淺談LED照明系統(tǒng)諧波電流對(duì)電能質(zhì)量影響及治理

唐平安

(四川省第六建筑有限公司，四川成都 610084)

“諧波”是周期性非正弦交流量進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)分解所得到的大于基波頻率整數(shù)倍的各次分量。但一直以來，照明設(shè)備引起的配電網(wǎng)諧波問題未能得到重視,通過下面一個(gè)工程實(shí)例，來闡述建筑電氣照明系統(tǒng)中大量使用LED燈具對(duì)電能質(zhì)量嚴(yán)重影響及解決辦法。

1 工程概況及故障跳閘說明

成都某國際五星級(jí)酒店，在運(yùn)營期間，變電所2#變壓器低壓進(jìn)線總開關(guān)跳閘，報(bào)接地故障，N線電流過大，并燒壞弱電控制系統(tǒng)。根據(jù)酒店用戶反映，公司馬上組織人員對(duì)故障原因進(jìn)行分析排查。

1.1 常規(guī)排查

(1)對(duì)地下室變電所接地系統(tǒng)，通過測量絕緣電阻的方式進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)無任何明顯故障點(diǎn)。

(2)排查N線和PE線是否混接，從照明回路到房間內(nèi)的每個(gè)插座回路逐一檢查，發(fā)現(xiàn)部分插座N線和PE線混接，但經(jīng)過處理后，故障并未排除。

通過以上方式，排除接地故障引起的N線電流過大。

1.2 電能質(zhì)量分析

2#變壓器主要供電對(duì)象是酒店的照明負(fù)荷，照明均采用LED光源，包括室外景觀、客房、宴會(huì)廳、公共區(qū)域及保障、應(yīng)急照明。通過觀察，發(fā)現(xiàn)夜晚光彩照明啟動(dòng)時(shí)，N線電流瞬時(shí)值達(dá)1200 A。平時(shí)正常營業(yè)時(shí)，N線電流瞬時(shí)值也達(dá)600 A。引起N線電流過大，主要有3種原因，三相負(fù)荷不平衡、燈具諧波電流、泄露電流。公司請(qǐng)來第三方公司，采用電能質(zhì)量分析儀，對(duì)2#變壓器低壓側(cè)進(jìn)行連續(xù)長時(shí)間電能質(zhì)量數(shù)據(jù)監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)如下：

通過連續(xù)監(jiān)測，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到：

(1)低壓側(cè)電壓畸變率低，符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)低于5%。

(2)電流諧波畸變率高達(dá)54%。

(3)三相不平衡電流8%。

(4)監(jiān)測期間，負(fù)荷率波動(dòng)大，諧波含量最大值THDi=207A。

1.3 2#變壓器低壓負(fù)載電壓、電流波形

2#變壓器低壓負(fù)載側(cè)瞬時(shí)波形見圖1。

圖1 2#變壓器低壓負(fù)載電壓、電流波形

1.4 跳閘分析

由以上數(shù)據(jù)可分析，變電所跳閘(顯示接地故障)是屬于意外跳閘，是諧波和三相不平衡電流疊加導(dǎo)致中性線電流過大的典型故障，電路保護(hù)裝置的意外動(dòng)作取決于工作原理。下面來分析保護(hù)裝置的工作原理：

低壓配電系統(tǒng)接地型式采用TN-S系統(tǒng)，變電所低壓進(jìn)線總開關(guān)采用的帶接地故障保護(hù)的萬能斷路器(4P)，接地故障保護(hù)工作原理為差值型，信號(hào)取至三相電流及N相電流，判斷是否是接地故障是通過對(duì)電流的采樣進(jìn)行矢量和，in=iu+iv+iw+in，當(dāng)I(g)(發(fā)生接地故障時(shí)檢查的電流)>Iset(斷路器接地故障保護(hù)整定值)時(shí)，斷路器跳閘，并報(bào)接地故障。但通過檢查電流來判定是否是接地故障，保護(hù)裝置就會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)作，有2種情況：

(1)在三相四線制配電線路正常運(yùn)行時(shí)，當(dāng)某一相發(fā)生接地故障，導(dǎo)致三相負(fù)荷不平衡，檢測的三相電流加中性線電流相量和增加，I(g)等于接地故障電流。

(2)在三相四線制配電線路正常運(yùn)行時(shí)，三相負(fù)荷平衡，如果存在3次諧波或3的奇數(shù)倍次諧波時(shí)，諧波電流通過中性線，它所引起的中性線電流甚至超過基波相電流，同樣會(huì)引起檢測電流過大，電路保護(hù)裝置被觸發(fā)，但它并不是接地故障。所以接地故障保護(hù)的判定并不適用于存在高次諧波的場所。

2 諧波分析

LED燈作為新型綠色環(huán)保光源，與傳統(tǒng)光源相比具有壽命長，能耗低，高光效，光源小巧等特點(diǎn)，適用于長時(shí)間營業(yè)的商業(yè)建筑。但是，LED燈的驅(qū)動(dòng)電源是把電源供應(yīng)轉(zhuǎn)換為特定的電壓電流以驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光的電源轉(zhuǎn)換器，是一個(gè)很典型的非線性諧波源，含有較高的奇次諧波成分，其中3次諧波電流為主要危害。

國家規(guī)范對(duì)燈具的諧波標(biāo)準(zhǔn)有明確要求，在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)》中，將照明設(shè)備歸為C類設(shè)備，目前此規(guī)范也適用于LED燈具及LED燈具驅(qū)動(dòng)電源。

有功輸入功率大于25W的LED燈具，諧波限值要求不超過表1。

表1 大于25W LED燈具諧波限值

有功輸入功率不大于25W的LED燈具，諧波限值要求需符合下面2項(xiàng)中其中1項(xiàng)：

(1)諧波電流不應(yīng)超過與功率相關(guān)的限值見表2。

表2 不大于25W LED燈具諧波限值

(2)用基波電流百分?jǐn)?shù)表示的3次諧波電流不應(yīng)超過 86%；5次諧波不超過61%；同時(shí)， 假設(shè)基波電壓過零點(diǎn)為0°，輸入電流波形應(yīng)是60°或之前達(dá)到電流閥值，在65°或之前出現(xiàn)峰值，在90°前不能降低電流閥值以下。

從上面規(guī)定可以看出，規(guī)范對(duì)大于25 W燈具的諧波要求嚴(yán)格，但不大于25 W燈具的諧波要求比較寬泛。LED燈具的質(zhì)量及成本主要集中于驅(qū)動(dòng)電源，而驅(qū)動(dòng)電路又是造成諧波的主要根源，這造成燈具廠家在制造25 W以上的燈具時(shí)對(duì)諧波電流進(jìn)行嚴(yán)格控制，以滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，但25 W以下的燈具，廠家為了節(jié)約成本等考慮，并沒有采用過多措施抑制諧波電流。反而造成小功率的LED燈具質(zhì)量良莠不齊，諧波含量超標(biāo)現(xiàn)象。

實(shí)例中的國際五星級(jí)酒店，奢華的室外景觀照明，近400間豪華套房，2 000 m2的會(huì)議室，5個(gè)宴會(huì)廳，小于25 W的LED燈具在酒店建筑中運(yùn)用的更為廣泛，單個(gè)燈具造成的問題并不嚴(yán)重，但是像酒店這樣大規(guī)模集中使用時(shí)，其產(chǎn)生的諧波將不可忽視。

3 LED燈的諧波危害

為貫徹執(zhí)行資源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)的國家發(fā)展戰(zhàn)略政策，引導(dǎo)綠色建筑健康發(fā)展，LED燈具被大量使用推廣，在公共建筑設(shè)計(jì)中，已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)配置。但隨著室內(nèi)外傳統(tǒng)照明被LED燈具全范圍取代，LED燈的諧波電流帶來的危害開始凸顯，對(duì)變壓器、繼電保護(hù)、并聯(lián)電容器、通訊設(shè)備、斷路器等均有影響。根據(jù)工程實(shí)例，對(duì)LED燈的諧波危害進(jìn)行幾個(gè)方面闡述。

3.1 中性線的過流

中性線流過的電流是三相不平衡電流，如果三相負(fù)荷平衡，三相相位相差120°，中性線電流是矢量疊加總和為零，in=iu+iv+iw=0，現(xiàn)實(shí)中很難存在絕對(duì)的三相平衡，但在各種技術(shù)措施規(guī)范中，都要求盡量保持三相平衡。因此，流過中性線電流都很小，最極端的情況也只是中性線電流等于相電流，以上結(jié)論僅適用于傳統(tǒng)線性負(fù)載。

下面來分析當(dāng)設(shè)備中存在很多非線性負(fù)載，中性線電流情況。

將電流進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)分解，n>1的各分量為諧波，在三相中諧波電流表示見圖2。

圖2 相線和中性線上三次諧波電流

U相：

(1)

V相：

(2)

W相：

(3)

由式(1)～式(3)可得，當(dāng)n=3時(shí)，三相電流相位相同，流過中性線諧波電流是三相諧波電流疊加：

in3+iu3+iv3+iw3=3iu3三相平衡系統(tǒng)中，LED燈具的諧波電流，影響最顯著的是三次諧波。中性線三次諧波電流值等于相線諧波電流的3倍。當(dāng)三次諧波電流超過基波電流的33%，它所引起的中性線電流電流超過基波的相電流。

一般照明配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，照明按正常的I=P/UCOSφ計(jì)算電流，設(shè)計(jì)師往往忽略燈具諧波的影響，從實(shí)例中的電能監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，在大規(guī)模使用LED照明的的場所，不考慮燈具諧波是有嚴(yán)重問題的，不但會(huì)引起接地保護(hù)裝置誤動(dòng)作，影響酒店的正常經(jīng)營，更危險(xiǎn)的是中性線過熱，加速絕緣層老化，留下嚴(yán)重火災(zāi)隱患，主要有3個(gè)原因：

(1)設(shè)計(jì)在選擇導(dǎo)體截面時(shí)，未考慮諧波影響，中性線截面不大于相線截面。

(2)中性線不同于相線，沒有保護(hù)裝置，在過流情況下保護(hù)開關(guān)不動(dòng)作，發(fā)熱嚴(yán)重。

(3)諧波帶來高頻電流(n×50HZ)，形成趨膚效應(yīng)，產(chǎn)生更多熱量。

3.2 變壓器的過熱

本案例中，選用的是D，ynll接線組別的配電變壓器，這種變壓器在諧波治理中優(yōu)勢是二次側(cè)負(fù)載產(chǎn)生的三次及其倍數(shù)次諧波會(huì)在D，ynll接線組別變壓器的一次側(cè)形成繞組內(nèi)環(huán)流，故可有效地防止此類諧波經(jīng)變壓器傳人一次側(cè)的電網(wǎng)中。但缺點(diǎn)是諧波并未消除，而是在變壓器△繞組中形成的環(huán)流會(huì)產(chǎn)生附加損耗，變壓器一次繞組將出現(xiàn)高的溫升，引起變壓器過熱，使得絕緣損壞。同時(shí)變壓器鐵芯產(chǎn)生磁致伸縮和噪聲，電抗器產(chǎn)生振動(dòng)。

在電能監(jiān)測期間是酒店?duì)I業(yè)淡季，2#變壓器負(fù)載率不足20%情況下，變壓器溫控儀顯示溫度達(dá)85 ℃，雖然沒達(dá)到變壓器高溫報(bào)警跳閘的極限，但是85 ℃的高溫，足以反映出諧波電流對(duì)變壓器發(fā)熱影響。

3.3 弱電設(shè)備損壞

根據(jù)酒店業(yè)主反映，營業(yè)以來，弱電控制系統(tǒng)經(jīng)常發(fā)生燒壞現(xiàn)象。這一現(xiàn)象是由于零線存在大量諧波電流，而通訊、廣播、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、樓控系統(tǒng)等弱電設(shè)備對(duì)供電質(zhì)量敏感度高，在諧波的干擾下會(huì)導(dǎo)致燒毀電源模塊，擊穿芯片，廣播設(shè)備無法工作。

4 諧波治理

為了改善電能質(zhì)量，確保電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，大量使用LED燈具作為照明系統(tǒng)的項(xiàng)目，諧波總體從3個(gè)方向抑制。

4.1 諧波源頭的控制

LED燈具諧波來源于驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電源在整個(gè)燈具中的作用就好比像人的心臟一樣重要，隨著LED需求的迅速增長，生產(chǎn)LED燈具的廠家不斷激增，大量低品質(zhì)的LED燈具在市面上出現(xiàn)，在采購時(shí)應(yīng)選擇專業(yè)的LED制造廠家，專業(yè)廠家會(huì)在驅(qū)動(dòng)電路中增加抑制諧波措施，讓燈具的諧波含量符合規(guī)范要求。雖然采購正規(guī)的LED燈具會(huì)增加初期采購成本，但是和低劣的LED燈具所產(chǎn)生的諧波電流總量危害整個(gè)供電系統(tǒng)和用戶生產(chǎn)經(jīng)營，給后期帶來巨大的維護(hù)成本相比較，預(yù)防、控制諧波源頭，是最根本解決照明系統(tǒng)諧波問題的方法。

4.2 針對(duì)新建工程，應(yīng)預(yù)防性采用措施解決諧波

設(shè)計(jì)人員根據(jù)LED燈具諧波特征、系統(tǒng)阻抗及公共聯(lián)接點(diǎn)或諧波側(cè)量點(diǎn)的要求，按實(shí)際配電需要，有針對(duì)性地進(jìn)行諧波抑制:

(1)選用D，ynll接線組別的配電變壓器，且該變壓器的負(fù)載率不宜高。

(2)照明系統(tǒng)采用專用配電回路或?qū)Ｓ米儔浩鞴╇姟?/p>

(3)改善三相不平衡度，照明各相負(fù)荷宜平衡分配，最大相負(fù)荷不宜大于三相負(fù)荷平均值的115%，最小相負(fù)荷不宜小于三相負(fù)荷平均值的85%。

(4)LED燈具的自然功率因數(shù)一般較高，當(dāng)照明負(fù)荷容量占配電變壓器容量比例較大時(shí)，宜在變壓器低壓配電母線側(cè)集中裝設(shè)有源電力濾波器。

(5)當(dāng)三次諧波電流超過33%時(shí)，未設(shè)濾波裝置時(shí)，它所引起的中性線電流超過基波的相電流，此時(shí)應(yīng)按中性線電流選擇導(dǎo)體截面。計(jì)算電流除以表3中的校正系數(shù)。

表3 中性線導(dǎo)體截面電流校正系數(shù)

(6)音樂廳及影劇院等建筑物中，舞臺(tái)調(diào)光裝置宜采取有效的諧波抑制措施；當(dāng)未采取措施時(shí)，其供電線路的中性導(dǎo)體截面積，應(yīng)為相導(dǎo)體截面積的2倍。

(7)功率因數(shù)補(bǔ)償電容器組宜配電抗器，抑制高次諧波引起電容器與用電系統(tǒng)可能發(fā)生的并聯(lián)諧振。

4.3 已建工程的補(bǔ)救措施

針對(duì)已建工程，項(xiàng)目已經(jīng)形成被動(dòng)局面，應(yīng)采用吸收濾波這種補(bǔ)救措施，包括有源濾波器、無源濾波器。

(1)有源濾波補(bǔ)償器是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、精確補(bǔ)償無功的新型電力電子裝置，它能夠?qū)Υ笮『皖l率都變化的諧波以及變化的無功進(jìn)行動(dòng)態(tài)精確補(bǔ)償。可以同時(shí)濾除多次及高次諧波，濾除率高達(dá)95%以上，且不會(huì)引起諧振。

(2)無源濾波器，主要由濾波電容器、濾波電抗器、無感電阻和控制保護(hù)系統(tǒng)組合而成。當(dāng)電感與電容串聯(lián)形成串聯(lián)諧振，對(duì)基波呈容性，電容對(duì)基波頻率產(chǎn)生無功功率補(bǔ)償，對(duì)諧波形成低阻抗，讓諧波流入濾波器。

此工程實(shí)例中，2#變壓器負(fù)荷主要是照明系統(tǒng)用電，3次諧波含量高，而酒店運(yùn)營特點(diǎn)，淡季和旺季，白天和晚上，照明負(fù)荷率變化大，諧波含量隨負(fù)荷率變化。根據(jù)負(fù)荷特點(diǎn)，在2#變壓器配電前端設(shè)置300 A的有源濾波器，保證負(fù)荷率最大的時(shí)候，配電系統(tǒng)能夠正常工作。諧波治理后的三相電流見圖3。

圖3 諧波治理后三相電流

通過圖3看出，投入濾波裝置，N線電流明顯下降，低壓總開關(guān)意外跳閘，弱電設(shè)備燒壞等問題得到解決，同時(shí)降低中性線、變壓器發(fā)熱，解除潛在火災(zāi)隱患。不但保證了酒店正常運(yùn)營，同時(shí)提高用電環(huán)境安全系數(shù)。

5 結(jié)論

綜上所述要減少諧波對(duì)電器設(shè)備的影響，確保正常使用，得出以下結(jié)論。

(1)加強(qiáng)對(duì)市場的監(jiān)管和檢查，對(duì)不符合國家規(guī)定的電氣產(chǎn)品不能進(jìn)入市場。

(2)從設(shè)計(jì)階段就要考慮諧波對(duì)使用造成的影響，在設(shè)計(jì)時(shí)就增設(shè)諧波抑制措施。

(3)施工單位在施工過程中嚴(yán)格按照規(guī)范施工，接線正確，接地牢固可靠。通過各方努力，才能保證用戶正常使用。