《直流照明系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》技術(shù)要點(diǎn)解析

趙建平,高雅春，陳 琪，張 濱

(1. 中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013；2.中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100044)

引言

隨著LED照明技術(shù)的不斷發(fā)展，LED照明已廣泛應(yīng)用于室內(nèi)外各類場(chǎng)所。傳統(tǒng)LED燈具的供電方式是在末端通過(guò)驅(qū)動(dòng)電源將220 V的交流電轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)ED燈具所需要的直流電，而隨著直流照明供電技術(shù)的不斷成熟，LED燈具希望能夠直接采用直流供電，從而省去末端轉(zhuǎn)化的過(guò)程。從光環(huán)境質(zhì)量的角度來(lái)看，通過(guò)集中處理直流供電照明能夠更好地避免燈具的頻閃，從而營(yíng)造更為舒適健康的光環(huán)境；從控制的角度來(lái)看，直流供電具有更好的控制靈活性，在智能化技術(shù)具有更明顯的優(yōu)勢(shì)；從技術(shù)發(fā)展的角度來(lái)看，直流照明對(duì)于節(jié)能環(huán)保具有推動(dòng)作用，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。

國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)發(fā)布低壓直流供電技術(shù)報(bào)告[1]，對(duì)低壓直流供電的技術(shù)、市場(chǎng)和標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并將低壓直流供電作為其未來(lái)優(yōu)先考慮的重點(diǎn)領(lǐng)域。相比交流供電照明系統(tǒng)，直流照明系統(tǒng)的產(chǎn)品、設(shè)計(jì)等方面產(chǎn)生了明顯的差異，為引導(dǎo)直流照明的發(fā)展及應(yīng)用，中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司成立編制組在廣泛調(diào)研國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，制定了《直流照明系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》(T/CECS 705—2020)[2]。該標(biāo)程規(guī)定了直流照明系統(tǒng)的總則、術(shù)語(yǔ)、基本規(guī)定、系統(tǒng)架構(gòu)與功能、工程設(shè)計(jì)、設(shè)備要求、安裝和調(diào)試、驗(yàn)收、運(yùn)行和維護(hù)等方面，從全過(guò)程質(zhì)量管理的角度，對(duì)直流照明系統(tǒng)實(shí)施的多個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行了規(guī)定，為我國(guó)直流照明系統(tǒng)應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

直流照明系統(tǒng)是指進(jìn)行直流供配電的照明系統(tǒng)。直流照明系統(tǒng)從前端配電開(kāi)始，直到末端設(shè)備均為直流，而外部電源可為直流或交流輸入。這就要求照明系統(tǒng)的各個(gè)部分均按照直流配電的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)選型。直流照明系統(tǒng)一般應(yīng)包括直流電源總控制柜、配電線路、燈具及附屬裝置，根據(jù)實(shí)際需要可配置直流電源分配電箱(柜)和監(jiān)控系統(tǒng)，如圖1所示。

對(duì)于直流電源總控制柜，一般包括輸入模塊、輸出模塊、直流轉(zhuǎn)換模塊、本地監(jiān)控以及保護(hù)模塊等(圖2)，在應(yīng)用中需要根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況確定各功能模塊的需求。

對(duì)于配電系統(tǒng)，根據(jù)負(fù)荷的規(guī)模、重要性及其分布可分為集中輻射式(圖3)、分層輻射式(圖4)、分布式(圖5)。

圖1 直流照明系統(tǒng)構(gòu)成示意圖Fig.1 Diagrammatic drawing of DC lighting system

圖2 直流電源總控制柜組成示意圖Fig.2 Diagrammatic drawing of DC control cabinet

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

區(qū)別于傳統(tǒng)照明系統(tǒng)，直流照明系統(tǒng)從電源輸出到配電，再到末端輸入均為直流電，其設(shè)計(jì)與交流電氣系統(tǒng)存在較大差異。特別是從安全性的角度來(lái)看，IEC在低壓直流供電技術(shù)報(bào)告也指出，對(duì)于直流供電系統(tǒng)的安全性的要求要高于交流供電系統(tǒng)。

圖3 集中輻射式配電系統(tǒng)示意圖Fig.3 Diagrammatic drawing of centralized power distribution system

2.1 供電電壓的選擇

通過(guò)線纜供電，增加電壓、減少電流、加大線徑是減少線損的有效措施，但隨著電壓的增加，安全風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)增加。綜合當(dāng)考慮各種因素的影響時(shí)，往往會(huì)規(guī)定電壓上限值。對(duì)于有大量人員存在的工作場(chǎng)所，考慮到安全和運(yùn)行的要求，直流低電壓類別是比較合適的。在直流照明領(lǐng)域建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)電壓對(duì)于產(chǎn)品規(guī)格化和提高產(chǎn)品可替換性具有重要意義。

圖4 分層輻射式配電系統(tǒng)示意圖Fig.4 Diagrammatic drawing of layered power distribution system

圖5 分布式配電系統(tǒng)示意圖Fig.5 Diagrammatic drawing of distributed power distribution system

表1 不同標(biāo)準(zhǔn)給出的直流電壓優(yōu)選值和備選值

根據(jù)照明供配電的特點(diǎn)和實(shí)際需求，在《直流照明系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》中，選擇48 V、220(±110)V、375 V、750(±375)V作為供電電壓的優(yōu)選值。直流照明系統(tǒng)各級(jí)別電壓對(duì)于場(chǎng)所的適用性也各有不同，根據(jù)傳輸距離來(lái)看，如室內(nèi)末端宜采用48 V供電、道路照明采用220 V或375 V；根據(jù)安全性來(lái)看，如水池及類似場(chǎng)所0區(qū)供電電壓不大于24 V等。

2.2 供配電及布線系統(tǒng)

直流照明供配電系統(tǒng)的設(shè)備布置與交流供配電系統(tǒng)類似，直流電源總控制柜宜設(shè)置在負(fù)荷中心；配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的選擇還要根據(jù)負(fù)荷的規(guī)模、重要性及其分布情況等綜合確定，而從控制柜到末端燈具的配電級(jí)數(shù)建議不超過(guò)2級(jí)。值得注意的是，直流照明系統(tǒng)供電可進(jìn)行單極性供電(如+220 V)和雙極性供電(如±110 V)，在設(shè)計(jì)中可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇。

布線系統(tǒng)主要對(duì)線纜選擇、絕緣耐壓、電壓降、線路布置及線纜標(biāo)色等方面進(jìn)行規(guī)定。當(dāng)需要對(duì)照明系統(tǒng)同時(shí)提供交流供電電源和直流供電電源時(shí)，需要在箱(柜)或橋架內(nèi)進(jìn)行隔離，并做到交、直流分支回路避免同管敷設(shè)。確定線纜供電半徑時(shí)，需要根據(jù)負(fù)載功率、供電距離及電壓降的要求合理選擇截面面積。以直流110 V供電電壓為例，線路損失百分率表如下所示：

表2 DC 110 V線路電壓損失百分?jǐn)?shù)表

2.3 電氣安全

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC60479-1[6]規(guī)定了直流電和交流電在電擊方面的差別。觸摸帶電體并受到電擊時(shí)，機(jī)體反應(yīng)過(guò)程中通過(guò)人體的電流強(qiáng)度和通電時(shí)間的關(guān)系具有一定的差異性。通過(guò)人體的交流電(50 Hz或60 Hz)電流超過(guò)0.5 mA時(shí)會(huì)引起人體麻木，而對(duì)于直流這個(gè)數(shù)值增加到2 mA；當(dāng)交流電流達(dá)到10 mA以上時(shí)會(huì)引起嚴(yán)重的癥狀，例如呼吸困難，而對(duì)于直流電，這個(gè)數(shù)值上升到30 mA，這表明，直流供電對(duì)于人體電擊方面安全性要優(yōu)于交流供電。

對(duì)于直流照明系統(tǒng)，供配電系統(tǒng)的電氣安全主要包括過(guò)電流保護(hù)、電擊防護(hù)、熱效應(yīng)保護(hù)、電壓騷擾和電磁騷擾防護(hù)等，其中過(guò)電流保護(hù)包括過(guò)載長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)、短路短延時(shí)保護(hù)以及短路瞬時(shí)保護(hù)。特別值得注意的是，相比較于交流電弧，直流電弧更難熄滅，因此直流供電線路設(shè)計(jì)需要考慮電弧故障的防護(hù)，采取相關(guān)的防護(hù)措施。

3 設(shè)備要求

《直流照明系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》對(duì)于直流電源總控制柜、直流電源分配電箱(柜)、以太網(wǎng)供電交換機(jī)、燈具及附屬裝置、電氣及通信接口等分別進(jìn)行了規(guī)定。本部分重點(diǎn)對(duì)設(shè)備中的直流轉(zhuǎn)換模塊、以太網(wǎng)供電要求以及直流驅(qū)動(dòng)的相關(guān)要求進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

3.1 直流轉(zhuǎn)換

LED燈具需要進(jìn)行直流轉(zhuǎn)換，將外部電源轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)ED燈具需要的直流電，該功能通常通過(guò)直流轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)，也稱為整流模塊，一般位于直流電源總控制柜中。作為直流照明系統(tǒng)供電核心模塊，其安全性與可靠性十分重要，特別是對(duì)于重要照明負(fù)荷。針對(duì)此類問(wèn)題，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的主要技術(shù)措施如下：

1)設(shè)備安全防護(hù)。對(duì)于設(shè)備輸入端、輸出端及控制柜箱體等均設(shè)置安全防護(hù)措施，以應(yīng)對(duì)浪涌、過(guò)欠壓、短路、過(guò)溫、絕緣失效等風(fēng)險(xiǎn)，此外設(shè)備內(nèi)部確保充足的電氣間隙和爬電距離。

2)單模塊故障不影響整體工作。主要要求包括單模塊故障時(shí)的自主均流，以及支持熱插拔功能，以便在單個(gè)模塊故障時(shí)可以做到系統(tǒng)不間斷運(yùn)行。

3)設(shè)置冗余備份。原則上照明負(fù)荷重要程度越高，冗余備份量越大(見(jiàn)表3)。

表3 直流轉(zhuǎn)換模塊的冗余備份要求

除此之外，直流轉(zhuǎn)換模塊的輸出電能質(zhì)量和轉(zhuǎn)換效率也是十分重要的，將分別影響照明質(zhì)量和節(jié)能指標(biāo)，因此標(biāo)準(zhǔn)中也做出了相應(yīng)的規(guī)定。

3.2 以太網(wǎng)供電

以太網(wǎng)供電是直流照明系統(tǒng)的一種重要的供電形式，是通過(guò)以太網(wǎng)設(shè)備及路由對(duì)照明燈具進(jìn)行供電的技術(shù)?，F(xiàn)有的LED照明技術(shù)已與以太網(wǎng)供電技術(shù)進(jìn)行了有效技術(shù)銜接，并形成了成熟的產(chǎn)品。以太網(wǎng)供電系統(tǒng)通常以交換機(jī)作為供電端(PSE)，其供電參數(shù)如表4所示。

表4 照明以太網(wǎng)供電參數(shù)

為確保交換機(jī)的安全性能，需要符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 62368-3:2017[7]對(duì)于ES1能量源的相關(guān)規(guī)定，即在正常工作條件，和不導(dǎo)致單一故障條件的異常工作條件下，和不會(huì)導(dǎo)致超過(guò)ES2限值的單一故障條件下，輸出滿足IEC-62368-1:2018[8]表4規(guī)定，比如直流輸出時(shí)，電壓不超過(guò)60 V。對(duì)于普通人員，經(jīng)過(guò)指導(dǎo)的人員，熟悉的專業(yè)人員，ES1定義為沒(méi)有危害。以太網(wǎng)供電主要分為以下幾個(gè)階段：

1)檢測(cè)。檢測(cè)燈具是否存在。在把燈具連接到供電交換機(jī)時(shí)，供電交換機(jī)必須先檢測(cè)其是否為以太網(wǎng)供電的燈具，以保證拒絕給不符合PoE 標(biāo)準(zhǔn)的燈具提供電流，因?yàn)檫@可能會(huì)造成損壞。該步驟主要的操作是：交換機(jī)通過(guò)檢測(cè)電源輸出線對(duì)之間的阻抗及電容值來(lái)判斷燈具是否存在。檢測(cè)階段輸出電壓為2.8～10 V,電壓極性與-48 V輸出一致。只有檢測(cè)到燈具，供電單元才會(huì)進(jìn)行下一步的操作。燈具存在的特征：直流阻抗在19～26.5 kΩ之間；電容值不超過(guò)150 nF。

2)輸出功率分級(jí)。供電單元確定燈具功耗。PSE通過(guò)檢測(cè)電源輸出電流來(lái)確定燈具功率等級(jí)。本階段端口輸出電壓大小為15.5～20.5 V。電壓極性與-48 V輸出一致。

3)加電。開(kāi)始為燈具供電。當(dāng)檢測(cè)到端口所接設(shè)備屬于合法的燈具時(shí)，并且供電單元完成對(duì)此燈具的分類，供電單元開(kāi)始對(duì)該設(shè)備進(jìn)行供電，輸出-48 V的電壓。

4)供電。對(duì)燈具進(jìn)行持續(xù)供電。

5)實(shí)時(shí)監(jiān)控，電源管理。在供電過(guò)程，實(shí)時(shí)檢測(cè)供電情況。

6)停止供電。如果供電單元檢測(cè)燈具斷開(kāi)，停止供電。供電單元會(huì)通過(guò)特定的檢測(cè)方法來(lái)判斷燈具是否已經(jīng)斷開(kāi)，如果燈具斷開(kāi)，供電單元將關(guān)閉端口輸出電壓。端口狀態(tài)返回到檢測(cè)狀態(tài)。

3.3 直流驅(qū)動(dòng)

直流驅(qū)動(dòng)位于直流照明系統(tǒng)末端，是直流照明系統(tǒng)供電的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，將系統(tǒng)直流供電轉(zhuǎn)化為燈具所需要的直流電并可根據(jù)照明需求具備一定的控制調(diào)節(jié)能力。從供電角度來(lái)看，為提高傳輸效率，供電電壓經(jīng)常高于燈具所需要的電壓，該驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)主要應(yīng)對(duì)這種電壓不匹配的情況，將較高電壓轉(zhuǎn)化為燈具所需要的低電壓。從產(chǎn)品角度來(lái)看，在直流照明系統(tǒng)中，直流驅(qū)動(dòng)替代傳統(tǒng)交流供電燈具中的交流驅(qū)動(dòng)?！吨绷髡彰飨到y(tǒng)技術(shù)規(guī)程》對(duì)直流驅(qū)動(dòng)的輸出電流質(zhì)量、能效、壽命、失效率、安全防護(hù)等方面進(jìn)行了規(guī)定。

4 總結(jié)與展望

《直流照明系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》(T/CECS 705—2020)除規(guī)定直流照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和設(shè)備要求外，同時(shí)也對(duì)直流照明系統(tǒng)的安裝、調(diào)試、驗(yàn)收以及運(yùn)行維護(hù)等方面做出了規(guī)定，以實(shí)現(xiàn)規(guī)范直流照明系統(tǒng)工程實(shí)踐，保證工程質(zhì)量，達(dá)到技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、實(shí)用可靠、維護(hù)方便的編制目的。該標(biāo)準(zhǔn)作為我國(guó)首部關(guān)于直流照明系統(tǒng)的綜合性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，將有利于指導(dǎo)直流照明系統(tǒng)的實(shí)施，對(duì)于促進(jìn)行業(yè)健康發(fā)展，提高光環(huán)境質(zhì)量和降低運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本具有積極作用。