LED景觀照明配電系統(tǒng)中剩余動作電流值的選擇

包 瑞，常相棟，何杏芳，李 野，黃思平

(1.復旦大學工程與應用技術研究院，上海 200433；2.豪爾賽科技集團股份有限公司，北京 100070)

引言

隨著LED照明技術的快速發(fā)展，其高效能和易控制的特點，使其逐漸成為了景觀照明的主角。人民生活水平的提高，對生活品質(zhì)和生活環(huán)境的追求也越來越強烈。近年來，國內(nèi)一系列國際會議的舉辦城市，從G20峰會的杭州到金磚五國峰會的廈門，再到上合峰會的青島，正在用LED景觀照明提升城市形象；同樣，從二青會的太原到民運會的鄭州，再到軍運會的武漢，在國內(nèi)體育盛事的舉辦城市，景觀照明也正成為城市的新名片。如此量大面廣的工程，供電的安全性和可靠性不容忽視。本文將根據(jù)LED照明的特點，結(jié)合具體工程的經(jīng)驗，分析和討論LED景觀照明配電系統(tǒng)如何合理選取剩余電流保護器(residual operating current, RCD)的剩余動作電流(以下用I△n代替)，以保證配電系統(tǒng)的安全、可靠。

1 室外景觀照明配電系統(tǒng)應設置RCD

1.1 RCD設置的必要性

景觀照明配電系統(tǒng)中，設置RCD的主要目的，是為了保證接地故障時能自動切斷電源，是間接接觸防護措施的一種。景觀照明配電回路比較長，不論接地形式是TN系統(tǒng)還是TT系統(tǒng)，在接地故障時，都存在回路阻抗大、故障電流小的特點，故障電流不足以引起斷路器過電流保護的動作，需要設置RCD，來滿足間接接觸防護的動作特性，即式(1)和(2)的要求。

(1)

對于TT系統(tǒng)：RAIa≤50 V[1]

(2)

Ia：保證間接接觸保護電器在規(guī)定時間內(nèi)切斷故障回路的動作電流(A)。對于RCD，Ia為額定剩余動作電流。U0：相導體對地標稱電壓(V)；ZS：接地故障回路的阻抗(Ω)；RA：外露可導電部分的接地電阻和保護導體電阻之和(Ω)。

室外景觀照明配電系統(tǒng)需要設置RCD，在現(xiàn)行的國家和行業(yè)標準中有相關規(guī)定，如：《城市夜景照明設計規(guī)范》(JGJ/T 163—2008)的8.3.3條：當采用TN-S接地系統(tǒng)時宜采用剩余電流保護器作接地故障保護，采用TT接地系統(tǒng)時應采用剩余電流保護器作接地故障保護；《民用建筑電氣設計規(guī)范》(JGJ 16—2008)的10.9.3條：室外分支線路應裝設剩余電流動作保護器；《剩余電流動作保護裝置安裝和運行》(GB/T 13955—2017)的4.4.1條：安裝在室外的電氣裝置，應安裝RCD保護；等等。

1.2 不合理的I△n值影響配電系統(tǒng)的可靠性

對景觀照明工程，相關標準只要求設置RCD，并未對其動作電流I△n作出具體規(guī)定(注：噴水池除外。噴水池為特殊場所，規(guī)范中有明確規(guī)定，不在本文討論范圍之內(nèi))，部分電氣設計人員就習慣性地采用了30 mA。

30 mA是導致人體心室纖顫的電流閥值，也是RCD作為直接接觸防護附加保護時的最大動作電流。電氣設計中，很多需要設置RCD的地方，要求I△n不大于30 mA，比如：安裝高度不超過1.8 m的電氣插座、手持式電動工具、移動電器、家用電器的配電回路，等等。但這些都不足以作為景觀照明配電系統(tǒng)中I△n取值的依據(jù)。

景觀照明中RCD的作用是線路保護，電氣線路電源端的RCD，其動作電流應按被保護線路泄漏電流值確定[2]。工程設計中，如果不考慮具體情況，I△n均采用30 mA，在許多時候會造成誤跳閘。比如回路所帶獨立驅(qū)動電源數(shù)量較多時，比如供電線路較長且接頭較多時，或者回路所帶220 V燈具數(shù)量過多時，等等。這些情況如果遇上連續(xù)陰雨天氣，非事故跳閘發(fā)生的幾率就會大大增加，嚴重影響供電系統(tǒng)的可靠性。以至于有的運行管理者不堪其擾，將剩余電流保護器拆除，給電氣安全埋下極大的隱患。

2 I△n取值的原則

I△n的取值要兼顧配電的安全性和可靠性。

所謂安全性，就是要滿足間接接觸防護的動作特性，即本文中的式(1)和式(2)。將式(1)和式(2)變形，可以得到

Ia≤U0/ZS

(3)

Ia≤50/RA

(4)

ZS和RA，的值，一般為幾歐姆到幾十歐姆。若取50 Ω來計算，分別得到：Ia≤4.4 A和Ia≤1 A。

可見，從安全性角度講，景觀照明配電系統(tǒng)末端回路的RCD，其I△n值需要與相應的阻抗和接地電阻相配合，一般情況下，I△n可以整定到1 A，如果ZS和RA較小，甚至可以整定到幾安培。

I△n≥4I△

(5)

即RCD的剩余動作電流不小于4倍的正常運行時的泄漏電流。

工程設計中，I△n的取值宜先按式(5)要求選擇，再用式(3)、式(4)要求來校驗。

3 確定I△n的合理值

3.1 影響I△n選取的正常泄漏電流

景觀照明配電系統(tǒng)中的RCD，裝設的位置是照明配電箱的分支回路，如圖1所示。對于以LED燈具為主的照明系統(tǒng)，自然泄漏電流主要應考慮配電線路的泄漏電流、220V燈具的泄漏電流、獨立式驅(qū)動電源的泄漏電流。(因施工接線的工藝水平造成的泄漏電流，不在本文討論范圍。)

圖1 配電系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of power distribution system

3.1.1 線路的泄漏電流

配電線路的泄漏電流，可參考表1來計算[4]。

表1 220/380 V單相及三相線路穿管敷設電線泄漏電流參考值Table 1 Reference value of leakage current of 220/380 V single-phase and three-phase lines laid through pipes mA/km

室外景觀照明配電系統(tǒng)，末端配電回路的線纜截面一般以4 mm2和6 mm2居多。以常用的交聯(lián)聚乙烯絕緣YJV電纜為例，長度為100 m的配電回路，參照表1的數(shù)值，正常泄漏電流分別為1.7 mA和2 mA。

3.1.2 獨立式驅(qū)動電源的泄漏電流

小功率的LED燈具常做成特低壓(ELV)產(chǎn)品，工程中需設置獨立式驅(qū)動電源(簡稱驅(qū)動電源)為多個燈具集中供電。這也是LED景觀照明中最常見的形式。除去絕緣電阻的因素，驅(qū)動電源還因內(nèi)部濾波電路的存在，接入配電系統(tǒng)中會有一定的泄漏電流[5]。當下市場上驅(qū)動電源產(chǎn)品的漏電流參數(shù)不一，從0.75～3.5 mA不等。這讓電氣設計為難：配電系統(tǒng)設計時，驅(qū)動電源的泄漏電流按多少計算合適呢？

我們對多個工程的實際運行狀況進行測量，對LED驅(qū)動電源的泄漏電流進行測算，得到的結(jié)果是：驅(qū)動電源的泄漏電流平均值不超過產(chǎn)品漏電參數(shù)值的一半。圖2是鄭州美術館景觀照明工程中，驅(qū)動電源(產(chǎn)品漏電參數(shù)為：<2 mA/240 VAC)泄漏電流的測算數(shù)據(jù)。測量以配電回路為單位，圖中I△n為單個回路上驅(qū)動電源的泄漏電流平均值，橫線為所有被測回路驅(qū)動電源的泄漏電流平均值：0.52 mA。測量工具為鉗形漏電流表，其分辨率為0.01 mA，量程0.00～9.99 mA時精度為±1.2%±5dgt，量程10.0～300.0 mA時精度為±1.5%±5dgt。本文中提到的泄漏電流測量數(shù)據(jù)，均是在工程初步投入運行、環(huán)境干燥的條件下，采用此鉗形漏電流表測量所得。

圖2 獨立式驅(qū)動電源泄漏電流測算值散點分布圖Fig.2 Scatter diagram of leakage current calculation value of independent drive power supply

在工程設計階段，由于不能確定驅(qū)動電源的品牌，為保證配電系統(tǒng)的可靠性，考慮到線路老化絕緣電阻降低、陰雨天氣等因素引起的泄漏電流增大[6]，本文建議：每個驅(qū)動電源漏電流可以暫按1 mA考慮，并要求選購漏電流參數(shù)不大于2 mA的產(chǎn)品；如不對產(chǎn)品參數(shù)作出要求，每個驅(qū)動電源泄漏電流宜按1.5～2 mA考慮。

3.1.3 220 V供電的LED燈具的泄漏電流

對于大功率LED燈具，或者受安裝條件所限不方便設置獨立式驅(qū)動電源的情況，一般會采用交流220 V直接供電的產(chǎn)品。LED光源的本質(zhì)是發(fā)光二極管，其觸發(fā)電壓為直流3 V左右。220 V供電的燈具采用的是“內(nèi)置式驅(qū)動電源”，其濾波電容電路同樣存在正常運行時的泄漏電流。

現(xiàn)行國家標準GB 7000.1—2015對燈具泄漏電流的最大值作了相應規(guī)定。在景觀照明中使用更多的1 kW以下的、永久連接的I類燈具，按標準要求，其泄漏電流不應大于3.5 mA。實際工程中，每個燈具的正常泄漏電流都按3.5 mA來考慮，不現(xiàn)實也不經(jīng)濟。

我們對鄭州奧體中心及其中軸廣場景觀照明工程中220 V的LED燈具正常運行時的泄漏電流進行測量，測量結(jié)果見圖3。本工程中：被測燈具為三個不同品牌、不同功率的產(chǎn)品；每個回路內(nèi)只有一種燈具，測量以配電回路為單位，測量值體現(xiàn)的是本回路所負載燈具的泄漏電流平均值；按功率分類分別統(tǒng)計燈具的平均泄漏電流，結(jié)果如表2所示。

表2 不同功率220V的LED燈具泄漏電流測算值

圖3 220 V LED燈具泄漏電流測算值散點分布圖Fig.3 Scatter diagram of leakage current calculation value of 220 V LED lamps

圖3中，從左至右的第1～28、29～70、71～112回路，分別對應表2中50 W及以下、75 W、300 W燈具的配電回路。從測算結(jié)果來看，每回路燈具的泄漏電流平均值極少有超出0.75 mA的，且其值與功率并不呈現(xiàn)明顯的正相關關系，各功率段燈具的平均泄漏電流均不超過0.5 mA，所有被測回路燈具的泄漏電流平均值為0.39 mA。在工程設計階段，若沒有更具體的資料時，本測量結(jié)果可以作為參考。

3.2 計算確定I△n合理值

以圖1中的WL1回路為例：

1)先按可靠性來選取RCD的I△n。

回路中設置8個350 W的驅(qū)動電源，假設220 V側(cè)電纜YJV-3x4的長度為150 m，則

I△=10.55 mA

I△n≥4I△=42.2 mA

故I△n宜采用50 mA或100 mA。

2)用安全性要求校驗。

假如I△n采用100 mA，則由式(1)和式(2)可得：

ZS≤U0/Ia=2 200 Ω(TN系統(tǒng))

RA≤ 50/Ia=500 Ω (TT系統(tǒng))

很顯然，是滿足安全性要求的。

3.3 保證可靠性前提下降低I△n的措施

3.3.1 減少回路負載的燈具和驅(qū)動電源的數(shù)量

從前面的分析可以看出，驅(qū)動電源或者說是LED燈具的濾波電路，是LED景觀照明正常泄漏電流的主要原因。在工程設計中，減少每個配電回路的驅(qū)動電源或220V的LED燈具數(shù)量，可以降低正常泄漏電流。

以I△n取30 mA為例，每單相回路所負載的驅(qū)動電源數(shù)量，不宜超過7個；所負載220V的LED燈具總數(shù)量，不宜超過10個；否則應提高剩余動作電流I△n的取值。

3.3.2 采用三相配電的方式

三相配電時，三相上的自然泄漏電流，平衡的部分可以互相抵消。如果配電系統(tǒng)分配的好，自然泄漏電流幾乎可以忽略不計，RCD檢測到的就是故障漏電流，I△n即使整定小一些也無妨，多數(shù)情況可以取30 mA。對于LED景觀照明工程，三相配電不僅可以減小正常運行時自然泄漏電流對配電系統(tǒng)的影響，還可以降低電壓損失、減少配電回路數(shù)量，尤其適用大型建筑，如體育場、大型橋梁等工程。表4為我們在鄭州博物館工程中實測的三相配電回路正常運行時泄漏電流的部分數(shù)據(jù)。測量范圍內(nèi)的燈具均為36 W/220 V的線性洗墻燈。

表4 三相配電回路泄漏電流的測量值

3.4 小結(jié)

在工程條件允許且保證供電系統(tǒng)合理的情況下，景觀照明配電系統(tǒng)的I△n宜優(yōu)先選擇30 mA，不僅可以滿足間接接觸防護的要求，還可以作為直接接觸防護的后備保護。

LED景觀照明工程，要重視LED燈具驅(qū)動電源正常泄漏電流對配電系統(tǒng)的影響。對距離較長、燈具或獨立式驅(qū)動電源較多的配電回路，應通過計算來確定I△n的取值，以保證配電系統(tǒng)的可靠性。當I△n的取值較大時，要結(jié)合不同的接地系統(tǒng)即TN系統(tǒng)和TT系統(tǒng)，對ZS和RA做出相應的要求，以滿足接地故障時自動切斷電源的條件。

對體量大、供電回路多、供電距離長的工程，采用三相配電且I△n取30 mA，不失為一個較優(yōu)的選擇。

4 結(jié)束語

LED照明技術的快速發(fā)展，推動了LED產(chǎn)品在景觀照明工程中的大量運用。在相關標準未能完善之際，工程設計中不合理的I△n取值影響了配電系統(tǒng)的可靠性。本文從分析I△n取值的原則入手，結(jié)合現(xiàn)行相關標準的規(guī)定和實際工程泄漏電流的測算結(jié)果，給出了計算確定I△n合理值的方法。考慮到目前研究的樣本數(shù)量有限，作者將進一步對不同天氣條件、不同使用年限的LED景觀照明配電線路的泄漏電流進行測量和分析，希望研究結(jié)論能為LED景觀照明配電系統(tǒng)的設計和工程實施提供借鑒與指導，并為相關標準的完善提供參考。