夜景照明电气系统设计中的常见问题及解决方法

宋赛春 金承璋

1华建集团上海建筑设计研究院有限公司，上海200041

2上海市路灯管理中心，上海200235

0 城市夜景照明的发展历程与趋势

随着城市的现代化建设和城市的夜景照明工程的快速发展，自1879年爱迪生发明了第一只钨丝白炽灯以来，照明技术进入了一个崭新的时代。特别是1882年7月26日下午7时，在上海点亮了中国第一盏电灯，这是上海文明史和中国电灯历史上的一个重要时刻。[1]照明技术从最早的传统点灯照明转变为现代的智能照明，从而进入了一个崭新的时代，为城市夜景照明提供了新的平台和契机。

目前，大部分城市居民的业余休闲有了多样化的选择，很多城市居民改变了原先的生活习惯，夜间经常会参加各种休闲娱乐活动，大量商业设施也因此延长了营业时间，夜间会举办不同类型的公共活动，吸引城市居民参与。这样一方面可以丰富城市居民的夜间生活，另外一方面也可以提升城市品位，打造城市名片。通常，城市的夜景对一个城市的文化建设和形象打造起着十分显著的推动作用，许多发达城市现在已经形成了比较成熟的夜景游览景点。例如北京市长安街的夜景以及上海市外滩的夜景，这些城市的夜景游览景点不仅能够吸引大量外地游客观光消费，而且能够提升城市整体形象和城市经济发展的综合水平，还能提高市民生活的幸福感，一定程度上刺激了消费，推进了城市的经济建设和发展。

1 夜景照明电气系统常见问题

夜景照明工程不断发展，由原本的单栋楼使用几台泛光灯以实现简单夜景灯光效果，逐步发展为今天的外立面大规模的灯光效果，电气容量大幅提升。用电量的攀升也逐步带来了一些配电方面的问题，尤其是LED成为主流应用后，配套的开关电源带来的一系列问题，产生了一定的电气危害。当前夜景照明配电中的常见问题，主要包含以下几种：

（1）配电箱设计不够合理，断路器的整定电流与电缆线不匹配，没有起到有效的保护作用；

（2）夜景照明配电系统中电线电缆和控制线的选择和敷设不合理，没有按照相关规范或规定的要求执行；

（3）照明电气设备选择不合理，所产生的谐波会对电气系统造成较大的影响。

2 解决方法

针对以上夜景照明电气系统中出现的问题，解决方法如下。

（1）夜景照明专用配电箱是夜景照明配电线路中不可缺少的一部分，它的重要性是不言而喻的。首先，需要考虑配电箱安装容量，它应与实际用电负载相匹配，再详细计算回路末端的用电负载，确定配电箱的安装容量。在选择合理的总开关时，不得小于末端实际负载的总和，配电箱内断路器的选择，动作电流应小于电缆的最大载流量，且在回路上端应设漏电保护装置（漏电动作电流不应大于30 mA，漏电动作时间不应大于0.1 s）[2]。其次，要考虑配电箱的安装位置，室内安装时应尽可能设置在专业设备房内（如强电间内），室外安装时应选择防水型配电箱，IP等级不小于54，考虑设备所处环境的安全性、外观的美观性，避免潮湿度高的地方以及容易积水的区域，且避免人体可以随意触碰的位置（高度）。所有配电箱都应制作砖砌、混凝土或基础槽钢，景观照明配电箱应设重复接地保护，外观应结合周边环境，可利用植物进行遮挡，考虑隐蔽安装。另外，选择位置还应考虑照明用电设备的需求，一般供电半径不宜超过300 m，在配电线路较长，应考虑电缆线路压降及损耗，尽可能靠近用电负载中心位置以及用电量较大的地方。

（2）夜景照明的配电系统中电线电缆和控制线需要合理选择、合规敷设。在室外照明配电线路中，一般选用铜芯电缆，截面积不应小于2.5mm2；在选择电线、电缆及敷设方式时，应考虑环境温度、浸水及腐蚀性等外部影响；在不同条件下选择电线、电缆的安全载流量值时，可查图集《建筑电气常用数据》中的表6.1和表6.8。在室外敷设、直埋敷设时，应选择铠装电缆或穿管敷设时应选用护套电缆等；在过路埋地敷设时，应采用焊接钢管（热镀锌）或无缝钢管保护，并要符合其允许温升的对应值，可查《照明设计手册》中的表4-8。夜景照明信号控制线采用超五类屏蔽或非屏蔽网线，敷设长度一般不超过100 m，超出100 m时应采用光纤传输信号。信号线和电源线同方向敷设时，要分开走管；信号线必须一跟到底，尽量避免中间有接头；每个接线节点和回路末尾都要做好绝缘、防水保护。

（3）在夜景照明电力系统中，电力传输、转换和使用的各个环节中都会产生谐波。谐波电流是一切谐波问题的根源，变压或变流设备的使用是主要的谐波源[3]。谐波的危害及影响有很多，比如变压器的损耗增加、发热严重、设备的利用率降低，电流传输线路的损耗增加、发热、绝缘老化加速、使用寿命缩短、其使用的经济性降低，系统中其他设备的损耗增加，信号的传输降低造成控制的不稳定等等。

根据多个项目实际测试数据显示，主要负载特点是由单相整流设备、开关电源、LED灯具、LED屏等电力电子设备构成，这些单相整流设备和节能电子产品在运行时，会产生大量谐波电流。市场上使用的开关电源一般都采用脉冲宽度调制（PWM）技术，因为频率高，在高频通断状态下，其本身就是电磁干扰源，同时产生很强的电磁干扰EMI，而且产生的电磁干扰信号频率范围非常宽[4]，以150 Hz频率含有率为最高。3次谐波最高可达基波电流频率的80%以上，由于3次谐波电流的矢量角度一样,三相矢量合不能抵消,只能往零线上叠加，使零线电流达火线的2倍以上，如图1所示。在工程中，通常零线截面积一般会小于或等于相线的截面积，而且零线不会安装保护装置，所以当零线电流过大时，不会引起保护措施。当零线电流达到其载流量的安全值时，零线过热并导致被烧断，最终可能引起火灾。

图1 三相交流波形图

在上海浦东博康办公楼夜景亮化工程中，因为外立面安装有大量的LED灯具（24V电压），所以配置了很多开关电源。在进行阶段调试时发现，配电箱进、出线电缆零线发烫，开关电源有发热等现象，而且回路开关跳闸频繁。通过现场对电箱进、出线的电流实测，发现相线电流分别为60 A、65 A、62 A，与设计计算电流基本吻合，而零线电流为160 A。由于零线电流过大，电缆的零线超负荷，进一步加速电缆外层的绝缘保护层老化，增加火灾的隐患，最终可能造成重大经济损失。谐波滤波一般分为两种，有源式和无源式，加装了无源式的零线电流消除器后（如图2所示），对零线电流进行实测，结果显示零线电流为25—30A，效果显著，有效地解决了零线过流发热、开关电源发烫、跳闸等一系列问题，避免了对其它电气设备和电网等造成损害。

图2 设备应用示意图

在夜景照明工程中，开关电源是谐波源的主要来源之一。在DC/DC转换过程中，由于其开关电源工作在高频通断状态，高速瞬变过程本身就是电磁干扰源。目前，有很多开关电源都具有功率因数校正功能（PFC），可提升功率因素值90%以上。

当某一种电子类型设备对电能的使用效率较高，则功率因素的数值对应比较大，功率因数校正电路可以最大限度地改善电能使用效率，有效减少设备运行中出现的谐波影响。一般在没有功率因数校正电路时，其功率因数的数值只能保持在0.5-0.6的范围之内，同时电源装置会出现较大的谐波电流，导致电网的电压波形出现畸变，最终会对相关电子设备的日常运行造成干扰。

在上海久隆电力大厦的夜景照明工程中，从经济性考虑并同时满足使用要求时，使用的是明纬 SP系列电源，内置主动式功率因素校正电路，PF＞0.95。通过实测发现，相线电流为65 A、70 A、62 A，零线电流为20A，较为合理。SP系列的开关电源采用的是主动式功率因数校正（PFC），由电感电容及其他电子元器件组成，通过专用IC去调整电流的波形，对电流电压之间的相位差进行补偿。此外，主动式输出直流电压的波纹很小，这种电源不必采用较大容量的滤波电容[5]。采用PFC功能有助于改善自身的使用效率，减少了用电耗能，有效降低了电力中的谐波污染。

3 结语

夜景照明设计是一项系统工程，体现照明技术和人文艺术的完美结合。对于一座城市来说。夜景灯光亮化不仅仅是市政环境建设的内容，可以提升城市品位，打造城市名片，增加城市空间的吸引力，同时也带来了一系列的问题。因此，文章以夜景照明配电中的常见问题作为研究对象，具体分析了夜景照明电气设备以及电气设计、施工中应注意的地方，并重点介绍了采用谐波治理和选择具有功率因素校正功能电气设备等不同方法，从而解决了照明电气中的谐波问题。