夜景照明電氣系統設計中的常見問題及解決方法

宋賽春 金承璋

1華建集團上海建筑設計研究院有限公司，上海200041

2上海市路燈管理中心，上海200235

0 城市夜景照明的發展歷程與趨勢

隨著城市的現代化建設和城市的夜景照明工程的快速發展，自1879年愛迪生發明了第一只鎢絲白熾燈以來，照明技術進入了一個嶄新的時代。特別是1882年7月26日下午7時，在上海點亮了中國第一盞電燈，這是上海文明史和中國電燈歷史上的一個重要時刻。[1]照明技術從最早的傳統點燈照明轉變為現代的智能照明，從而進入了一個嶄新的時代，為城市夜景照明提供了新的平臺和契機。

目前，大部分城市居民的業余休閑有了多樣化的選擇，很多城市居民改變了原先的生活習慣，夜間經常會參加各種休閑娛樂活動，大量商業設施也因此延長了營業時間，夜間會舉辦不同類型的公共活動，吸引城市居民參與。這樣一方面可以豐富城市居民的夜間生活，另外一方面也可以提升城市品位，打造城市名片。通常，城市的夜景對一個城市的文化建設和形象打造起著十分顯著的推動作用，許多發達城市現在已經形成了比較成熟的夜景游覽景點。例如北京市長安街的夜景以及上海市外灘的夜景，這些城市的夜景游覽景點不僅能夠吸引大量外地游客觀光消費，而且能夠提升城市整體形象和城市經濟發展的綜合水平，還能提高市民生活的幸福感，一定程度上刺激了消費，推進了城市的經濟建設和發展。

1 夜景照明電氣系統常見問題

夜景照明工程不斷發展，由原本的單棟樓使用幾臺泛光燈以實現簡單夜景燈光效果，逐步發展為今天的外立面大規模的燈光效果，電氣容量大幅提升。用電量的攀升也逐步帶來了一些配電方面的問題，尤其是LED成為主流應用后，配套的開關電源帶來的一系列問題，產生了一定的電氣危害。當前夜景照明配電中的常見問題，主要包含以下幾種：

（1）配電箱設計不夠合理，斷路器的整定電流與電纜線不匹配，沒有起到有效的保護作用；

（2）夜景照明配電系統中電線電纜和控制線的選擇和敷設不合理，沒有按照相關規范或規定的要求執行；

（3）照明電氣設備選擇不合理，所產生的諧波會對電氣系統造成較大的影響。

2 解決方法

針對以上夜景照明電氣系統中出現的問題，解決方法如下。

（1）夜景照明專用配電箱是夜景照明配電線路中不可缺少的一部分，它的重要性是不言而喻的。首先，需要考慮配電箱安裝容量，它應與實際用電負載相匹配，再詳細計算回路末端的用電負載，確定配電箱的安裝容量。在選擇合理的總開關時，不得小于末端實際負載的總和，配電箱內斷路器的選擇，動作電流應小于電纜的最大載流量，且在回路上端應設漏電保護裝置（漏電動作電流不應大于30 mA，漏電動作時間不應大于0.1 s）[2]。其次，要考慮配電箱的安裝位置，室內安裝時應盡可能設置在專業設備房內（如強電間內），室外安裝時應選擇防水型配電箱，IP等級不小于54，考慮設備所處環境的安全性、外觀的美觀性，避免潮濕度高的地方以及容易積水的區域，且避免人體可以隨意觸碰的位置（高度）。所有配電箱都應制作磚砌、混凝土或基礎槽鋼，景觀照明配電箱應設重復接地保護，外觀應結合周邊環境，可利用植物進行遮擋，考慮隱蔽安裝。另外，選擇位置還應考慮照明用電設備的需求，一般供電半徑不宜超過300 m，在配電線路較長，應考慮電纜線路壓降及損耗，盡可能靠近用電負載中心位置以及用電量較大的地方。

（2）夜景照明的配電系統中電線電纜和控制線需要合理選擇、合規敷設。在室外照明配電線路中，一般選用銅芯電纜，截面積不應小于2.5mm2；在選擇電線、電纜及敷設方式時，應考慮環境溫度、浸水及腐蝕性等外部影響；在不同條件下選擇電線、電纜的安全載流量值時，可查圖集《建筑電氣常用數據》中的表6.1和表6.8。在室外敷設、直埋敷設時，應選擇鎧裝電纜或穿管敷設時應選用護套電纜等；在過路埋地敷設時，應采用焊接鋼管（熱鍍鋅）或無縫鋼管保護，并要符合其允許溫升的對應值，可查《照明設計手冊》中的表4-8。夜景照明信號控制線采用超五類屏蔽或非屏蔽網線，敷設長度一般不超過100 m，超出100 m時應采用光纖傳輸信號。信號線和電源線同方向敷設時，要分開走管；信號線必須一跟到底，盡量避免中間有接頭；每個接線節點和回路末尾都要做好絕緣、防水保護。

（3）在夜景照明電力系統中，電力傳輸、轉換和使用的各個環節中都會產生諧波。諧波電流是一切諧波問題的根源，變壓或變流設備的使用是主要的諧波源[3]。諧波的危害及影響有很多，比如變壓器的損耗增加、發熱嚴重、設備的利用率降低，電流傳輸線路的損耗增加、發熱、絕緣老化加速、使用壽命縮短、其使用的經濟性降低，系統中其他設備的損耗增加，信號的傳輸降低造成控制的不穩定等等。

根據多個項目實際測試數據顯示，主要負載特點是由單相整流設備、開關電源、LED燈具、LED屏等電力電子設備構成，這些單相整流設備和節能電子產品在運行時，會產生大量諧波電流。市場上使用的開關電源一般都采用脈沖寬度調制（PWM）技術，因為頻率高，在高頻通斷狀態下，其本身就是電磁干擾源，同時產生很強的電磁干擾EMI，而且產生的電磁干擾信號頻率范圍非常寬[4]，以150 Hz頻率含有率為最高。3次諧波最高可達基波電流頻率的80%以上，由于3次諧波電流的矢量角度一樣,三相矢量合不能抵消,只能往零線上疊加，使零線電流達火線的2倍以上，如圖1所示。在工程中，通常零線截面積一般會小于或等于相線的截面積，而且零線不會安裝保護裝置，所以當零線電流過大時，不會引起保護措施。當零線電流達到其載流量的安全值時，零線過熱并導致被燒斷，最終可能引起火災。

圖1 三相交流波形圖

在上海浦東博康辦公樓夜景亮化工程中，因為外立面安裝有大量的LED燈具（24V電壓），所以配置了很多開關電源。在進行階段調試時發現，配電箱進、出線電纜零線發燙，開關電源有發熱等現象，而且回路開關跳閘頻繁。通過現場對電箱進、出線的電流實測，發現相線電流分別為60 A、65 A、62 A，與設計計算電流基本吻合，而零線電流為160 A。由于零線電流過大，電纜的零線超負荷，進一步加速電纜外層的絕緣保護層老化，增加火災的隱患，最終可能造成重大經濟損失。諧波濾波一般分為兩種，有源式和無源式，加裝了無源式的零線電流消除器后（如圖2所示），對零線電流進行實測，結果顯示零線電流為25—30A，效果顯著，有效地解決了零線過流發熱、開關電源發燙、跳閘等一系列問題，避免了對其它電氣設備和電網等造成損害。

圖2 設備應用示意圖

在夜景照明工程中，開關電源是諧波源的主要來源之一。在DC/DC轉換過程中，由于其開關電源工作在高頻通斷狀態，高速瞬變過程本身就是電磁干擾源。目前，有很多開關電源都具有功率因數校正功能（PFC），可提升功率因素值90%以上。

當某一種電子類型設備對電能的使用效率較高，則功率因素的數值對應比較大，功率因數校正電路可以最大限度地改善電能使用效率，有效減少設備運行中出現的諧波影響。一般在沒有功率因數校正電路時，其功率因數的數值只能保持在0.5-0.6的范圍之內，同時電源裝置會出現較大的諧波電流，導致電網的電壓波形出現畸變，最終會對相關電子設備的日常運行造成干擾。

在上海久隆電力大廈的夜景照明工程中，從經濟性考慮并同時滿足使用要求時，使用的是明緯 SP系列電源，內置主動式功率因素校正電路，PF＞0.95。通過實測發現，相線電流為65 A、70 A、62 A，零線電流為20A，較為合理。SP系列的開關電源采用的是主動式功率因數校正（PFC），由電感電容及其他電子元器件組成，通過專用IC去調整電流的波形，對電流電壓之間的相位差進行補償。此外，主動式輸出直流電壓的波紋很小，這種電源不必采用較大容量的濾波電容[5]。采用PFC功能有助于改善自身的使用效率，減少了用電耗能，有效降低了電力中的諧波污染。

3 結語

夜景照明設計是一項系統工程，體現照明技術和人文藝術的完美結合。對于一座城市來說。夜景燈光亮化不僅僅是市政環境建設的內容，可以提升城市品位，打造城市名片，增加城市空間的吸引力，同時也帶來了一系列的問題。因此，文章以夜景照明配電中的常見問題作為研究對象，具體分析了夜景照明電氣設備以及電氣設計、施工中應注意的地方，并重點介紹了采用諧波治理和選擇具有功率因素校正功能電氣設備等不同方法，從而解決了照明電氣中的諧波問題。