LED光源火灾危险性探究

荣彦超

(中国人民警察大学，河北 廊坊 065000)

0 引言

LED光源(Light-emitting Diode)，是以发光二极管作为发光体的光源，其发光效率高、耗电量少、使用寿命长，已逐步成为照明灯具中的主流。由于LED光源发热量少，安全可靠性高，人们往往忽视其潜在的火灾危险性。然而，由LED光源引发的火灾已经出现。2014年7月15日，日本JR电车静冈站地下广场的喷泉设施有烟雾冒出，消防队到达现场后发现设施的LED灯在燃烧，起火原因为LED灯电源配线的接线板处由于电气阻抗值的增大过热。2015年湖南省张家界市武陵源建材市场某照明店发生严重火灾，经调查，店面内的LED照明灯具发生故障，引燃周围可燃物造成火灾。由此可见，LED光源虽为冷光源，但并不是人们认为的那样安全。

目前，LED光源的火灾危险性未得到足够的重视，相较于白炽灯、碘钨灯等传统光源的火灾危险性研究，有关LED光源的研究欠缺[1]。邸曼等人统计从1997年至2004年我国电气火灾发生起数及起火源所占比例，对电气火灾的原因作以详细分析[2]；王海春分析导体连接不当可能会引燃绝缘材料、可燃物质及积落的可燃灰尘燃烧[3]；高伟等人得出铜导线在不同过载试验条件下的规律[4]；陈杰认为当前LED灯具散热方案分为被动散热和主动散热，但室内照明LED灯具受其体积大小、外观要求、工作环境的限制影响，更多的还是采用自然散热[5]；佟鑫对一款LED灯具进行实际测温，并运用ANSYS软件进行温度场模拟对比，校核了软件模拟与参数选择的准确性[6]；罗永刚等人提出照明灯具需要选择合适的位置，吸顶灯、嵌入式灯、灯槽应用非燃材料石棉板做隔热保护[7]。

本文通过类比传统光源火灾危险性的研究方法，分析LED光源的危险性，探究LED日光灯容易发生电气事故的故障点，可为LED光源火灾的调查工作提供理论基础。

1 LED光源的构造及发光机理

LED光源的核心部件就是发光二极管，也是LED光源的发光部件。发光二极管的结构如图1所示，就是在N型半导体上外延生长P型层构成，当发光二极管正向偏置时，外加电场将削弱内部电场，使得空间电荷区变窄，载流子的扩散运动加强。由于电子跃迁率总是远大于空穴的迁移率，因此电子由N区扩散到P区是载流子扩散运动的主体。由半导体的能带理论可知，当导带中的电子与价带中的空穴复合时，电子由高能级跃迁到低能级，电子将多余的能量以发射光子的形式释放出来，产生电子发光现象，结型二极管的发光区域为P区。电子和空穴复合时放出能量及光子能量，取决于半导体材料的禁带宽度Eg，放出的能量越大，发出的光辐射波长也就越短。

图1 典型LED结构图

在LED日光灯中，还有一个重要的结构，即驱动电源，主要部件为电压转换装置。发光二极管所用电源为低电压的直流电，红黄光的发光二极管额定电压一般为1.8～2.2 V，蓝绿光的发光二极管额定电压一般为3.0～3.6 V，而日常生活中的电源为220 V的交流电。因此，需要一个电压转换装置将220 V的交流电转换成发光二极管所需的低压直流电源。此装置中，由于有高低电压的转换和交变电流，容易产热，并且易发生电气故障。

2 试验部分

2.1 试验耗材及设备

试验耗材包括：LED日光灯(额定功率为3 W、10 W、30 W、60 W)及其灯具，多股铜导线，脱脂棉，纸壳。

试验设备包括：Fluke Ti400型红外热成像仪，电气故障试验台，Canon 700D型数码相机。

2.2 试验方法

聚热条件下灯体温度试验共分4组，分别使用额定功率为3 W、10 W、30 W、60 W的LED日光灯，用纸壳和脱脂棉将灯泡裹覆，通电120 min，定时使用Fluke Ti400型红外热成像仪测量灯身温度，记录测量结果。由于试验所采用的LED日光灯主要由灯身玻璃和下部金属片构成，当灯泡通电后，灯身玻璃和灯身金属片温度差距较大，因此分别测量灯身玻璃和金属片温度。每组共重复3次，剔除无效数据后取平均值记录。

过电压故障试验模拟LED日光灯发生过电压故障，共分为两组：第一组试验分别将额定功率为3 W、10 W、30 W、60 W的LED日光灯接入380 V电压的电源中，观察灯泡现象；第二组使用额定功率为10 W的LED日光灯，接入电压不同的电源，试验组电压为380 V，对照组电压为220 V。用纸壳和脱脂棉将灯裹覆，使用Fluke Ti400型红外热成像仪测量灯身温度。每组共重复3次，剔除无效数据后取平均值记录。

3 试验结果及分析

3.1 聚热条件下灯体温度试验

在聚热条件良好的情况下，测量灯体温度，由于LED日光灯灯身主要分为金属片和玻璃两部分，测量结果如图2和图3所示。

图2 灯身玻璃表面温度关系

图3 灯身金属片表面温度关系

试验结果显示：随着通电时间的增加，灯体表面温度逐渐升高，且一直保持上升趋势；通电时间相同的情况下，灯体温度随着灯泡额定功率的提高而增加，通电时间120 min内，3 W、10 W、30 W、60 W的LED日光灯灯体最高温度分别为79.3 ℃、132.2 ℃、140.3 ℃和149.8 ℃。由于LED日光灯的下部由金属片制成，上部为白色玻璃制成，灯体同一通电时间内温度并不相同，且灯体金属片温度大于灯体玻璃温度。试验过程中，额定功率为3 W、10 W、30 W、60 W的LED日光灯的灯体金属片温度与玻璃温度平均差值分别为13.6 ℃、22.0 ℃、26.9 ℃、16.3 ℃；10 W与3 W灯体金属片的平均温差为39.7 ℃，30 W与10 W灯体金属片的平均温差为7.2 ℃，60 W与30 W灯体金属片的平均温差为7.7 ℃。由图4可以看到，LED日光灯身金属片平均温度约是玻璃温度的1.1～1.4倍，灯体金属片部位的火灾危险性更大。

图4 灯身金属片与玻璃温度比及最高温度分布情况

3.2 过电压故障试验

本试验分为两组，第一组试验分别将额定功率为3 W、10 W、30 W、60 W的LED日光灯接入380 V电压的电源中，观察灯泡变化，结果见表1。

试验结果表明：不同额定功率LED日光灯的耐压情况不同，随着额定功率的升高，灯泡处于过电压故障下火灾危险性不断提高。3 W、10 W的LED日光灯可以适用于380 V的电压中，并不会由于电压激增导致电容击穿，致使灯泡损坏。

对于3 W的灯影响较小未见明显异常；10 W的灯体表面温度明显增高，灯泡的亮度提升，且试验结束将试验组灯泡冷却至常温，可以观察到灯泡表面有一层深棕色物质覆盖，同时灯泡内部的玻璃表面覆盖一层浓密的小液滴，覆盖范围较大。事实上由于实际电压的激增，灯泡产生了非正常性发光，使用寿命减少。

表1 过电压故障第一组试验现象

对于30 W的LED日光灯来说，380 V的电压已经足够破坏灯泡，平均通电7 s后，灯泡熄灭，但是未见其他异常，测量灯体表面温度后，发现灯体金属片平均温升为7 ℃，无火灾危险性。由图5可以看到，接入380 V电压后，30 W的LED日光灯只有一个受损部件(图中已用红圈标出)，该部件为VDR07D471K，是一种压敏电阻，可以随着加载电压的变化而改变自身电阻值。该压敏电阻受到破坏，产生电气故障，同时旁边的电气元件表面有轻微烟熏，内部未受损。3组重复试验灯受损部件都为VDR07D471K，这种压敏电阻对于电压的承受范围限制着灯的承压范围。

图5 30 W的LED日光灯接入380 V电压电源后电压转换装置图

对于60 W的LED日光灯，380 V的电压可以瞬间破坏灯的电源转换装置，将电容击穿，同时发出巨大响声，电压转换装置体表分布浓重烟熏(如图6)，整个装置多处电气元件受损，火灾危险性较高。

图6 60 W的LED日光灯接入380 V电压电源后电压转换装置图

第二组试验使用额定功率为10 W的LED日光灯，接入电压不同的电源，试验组电压为380 V，对照组电压为220 V。使用纸壳和脱脂棉将灯裹覆，测量灯身温度。

第二组试验中试验组和对照组的灯泡表面温度都会随着通电时间的增加而导致温度不断升高，如图7和图8所示。由图7可知，通电120 min内，试验组灯身金属片的最高温度为144.8 ℃，试验组灯身玻璃表面最高温度为103.5 ℃；对照组灯身金属片的最高温度为131.9 ℃，对照组灯身玻璃的最高温度为92.6 ℃。图8是试验组与对照组玻璃和金属片的温度差值，可以看到，通电初期试验组的灯泡升温速率远大于对照组，为不正常升温，随着通电时间的增加，温度差值逐渐减小，呈下降趋势。这是因为试验初期灯体温度较低，散热较少，而试验组产热较高，试验组灯身的升温速率较高，温升较快，但30 min后，由于聚热条件有限、灯体温度与室温差距较大等条件的制约，日光灯灯体温度较高，散热较多，因此试验组灯身温升速率降低，两者温差减少。

3.3 结果与问题讨论

由上述数据可知，聚热条件良好时，通电120 min内3 W、10 W、30 W、60 W的LED日光灯灯体最高温度分别为79.3 ℃、132.2 ℃、140.3 ℃和149.8 ℃；过电压故障情况下10 W LED日光灯灯体最高温度可以达到144.8 ℃。对比一些常见低燃点可燃物的燃点(表2)可知，纸张的燃点只有130 ℃，当聚热条件良好，发生过电压等故障时，LED灯体表面温度将会高于纸张燃点，足以将其引燃。由此可以明确，LED日光灯具备火灾危险性，在条件适宜时，能够引燃纸张、赛璐珞等一些生活中常见的低燃点可燃物，甚至导致爆炸。

图7 试验组与对照组灯体温度分布

图8 试验组与对照组灯体温度差

表2 部分低燃点可燃物的燃点

另外，经市场调研数据显示，市面上的LED灯具有40%～50%未达到相关的国家标准，为不合格灯具。它们往往存在着诸多问题，如电压转换装置上的电气元件不达标，使其无法在要求工作范围正常工作，其承受电压、电流的波动能力会大大降低，从而导致这种劣质的灯具更容易发生电气故障，火灾危险性较大。

4 结论

本文通过模拟散热不良、过电压故障等常见故障，对LED光源进行研究得到如下结论：(1)在聚热条件良好的情况下，LED日光灯灯身最高温度为金属片温度，其温度为玻璃温度的1.1～1.4倍。(2)在聚热条件良好的情况下，额定功率为3 W、10 W、30 W、60 W灯体最高温度分别为79.3 ℃、132.2 ℃、140.3 ℃和149.8 ℃，其中10 W、30 W、60 W灯体最高温度高于纸张燃点，可以引燃纸张，具备火灾危险性。(3)在过电压故障情况下，LED日光灯在通电初期温度急剧升高，并且随着LED日光灯额定功率的提升，灯泡的火灾危险性逐步上升。(4)在过电压故障情况下，额定功率为10 W的LED日光灯灯体最高温度可以达到144.8 ℃，高于纸张燃点，可以引燃纸张，具备火灾危险性。