（南京南瑞集团公司南京210006）
摘要：针对直流供电在LED路灯照明系统中的应用，简述了直流LED路灯供电系统的结构，分析了直流供电系统的优势，介绍了直流供电系统设备的构成。最后就直流供电系统几个关键的问题，包括工作电压的选择，在路灯照明系统中供电半径的计算方法，接地方式的选择以及安全保护的方法等进行了分析。
关键词：直流供电；LED路灯
1、直流供电LED路灯方案简述
直流供电LED路灯系统是在路灯控制柜内将交流转换为240V的直流，将直流经配电线路输出到LED路灯，给路灯进行供电。与交流路灯供电系统相比，在路灯控制柜内增加了AC/DC变换器，在路灯端采用低成本的DC/DC驱动电源替代AC/DC驱动电源。直流供电系统与交流供电系统总体成本基本一致。
2、LED路灯采用直流供电的优点
2.1直流供电安全性高
根据GB/T13870.1-2008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IEC60884-2-4-2007）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。
2.2直流配电线路保护配置简单，可靠性高
由于供电线路天然存在对地分布电容，交流会通过此电容产生泄漏电流，且该电容会受天气环境等变化而变化，导致泄漏电流随环境变化，漏电保护定值设定困难，定值太小阴雨天易误动，太大发生故障漏电时易拒动。如果采用直流，不存在线路分布电容漏电流，可以设置相对比较准确的漏电保护定值，同时，由于不存在三相交流系统漏电流的方向问题，在直流系统中，比较容易实现漏电流的准确检测。
2.3提高LED灯具使用寿命
当前LED模组本身寿命可达到10年，但LED模组的驱动电源寿命不超过5年，在整个LED路灯寿命周期中，至少需要更换一次电源，通常更换电源需要上灯杆维护，设备及施工费用较高。采用直流供电后，LED灯的驱动电源大大简化，甚至可以与LED模组集成在一起，大大降低驱动电源成本，同时电源不再需要使用寿命有限的滤波电解电容，可将电源的寿命延长至LED模组一致，使LED灯具全寿命周期无需更换电源，真正发挥LED路灯使用寿命长的特点。
2.4降低供电系统复杂性
采用直流供电、不存在电源功率因素的问题，路灯端不需要进行无功补偿或功率因素矫正，降低了系统复杂性。
3、直流供电路灯控制柜的组成
在直流供电系统中，AC/DC整流电源模块完成交流直流的转换，是系统的关键设备，整流电源模块安装在路灯控制柜内。
直流路灯控制柜主要完成功能有：
完成电源的交直流转换，为LED路灯提供直流电源；
负责与智能路灯监控系统主站及单灯控制器之间的通信；
完成路灯配电的安全保护等功能。
直流路灯控制柜主要由柜体、换热器、电源模块、控制器、通信和保护设备、相关配电设备等组成。
4、一些关键问题的考虑
4.1工作电压选择
在该系统中，路灯综合控制柜输出电压选定为DC240V，具体原因如下：
1）在改造工程中，原有的钠灯路灯的交流供电线路耐压等级为1kV，完全能满足240V的电压需求，可以不对原有的供电线路进行改造；
2）在该电压等级上，直流微型断路器等关键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；
3）DC240V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，设备简单，成本较低，同时节省电缆线路，便于路灯改造工程的实施；
4）便于为原路灯线路上的AC220V用电设备供电。
4.2供电半径
基本线路参数
共有N个灯杆，将供电线路分为（N-1）段，每个灯杆上的路灯总功率为P；
相邻2个灯杆的间距为l，每段回路正电缆和负电缆的总长为2l；
电缆电阻率为ρ（Ω/km），相邻2个灯杆的线路电阻为Ｒ；
线路起始端的电压为Uo,线路末端电压为Un;
单盏路灯正常工作时电流为I。
供电半径计算
以典型的路灯供电回路为例,将线路平均分为（N-1）段，因线路的每段回路的负载是相同的，设定路灯线路最后一段的电流为I，路灯线路倒顺第二段的电流为2I，以此类推，路灯线路第一段的电流为（N-1）I。
供电距离
计算实例
我们以末端路灯允许的电压降做为控制条件，在控制末端电压降为10%时，根据上述公式，采用25mm^2YJV22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。
4.3接地方式的选择
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，AC/DC变流器将交流380V转换为240V的直流，直流经馈线输出到路灯，该系统在变流器端将输出负极接地，采用负极接地，能极大的提高系统电击防护性能，保证电气安全。
对于TN-S系统，设置专用保护线PE，与接地的负极严格分开，系统正常运行时，专用保护线PE上没有电流，只是正负极上有电流。PE线对地没有电压，路灯灯杆接零保护接在专用的保护线PE上。正负极母线可以采用短路保护作为接地保护，也可以使用漏电保护器，专用保护线PE不能断线，也不允许进入漏电保护器。接地的正极不得有重复接地，而PE线可以有重复接地。
对于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。
4.4直流系统的安全保护
4.4.1过载及短路保护
路灯控制柜内的整流电源模块具备过电流保护和输出端短路保护功能，当模块的输出电流达到1.1In时，整流电源模块输出电压下降，整流模块进入限流工作状态；当模块的输出电流达到1.3In时，整流电源模块将直接自行关断。
直流输出回路的断路器采用C型脱扣曲线的直流微型断路器，其脱扣电流为（7～14）In；若输出电流达到脱扣电流范围时，开关自行脱扣，形成保护。
过载及短路保护共有两种工作状态：
a）如果发生过载或短路，当馈出回路上产生电流大于7-14倍的直流输出断路器的整定电流时，断路器将动作；
b）如果发生过载或短路，当馈出回路上产生电流小于7-14倍的直流输出断路器的整定电流时，断路器不动作，整流模块将进入过流保护状态，故障电流将不足以驱使断路器动作；在这种情况下，如果要让断路器能够选择性的跳开故障线路，从而保证非故障线路的正常运行，通常可以在直流电源输出端增加大容量电容，用电容储能提供断路器跳闸所需的故障电流。另一种办法就是采用精确度比较高的电子式断路器。
4.4.2漏电保护
根据《GB/T13870.1-2008电流对人和家畜的效应第1部分：通用部分》，直流电流对人体的效应，当流经人体的电流在130mA以内时，通常对人体没有有害的电气生理的影响,人员虽然感到不适，但通常不会造成器官损坏，这是设置漏电保护的重要依据。
因此直流路灯控制柜输出回路配备的直流漏电流保护值设置应保证在人员触电情况下流经人体的电流在安全区域内，且能实现对路灯系统线路损坏的及时发现和切除。通常情况下，采用240V直流供电，发生正极接地漏电时，在有接地的情况下，及时接地电阻偏高，残压也不足以对人体造成致命损伤，大大降低了对接地的要求，这是直流系统相比交流系统的一大优势