与LED灯具有关的电参数在标准中适用性的研究 (下)

程 晔

(iGuzzini照明 (中国)有限公司，上海 200000)

(上接2012年第5期第111页)

7 LED灯具的爬电距离与电气间隙

7.1 LED灯具面临的爬电距离和电气间隙的挑战

传统光源的灯具产品，对于爬电距离和电气间隙的考核相对是很忽视的。传统灯具产品，简单来说就是接线端子、镇流器、触发器、电容和灯座等的组合。由于各自部件都有其相应标准考虑安全规定的电气间隙和爬电距离，所以在做成灯具产品时只要考虑各部件上的带电端子对于可触及外壳需有一定的安全距离。而LED的出现，又将半导体行业的线路板带入灯具，对于这方面的考核需要更为专业的知识，爬电距离和电气间隙就不能再被忽视了。再加上LED灯具正在往小型化和紧凑型方向发展。如图12所示的产品还没有一枚一角硬币大，对于这些灯具的爬电距离和电气间隙有什么新的要求吗?这一要求也是新旧标准中变化很大，对于半导体出身的LED来说也有很大的影响约束。

7.2 什么是爬电距离和电气间隙?

首先让我们了解一下什么是爬电距离和电气间隙。在我国现行灯具标准GB7000.1—2007中实际上并未给出相应解释，但在最新国际标准IEC60598-1:2008中，给了我们如下3个注释。

图12 小型化LED灯具的爬电距离和电气间隙

NOTE 1 Attention is drawn to the fact that the values for creepage and clearance given in this section are the absolute minimum.

NOTE 2 The way in which creepage distances and clearances are measured is specified in IEC 60664-1.

NOTE 3 For information on the sue of coating，potting or moulding to achieve insulation coordination by protection against pollution or introducing solid insulation，IEC 60665-3 should be consulted.

新标准的爬电距离和电气间隙引用了IEC60664-1/GB16935.1《低压系统内设备的绝缘配合》。所谓绝缘配合，就是考虑了预期微观环境及其他影响作用的情况下电气设备绝缘特性的相互关系。其中对爬电距离和电气间隙给出了如下定义:

电气间隙clearance:两导体部件之间在空气中的最短距离。

爬电距离creepage distance:两导电部件之间沿固体绝缘材料表面的最短距离。

7.3 爬电距离和电气间隙的测量

为了直观的理解定义，下面是爬电距离和电气间隙的几个图示测量的例子。

图13中的X是根据污染等级来分，灯具中一般为1mm，即污染等级2，一般仅有非导电性污染，然而必须预期到凝露会偶然发生短暂的导电性污染。

对于非常紧凑的LED灯具产品，有时候爬电距离和电器距离非常小，如一些线路板，这时我们可以参考IEC60664.5/GB16935.5《低压系统内设备的绝缘配合第5部分:不超过2mm的电气间隙和爬电距离的确定方法》。

7.4 爬电距离和电气间隙的考核环境

根据最新IEC60598-1:2008标准，灯具的电气间隙和爬电距离基于的考核环境为

图13 一些代表性的爬电距离和电气间隙示例

1)海拔至2000m。

2)污染等级2，一般仅有非导电性污染，然而必须预期到凝露会偶然发生短暂的导电性污染。

3)过电压类别Ⅱ的设备，即由固定式配电装置供电的耗能设备。

对于其他条件可以参考IEC60664-1。例如，对于我国标准GB7000.1—2007中，基于以下原则给出了IPX1或以上具有防水功能的灯具的电气间隙和爬电距离。

1)污染等级3:发生干燥的非导电污染，但预料到凝露造成的导电。

2)过电压类别Ⅱ

对于爬电距离和电气间隙，还要注意两个要点。

第一，爬电距离应不小于所要求的最小电气间隙。

第二，给出的限值都是基于海拔2000m以下，超过的需要根据IEC60664-1使用换算系数(见表9)。

表9 海拔修正系数

我国地势西高东低，呈阶梯状分布。地势的第一级阶梯是青藏高原，平均海拔在4500米以上。其北部与东部边缘分布有昆仑山脉、祁连山脉、横断山脉，是地势一、二级阶梯的分界线。地势的第二级阶梯上分布着大型的盆地和高原，平均海拔在1000～2000米之间，其东面的大兴安岭、太行山脉、巫山、雪峰山是地势二、三级阶梯的分界线。地势的第三级阶梯上分布着广阔的平原，间有丘陵和低山，海拔多在500米以下。如果通过北纬32°线，自西向东作一幅中国地形剖面图，从西部的大高原，到中部的盆地，再到东部平原，西高东低，呈阶梯状逐级下降的地势特点十分明显。

由此可见，考虑到我国独特西高东低的地貌，为了保持产品广泛覆盖性，应尽量不要靠近限值，应留出足够余量，以免高海拔地区使用时造成的不安全性。如果出口到其他高海拔地区也就更需要考虑地区差异。

7.5 LED灯具产品爬电距离和电气间隙的限值

现在让我们回到LED灯具的爬电距离和电气间隙要求当中，我们还是以前文提到的LED线性灯为例。

根据国际标准和我国标准所述，工作电压在25V以下的没有限值，因为表10耐压试验就足够能说明问题。前文我们已经解决了直流电压下是否Ⅲ类的问题，对于25V以下的LED灯具我们可以直接用Ⅲ类灯具的500V耐压试验来衡量爬电距离和电气间隙。如上述24V电压驱动系列的所有线性灯产品以及500mA电流驱动的产品1和产品2，只需要用耐压试验来考核爬电距离和电气间隙 (见表10)。

表10 电气强度

那对于25V以上的灯具呢，如上述线性灯500mA电流驱动型的产品3、4和5?如表11，我国现有标准只针对交流电压而未针对直流电压给出任何限值。那我们的LED灯具就没有要求了吗?

而在最新的国际标准IEC60598-1:2008中则给出了对于直流电压的限值。我们可以看到表12注解b和c分别提到了如何将此表格运用到直流电压上。此外，还要注意新旧标准中限值的变化。

需要注意的是国家标准根据IP20和IP1X以上灯具分别给出了不同限值的表格，而最新国际标准并未给出。那是否说明国际标准降低了此方面的要求呢?答案是否定的。因为这方面的内容，IEC60598-1:2008给出了一个资料性附录U《更高适应条件下 (过电压类别Ⅲ)灯具的爬电距离和电气间隙Creepage and clearances distances for luminaires where a higher degree of availability(impulse withstand categoryⅢ)may be requested》。具体限值参见表13。除此之外我们可以直接参考 IEC60664-1/GB16935.1《低压系统内设备的绝缘配合》。

表11 GB7000.1—2007中爬电距离和电气间隙的限值

综上所述，若要考虑LED灯具的紧凑化和小型化则选择电压驱动型为宜，但由于电压的限制，为了使用更多的LED元件只能选择小功率的LED。若要考虑LED灯具的功能化，则宜选择电流驱动型的大功率LED，但随着LED颗粒的增加，电压也相应增加，爬电距离和电气间隙的限制则对灯具尺寸的紧凑也有了限制 (见图14)。

图14 如何选择LED的驱动类型

7.6 需要考核爬电距离和电气间隙的部件

IEC60598-1:2008中附录M又给出了需要考核爬电距离和电气间隙的部件。以前我们传统灯具在这方面考虑的较少，但半导体行业的LED进入照明领域，电子电工技术的引入将对此项内容受到更严格的要求 (见表14)。

表12 IEC60598-1:2008中爬电距离和电气间隙的限值

8 LED灯具的接触电流和保护导体电流

8.1 LED灯具触电的危险

LED灯具与传统灯具有着很大的不同 (见图15)。因为LED光源不需要灯座支撑，再加上散热的考虑，往往将LED直接贴在金属外壳上面。这样的灯具会触电吗?

由于LED灯具开始大量与电子技术结合，一些新型的控制技术得到应用，如人体直接接触LED灯具进行调光。这些新型电子技术的应用能保证对人体的安全吗?

表14 IEC60598-1:2008附录M规定的需要考核爬电距离和电气间隙的部件

图15 LED元件与灯具外壳直接接触

带着上述的一些问题，我们该如何对LED灯具进行考核呢?

8.2 电流、电压和人体电阻与电击危害

电击对人体的危害程度，主要取决于通过人体电流的大小和通电时间长短。电流强度越大，致命危险越大;持续时间越长，死亡的可能性越大。电死人的关键是电流的大小。脱毛衣时发出的火花电压达几万伏，但没有形成持续电流，所以不会电死人。

根据GB/T13870.1—1992《电流通过人体的效应第一部分:常用部分》可知，电流的效应由生理参数和电气参数决定，心室纤维性颤动是电击引起死亡的主要原因。人体心脏在易致颤期受到足够强度的电流刺激就发生心室纤维性颤动，直接对人体心电图和血压产生影响。该时间是心搏周期内较短的一部分，在此期间心脏纤维处于不协调的兴奋状态，如图16所示。

10～100 Hz正弦交流电流过人体的效应如表15和图17，以时间/电流为坐标，可划分为四个区域。

图16 易致颤期及心室触发纤维性颤动对心电图和血压影响

表15 15～100Hz正弦交流电的时间/电流区域

图17 15～100Hz正弦交流电的时间/电流效应区域的划分

直流电流比交流易于摆脱。当电击时间大于心搏周期时，直流电流的心室纤维性颤动阈比交流电流高的多。要产生相同的刺激效应，恒定的直流电流的强度要比交流电流大二到四倍。此处指的直流电流含有正弦纹波不超过10%的方均根值。直流电流的时间/电流区域说明见表16和图18。

表16 直流电的时间/电流区域

图18 直流电的时间/电流效应的区域的划分

根据该标准中4.4章条表述的直流电流其他效应中提及:

a.接近300mA时，通电期间四肢有发热感。

b.300mA以下横向电流流过人体几分钟时，随着时间和电流量的增加，可引起可以恢复的心律失常、电流伤痕、烧伤、头晕以及有时失去知觉。超过300mA时，往往失去知觉。

可见LED灯具普通的驱动电流350mA和700mA对人体都有一定危害。

根据欧姆定律 (I=U/R)可以得知流经人体电流的大小与外加电压和人体电阻有关。人体电阻除人的自身电阻外，还应附加上人体以外的衣服、鞋、裤等电阻，虽然人体电阻一般可达5000Ω，但是，影响人体电阻的因素很多，如皮肤潮湿出汗、带有导电性粉尘、加大与带电体的接触面积和压力以及衣服、鞋、袜的潮湿油污等情况，均能使人体电阻降低，所以通常流经人体电流的大小是无法事先计算出来的。下文中将提及如何用电子网络来模拟人体电阻。

因此，为确定安全条件，往往不采用安全电流，而是采用安全电压来进行估算，可被限制在较小范围内，可在一定的程度上保障人身安全。当电压超过设定的安全电压时，还需要通过测试电流的方式把电流限制在安全范围内。

2.3 泄漏电流、接触电流和保护导体电流

现有国家标准GB7000.1—2007中，反应电流触电伤害的试验是如下所示的泄漏电流测试。10.3 泄漏电流

灯具正常工作时在电源各极与其壳体 (见表17)之间可能产生的泄漏电流不应超过表17的数值。

表17 泄漏电流

合格性根据IEC60990:1999的第7章检验。

注:对于用交流供电的电子镇流器的灯具，由于光源的高频工作，泄漏电流可能主要取决于光源和接地启动装置之间的间距。

标准中引用了IEC60990:1999，但此标准的名字为《METHODS OF MEASUREMENT OF TOUCH CURRENT AND PROTECTIVE CONDUCTOR CURRENT》即《接触电流和保护导体电流的测试方法》，在当时就已经舍弃了“泄漏电流”这个概念。主要因为:

(1)考虑到人体阻抗，流经人体的有害电流和保护导体的电流不是必然相同的。

(2)随着科技发展，人们意识到流经人体电流的电效应远比以前标准中的复杂，主要包括:感知、反应、摆脱和电灼伤。每种反应都有其不同的阈值，并且随着频率的变化而变化。

所以，根据需要必须对流经人体和保护导体的电流不同的测试方法，而泄漏电流实质上考虑了上述两种情况的综合，所以在之后标准中已经舍弃。在最新的国际标准IEC60598-1:2008中就使用了接触电流和保护导体电流作为测试方法 (见图19)。

图19 接触电流和保护导体电流

根据IEC60598-1:2008中接触电流定义:接触电流是指当人员或动物接触到设备的一个或多个可触及零件时，通过人体或动物身体的电流。

1.2.78

touch current

electric current passing through a human body or through an animal body when it touches one or more accessible parts of an installation or of equipment

在此标准中规定的接触电流的现值如表18，可见其和国家标准的限值有着很大差异。

表18 IEC60598-1:2008规定的接触电流和保护导体电流的限值

8.4 接触电流和保护导体电流的测试方法

关于其测试方法，我们需要参照附录G中所描述的。

G.1 灯具在25°C±5°C环境温度以及额定电源电压和额定频率下进行试验。试验接线如图20所示，接线方式适用的是TN或TT系统。

隔离变压器的使用，一是最大程度的保护安全，二是中心导体与地之间的电压小于1%的线电压，减少测量误差。这些都是IEC60990中给出的指导。

根据IEC60364-3《建筑物电气装置第3部分:

图20 测试线路图

一般特性评估》，交流配电系统根据载流导体的安排和接地方式被划分为TN、TT和IT系统 (见表19，图21)。

G.2 灯具带有预期型号的光源进行工作，在额定电压下达到稳定时，荧光灯和其他气体放电灯的光源功率和电压值其额定值的±5%范围内。

此处标准中也未给出LED的测试要求，我们可以将上述值作为参考。

G.3 灯具按照标准中12.4.1章条 (即灯具热试验)进行连接然后测量保护导体电流。测试网络如图22所示，A和B分别连接至G.1所示电路中的灯具的接地导体PE和电源接地之间。此时接触电流测试网络应断开。

测试顺序如下文的G.5所示，但是“e”端始终断开。Ⅱ类灯具不需要进行这项测试。由高阻抗电压表测得的U4交流有效值除以电阻R得到电流的有效值。G.4 对于测量接触电流，线路参考图21和图25和图26。测试顺序参考下文G.5。用符合IEC60529的标准试验指作为试验探极施加到可触及的金属部件，或灯具壳体裹着尺寸10cmx20cm金属箔的可触及的绝缘部件 (见图23)。

表19 交流配电系统代码的含义

图21 交流配电系统示例

图22 保护导体电流测试网络

这里描述的测量方法是基于灯具用于星型TN或TT系统，例如灯具连接在火线 (L)和中性线 (N)之间。对于其他系统，见IEC60990的有关部分。

对于多相连接的情况，程序相同，但每一次测量是在一相上进行。相同的限值适用于每一相。图25测量网络用于I类可移式灯具，图24用于除了测量保护导体电流外的其他所有情况。在测量网络图24和25中电压U2和U3测得的电压为峰值电压。

试验端子A电极 (标准试验指)应依次施加于每一个可触及的部件。对于每一次施加试验端子A电极时，试验端子B电极应施加到地，然后依次施加其他的可触及部件。注意测试电路应使用隔离变压器。

G.5 测试顺序。接触电流如表20所示测量。装有开关的使用荧光灯或其他气体放电灯的可移式灯具，测量以后灯具应断开开关。然后将灯具开关闭合，在光源再次启动前再次按表G.1所述的规定测量接触电流。

图23 IEC60529的标准试验指

图24 加权感知或反应测试网络

图25 加权摆脱测试网络

8.5 人体电阻和模拟网络

人体阻抗值由电流通路、接触电压、通电时间、频率、皮肤湿度、接触面积、施加压力和温度等因素决定。皮肤阻抗和人体内阻抗组成的人体总阻抗是由阻性和容性的分量组成，根据GB/T13870.1—1992《电流通过人体的效应第一部分:常用部分》以及IEC60479-1:1994《Effects of current on human beings and livestock-Part 1:general aspects》，其定义为:

2.10 皮肤阻抗 (Zp)impedance of the skin

在皮肤上的电极与皮下导电组织之间的阻抗。

表20 测试顺序

2.11 人体内阻抗 (Zi)internal impedance of the human body

两电极分别接触人体两部位，除去皮肤阻抗后电极间的阻抗。

2.12 人体总阻抗(ZT)total impedance of the human body

人体内阻抗与皮肤阻抗的向量和。

其等效电路图如图26所示。

图24和图25中的由元件RS、CS、RB和试验端子A、试验端子B构成的网络是模拟总得人体阻抗ZT。其中RS和CS模拟两个接触点间总的皮肤阻抗Zp。CS阻抗是由皮肤接触区域决定的，对于较大接触区域，可以使用较大的电容值。RB模拟人体的内阻抗 Zi。

A.感知电流、反应电流测量网络

感知电流是指能够引起人的感觉的最小电流。人体对电流的感知和反应是由流过人体内部器官的电流引起的。为了准确测量这些效应，要求对感知电流和反应电流随频率变化进行研究和补偿。对于引起感知或不自主的反应电流，图24的测量网络给出了人体阻抗，并且给出了加权值，根据IEC60479-1以符合人体阻抗的频率特性，如图27。为了设计测量网络，假定在正弦、混合频率正弦和50Hz或60Hz的非正弦交流下，大约0.7mA峰值即可感知。测量网络考虑到了较高频率的电流对人体的作用，并模拟了人体阻抗随着频率增高而降低的情况。

图26 人体阻抗等效电路以及等效内阻抗

图27 感知、反应电流网络的人体阻抗的频率响应

B.摆脱电流测量网络

摆脱电流是指人能忍受并能自主摆脱的最大电流。人体丧失摆脱能力是由于流过人体内部，例如通过肌肉的电流所致。但是，摆脱电流限值的频率效应不同于感知电流、反应电流或电灼伤电流的频率效应，特别是频率在1kHz以上更是如此。图26的测量网络模拟了人体阻抗，并额外加权以模拟人体对电流的频率效应。该电流应能引起肌肉收缩，丧失摆脱可握紧零部件的能力 (见图28)。

8.6 Ⅲ类灯具的接触电流

在我国国家标准GB7000.1—2007未规定Ⅲ类灯具的泄漏电流，而最新国际标准 IEC60598-1:2008在相关章节似乎也未提及。事实并非如此，对于Ⅲ类灯具，最新的国际标准IEC60598-1:2008规定了在特定条件下，载流部件可暴露在外，其中就提到了接触电流的概念。具体章条如下:

图28 摆脱电流网络的人体电阻的频率响应

c) ClassⅢ luminaires may have exposed current carring parts in the SELV circuit under the following conditions.

-For ordingary luminaires，the voltage under load does not exceed 25V r.m.s.or 60V ripple-free d.c.and where the voltage exceeds 25V r.m.s.or 60V d.c.，the touch current does not exceed:

-for a.c.:0.7mA(peak);

-for d.c.:2mA.

-the no-load voltage does not exceed 35V peak or 60V ripple-free d.c.

If the voltages or currents exceed the values given above，at least one of the conductive parts in the SELV circuit shall be insulated by insulation capable of withstanding a test voltage of 500V r.m.s.for 1min.

-for luminaires which are other than ordinary，the nominal voltge does not exceed 12V r.m.s.or 30V ripple-free d.c.

NOTE 1 These limits are based on IEC60364-4-41.See also Annex A of this standard.

ClassⅢluminaires are accepted only for connection to a SELV source.

9 结束语

综上所述，上文主要谈及了LED直流电参数对灯具的影响以及标准中的关注点和发展动态。在实际产品中，LED作为灯具的一部分，除了这部分的考核可以借鉴本文的一些观点外，其余部分还是要关注相关标准的其他条款。本文主要谈了LED电参数对灯具以及标准的影响，但我们知道LED不单单只是这方面，热学、光学、机械等都与产品息息相关。本文涉及到了很多现有标准的不足，写这篇文章的目的也是想让更多的行业从业者引起对标准滞后及混乱的重视，尽快完善我国的标准体系，做好基础研究，共同努力使我国的LED健康、快速的发展，为我国照明产业的新发展添砖加瓦，为我国节能减排造福子孙的目标贡献力量。

［1］GB7000.1—2007.灯具 第1部分:一般要求与试验.

［2］IEC60598-1:2008.Luminaires-Part 1:General requirements and tests.

［3］GB19510.14—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］GB8898—2001.音频和视频以及类似电子设备安全要求.

［5］GB/T16935.1—2008.低压系统内设备的绝缘配合第1部分:原理、要求和试验.

［6］GB/T18379—2001.建筑物电气装置的电压分段.

［7］GB/T 3805—2008.特低电压 (ELV)限值.

［8］IEC60364-4-41:2005.Low-voltage electrical installations-Part 4-41:Protection for safety-Protection against electric shock.

［9］IEC60990:1999.Methods of measurement of touch current and protective conductor current.

［10］杨素行.模拟电子技术基础简明教程.高等教育出版社，2005.

［11］俞安琪.LED控制装置标准中主要安全要求的识别及应用.市政照明节能产品与技术交流会，2009.

［12］GB/T13870.1—1992.电流通过人体的效应第一部分:常用部分.

［13］IEC60479-1:1994.Effects of current on human beings and livestock-Part 1:general aspects.

［14］IEC61032:1997.Protection of persons and equipment by enclosures-Probes for verification.

［15］IEC60529:2001.Degreesofprotection provided by enclosures(IP code).