论文部分内容阅读
[摘 要]本文主要讨论LED灯具及其控制装置中存在的一些爬电距离和电气间隙问题，并根据标准的要求，从不同方面提出能够解决此问题的措施。
[关键词]LED灯具 安全 爬电距a离和电气间隙
中图分类号：TM46 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）17-0207-02
引言
随着技术的不断进步，发光二极管（英语：Light-Emitting Diode，简称LED）被广泛的应用于指示灯、显示器、彩光装饰和照明灯具。LED照明灯具（包括LED路灯、LED灯管、LED筒灯、LED球泡灯等一系列以LED作为光源的灯具）逐渐出现在公共照明和商业照明中，甚至是普通家庭也开始采用。人们通常关心灯具够不够亮、耐不耐用，但前提是灯具是安全可靠的。爬电距离和电气间隙测试作为安全检测的一个极其重要的质量项目，几乎存在每种用电设备的产品标准中。爬电距离和电气间隙不足会导致触电、设备短路、烧毁，甚至发生火宅的危险，所以LED照明灯具在设计和使用的时候必须考虑这个问题。
1.爬电距离和电气间隙的定义
爬电距离：沿绝缘表面测得的两个导电零部件之间或导电零部件与设备防护界面之间的最短路径。
电气间隙：在两个导电零部件之间或导电零部件与设备防护界面之间测得的最短空间距离。
爬电距离和电气间隙与工作电压、过电压类别、频率、海拔高度、污染等级、材料的耐漏电起痕指数（简称PTI，仅与爬电距离有关）和防护等级有关。
2.LED模块和LED控制装置
LED灯具比传统灯具结构稍微复杂，但一般包括两个主要的部件，即LED光源（LED模块/模组）和LED控制装置（LED驱动电源），爬电距离和电气间隙的问题也主要存在这两个部件中。在产品研发阶段应当考虑这些部件的爬电距离和电气间隙，否则当产品出来后才发现不满足标准要求，再去整改产品往往增加成本和浪费时间。
2.1 灯具结构的改变
LED模块在LED控制装置的驱动下工作，LED灯具基本采用模块并联、串联或先串后并的结构。并联时LED控制装置输出应该是低电压大电流，串联时其输出应该是高电压小电流，考虑模块带电部件与可触及金属外壳的爬电距离时应根据不同的工作电压设计不同的爬电距离。
企业生产的时候往往出现这种情况，一个认证合格的灯具只是改变这种串并联的结构，结果导致检验不合格。图1是一路灯的LED模块部分，此路灯防护等级为IP65，采用模块串联的结构，控制装置为隔离式，输出250V、0.6A。按GB 7000.1标准要求，模块电极与金属外壳之间的爬电距离应不少于4.0mm，但实测值仅为3.0mm。而采用并联结构时，更换输出为50V、3A的控制装置时，模块电极与金属外壳之间的爬电距离仅需满足不少于1.9mm，这种模块设计的距离完全满足要求。
2.2 生产工艺的参差
如图2，此LED模块本身设计的距离是足够的，现在主要取决导线绝缘层的剥离长度。由于工作电压最高可能为150V，模块电极与金属外壳之间的爬电距离（图2中游标卡尺所示位置）应该做到2.5mm并留有一定余量，但由于导线的绝缘层剥去太多，导致带电的金属铜线，即模块电极向外延伸，实测值刚好为2.5mm。这种情况在现实生产中不可靠，只能继续增加模块的爬电距离或严格控制生产工艺，否则此模块只能在更低的工作电压下工作以保证安全。
2.3 元件布局不合理
LED控制装置由开关电源发展而来，基本包括整流、滤波、功率因数校正、开关控制、反馈等电路模块，在面积有限的电路板上可以集成成百上千个电子元件。在保证各元件协同工作，发挥整体应有功能同时，应考虑不同极性带电件之间、带电件与接地端之间或隔离式控制装置的一次电路与二次电路之间的爬电距离和电气间隙。
如图3，图中游标卡尺测量的是保险丝之前L、N极之间的爬电距离和电气间隙。该LED控制装置为独立式安全特低电压，按GB 19510.14附录I表I.7爬电距离和电气间隙的要求值均为3.0mm，但实测值为2.4mm，不符合标准要求。如图4，为图3控制装置的元件面，接线端子本身的设计符合爬电距离要求，但企业在设计元件布局的时候考虑欠缺。这种情况下，只要把接线端子往里面挪动1mm左右，从而增大图3中测量的距离，便可满足标准的要求。
2.4 有效的开槽
LED控制装置的电路板一般存在空隙，实际上会把这些空隙的地方运用起来，在元件相当密集的情况下，既可满足电气间隙，又可满足爬电距离。根据定义可知，相同测量点的爬电距离不会小于电气间隙，如图5，原本L、N之间的爬电距离和电气间隙测量值相同，现在L、N之间开槽就有效地增加了爬电距离。在一次电路与二次电路之间增加槽口也起到相同作用。
2.5 使用三层绝缘线、绝缘胶纸做隔离
LED控制装置有隔离式与非隔离式之分，这种隔离是指输入与输出之间在电气上的隔离，一般使用隔离变压器跨接在一二次电路之间。图6为独立式安全特低电压控制装置的内部结构，要求一二次电路之间满足双重绝缘或加强绝缘。此隔离变压器的跳线使用了三层绝缘线，四周包裹了绝缘胶纸，还有从一次电路跳线过来的电路元件也使用了绝缘胶纸与二次电路的元件隔离，所有这些措施都是为了满足标准要求的爬电距离和电气间隙以保证产品的功能性和安全性。如果没有绝缘胶纸的阻隔，一二次电路间的元件仅靠表面自身的绝缘不能满足这种隔离的要求，就算控制装置能够工作，输出的低压也不是安全的。
3.标准中几个重点的注意事项
灯具和灯的控制装置的安全标准在测量爬电距离和电气间隙时，基本都存在如下规定：
3.1 小于1mm宽的槽口（正常污染等级），爬电距离仅计算其宽度，即测量爬电距离时直接跨过去；
3.3 灯具：有单独IEC标准的部件的限值应使用部件标准的限值，但灯具中部件的安装和可触及的距离要满足灯具标准的限值；
3.4 灯具：永久性密封件内部的爬电距离不必测量；
控制装置：对于其零部件被密封在自凝固化合物中而该化合物又与相应的表面粘合，不留任何空隙的灯的控制装置，爬电距离和电气间隙可不做检验。
4.与绝缘电阻和电气强度密切相关
绝缘电阻和电气强度考量不同极性带电件之间或带电件与可触及表面之间的绝缘能力和耐高压能力，这种“能力”与爬电距离和电气间隙的大小密切相关，同样是标准中及其重要的项目。例如L、N之间，爬电距离足够大，其绝缘电阻也能满足标准要求，进行电气强度试验时中间材料不容易或不会起痕。但通过绝缘电阻和电气强度试验的产品的爬电距离和电气间隙不一定满足要求，必须同时通过这两个试验项目，产品才是安全可靠。
5.结语
LED灯具由于节能环保、高效明亮而日益普及。生产商既要考虑灯具的外观、性能，更要以安全为基础，在研发阶段把爬电距离和电气间隙的问题考虑进去，才能降低生产成品，缩短生产周期，让LED灯具真正做到物美价廉，安全可靠。
参考文献
[1] GB 7000.1-2007 《灯具 第1部分：一般要求与试验》
[2] GB 19510.1-2009 《灯的控制装置 第1部分：一般要求和安全要求》
[3] 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》.
[4] GB 4943.1-2011 《信息技术设备 安全 第1部分：通用要求》.
[关键词]LED灯具 安全 爬电距a离和电气间隙
中图分类号：TM46 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）17-0207-02
引言
随着技术的不断进步，发光二极管（英语：Light-Emitting Diode，简称LED）被广泛的应用于指示灯、显示器、彩光装饰和照明灯具。LED照明灯具（包括LED路灯、LED灯管、LED筒灯、LED球泡灯等一系列以LED作为光源的灯具）逐渐出现在公共照明和商业照明中，甚至是普通家庭也开始采用。人们通常关心灯具够不够亮、耐不耐用，但前提是灯具是安全可靠的。爬电距离和电气间隙测试作为安全检测的一个极其重要的质量项目，几乎存在每种用电设备的产品标准中。爬电距离和电气间隙不足会导致触电、设备短路、烧毁，甚至发生火宅的危险，所以LED照明灯具在设计和使用的时候必须考虑这个问题。
1.爬电距离和电气间隙的定义
爬电距离：沿绝缘表面测得的两个导电零部件之间或导电零部件与设备防护界面之间的最短路径。
电气间隙：在两个导电零部件之间或导电零部件与设备防护界面之间测得的最短空间距离。
爬电距离和电气间隙与工作电压、过电压类别、频率、海拔高度、污染等级、材料的耐漏电起痕指数（简称PTI，仅与爬电距离有关）和防护等级有关。
2.LED模块和LED控制装置
LED灯具比传统灯具结构稍微复杂，但一般包括两个主要的部件，即LED光源（LED模块/模组）和LED控制装置（LED驱动电源），爬电距离和电气间隙的问题也主要存在这两个部件中。在产品研发阶段应当考虑这些部件的爬电距离和电气间隙，否则当产品出来后才发现不满足标准要求，再去整改产品往往增加成本和浪费时间。
2.1 灯具结构的改变
LED模块在LED控制装置的驱动下工作，LED灯具基本采用模块并联、串联或先串后并的结构。并联时LED控制装置输出应该是低电压大电流，串联时其输出应该是高电压小电流，考虑模块带电部件与可触及金属外壳的爬电距离时应根据不同的工作电压设计不同的爬电距离。
企业生产的时候往往出现这种情况，一个认证合格的灯具只是改变这种串并联的结构，结果导致检验不合格。图1是一路灯的LED模块部分，此路灯防护等级为IP65，采用模块串联的结构，控制装置为隔离式，输出250V、0.6A。按GB 7000.1标准要求，模块电极与金属外壳之间的爬电距离应不少于4.0mm，但实测值仅为3.0mm。而采用并联结构时，更换输出为50V、3A的控制装置时，模块电极与金属外壳之间的爬电距离仅需满足不少于1.9mm，这种模块设计的距离完全满足要求。
2.2 生产工艺的参差
如图2，此LED模块本身设计的距离是足够的，现在主要取决导线绝缘层的剥离长度。由于工作电压最高可能为150V，模块电极与金属外壳之间的爬电距离（图2中游标卡尺所示位置）应该做到2.5mm并留有一定余量，但由于导线的绝缘层剥去太多，导致带电的金属铜线，即模块电极向外延伸，实测值刚好为2.5mm。这种情况在现实生产中不可靠，只能继续增加模块的爬电距离或严格控制生产工艺，否则此模块只能在更低的工作电压下工作以保证安全。
2.3 元件布局不合理
LED控制装置由开关电源发展而来，基本包括整流、滤波、功率因数校正、开关控制、反馈等电路模块，在面积有限的电路板上可以集成成百上千个电子元件。在保证各元件协同工作，发挥整体应有功能同时，应考虑不同极性带电件之间、带电件与接地端之间或隔离式控制装置的一次电路与二次电路之间的爬电距离和电气间隙。
如图3，图中游标卡尺测量的是保险丝之前L、N极之间的爬电距离和电气间隙。该LED控制装置为独立式安全特低电压，按GB 19510.14附录I表I.7爬电距离和电气间隙的要求值均为3.0mm，但实测值为2.4mm，不符合标准要求。如图4，为图3控制装置的元件面，接线端子本身的设计符合爬电距离要求，但企业在设计元件布局的时候考虑欠缺。这种情况下，只要把接线端子往里面挪动1mm左右，从而增大图3中测量的距离，便可满足标准的要求。
2.4 有效的开槽
LED控制装置的电路板一般存在空隙，实际上会把这些空隙的地方运用起来，在元件相当密集的情况下，既可满足电气间隙，又可满足爬电距离。根据定义可知，相同测量点的爬电距离不会小于电气间隙，如图5，原本L、N之间的爬电距离和电气间隙测量值相同，现在L、N之间开槽就有效地增加了爬电距离。在一次电路与二次电路之间增加槽口也起到相同作用。
2.5 使用三层绝缘线、绝缘胶纸做隔离
LED控制装置有隔离式与非隔离式之分，这种隔离是指输入与输出之间在电气上的隔离，一般使用隔离变压器跨接在一二次电路之间。图6为独立式安全特低电压控制装置的内部结构，要求一二次电路之间满足双重绝缘或加强绝缘。此隔离变压器的跳线使用了三层绝缘线，四周包裹了绝缘胶纸，还有从一次电路跳线过来的电路元件也使用了绝缘胶纸与二次电路的元件隔离，所有这些措施都是为了满足标准要求的爬电距离和电气间隙以保证产品的功能性和安全性。如果没有绝缘胶纸的阻隔，一二次电路间的元件仅靠表面自身的绝缘不能满足这种隔离的要求，就算控制装置能够工作，输出的低压也不是安全的。
3.标准中几个重点的注意事项
灯具和灯的控制装置的安全标准在测量爬电距离和电气间隙时，基本都存在如下规定：
3.1 小于1mm宽的槽口（正常污染等级），爬电距离仅计算其宽度，即测量爬电距离时直接跨过去；
3.3 灯具：有单独IEC标准的部件的限值应使用部件标准的限值，但灯具中部件的安装和可触及的距离要满足灯具标准的限值；
3.4 灯具：永久性密封件内部的爬电距离不必测量；
控制装置：对于其零部件被密封在自凝固化合物中而该化合物又与相应的表面粘合，不留任何空隙的灯的控制装置，爬电距离和电气间隙可不做检验。
4.与绝缘电阻和电气强度密切相关
绝缘电阻和电气强度考量不同极性带电件之间或带电件与可触及表面之间的绝缘能力和耐高压能力，这种“能力”与爬电距离和电气间隙的大小密切相关，同样是标准中及其重要的项目。例如L、N之间，爬电距离足够大，其绝缘电阻也能满足标准要求，进行电气强度试验时中间材料不容易或不会起痕。但通过绝缘电阻和电气强度试验的产品的爬电距离和电气间隙不一定满足要求，必须同时通过这两个试验项目，产品才是安全可靠。
5.结语
LED灯具由于节能环保、高效明亮而日益普及。生产商既要考虑灯具的外观、性能，更要以安全为基础，在研发阶段把爬电距离和电气间隙的问题考虑进去，才能降低生产成品，缩短生产周期，让LED灯具真正做到物美价廉，安全可靠。
参考文献
[1] GB 7000.1-2007 《灯具 第1部分：一般要求与试验》
[2] GB 19510.1-2009 《灯的控制装置 第1部分：一般要求和安全要求》
[3] 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》.
[4] GB 4943.1-2011 《信息技术设备 安全 第1部分：通用要求》.