解读UL园艺照明设备标准UL 8800:2017

2022-12-30苏振标陈志明

照明工程学报 2022年2期

刘影，苏振标，陈志明

(广州特种机电设备检测研究院，国家防爆设备质量检验检测中心(广东)，广东广州 510760)

引言

植物灯是农业生产中蔬菜大棚等场所不可或缺的灯具产品。植物灯不仅可以在天然光不足时提供一般的补充光照，还可以通过光源设计增强特定的光波段的照射强度，满足植物生长对光谱的不同需要。伴随着农业科技的发展，植物灯被广泛地应用到农业种植场所，而植物灯的安全和性能也成为不容忽视的问题。美国于2017年颁布的植物灯标准UL 8800, 对园艺照明设备(包含植物灯及其他相关设备)的安全和性能做了详细的规定。本文对UL 8800的技术要求进行解析，进而提出国内植物灯的安全评估建议，为消费者、生产企业和检测机构提供技术参照。

1 标准背景

植物工厂是通过设施内高精度环境控制实现农作物周年连续生产的高效农业系统，是利用智能计算机和电子传感系统对植物生长的温度、湿度、光照、CO2浓度以及营养液等环境条件进行自动控制，使设施内植物的生长发育不受或很少受自然条件制约的省力型生产方式[1]。因为不受土地的限制，植物工厂成为解决粮食和环境问题的重要研究方向，因为植物工厂内需要用园艺照明设备来提供照明，所以伴随着植物工厂的兴起，植物照明产业近年来呈现爆发式的增长，照明行业的巨头都致力于植物照明的研究和开发。

为规范和监管大量增加的园艺照明产品的质量，美国于2017年颁布了园艺照明设备标准UL 8800, 对园艺照明设备的安全和性能做了详细的规定。本标准的制定不仅参照了UL 73、UL 1598等相关的UL标准，还参照了IEC 60529、 IEC 62471、IEC/TR 62471-2等IEC标准在外壳防护方面以及光生物伤害方面的要求，对进行园艺照明设备进行更加全面的评估。

2 标准解析

2.1 标准范围

本标准适用于根据美国电工法安装的、在园艺环境中使用的照明设备。本标准覆盖的设备是用于园艺照明目的，包含：灯具、灯座、线束、插头和连接器、LED封装、镇流器/LED驱动、灯泡以及与充分利用光生长有关的硬件和结构。对于提供宽频白光的、用于一般照明的灯具，或者最初目的只是为了美观和维持植物生命的灯具不在本标准的范围内[2]。

本标准的制定基于UL 1598,园艺照明设备首先要满足UL 1598的通用要求，然后还需要满足本标准规定的特殊要求。标准主要从结构、防止对人伤害、性能、标签与说明书几个方面对园艺照明设备进行规定。

2.2 结构

关于结构，主要从以下几个方面提出要求：一般要求、机械结构、电气结构、LED园艺照明设备、使用荧光灯光源的园艺照明设备、使用HID光源的园艺照明设备以及额定环境。

2.2.1 一般要求

根据标准，园艺照明设备应该能够按照美国国家电气法规来安装，应提供适合于生长环境的电气绝缘和外壳，并且能够防止人在正常工作条件下受到光辐射伤害。

对于园艺照明结构，应该基于它们的结构和耐环境条件在室内或室外按预期固定安装。户外安装的结构应该确认它的额定NEMA环境等级。根据标准定义，园艺照明结构是指预制箱、包围区域、或者优化植物生长的电气基础设施的主要子系统。

对于电动园艺照明设备，应该符合UL 73的要求，在评估电动园艺照明设备的光生物安全时，应该在正常范围工作下，使光源处于最不利的位置。电动园艺照明设备是指用来调节植物或者调节园艺照明光源的高度或方向来优化植物生长的设备。

综上所述，结构方面的一般求包括：照明设备的安装和使用应该符合电气法规；应该有适应其使用环境的外壳保护；不应对人造成光辐射伤害；测试照明设备时应该考虑到其最不利的使用状况。

国内的园艺照明产品的评估也应该遵循这个原则。不同之处主要有以下几点：

1)我国是采用国际电工委员会标准(IEC标准)，在电压、配电系统、接地系统和电线电缆等方面均与美国国家电气法规不同，我们的灯具设计应该符合国内的电工标准。特别是我国的电压为220 V，相对于美国120 V的电压，防触电保护的要求更高，所有的金属外壳需要可靠接地，塑料材料应满足双重绝缘或者加强绝缘的要求。

2)照明设备首先要满足国内已有标准的通用要求，然后才满足植物灯照明产品的特殊要求，例如灯具类产品首先要满足GB 7000.1—2015的要求，LED灯泡首先要满足GB 24906—2010的要求，对于电动园艺照明设备，因为GB 7000.1—2015已经包含了带有马达的灯具的要求，不需要再另外增加其他要求。如果是其他类产品带有马达，那么可以考虑参照GB 7000.1—2015中对于马达的相关要求。

2.2.2 机械结构

标准要求园艺照明设备应符合UL 1598的相关要求；另外暴露在太阳下或者释放UV-A、UV-B辐射的光源下的聚合外壳，挡板、反射板和防水罩等机械结构件需要通过UV测试，测试后，这些部件的功能应该不受影响。

测试方法参考UL 1598或者UL 746C。这两个标准对UV测试的设备相同，方法也基本相同，只是对样品准备和判定稍有不同，以UL 1598为例，对UV测试的要求如下：

三块被测材料经受下面条件的UV辐射测试，提供UV辐射的光源可以是碳弧灯或者氙灯。如果使用碳弧灯，需测试720 h；如果使用氙灯，需测试1 000 h[3]。

根据UL 8800,这些部件的功能在测试后应该不受影响，即在UV测试后，样品应该还能够符合标准中关于机械强度、防水防尘、防火等方面的要求。

由如上的测试方法可见，UV测试主要是考核聚合物材料在长时间的UV照射造成老化后，会不会影响产品的安全。由于大部分园艺照明设备可能暴露在阳光下，或者光源直接发出UV-A和UV-B紫外光，这个要求将对大部分园艺照明设备适用，这就要求园艺照明设备所用的相关塑料材料必须是耐UV的材料。

如上所描述，UV 测试的要求在美国固定式灯具的标准UL 1598里面就已经提出，UL 8800只是引用了这个测试并给出了合格性评估要求。对于国内的标准体系，灯具和灯泡等标准对户外使用的产品并没有UV测试的要求，标准中也没有其他测试可以覆盖这个要求。由于园艺照明设备特别的使用条件要求，参照本标准增加UV测试评估还是十分有必要。

2.2.3 电气结构

除需要符合UL 1598的电气结构相关要求外，标准主要对聚合物电气绝缘材料、电源连接、照明设备和遥控电源的连接、软线以及插头插座和连接器等几种电气结构做了规定。

2.2.3.1 聚合物电气绝缘材料

聚合物电气绝缘材料需要进行UV测试，这里的电气绝缘材料是指导体和导线的绝缘、灯座体，连接器体，插头体等。

2.2.3.2 电源连接

电源连接需要有保护接地，电源连接方式只能是下面几种方式之一：

A)按照UL 1598规定的提供连接导管或者其他永久布线方法；

B)有一定长度的电源线；

C)带有组装式的NEMA标准的插头的电源线；

D)带有一体的 NEMA标准的插头的电源线；

E)提供专有的接线系统(保护带)，这种方式应该符合UL 817的要求。

对比UL 1598的电源连接要求，去掉了安装在接线盒内的导线、扣式连接器、压力或者螺纹接线端子等方式，增加了专有的接线系统这种连接方式。因为一般的美国固定灯具是通过导线与天花或者墙壁灯标准的安装盒用徒手就可操作的接线端子进行接线，而园艺照明设备不是用在普通建筑内，没有标准的安装盒可用，所以使用安装在接线盒内的导线显然不合适。而扣式连接器、压力或者螺纹接线端子这样的方式可能需要另外的防护才能保证产品的防尘防水性能，并且人工操作的风险较高，所以也不被接受。

国内灯具的安装方式和美国有很大不同，根据标准GB 7000.1—2015，国内的一般固定式灯具有灯具连接装置、接线端子、插头、连接引线、电源线、与电源导轨连接的接合器、器具插座、安装耦合器等几种方式[4]，其中与电源导轨连接的接合器、器具插座、安装耦合器这几种方式显然很难满足外壳防护的要求，不应该被采用，其他的方式都是需要工具操作的，都是可行的，要注意配有相应的防尘防水保护方式，并有足够清晰的安装说明书即可。

关于保护接地，因为美国的产品是没有双重绝缘和加强绝缘的说法，一般的美国产品用国内标准的角度看就是基本绝缘的结构，对可触及的金属进行接地来起到增加保护的作用。而国内是有两种做法，除了对金属进行接地外，也可以做成双重绝缘或者加强绝缘的结构。

照明设备和遥控电源的连接方式与电源连接的方法相同，也是需要用如上A到E的五种方式，但是连接到遥控电源的插头和连接器的形状与连接到电源的插头和连接器的形状应该有所不同，以防止误接。

2.2.3.3 软线

如2.2.3.2中提到的软线需要满足下面的要求：

A)至少是UL 1598定义的硬使用(“hard-usage”)类型；

B)长度不超过4.5 m；

C)线径不小于18AWG,适合于应用的电流；

D)额定电压和温度适合；

E)对于有“潮湿场所”或者 “IP” 防水的照明设备的软线要耐水，对于暴露在阳光下或者有UV的光源下的照明设备的软线需要耐UV。

这里的“hard-usage”是美国UL标准对线的类型的划分，针对这一点， UL电线按照使用环境从有利到恶劣分为“not hard usage”、“hard usage”和“extra hard usage”几个级别，这些级别对于芯线绝缘和外皮绝缘要求各有不同，每个类型包含一些不同型号的电线，园艺照明设备需要选用至少是“hard usage”对应的型号。

国内的电线规格和美国的完全不同，对于国内的灯具产品来说，根据现有标准GB 7000.1—2015,可能在户外使用或者在需要防尘防水环境使用的电线应该选用至少为60245 IEC 57的电线，线径应该至少为1.0 mm2，温度和电流有温升测试确认。这已经考虑了电线的绝缘厚度、线径、电流、防水、耐UV等UL标准考虑到的各个方面，只是并没有电线长度的要求。关于电线的长度，因为在UL标准中，接地电阻的测量并不包含电源线，使用过长的电源线可能会使得最终的接地电阻过大而产生安全隐患，所以增加了电线长度的要求来控制。对于国内的标准，因为接地电阻是要把电线长度计算在内的，因此不必再增加电线长度的限制。

2.2.3.4 插头插座和连接器

插头插座和连接器首先应该按照自身的额定温度、环境、电压和电流等条件来使用；另外它们应该符合相关的插头插座及连接器的标准；最后，插头和插座里面的接地连接应该最先接通、最后断开。

我们国内园艺照明产品也应该遵循上面的原则，只是我们的插头、插座、连接器的规格与美国不同，按照我们现行标准的规格即可，只是要特别注意防尘防水等级必须满足整个产品使用环境的需要，或者提供额外的防护结构来满足整个产品的安全。

2.2.4 LED园艺照明设备

LED园艺照明设备的相关零部件需要符合相关标准的要求，包括：印制电路板要符合UL 796和UL 8750的要求；LED 驱动、LED 矩阵、LED控制模块以及LED封装应该符合UL 8750的要求；LED自镇流灯泡应该符合UL 1993的要求。

对于国内的园艺照明产品，根据现有的标准体系：LED模块应该符合GB 24819—2009《普通照明用LED模块安全要求》；LED 驱动应该符合GB 19510.14—2009《灯的控制装置第14部分：LED模块用直流或交流电子控制装置的特殊要求》以及GB 19510.1—2004《灯的控制装置第1部分一般要求和安全要求》；LED灯泡应该符合GB 24906—2010《普通照明用50V以上自镇流LED灯安全要求》。

2.2.5 使用HID光源的园艺照明设备

(1)使用HID光源的园艺照明设备应该符合UL 1598中的“HID灯具—补充要求”；使用金卤灯的HID 照明设备，灯泡需要是ANSI “O” 型,或者灯具提供一个挡板；灯座应该符合UL 496的要求并能提供合适的额定脉冲电压；灯座的导体绝缘和带有高压启动脉冲的镇流器的输出导体绝缘的额定电压应至少为600 V。

这里的“O” 型是指一种本身自保护类型的金卤灯，灯泡本身可以防止碎裂，如果使用这种灯泡，需要加警告更换成同样设计的灯泡，或者灯具设计成只能使用这种灯泡。

对于国内的产品，标准GB 7000.1—2015中已经包含相关的要求。

(2)双端HID灯泡的端子在换灯泡的时候不应可触及，或者在能够触及之前已经通过联锁装置断开，或者如果灯泡有接地端子，在灯座旁增加“维护前要断电，要先插入灯泡”的警告。联锁开关需要符合UL 1598的联锁开关耐久测试。

在GB 7000.1—2015中，要求是在换灯泡时要双极自动断电。另外换灯泡时，是不能触及带电件的，加警告的方式是不能接受的。

2.2.6 额定环境

所有园艺照明设备应该适合于在UL 1598中要求的 “DAMP” 或者“WET”的环境安装使用。在UL 1598中，产品的使用环境有“DRY”、“DAMP” 和 “WET” 三种。“DRY”是指在干燥的环境使用，“DAMP”是指环境中可能会有潮气，“WET” 是指环境中可能会有水或者其他液体滴落、喷淋或者流动。对于“DAMP” 和 “WET”这两种环境中使用的灯具，要求使用耐潮气的绝缘材料；对于“WET”环境使用的灯具，金属部件需要防腐，另外还要根据安装形式的不同做淋雨和喷水测试。

对于在可能有尘或者水的环境中使用的植物灯，需要符合IEC 60529中规定的IP测试要求，IP等级至少为IP54，也就是可以防尘防喷水。

对于国内的园艺照明设备来说，使用环境也是一样的，也应该进行与使用环境相适应的IP测试。不同的是，由于欧洲和国内的很多地区比美国要潮湿，所以国内的标准对于所有的电气类产品都要求进行潮湿环境的测试，也都有材料防腐蚀的要求。例如标准GB 7000.1—2015中规定，灯具需要放置在湿度为91%～95%、温度为20～30 ℃的潮态箱内48 h后再进行绝缘电阻和耐压测试，因此不必再增加潮湿状态相关要求。

2.3 防止对人的伤害

防止对人的伤害主要是考虑光生物伤害。光生物伤害是指光源发出的光辐射功率过大会对人眼或者皮肤造成伤害，光谱中的不同波段的光会对人的眼睛和皮肤产生不同的影响。标准规定，除了使用用户可更换光源的植物灯以外，其他植物灯均需根据IEC 62471 评估光生物伤害级别，并且根据IEC 62471—2的要求针对不同的伤害级别做相应的警告标签放在灯具上及说明书里。评估的波长范围为280～1 400 nm，测试的距离为离光源20 cm处。

园艺照明设备的危险等级只能接受无危险等级、危险等级1和危险等级2，危险等级3是不能接受的。

我国的灯具标准GB 7000.1—2015已经有光生物伤害的相关要求，然而对照GB 7000.1—2015和UL 8800的光生物伤害部分，有以下几点不同：

(1)测试波段不同。GB 7000.1—2015的光生物伤害分为紫外辐射和视网膜蓝光危害两个部分。这只是IEC 62471-1测试中280 ～1 400 nm波段范围其中的两个波段；UL 8800的光生物伤害需要测试280～1 400 nm波段范围的全部危害级别。

(2)范围不同。GB 7000.1—2015中，对于紫外辐射，需要考虑的是卤钨灯和金卤灯。标准指出，对卤钨灯和大部分金卤灯，玻璃防护屏可以降低紫外辐射水平到安全值以内，不需要额外的测试。对于蓝光伤害，需要考虑的光源是LED、金卤灯和特殊的卤钨灯。UL 8800规定只要是使用用户不可更换的光源，就需要测试。

(3)判定标准不同。GB 7000.1—2015不接受蓝光危险级别大于二类的光源，并且如果灯具被划分为二类，需要按要求增加相关的使用距离警告；UL 8800不接受整体组别为大于二类的光源，灯具需要按照IEC 62471-2给出所有伤害的警告标签。

由此可见，园艺照明设备的标准制定考虑了其使用的特殊性。普通灯具是人的日常生活和工作的场所中经常使用的，人有很大机会长期暴露在灯光照射下，照明灯具的辐射过高会很大几率伤害人眼和皮肤，因此，必须规定人与光源的安全距离。另外，照明所用的光源绝大多数是白光，根据经验，对于白光的光源，紫外和蓝光的风险较大，所以标准只对这两项提出要求。园艺照明设备有着不同的情况：园艺照明设备是在农业生产场所给植物补光的，在工作时，人是完全可以避免长时间收到灯光照射的，因此辐射风险较小；另外园艺照明设备不是白光，可能出现的辐射波段还不确定，因此需要进行280～1 400 nm整个波段的测量。根据以上的分析，对于国内园艺照明设备的评估，参照UL 8800的要求，测试280～1 400 nm整个波段，并按照不同的伤害级别标明适当的标签是比较合适的。

2.4 性能

根据UL 8800标准，在性能方面增加了对灯具产品正常温度测试的测试条件的补充要求。在正常温度测试中，灯具应按照说明书中能够产生最高发热的条件安装。应该考虑安装环境的最大建议温度、临近灯具的最小建议距离、墙/天花等可燃表面的最小安装距离。

那么需要注意的有两个方面：一是要在安装环境的最大建议温度下测试。由于不同植物对温度的需求不同，同一植物的各个生长阶段对温度的需求也不一样，因此植物灯的使用环境可能面临高达40 ℃以上的高温，这就要求植物灯的设计和测试都要考虑在高温下的安全性；二是要考虑和临近灯具的最小距离，也就是要考虑临近灯具的热影响，这就要求在测试时可能要使用多个灯具来模拟实际的状况，准确地测量实际使用时的发热状况。

UL 8800标准中对于性能只是如上的安全性能要求，对于光性能没有考虑。而园艺照明设备之所以能够应用于促进植物生长，是由于其光谱特性。对于园艺照明产品来说，只是能正常工作是不够的，因为照明并不是它的主要作用，园艺照明设备必须能够发出适合植物生长的光谱才能实现它的主要功能。对于普通照明灯具，如果照明性能不好(例如不够亮)是显而易见的，它的影响也不是很大；但是如果使用的园艺照明设备光谱不对，不仅不能促进植物生长，反而会起到相反的作用，甚至杀死植物，这将给消费者带来重大的经济损失。在消费者选择园艺照明设备的时候，既需要了解所种植的植物的光谱需求，也需要了解园艺照明设备的准确的光谱组成。而仅凭肉眼看光源的颜色和亮度是没办法确定光谱组成的，必须要通过测试才能得出。因此，在评估国内园艺照明设备时，有必要测量光谱数据，并把最后的关键数据放在说明书里。对于颜色可调的植物照明设备，可以给出每个常用的颜色模式的光谱数据以及调节方法。