淺談LED照明系統(tǒng)諧波電流對電能質量影響及治理

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行傅里葉級數分解所得到的大于基波頻率整數倍的各次分量。但一直以來，照明設備引起的配電網諧波問題未能得到重視,通過下面一個工程實例，來闡述建筑電氣照明系統(tǒng)中大量使用LED燈具對電能質量嚴重影響及解決辦法。

1 工程概況及故障跳閘說明

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

1.1 常規(guī)排查

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

(2)排查N線和PE線是否混接，從照明回路到房間內的每個插座回路逐一檢查，發(fā)現部分插座N線和PE線混接，但經過處理后，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 電能質量分析

2#變壓器主要供電對象是酒店的照明負荷，照明均采用LED光源，包括室外景觀、客房、宴會廳、公共區(qū)域及保障、應急照明。通過觀察，發(fā)現夜晚光彩照明啟動時，N線電流瞬時值達1200 A。平時正常營業(yè)時，N線電流瞬時值也達600 A。引起N線電流過大，主要有3種原因，三相負荷不平衡、燈具諧波電流、泄露電流。公司請來第三方公司，采用電能質量分析儀，對2#變壓器低壓側進行連續(xù)長時間電能質量數據監(jiān)測，監(jiān)測數據如下：

通過連續(xù)監(jiān)測，數據統(tǒng)計得到：

(1)低壓側電壓畸變率低，符合國家相關標準低于5%。

(2)電流諧波畸變率高達54%。

(3)三相不平衡電流8%。

(4)監(jiān)測期間，負荷率波動大，諧波含量最大值THDi=207A。

1.3 2#變壓器低壓負載電壓、電流波形

2#變壓器低壓負載側瞬時波形見圖1。

圖1 2#變壓器低壓負載電壓、電流波形

1.4 跳閘分析

由以上數據可分析，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致中性線電流過大的典型故障，電路保護裝置的意外動作取決于工作原理。下面來分析保護裝置的工作原理：

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

(1)在三相四線制配電線路正常運行時，當某一相發(fā)生接地故障，導致三相負荷不平衡，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行時，三相負荷平衡，如果存在3次諧波或3的奇數倍次諧波時，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，同樣會引起檢測電流過大，電路保護裝置被觸發(fā)，但它并不是接地故障。所以接地故障保護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，適用于長時間營業(yè)的商業(yè)建筑。但是，LED燈的驅動電源是把電源供應轉換為特定的電壓電流以驅動LED發(fā)光的電源轉換器，是一個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)范對燈具的諧波標準有明確要求，在GB 17625.1-2012《電磁兼容 限值 諧波電流發(fā)射限值 (設備每相輸入電流≤16A)》中，將照明設備歸為C類設備，目前此規(guī)范也適用于LED燈具及LED燈具驅動電源。

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項中其中1項：

(1)諧波電流不應超過與功率相關的限值見表2。

表2 不大于25W LED燈具諧波限值

(2)用基波電流百分數表示的3次諧波電流不應超過 86%；5次諧波不超過61%；同時， 假設基波電壓過零點為0°，輸入電流波形應是60°或之前達到電流閥值，在65°或之前出現峰值，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)范對大于25 W燈具的諧波要求嚴格，但不大于25 W燈具的諧波要求比較寬泛。LED燈具的質量及成本主要集中于驅動電源，而驅動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以上的燈具時對諧波電流進行嚴格控制，以滿足規(guī)范標準，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燈具質量良莠不齊，諧波含量超標現象。

實例中的國際五星級酒店，奢華的室外景觀照明，近400間豪華套房，2 000 m2的會議室，5個宴會廳，小于25 W的LED燈具在酒店建筑中運用的更為廣泛，單個燈具造成的問題并不嚴重，但是像酒店這樣大規(guī)模集中使用時，其產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)境保護的國家發(fā)展戰(zhàn)略政策，引導綠色建筑健康發(fā)展，LED燈具被大量使用推廣，在公共建筑設計中，已經成為標準配置。但隨著室內外傳統(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，對變壓器、繼電保護、并聯電容器、通訊設備、斷路器等均有影響。根據工程實例，對LED燈的諧波危害進行幾個方面闡述。

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，現實中很難存在絕對的三相平衡，但在各種技術措施規(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，以上結論僅適用于傳統(tǒng)線性負載。

下面來分析當設備中存在很多非線性負載，中性線電流情況。

將電流進行傅里葉級數分解，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n=3時，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)設計中，照明按正常的I=P/UCOSφ計算電流，設計師往往忽略燈具諧波的影響，從實例中的電能監(jiān)測數據來看，在大規(guī)模使用LED照明的的場所，不考慮燈具諧波是有嚴重問題的，不但會引起接地保護裝置誤動作，影響酒店的正常經營，更危險的是中性線過熱，加速絕緣層老化，留下嚴重火災隱患，主要有3個原因：

(1)設計在選擇導體截面時，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，沒有保護裝置，在過流情況下保護開關不動作，發(fā)熱嚴重。

(3)諧波帶來高頻電流(n×50HZ)，形成趨膚效應，產生更多熱量。

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)勢是二次側負載產生的三次及其倍數次諧波會在D，ynll接線組別變壓器的一次側形成繞組內環(huán)流，故可有效地防止此類諧波經變壓器傳人一次側的電網中。但缺點是諧波并未消除，而是在變壓器△繞組中形成的環(huán)流會產生附加損耗，變壓器一次繞組將出現高的溫升，引起變壓器過熱，使得絕緣損壞。同時變壓器鐵芯產生磁致伸縮和噪聲，電抗器產生振動。

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

3.3 弱電設備損壞

根據酒店業(yè)主反映，營業(yè)以來，弱電控制系統(tǒng)經常發(fā)生燒壞現象。這一現象是由于零線存在大量諧波電流，而通訊、廣播、計算機網絡、樓控系統(tǒng)等弱電設備對供電質量敏感度高，在諧波的干擾下會導致燒毀電源模塊，擊穿芯片，廣播設備無法工作。

4 諧波治理

為了改善電能質量，確保電力系統(tǒng)安全經濟運行，大量使用LED燈具作為照明系統(tǒng)的項目，諧波總體從3個方向抑制。

4.1 諧波源頭的控制

LED燈具諧波來源于驅動電路，驅動電源在整個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LED燈具的廠家不斷激增，大量低品質的LED燈具在市面上出現，在采購時應選擇專業(yè)的LED制造廠家，專業(yè)廠家會在驅動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燈具會增加初期采購成本，但是和低劣的LED燈具所產生的諧波電流總量危害整個供電系統(tǒng)和用戶生產經營，給后期帶來巨大的維護成本相比較，預防、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 針對新建工程，應預防性采用措施解決諧波

設計人員根據LED燈具諧波特征、系統(tǒng)阻抗及公共聯接點或諧波側量點的要求，按實際配電需要，有針對性地進行諧波抑制:

(1)選用D，ynll接線組別的配電變壓器，且該變壓器的負載率不宜高。

(2)照明系統(tǒng)采用專用配電回路或專用變壓器供電。

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

(4)LED燈具的自然功率因數一般較高，當照明負荷容量占配電變壓器容量比例較大時，宜在變壓器低壓配電母線側集中裝設有源電力濾波器。

(5)當三次諧波電流超過33%時，未設濾波裝置時，它所引起的中性線電流超過基波的相電流，此時應按中性線電流選擇導體截面。計算電流除以表3中的校正系數。

表3 中性線導體截面電流校正系數

(6)音樂廳及影劇院等建筑物中，舞臺調光裝置宜采取有效的諧波抑制措施；當未采取措施時，其供電線路的中性導體截面積，應為相導體截面積的2倍。

(7)功率因數補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)生的并聯諧振。

4.3 已建工程的補救措施

針對已建工程，項目已經形成被動局面，應采用吸收濾波這種補救措施，包括有源濾波器、無源濾波器。

(1)有源濾波補償器是一種用于動態(tài)抑制諧波、精確補償無功的新型電力電子裝置，它能夠對大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進行動態(tài)精確補償。可以同時濾除多次及高次諧波，濾除率高達95%以上，且不會引起諧振。

(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系統(tǒng)組合而成。當電感與電容串聯形成串聯諧振，對基波呈容性，電容對基波頻率產生無功功率補償，對諧波形成低阻抗，讓諧波流入濾波器。

此工程實例中，2#變壓器負荷主要是照明系統(tǒng)用電，3次諧波含量高，而酒店運營特點，淡季和旺季，白天和晚上，照明負荷率變化大，諧波含量隨負荷率變化。根據負荷特點，在2#變壓器配電前端設置300 A的有源濾波器，保證負荷率最大的時候，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，低壓總開關意外跳閘，弱電設備燒壞等問題得到解決，同時降低中性線、變壓器發(fā)熱，解除潛在火災隱患。不但保證了酒店正常運營，同時提高用電環(huán)境安全系數。

5 結論

綜上所述要減少諧波對電器設備的影響，確保正常使用，得出以下結論。

(1)加強對市場的監(jiān)管和檢查，對不符合國家規(guī)定的電氣產品不能進入市場。

(2)從設計階段就要考慮諧波對使用造成的影響，在設計時就增設諧波抑制措施。

(3)施工單位在施工過程中嚴格按照規(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。