LED照明谐波分析及其对配电设计的影响

刘德祥， 袁 天

(中信建筑设计研究总院有限公司，武汉 430014)

0 引言

低碳节能是当今社会发展的趋势，LED照明因其光源能效高、节能效果好且调光性好等特点得到了大力推广。由LED PN结的导通特性决定，LED照明需要低压直流驱动，因此，为了降低低压直流电流在各种输送环节中的耗损，LED灯具一般采用分布式局部低压直流供电模式，每个灯具单独设置恒流电源驱动模块，与灯具结合形成一体化产品，可直接接入市电220V交流电源。这种模式虽然解决了低压传输损耗，却带来了谐波污染和中性线电流过大等问题。恒流驱动模块的电路框架图主要部分如图1，市电220V交流电先经过整流桥，输出为直流电，再经过恒流处理环节，形成恒流输出。

图1 恒流驱动模块的电路框架图

由于整流器件的单向导电作用，在正、反相电压作用下，其电阻值完全不同，因而整流器前端市电输入电流也是非正弦的。由于系统参数、整流器相数、接线方式和运行条件的不同，这种非正弦波形都有程度不同的畸变。畸变的电流波形可分解为基波及一系列不同频率和幅值的谐波，加上恒流处理环节的非线性特性，恒流驱动模块使得市电输入电流发生畸变，谐波进入市电系统。

1 照明系统谐波含量标准要求

正弦波形的市电电压为LED照明灯供电，主要谐波成份为奇次谐波，根据傅里叶展开，输入电流计算公式见式(1)。

(1)

在LED照明三相配电系统中，市电各相电流的相角差为120°，因此各相三次谐波相角差为0°，即各相照明回路电流相角差为0，在中性线上叠加。同理，9次谐波、12次谐波均会在中性线上叠加，而相线中高次谐波均存在。

根据标准GB 17625.1-2012《电磁兼容限值谐波电流发射限值(设备每相输入电流≤16A)》(以下简称“《谐波电流限值》”)，对于有功输入功率>25W的照明灯具，其谐波电流不应超过表1给出的对应限值；对于有功功率≤25W的放电灯，其谐波电流应至少符合以下两项要求中的一项：(1)谐波电流不超过规定的每瓦允许的最大谐波电流限值；(2)3次谐波电流畸变率不应超过86%，5次谐波不超过61%[1]。

谐波电流限值表(有功输入功率>25W的照明灯具) 表1

2 LED照明回路中导线截面的选择

在实际的工程设计过程中，往往是利用整个回路灯具标称总功率和供电工频电压来计算回路电流，通过截流量来确定导线截面。对于LED照明回路，计算的回路电流仅为实际回路电流基波部分，并未有考虑高次谐波电流部分，这是存在隐患的。

从导线发热的角度，作用于相线上的实际运行电流有效值见式(2)(高次谐波仅考虑3、5次谐波)：

(2)

作用于零线上的实际运行电流见式(3)(高次谐波仅考虑3、5次谐波)：

IN=3I3

(3)

在照明配电设计过程中，通常是按照基波计算电流I1来选择导线截面。根据标准《谐波电流限值》的规定，对于有功输入功率>25W的照明灯具，3次谐波和5次谐波的最大谐波含量为30λ%和10%，相线及中性线上的实际运行电流大小见式(4)～(5)：

(4)

IN=3I3=3×0.3λI1=0.9λI1<0.9I1

(5)

因此，对于LED照明配电系统，单相配电回路的相线及中性线均可按电流1.05I1来选择导线截面；对于三相配电回路，相线可按电流1.05I1来选择导线截面，中性线可按电流0.9I1来选择导线截面。根据计算结果得出，对于有功输入功率>25W的照明灯具，如果满足规定要求，谐波电流对照明系统设计的影响很小。

对于有功功率≤25W的放电灯，3次谐波和5次谐波的最大谐波含量为86%和61%，相线及中性线上的实际运行电流大小见式(6)～(7)：

(6)

IN=3I3=3×0.86I1=2.58I1

(7)

因此，对于LED照明配电系统，单相配电回路的相线及中性线均可按电流1.46I1来选择导线截面，对于三相配电回路，相线可按电流1.46I1来选择导线截面，中性线可按电流2.58I1来选择导线截面。在这种情况下，导线截面仅仅按照计算电流I1来选择误差很大，因此要慎用有功功率≤25W的LED灯具，或者对灯具提出谐波含量要求，否则按照电流2.58I1来选择导线截面会增加较大的工程费用。

以上两种计算结果是针对LED照明灯具产生谐波含量满足标准上限值的情况下得出的，在LED照明设计过程中，可以根据谐波含量来确定实际运行电流IL=I1/k，IN=3μI1/k，k为校正系数，μ为谐波含量百分比，简化处理可按表2选择导线截面。

含有谐波电流时的计算电流校正系数[2] 表2

3 LED照明回路中断路器的选择

照明系统中供电电压一般不超过400V，多采用C型微型断路器，其瞬时脱扣范围[3]见表3。

表3 瞬时脱扣范围

其中，In为断路器整定电流。然而，LED灯在启动时存在尖峰电流，其大小为稳定运行电流(含谐波)IL的10～12倍[2]，所以断路器在保护照明回路的同时，要避开尖峰电流，避免在回路通电时尖峰电流大于断路器动作电流而脱扣，必须满足5In>12IL=12I1/k即In>(2.4/k)I1，k为表2中的校正系数。因此，C型断路器的整定值必须大于回路运行电流的2.4倍。D型断路器虽然脱扣电流值更大，能够避开更大的尖峰电流，但是其短路保护灵敏度会低很多，且因为脱扣电流偏大存在发热问题，对于负载稳定的照明回路，更适合C型断路器[3]。

4 结束语