於滨森
上海电力设计院有限公司 配网部 上海市 200025
摘要：道路照明是指为道路及其附属设施所设置的照明，用来提高夜间车辆行驶和行人行走的安全性，是城市发展和社会进步的基础设施。本文通过研究直流供电系统在常规路灯工程中的应用，分析直流路灯供电系统的结构和优势，就直流供电系统的关键问题，提出相应的解决措施，以达到节能减排、提高功效等目的。
关键词：路灯工程；直流供电；LED光源
1LED的原理及LED路灯供电的现状
LED的本质结构是半导体PN结。在PN结上加正向电压同时注入少数载流子，少数载流子发光复合就是发光二极管的工作机理[1]。
LED的工作原理：当PN结外加一个正向偏置电压时，N型半导体中的电子将注入到P型半导体中，P型材料中的空穴将注入N型材料中，从而打破了PN结内载流子的平衡状态。这些注入的电子和空穴在PN结处相遇发生复合，在载流子复合的过程中，其多余的能量以光的形式释放出来。
目前市面上绝大多数LED路灯的供电模式是恒压驱动。该驱动方式存在下列弊端：
路灯电缆在运行一段时间之后，外护套绝缘层不可避免的会开始老化，导致漏电等隐患存在。
驱动电源集中布置在灯具仓内，长时间运行所产生的温度无法及时散出，元器件在高温下持续工作会直接影响使用寿命。
恒压驱动无法精确调光。夜间道路照明的光照度要求随时间发生变化，而管理后台远程无法通过改变电流来对灯具实施精确调光。
2直流供电LED路灯方案
鉴于LED灯具在交流供电系统中所存在的诸多问题，提出一种直流供电系统，即通过恒流源输出方波电流直接给LED灯具模块供电：市电380V交流电从路灯箱变输出，进入路灯直流电源柜，再通过电源端的整流单元将市电交流电直接转换为240V直流电，通过路灯电缆将其输出到每一盏LED灯具，经过灯具内的DC/DC电源后输出48V或36V恒压驱动灯具运行。
直流系统驱动LED路灯的恒流源频率通常大于100HZ，高于人眼的临界闪烁频率45.8HZ，而流过LED灯具的电流在最小值与最大值之间切换，因此可以通过改变其占空比来调节灯具的发光亮度。这种方式可以有效降低灯具的损耗和散热并且不影响输出光效。每盏灯具内的AC/DC模块集成为一个整体AC/DC模块放置在路灯控制箱内，灯具内替换成结构更为简单的DC/DC模块，即使路灯电缆绝缘层破裂导致漏电，该漏电电压也不足以对人体造成伤害。同时由于发光二极管的开关速度可以达到微秒级，因此可在不改变压降比的条件下实现大范围调光[2]。
3直流供电LED路灯方案的优势
3.1 直流供电安全性高
根据电流作用下人体表现的特征，50-60HZ下：交流电10mA和直流电50mA为人体的安全电流。根据IEC标准(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，在特殊状况下，接触电压上限值为交流25伏或无波纹直流60伏[3]。直流供电可以悬浮输出，避免单级触电，降低触电风险。
3.2 提高LED灯具使用寿命
LED模块寿命根据实验室数据推算最长可达到10年以上，而模块中的驱动电源寿命受各种因素影响只有不到一半的年限，因此在LED路灯的全过程生命周期中必定会更换一次驱动电源。在选择直流供电系统以后，LED模块中的AC/DC变成简单的DC/DC，并且电源端也可以摈弃寿命很短的滤波电解电容，使得LED路灯在全过程生命周期内无需更换。
3.3 直流线路保护配置相对简单
由于输电线路对地分布电容，该电容受外部环境影响会导致交流电产生漏电电流，严重影响设备使用安全性。相反直流电不会因为分布电容产生漏电电流，也没有交流系统中漏电电流的方向问题，因此能够准确检测漏电流，并设定漏电保护定值，极大地提高了设备安全性。
3.4 降低供电系统复杂性
相对于交流供电系统，直流系统中没有功率因素的问题，在线路终端路灯侧不用考虑无功补偿或矫正功率因素等问题。采用曼彻斯特编码通讯，利用直流输电线缆传输信号，信号可靠传输，DC-DC驱动电源内置通讯单元，无需单灯控制器，大大简化了供电系统。
4一些关键问题的考虑
4.1 工作电压选择
在直流供电系统中，电源端侧输出电压建议采用240V，有以下几点考虑：
目前市面上的直流微型断路器等相关器件在240V电压等级的技术相对成熟，且存量较大，因此选用240V利于成本控制；
现有交流供电系统所控制的传统照明路段一般电压等级为交流380V，完全可以覆盖直流240V的电压，在交流系统转直流系统的改造过程中可以保持原有的供电线路，节省投资；
直流系统有正负两级,任意一级接地则是单级接地。直流240V的配电系统能够单极接地，可选用技术相对成熟的高频开关电源模块作为交直流转换器。
4.2 供电半径的计算
（1）基本参数
假设某条道路共设有N盏路灯，相邻路灯可以作为1段，可将供电线路分为（N-1）段，每盏路灯的整灯功率为P；灯杆平均档距为L；路灯电缆电阻率为ρ（fI/km）,相邻路灯间的电缆电阻为R；线路起始段的电压为Uo，末端电压为Un；单盏路灯正常运行时电流为I。
（2）计算过程
由R=2Lρ,P=UI得出公式：
ΔU=（N-1）IR+（N-2）IR+(N-3)IR+…+IR=[(N-1)+(N-2)+(N-3)+…+1]IR
=N(N-1)IR/2=N(N-1)(P/U)(2Lρ)/2
=N(N-1)PLρ/U
（3）计算实例
以线路终端的灯具所允许的压降（10%）作为约束条件，选用25mm2的铜芯电缆，档距30米，灯具功率100W。根据以上公式，计算实例见下表：
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5结语
总而言之，将直流供电系统应用在路灯工程当中，可以较大程度地提高LED照明系统的安全性和可靠性，大大降低路灯运行维护成本，并且相较于交流电，将直流电应用在市政系统中，非常符合我国低碳节能环保的发展理念。
参考文献
[1] 方志烈 . 半导体发光材料和器件. 复旦大学出版社. 1992.1．
[2] 何飞 刘尧 等. LED路灯低压双电平直流供电技术研究. 中国市政工程. 2017.2．
[3] 金龙哲. 电气安全常识.吉林摄影出版社. 2005.1．