劉德祥， 袁 天

(中信建筑設(shè)計研究總院有限公司，武漢 430014)

0 引言

低碳節(jié)能是當今社會發(fā)展的趨勢，LED照明因其光源能效高、節(jié)能效果好且調(diào)光性好等特點得到了大力推廣。由LED PN結(jié)的導(dǎo)通特性決定，LED照明需要低壓直流驅(qū)動，因此，為了降低低壓直流電流在各種輸送環(huán)節(jié)中的耗損，LED燈具一般采用分布式局部低壓直流供電模式，每個燈具單獨設(shè)置恒流電源驅(qū)動模塊，與燈具結(jié)合形成一體化產(chǎn)品，可直接接入市電220V交流電源。這種模式雖然解決了低壓傳輸損耗，卻帶來了諧波污染和中性線電流過大等問題。恒流驅(qū)動模塊的電路框架圖主要部分如圖1，市電220V交流電先經(jīng)過整流橋，輸出為直流電，再經(jīng)過恒流處理環(huán)節(jié)，形成恒流輸出。

圖1 恒流驅(qū)動模塊的電路框架圖

由于整流器件的單向?qū)щ娮饔?，在正、反相電壓作用下，其電阻值完全不同，因而整流器前端市電輸入電流也是非正弦的。由于系統(tǒng)參數(shù)、整流器相數(shù)、接線方式和運行條件的不同，這種非正弦波形都有程度不同的畸變。畸變的電流波形可分解為基波及一系列不同頻率和幅值的諧波，加上恒流處理環(huán)節(jié)的非線性特性，恒流驅(qū)動模塊使得市電輸入電流發(fā)生畸變，諧波進入市電系統(tǒng)。

1 照明系統(tǒng)諧波含量標準要求

正弦波形的市電電壓為LED照明燈供電，主要諧波成份為奇次諧波，根據(jù)傅里葉展開，輸入電流計算公式見式(1)。

(1)

在LED照明三相配電系統(tǒng)中，市電各相電流的相角差為120°，因此各相三次諧波相角差為0°，即各相照明回路電流相角差為0，在中性線上疊加。同理，9次諧波、12次諧波均會在中性線上疊加，而相線中高次諧波均存在。

根據(jù)標準GB 17625.1-2012《電磁兼容限值諧波電流發(fā)射限值(設(shè)備每相輸入電流≤16A)》(以下簡稱“《諧波電流限值》”)，對于有功輸入功率>25W的照明燈具，其諧波電流不應(yīng)超過表1給出的對應(yīng)限值；對于有功功率≤25W的放電燈，其諧波電流應(yīng)至少符合以下兩項要求中的一項：(1)諧波電流不超過規(guī)定的每瓦允許的最大諧波電流限值；(2)3次諧波電流畸變率不應(yīng)超過86%，5次諧波不超過61%[1]。

諧波電流限值表(有功輸入功率>25W的照明燈具) 表1

2 LED照明回路中導(dǎo)線截面的選擇

在實際的工程設(shè)計過程中，往往是利用整個回路燈具標稱總功率和供電工頻電壓來計算回路電流，通過截流量來確定導(dǎo)線截面。對于LED照明回路，計算的回路電流僅為實際回路電流基波部分，并未有考慮高次諧波電流部分，這是存在隱患的。

從導(dǎo)線發(fā)熱的角度，作用于相線上的實際運行電流有效值見式(2)(高次諧波僅考慮3、5次諧波)：

(2)

作用于零線上的實際運行電流見式(3)(高次諧波僅考慮3、5次諧波)：

IN=3I3

(3)

在照明配電設(shè)計過程中，通常是按照基波計算電流I1來選擇導(dǎo)線截面。根據(jù)標準《諧波電流限值》的規(guī)定，對于有功輸入功率>25W的照明燈具，3次諧波和5次諧波的最大諧波含量為30λ%和10%，相線及中性線上的實際運行電流大小見式(4)～(5)：

(4)

IN=3I3=3×0.3λI1=0.9λI1<0.9I1

(5)

因此，對于LED照明配電系統(tǒng)，單相配電回路的相線及中性線均可按電流1.05I1來選擇導(dǎo)線截面；對于三相配電回路，相線可按電流1.05I1來選擇導(dǎo)線截面，中性線可按電流0.9I1來選擇導(dǎo)線截面。根據(jù)計算結(jié)果得出，對于有功輸入功率>25W的照明燈具，如果滿足規(guī)定要求，諧波電流對照明系統(tǒng)設(shè)計的影響很小。

對于有功功率≤25W的放電燈，3次諧波和5次諧波的最大諧波含量為86%和61%，相線及中性線上的實際運行電流大小見式(6)～(7)：

(6)

IN=3I3=3×0.86I1=2.58I1

(7)

因此，對于LED照明配電系統(tǒng)，單相配電回路的相線及中性線均可按電流1.46I1來選擇導(dǎo)線截面，對于三相配電回路，相線可按電流1.46I1來選擇導(dǎo)線截面，中性線可按電流2.58I1來選擇導(dǎo)線截面。在這種情況下，導(dǎo)線截面僅僅按照計算電流I1來選擇誤差很大，因此要慎用有功功率≤25W的LED燈具，或者對燈具提出諧波含量要求，否則按照電流2.58I1來選擇導(dǎo)線截面會增加較大的工程費用。

以上兩種計算結(jié)果是針對LED照明燈具產(chǎn)生諧波含量滿足標準上限值的情況下得出的，在LED照明設(shè)計過程中，可以根據(jù)諧波含量來確定實際運行電流IL=I1/k，IN=3μI1/k，k為校正系數(shù)，μ為諧波含量百分比，簡化處理可按表2選擇導(dǎo)線截面。

含有諧波電流時的計算電流校正系數(shù)[2] 表2

3 LED照明回路中斷路器的選擇

照明系統(tǒng)中供電電壓一般不超過400V，多采用C型微型斷路器，其瞬時脫扣范圍[3]見表3。

表3 瞬時脫扣范圍

其中，In為斷路器整定電流。然而，LED燈在啟動時存在尖峰電流，其大小為穩(wěn)定運行電流(含諧波)IL的10～12倍[2]，所以斷路器在保護照明回路的同時，要避開尖峰電流，避免在回路通電時尖峰電流大于斷路器動作電流而脫扣，必須滿足5In>12IL=12I1/k即In>(2.4/k)I1，k為表2中的校正系數(shù)。因此，C型斷路器的整定值必須大于回路運行電流的2.4倍。D型斷路器雖然脫扣電流值更大，能夠避開更大的尖峰電流，但是其短路保護靈敏度會低很多，且因為脫扣電流偏大存在發(fā)熱問題，對于負載穩(wěn)定的照明回路，更適合C型斷路器[3]。

4 結(jié)束語