LED场地照明电气特性的研究

李炳华， 董 青， 徐学民

(悉地国际建筑设计顾问有限公司，北京 100013)

1 LED场地照明应用现状

我国的LED场地照明系统最早应用于训练场馆、高校体育场馆、全民健身场馆，取得了良好的应用经验。2016年，中国网球公开赛主场馆——奥林匹克网球中心钻石场地升级为LED场地照明系统，成为我国第一个采用LED场地照明并向全球直播的高等级体育场馆。2018年6月，国家奥体中心体育场也升级为LED场地照明系统，满足足球高清电视转播要求，成为新的样板。LED场地照明系统在2018年的俄罗斯世界杯足球赛、2016年里约奥运会等重大赛事中得到很好的应用效果，也推动了LED体育照明技术在世界范围内的普及应用。

而小厂家的LED产品性能参差不齐，影响了LED场地照明的推广。但是，从发展趋势看，LED场地照明系统终将替代金卤灯系统。

2 LED场地照明灯具的电气特性研究

笔者对多款国内外知名品牌的LED场地照明灯具进行试验、测试，以便研究其电气特性。试验灯具的技术参数如表1所示。

从表1可以看出，上述LED灯从光的参数上大多能满足奥运会灯重大赛事的需要，少数产品还需提升。

2.1 LED灯的启动特性和过载特性

试验表明，LED灯的过载发生在启动过程中，因此启动特性和过载特性一起加以研究。其中过载特性实质是LED灯的冲击特性，该术语从金卤灯开始使用一直延续至今。对7个品牌7款产品进行试验，试验结果如表2所示。

由表2可知，按照启动时间的长短，LED的启动特性可分为瞬时启动特性和延时启动特性，两者特性相反，特点相左，其应用场所也不同，概况起来如表3所示。

被测LED灯基本技术参数 表1

试验数据 表2

注：表2中品牌为代码，以示区别。

因此，LED灯的过载特性特点：(1)LED灯的过载出现在其启动过程；(2)延时启动的LED灯峰值电流约1.2Ie，峰值电流较小，过载的影响相对较小；(3)瞬时启动的LED灯必须考虑过载的影响，本次试验峰值电流高达15倍之多，且峰值电流的大小不确定，与合闸通电的时机(相位角)有关。

2.2 LED灯的谐波特性

LED灯是发光二极管，需要直流供电，而直流电是由市电的交流电经整流、滤波等环节获得的，如果处理不好谐波会超标，对系统产生污染。因此，LED灯的谐波特性研究是其电气特性研究的重要内容，有助于把脉LED灯的谐波特征。

笔者所在的研究团队进行了两次试验，表4为第一次测试的数据，表5为第二次测试的数据，将两次试验相关数据进行比较，如图1所示。

图1从左到右分别为WJ、LS、SX、XN、MC品牌。通过两次试验，可以得知：(1)总体上，这9款国内外大品牌的LED产品谐波控制的都比较好，代表LED灯的现状水平，基本能满足工程需要；(2)4号产品第一次测试因用错电源，THDi远高于其他产品，达25%；第二次测试用匹配的电源，THDi得到有效控制。说明驱动电源与LED灯的配合非常重要，轻者灯的性能打折扣，重者影响灯的寿命，甚至烧毁灯具；(3)1号和2号在第一次测试时，数据明显不对，原因不详；第二次测试正常；(4)PF均在0.96及以上，表现良好。

瞬时启动特性与延时启动特性的比较 表3

第一次LED灯谐波试验数据 表4

2.3 LED灯的电压特性

电压特性主要研究电源电压的变化对LED灯光输出的影响。基于照度与光通量的正比关系，本试验通过测量不同电压下的照度值来研究电压与光通量的特性关系。图2所示是7款LED灯在不同输入电压下的照度值。

第二次LED灯谐波试验数据 表5

图1 两次谐波特性试验数据对比

图2 不同输入电压值下LED灯的照度值注：测量时，照度计的位置、距离保持不变，各款灯采用同一个照度计。灯的最大光强对准照度计。

从图3可知，除TN外，其他品牌的LED灯在其有效电压范围内光输出相对稳定，变化很小。据了解，TN产品尚未定型，测试效果不能令人满意。

综上所述，LED灯的电压特性可以概况为以下内容。

(1)共有7款灯具参与测试，其中5#灯具(TN品牌)在低电压范围内中间模块不亮，不满足需要，其他灯具均表现良好。

(2)所测试的灯具大多具有良好的电压特性，LED灯的输入电压在较大范围内变化(多款可从100V～275V)能保持光输出基本不变，光输出变化率大多数低于10%。在额定电压±10%范围内变化(即190V～242V)，光输出的变化率不足2.5%，远优于金卤灯。

2.4 LED灯的调光特性

本次试验研究只有2#、4#和9#灯可以调光，且调光特性相似，下面以9#(MC品牌)灯为例加以说明，相关测试数据参见表6和图4。

从表6和图3可知：(1)调光的过程，LED灯的端电压基本不变；(2)灯光调暗的过程，电流近似线性减小，谐波呈现增加的趋势；(3)光输出在额定值40%及以上时THDi较小，约为15%以下。光输出在额定值40%以下时，THDi显著增加。

不同光输出下LED灯的相关参数变化情况 表6

图3 不同光输出下LED灯的相关参数变化情况(图中横坐标为照度值，单位：100lx)

2.5 LED灯的熄弧特性

瞬时启动的LED灯不存在熄弧现象，可以满足瞬时启动，启动时间一般<0.5s，到达峰值电流的时间为ms级，因此瞬时启动的LED灯具有良好的熄弧特性。但与之相反的是，延时启动的LED灯熄弧特性不佳，有2～4s的熄弧时间。

而金卤灯的熄弧特性存在不确定性。根据文献[4]中的试验，当一个电源断电、另一个电源投入、电源切换时间为3ms时存在金卤灯熄灭现象，一旦灯熄灭需要约10min的冷却时间和约10min的再启动时间，因此，金卤灯只能采用在线式的电源转换措施。

2.6 LED灯的节能特性

LED灯与金卤灯相比，节能效果非常明显，下面通过两个实例进行说明。

(1)灯位不变，采用原系统

图4 北京奥体中心击剑馆照明改造

图4为北京奥体中心击剑馆照明改造项目，原系统为金卤灯，采用LED照明系统进行改造，灯位保持不变、原供配电系统基本不变，主要按原灯位换灯。改造前后相关参数列表7所示。

北京奥体中心击剑馆照明改造前后情况 表7

注：照度功率比是单位电功率能获得的照度。

改造后，照明总功率只有14.4kW，不到原金卤灯系统的一半；平均照度提高了100lx，达到850lx；照度功率比高达0.0590，是原系统的2.52倍，也就是用1W的电功率获得原系统2.52倍的光，节能效果显著，照度水平有明显提高。

(2)整体照明系统改造

该案例位于上海浦东一家全民健身的游泳馆，使用频率很高。游泳馆的照明系统属于整体改造，由金卤灯系统改为LED照明系统(详见图5)。场地照明重新设计、重新安装，改造前后的相关技术参数见表8。

图5 上海浦东游泳馆照明改造

从表8可知，改造后灯具数量由62套减少到44套，减少约41%；照明总功率由43.8kW减少到11.88kW，减少近73%；平均照度提高了104lx；照度功率比是原金卤灯系统的4.54倍，提高78%。整体照明系统改造的节能效果优于原灯位换灯的效果。

金卤灯场地照明系统与LED场地照明系统在电气特性方面的比较 表9

注：★表示在该方面胜出。

上海浦东游泳馆照明改造前后情况 表8

(3)小结

综上所述，在节能方面可以得出如下结论：

1)LED灯在节能方面明显优于金卤灯照明系统，至少可以减少一半的设备安装功率，供配电系统也可得到简化。

2)通过同一场馆金卤灯系统与LED系统对比，LED照明系统采用整体、统一设计，系统安装功率可减少70～80%，节能优势明显。

3)通过同一场馆金卤灯系统与LED系统对比，保留原照明配电系统，只在原灯位更换LED灯，系统安装功率可减少一般左右，节能效果也比较可观。

3 LED场地照明灯与金卤灯电气特性的比较