高压直流供电在LED路灯中的应用前景

任新彪

摘 要：本文针对LED路灯电源故障频发现状，分析LED路灯工作原理，提出一种高压直流供电方式用于改变该现状并延长LED路灯使用寿命，以及分析此种方式的优点及改造过程中可能遇到的问题。

关键词：LED路灯；高压直流；稳定安全

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.13.161

随着大功率发光二极管（LED）光源技术的进步，LED路灯已经在很多城市逐渐替代传统的高压钠灯、金卤灯、高压汞灯和白炽灯，进入LED路灯高速发展期。我市在LED路灯的使用上也紧随LED路灯发展步伐，于2011年开始进行路灯改造，到目前为止LED路灯在我市市辖区内应用范围已超过85%，LED路灯维护已经成为路灯维护中的一项重点工作，电源的损坏约占处理问题量的42%，而维护花费更是超过全年维护费用的30%，寻找一种维护更简便、使用更稳定的替代途径成为必然。

现有LED路灯AC-DC电源模块的寿命很大程度受制于模块中的电解电容。一般电源模块的设计寿命不会超过2万小时，这与LED光源10万小时的寿命相差甚远。驱动电源故障成为影响LED路灯寿命的重要因素。这不仅影响了LED照明系统的可靠性，还大大增加了维护成本，为提高LED路灯整体寿命，有效保证路灯照明系统的可靠性，我感觉高压直流供电将成为替代电源电源模供电的方式。

LED路灯高压直流供电系统应是传统LED路灯的电源模块拆分成两部分： AC-DC部分和DC-DC部分。在箱变内增设AC-DC变换器，将更加廉价稳定的DC-DC部分整合到路灯端。

箱变内安装的AC-DC变换器输出直流电压应采用240V，根据GB/T 13870.1-2008 电流对人和家畜的效应，人体耐受交流电流的极限值是30mA，而人体耐受直流电流的极限值是130mA；IEC标准（标准编号 IEC 60884-2-4-2007）规定，在通常状况下，接触电压上限值为交流50伏或无波纹直流120伏。综合经济性考虑，因为在240V电压等级上，各类器件在市场上有相对较多的成熟产品，利于选型及成本控制；DC 240V的配电系统可以采用单极接地，变流设备可采用成熟的高频开关电源模块，便于路灯改造工程的实施，且原有线路完全可以满足直流240v电压的需求，不必再进行改造节省开支。

1 采用高压直流供电的优点

1.1 节省维护费用

常规LED路灯驱动电源安装在灯头上，为确保电源长期处于室外恶劣条件下正常运行，一般都会进行密封进行防尘防水保护，由此导致散热较差，严重影响驱动电源的使用寿命。并且每次维修更换驱动电源都必须进行高空作业，人工成本剧增，采用高压直流供电后，将交直流变压器等部件安装在路灯箱变内，路灯端仅留稳定的直流变压设备，这样减少了电源维护的费用又节省人工。

1.2 提高设备运行安全性

路灯作为城市建设的必备公共设施，已经与市民的生活息息相关，随着照明智慧化进程的不断推进，智慧灯杆所匹配的电动车充电桩、一键呼叫、灯杆电子屏等应用越来越普及，以及未来5G网络微基站的建设，都需要灯杆长期不间断供电，在这种人杆交互活动越来越多的情况下，确保路灯的用电安全成为首要任务。正常情况下，240V直流供电如果发生正极接地漏电时，在有接地的情况下，接地电阻偏高，残压难以对人体造成致命损伤，且直流配电线路保护配置简单，能准确检测漏电电流，设备可靠性更高，在极大程度上确保用电安全。

2 高压直流供电虽然有较大优势，但改造时应注意下面三个问题

2.1 是否与原箱变的控制半径相匹配

一般情况下道路照明供电线路电阻要比电抗大得多，计算时可以忽略电抗的作用，且只考虑线路的电阻及有功功率。由此可得计算电压损失的简化计算公式：

我们以末端路灯允许的电压降做为控制条件，根据上述公式，采用25mm2 YJV22电缆，电阻率ρ为0.73Ω/km，灯杆间距取60米，灯具功率130瓦，则供电半径为1.3公里。按照此实例计算240v直流供电完全可以满足我市路灯控制范围要求，如果外地如有改动需重新核算。

2.2 接地方式及安全保护的选择

路灯直流供电系统根据不同的工程条件可以采用TN-S或TT两种系统。在变流器端将输出负极接地，这样能极大的提高系统电击防护性能。对于TN-S系统，应把负极和专用保护线PE 严格分开。系统正常运行时，专用保护线上没有电流，只是工作正负极线路上有电流。PE 线对地没有电压，所以灯杆外壳接零保护是接在专用的保护线PE 上，安全可靠。TT系统，没有专用的保护线PE，将路灯灯杆的金属外壳直接接地，称为保护接地系统。正负极母线上使用漏电保护器。改造中需要根据现有路灯条件进行采用合适的接地方式。

安全保护分为过载及短路保护和漏电保护，路灯控制柜内的整流电源模块应采用具备过电流保护和输出端短路保护功能的设备，输出电流超过1.1倍额定电流时，输出电压下降，设备进入限流模式；输出电流达到1.3倍额定电流时，设备将自行关断。漏电保护方面直流供电可以设置较为准确的漏电保护定值，且不存在三相交流系统漏电流的方向问題，可以做到漏电流的准确检测。

2.3 路灯端DC-DC变压器的选择

我市路灯改造并不是整体同批改造，所采用的灯头型号分为很多种，灯珠串并联方式也很多，有多个灯珠串联后再并联的，有所有灯珠进行并联的等。不同灯头的额定电压也不尽相同，在改造时应关注此方面，防止因电压过高过低给LED路灯带来的损伤。

高压直流供电应用在市政照明系统中，符合我国低碳节能的发展政策，有利于环保。在国家正在大力推行电动汽车、5G网络应用的现状下，路灯作为城市普及最广泛的带电市政设施，必将被用于城市相关方向的发展重点，而高压直流供电技术也必将成为安全供电技术的必然选择。