城市LED路灯的谐波测量与分析

王 琼 / 王 娟 .

中国建筑设计研究院，北京 100044； 2.中国中元国际工程公司，北京 100089

1 前言

随着全球性节能要求的日益严格，我国大力支持节能型的科技创新及节能产品产业化，发光二极管（Light Emitting Diode简称LED灯)随之出现。目前看来，LED灯的使用确实能大大节约电能，但在使用过程中是否会产生谐波，影响电能的质量值得大家思考。本文从对城市LED路灯的实测展开分析，提出了有效的建议。

2 LED照明的特性及应用范围

自从1968年第一批LED进入市场以来，至今已30多年。随着新材料开发和工艺的改进，LED趋于高亮度化和全色化。以氮化镓为基底的蓝色LED的出现，更是扩展了LED的应用领域。LED属于全固体冷光源，体积小、重量轻、结构坚固、工作电压低以及使用寿命长。单体LED的功率一般为0.05～1W，但通过集群的方式可以满足不同的需要。

在照明领域，LED发光产品的应用正吸引着世人的目光，它作为一种新型的绿色光源产品，21世纪将进入以LED为代表的新型照明光源时代。

2.1 LED光源的优点

LED光源具有以下优点：

（1）新型绿色环保光源：LED运用冷光源，使用中不产生有害物质。LED的环保效益更佳，光谱中没有紫外线和红外线，而且废弃物可回收，没有污染，不含汞元素，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。

（2）寿命长：LED为固体冷光源，环氧树脂封装，抗震动，灯体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积和光衰等缺点，使用寿命可达6万～10万h，是传统光源的10倍以上。好的LED产品性能稳定，可在-30℃～50℃环境下正常工作。

（3）多变幻：LED光源可利用红、绿、蓝三基色原理，在计算机技术控制下使用3种颜色具有256级灰度并任意混合，即可产生16 777 216种颜色。LED组合的光色变化多端，可实现丰富多彩的动态变化效果及各种图像。

（4）高新技术： LED光源是低压微电子产品，成功地融合了计算机技术、网络通信技术、图像处理技术和嵌入式控制技术等。

2.2 LED的应用

近年来，LED市场规模快速提升，同时应用领域也扩展到各个产业，其中主要有以下几个方面的应用。

（1）在显示屏中的应用。目前LED显示屏已经广泛应用于车站、银行、各类型交易所和医院等。在LED需求量上看，LED显示屏仅次于LED指示灯，名列第二，占到LED整体销量的23.1%。另外全彩色LED显示屏凭借其独特的优势，还广泛的应用于体育场馆、市政广场、车站和机场等场所。

（2）在汽车车灯中的应用。从整个LED应用市场看，在汽车上应用的市场还处于萌芽状态，规模较小。LED作为汽车车灯主要得益于定向好、低功耗、长寿命和速度快等特点。虽然LED目前面临着功率低以及相关政策的限制，要进入汽车尾灯及前灯市场还需要一定时间，但随着技术的进步，LED车灯最终将打开汽车车灯的市场。

（3）在室内装饰灯中的应用。室内装饰灯市场是LED的另一个新兴市场。通过控制电流，LED可以实现上千种颜色的变化。LED颜色多样化的特性，非常有利于在LED装饰灯市场的发展。LED已经开始被做成小型装饰灯、装饰幕墙在酒店和居室中应用。

（4）在景观照明中的应用。由于LED灯功耗低，其在用电量大的景观照明市场中有很强的竞争力。目前LED已经越来越多地应用到景观照明中。

3 谐波的危害性

随着我国电网的发展，各种非线性的输配电和用电设备纷纷进入电网。这些设备，即使施加的电压波形是纯正弦的，其电流波形也会发生畸变。电力系统中主要的谐波源是各种换流装置、电子电压调整设备、电弧炉、感应炉以及现代工业设备为节能和控制使用的各种电力电子设备，还有多种家用电器和照明设备等。

谐波对电力系统电磁环境的污染将危害到系统本身及广大电力用户，危害面十分广泛，归纳起来主要有以下几个方面：

（1）产生附加损耗，增加设备温升。与基波电流相比，尽管谐波电流的比例不大，但设备的有效电阻会因集肤效应而增大，在有铁芯的电气设备中，铁芯的磁滞损耗和涡流损耗也将增大。这些附加损耗除增加电力系统的损耗外，还使设备温升增加，尤其局部发热点的温升可能增加更多，使设备绝缘老化加速。

（2）恶化绝缘条件，缩短设备的使用寿命。除附加发热影响绝缘寿命外，还因为在较高频率的电场作用下，绝缘的局部放电加剧，损耗显著增加，致使其温升提高。当电压畸变波形出现尖顶波时，还增加了局部放电强度，从而降低绝缘寿命。

（3）可能引起电机的机械振动。由谐波电流和电机旋转磁场相互作用产生的脉动转矩可能使电机发生振动，但电机的机械系统的自然频率在受到上述转矩的激发而可能引起共振时，就会损坏电机设备，危机人身安全。

（4）对继电保护、自动控制装置和计算机产生干扰和造成误动作。这些保护和控制设备通常都是以工作中所加电压或电流的工频和正弦波形而设计的，谐波的存在使他们的正常工作条件受到干扰，严重时将造成误动作。

（5）影响测量仪表的精度，造成电能计量的误差。

（6）干扰相邻通信线路和铁道信号线路的正常工作。

当然，谐波危害的程度将因谐波量的大小以及设备的其他各种条件的不同而不同。但危害是客观存在的，应予以足够的重视和有效的监测管理。同时对于新引入电网的用电设备和输配电设备，特别是即将大范围应用的设备（例如本文所研究的LED路灯），在使用之前对其进行谐波分析与评估也是非常必要的。

LED作为传统光源的替代者，以其节能、绿色环保、长寿命和高可靠性等优点得到广泛的重视，特别是最近几年，由于研发大功率LED灯的成本急剧下降，在不久的未来，LED的大规模应用将会实现。然而，在看到LED众多优点的同时，对于其大规模应用而引起的电能质量问题，特别是所产生谐波对电网影响方面的研究，目前还没有足够的相关数据。

本文针对LED路灯的大规模应用，根据最新的电能质量国标，采用先进的电能质量测量仪表，对多种不同类型路灯的所产生的谐波进行了测量分析并与LED路灯进行了对比。同时结合城市电网对电能质量的要求，收集了大量的数据，在数据分析的基础上，给出了关于LED路灯大规模应用所产生的谐波对电网的影响程度。

4 LED谐波测量以及数据分析

在本文中，为了准确而全面地分析LED路灯产生谐波的情况，我们做了一系列的测量分析，不仅测试了LED路灯在正常使用时的谐波，同时还测量了其他多种类型的路灯，例如钠灯、节能灯和汞灯等。通过对比分析，得出了LED谐波的分布情况。

4.1 测试仪表

在本文中，测试谐波所采用的测试工具是Fluke 430系列电能质量分析仪，如图1所示。该分析仪除了具有测量精度高之外还有许多其他方面的优点，例如：实时故障排查，安全等级达到600VCatIV/1000VCATIII标准，能够测量进户线电力质量，同时捕捉电源各相上的200kHz波形数据，测量满足严格的国际 IEC 61000-4-30 Class A标准等等。

图1 Fluke 430 电能质量分析仪

4.2 测试方法

为全面分析LED路灯的谐波分布情况，在测量LED路灯谐波数据的同时，进行了多种其他类型发光源的谐波测量分析，各测量对象参数如表1所示。

表1 测量对象参数表

在进行谐波测量时，测量的时间间隔为15min，每次测量采样时间为3s，即取3s内各次谐波的平均有效值。对于测量所得的各次谐波测量值，舍去偶然因素出现的最高值后，选取其中的最大值，作为谐波计算和分析的依据，具体为采用95%概率最大值。另外，主要需要测量的电参数有：电压、电流、功率、功率因素、各次谐波含有率以及总的谐波含有率。

图2 LED路灯外形及谐波测量接线方式

4.3 测量数据

各测量数据如表2所示，其中取具有代表性的2，3，5，7次谐波以及总的畸变率进行分析对比，分析的依据是GB／T 14549-1993《电能质量 公用电网谐波》。从表中可以看出钠灯，节能灯和自镇流荧光高压贡灯的总畸变率都大大超过国标所规定的5%限制，只有LED灯小于5%，符合国标标准。

表2 测量数据

图3 LED灯的谐波频谱分布

5 结论

LED作为新型节能光源，已越来越多的运用于节能场所。自2009年以来，LED道路灯具已成为半导体及照明行业的焦点。国家科技部推出的“十城万盏”半导体照明应用示范城市方案，使越来越多的地方政府认识到LED的节能特性，相关政府部门对在各地方的道路照明中使用LED道路灯具的积极性日渐高涨。随着LED光效的提高，LED路灯示范已由庭院小道向城市主干道推进。

本文紧扣当前照明技术的发展变化以及市场的需求，对LED路灯进行了电能质量方面的测试。通过对比分析， LED路灯产生的谐波对整个电网的影响较小，各次谐波以及总的谐波畸变率均符合GB／T 14549-1993《电能质量公用电网谐波》的要求。

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