐照度限值[7];

测量仪器：光功率计、光谱分析仪，或单色光传感器等。

测量方法：给光源施加电流，使光束的最强部分通过一面积小于100mm2的孔，测量穿过该孔的光功率，然后求得辐照度值。

①辐射功率低于15mW，或辐照度低于5mW/mm2，可用于所有设备；对驱动要求为四种方式之一：

(a)设备实际电路驱动：根据设备EPL级别，参考本安电路对设备驱动电路进行故障分析，然后输入理论最大电功率，在设备工作温度下测量最大光功率；

(b)可调电源驱动：根据设备EPL级别，参考本安电路对电路故障进行分析，然后用可调电源输入理论最大电功率，在设备工作温度下测量最大光功率；

(c)可调电源驱动：选10个样品，然后用可调电源输入无限制电流，测得最大的光功率

(d)可调电源驱动：以b计算出的最大电功率作为该光源的最大光功率；

②辐射功率低于35mW，可用于IIC/T4或IIB、IIA设备；

一般而言，由于照明灯具的功率远超过35mW，因此辐射功率限值的意义仅在仪表指示灯之类的设备，但又由于其非阵列的指示用途，可免于参照本标准。

(6)辐射面积限值[7];

①当受辐射表面积超过400mm2时,可通过测量辐射表面最高温度，用温度组别的方式替代辐射功率或辐照度的限制。对于LED灯具来说，有专门的光源腔对LED进行保护，不同防爆型式的光源腔，有效光源辐射面位置不同(有效光源辐射面是指直接与可燃物接触的发光表面)。对于隔爆型“d”、限制呼吸型“nR”以及粉尘防爆的外壳防护型“t”的光源腔，其有效的光源辐射面是在LED灯具的透明件表面。对于本质安全型“i”和无火花型“nA”的光源腔，其有效的光源辐射面在LED的表面。而对于将LED进行浇封的LED灯具，其有效的光源辐射面在浇封复合物的表面。

②当受辐射表面积小于130mm2时,辐射功率的限值最大为400mW；

(7)通过在特定气体的点燃试验。

以上评估依据中，对(1)、(2)和(3)条可依据结构评估等方式判定是否符合标准要求，而对(4)、(5)、(6)条又可合并为对光功率/辐照度的测量，而对7)条类似与隔爆点燃原理。

(a)lm是光(准确的说是指可见光)的功率单位，准确的说，是指人眼感觉到的可见光的能量，也叫光通量。可见光的波段为380～780nm，研究表明，人眼对波长为555nm的光(差不多位于可见光的中段，光色黄中偏绿)最敏感，此时1W的电能如果全部转换为555nm的光，其光通量为683lm,然后随着波长的偏离，人眼敏感度越来越低。如1W电能完成转换为500nm的光为221lm,450nm为261lm,而当1W电能全部转为400nm的光时，光通量还不到0.31lm,已经几乎看不见了。

(b)光学传输设备通常指含光纤设备，光纤设备的保护原理分为结构保护(标志为op pr)，和开盖连锁防护(标志为op sh)。

(c)这10种防爆型式依次为：d/e/n/m/o/p/i/q/t和op is/pr/sh.

对于光纤以外的LED灯具或激光等光辐射设备，其保护原理不依赖于其他保护措施，而是从源头上限制光辐射的能量，具有最高的安全等级，因此也归于固有安全型，也即光辐射的本质安全型。为了将其与电路的本安型(Ex i)区分开来,故将本标准的防爆标志定为“op is”。

(d)光纤设备而言，其保护措施通常都是采用钢缆护套包覆，或埋入地下沟渠等方式，由于本文重点在于对LED照明的光辐射标准。

6 结束语

LED防爆灯为爆炸危险场所的人们提供了良好舒适的照明环境、除了有良好的视觉效果外，还应正确评估造成潜在光辐射伤害的可能性，并能预先防范危害的发生。随着光辐射安全研究的深入和光辐射安全标准的推广普及，光辐射安全将在越来越多的领域里引起重视，尤其对于照明要求较高的防爆危险环境场所，比如石油开发，炼油，化工、航空照明等，光辐射安全问题已经引起了一定程度的重视。然而安全的保障除了产品本身的性能和质量外，还有赖于合理的选型、正确的使用和维护。希望大家都能远离危险，拥有安全。