城市LED路燈的諧波測量與分析

王 瓊 / 王 娟 .

中國建筑設計研究院，北京 100044； 2.中國中元國際工程公司，北京 100089

1 前言

隨著全球性節能要求的日益嚴格，我國大力支持節能型的科技創新及節能產品產業化，發光二極管（Light Emitting Diode簡稱LED燈)隨之出現。目前看來，LED燈的使用確實能大大節約電能，但在使用過程中是否會產生諧波，影響電能的質量值得大家思考。本文從對城市LED路燈的實測展開分析，提出了有效的建議。

2 LED照明的特性及應用范圍

自從1968年第一批LED進入市場以來，至今已30多年。隨著新材料開發和工藝的改進，LED趨于高亮度化和全色化。以氮化鎵為基底的藍色LED的出現，更是擴展了LED的應用領域。LED屬于全固體冷光源，體積小、重量輕、結構堅固、工作電壓低以及使用壽命長。單體LED的功率一般為0.05～1W，但通過集群的方式可以滿足不同的需要。

在照明領域，LED發光產品的應用正吸引著世人的目光，它作為一種新型的綠色光源產品，21世紀將進入以LED為代表的新型照明光源時代。

2.1 LED光源的優點

LED光源具有以下優點：

（1）新型綠色環保光源：LED運用冷光源，使用中不產生有害物質。LED的環保效益更佳，光譜中沒有紫外線和紅外線，而且廢棄物可回收，沒有污染，不含汞元素，可以安全觸摸，屬于典型的綠色照明光源。

（2）壽命長：LED為固體冷光源，環氧樹脂封裝，抗震動，燈體內也沒有松動的部分，不存在燈絲發光易燒、熱沉積和光衰等缺點，使用壽命可達6萬～10萬h，是傳統光源的10倍以上。好的LED產品性能穩定，可在-30℃～50℃環境下正常工作。

（3）多變幻：LED光源可利用紅、綠、藍三基色原理，在計算機技術控制下使用3種顏色具有256級灰度并任意混合，即可產生16 777 216種顏色。LED組合的光色變化多端，可實現豐富多彩的動態變化效果及各種圖像。

（4）高新技術： LED光源是低壓微電子產品，成功地融合了計算機技術、網絡通信技術、圖像處理技術和嵌入式控制技術等。

2.2 LED的應用

近年來，LED市場規模快速提升，同時應用領域也擴展到各個產業，其中主要有以下幾個方面的應用。

（1）在顯示屏中的應用。目前LED顯示屏已經廣泛應用于車站、銀行、各類型交易所和醫院等。在LED需求量上看，LED顯示屏僅次于LED指示燈，名列第二，占到LED整體銷量的23.1%。另外全彩色LED顯示屏憑借其獨特的優勢，還廣泛的應用于體育場館、市政廣場、車站和機場等場所。

（2）在汽車車燈中的應用。從整個LED應用市場看，在汽車上應用的市場還處于萌芽狀態，規模較小。LED作為汽車車燈主要得益于定向好、低功耗、長壽命和速度快等特點。雖然LED目前面臨著功率低以及相關政策的限制，要進入汽車尾燈及前燈市場還需要一定時間，但隨著技術的進步，LED車燈最終將打開汽車車燈的市場。

（3）在室內裝飾燈中的應用。室內裝飾燈市場是LED的另一個新興市場。通過控制電流，LED可以實現上千種顏色的變化。LED顏色多樣化的特性，非常有利于在LED裝飾燈市場的發展。LED已經開始被做成小型裝飾燈、裝飾幕墻在酒店和居室中應用。

（4）在景觀照明中的應用。由于LED燈功耗低，其在用電量大的景觀照明市場中有很強的競爭力。目前LED已經越來越多地應用到景觀照明中。

3 諧波的危害性

隨著我國電網的發展，各種非線性的輸配電和用電設備紛紛進入電網。這些設備，即使施加的電壓波形是純正弦的，其電流波形也會發生畸變。電力系統中主要的諧波源是各種換流裝置、電子電壓調整設備、電弧爐、感應爐以及現代工業設備為節能和控制使用的各種電力電子設備，還有多種家用電器和照明設備等。

諧波對電力系統電磁環境的污染將危害到系統本身及廣大電力用戶，危害面十分廣泛，歸納起來主要有以下幾個方面：

（1）產生附加損耗，增加設備溫升。與基波電流相比，盡管諧波電流的比例不大，但設備的有效電阻會因集膚效應而增大，在有鐵芯的電氣設備中，鐵芯的磁滯損耗和渦流損耗也將增大。這些附加損耗除增加電力系統的損耗外，還使設備溫升增加，尤其局部發熱點的溫升可能增加更多，使設備絕緣老化加速。

（2）惡化絕緣條件，縮短設備的使用壽命。除附加發熱影響絕緣壽命外，還因為在較高頻率的電場作用下，絕緣的局部放電加劇，損耗顯著增加，致使其溫升提高。當電壓畸變波形出現尖頂波時，還增加了局部放電強度，從而降低絕緣壽命。

（3）可能引起電機的機械振動。由諧波電流和電機旋轉磁場相互作用產生的脈動轉矩可能使電機發生振動，但電機的機械系統的自然頻率在受到上述轉矩的激發而可能引起共振時，就會損壞電機設備，危機人身安全。

（4）對繼電保護、自動控制裝置和計算機產生干擾和造成誤動作。這些保護和控制設備通常都是以工作中所加電壓或電流的工頻和正弦波形而設計的，諧波的存在使他們的正常工作條件受到干擾，嚴重時將造成誤動作。

（5）影響測量儀表的精度，造成電能計量的誤差。

（6）干擾相鄰通信線路和鐵道信號線路的正常工作。

當然，諧波危害的程度將因諧波量的大小以及設備的其他各種條件的不同而不同。但危害是客觀存在的，應予以足夠的重視和有效的監測管理。同時對于新引入電網的用電設備和輸配電設備，特別是即將大范圍應用的設備（例如本文所研究的LED路燈），在使用之前對其進行諧波分析與評估也是非常必要的。

LED作為傳統光源的替代者，以其節能、綠色環保、長壽命和高可靠性等優點得到廣泛的重視，特別是最近幾年，由于研發大功率LED燈的成本急劇下降，在不久的未來，LED的大規模應用將會實現。然而，在看到LED眾多優點的同時，對于其大規模應用而引起的電能質量問題，特別是所產生諧波對電網影響方面的研究，目前還沒有足夠的相關數據。

本文針對LED路燈的大規模應用，根據最新的電能質量國標，采用先進的電能質量測量儀表，對多種不同類型路燈的所產生的諧波進行了測量分析并與LED路燈進行了對比。同時結合城市電網對電能質量的要求，收集了大量的數據，在數據分析的基礎上，給出了關于LED路燈大規模應用所產生的諧波對電網的影響程度。

4 LED諧波測量以及數據分析

在本文中，為了準確而全面地分析LED路燈產生諧波的情況，我們做了一系列的測量分析，不僅測試了LED路燈在正常使用時的諧波，同時還測量了其他多種類型的路燈，例如鈉燈、節能燈和汞燈等。通過對比分析，得出了LED諧波的分布情況。

4.1 測試儀表

在本文中，測試諧波所采用的測試工具是Fluke 430系列電能質量分析儀，如圖1所示。該分析儀除了具有測量精度高之外還有許多其他方面的優點，例如：實時故障排查，安全等級達到600VCatIV/1000VCATIII標準，能夠測量進戶線電力質量，同時捕捉電源各相上的200kHz波形數據，測量滿足嚴格的國際 IEC 61000-4-30 Class A標準等等。

圖1 Fluke 430 電能質量分析儀

4.2 測試方法

為全面分析LED路燈的諧波分布情況，在測量LED路燈諧波數據的同時，進行了多種其他類型發光源的諧波測量分析，各測量對象參數如表1所示。

表1 測量對象參數表

在進行諧波測量時，測量的時間間隔為15min，每次測量采樣時間為3s，即取3s內各次諧波的平均有效值。對于測量所得的各次諧波測量值，舍去偶然因素出現的最高值后，選取其中的最大值，作為諧波計算和分析的依據，具體為采用95%概率最大值。另外，主要需要測量的電參數有：電壓、電流、功率、功率因素、各次諧波含有率以及總的諧波含有率。

圖2 LED路燈外形及諧波測量接線方式

4.3 測量數據

各測量數據如表2所示，其中取具有代表性的2，3，5，7次諧波以及總的畸變率進行分析對比，分析的依據是GB／T 14549-1993《電能質量 公用電網諧波》。從表中可以看出鈉燈，節能燈和自鎮流熒光高壓貢燈的總畸變率都大大超過國標所規定的5%限制，只有LED燈小于5%，符合國標標準。

表2 測量數據

圖3 LED燈的諧波頻譜分布

5 結論

LED作為新型節能光源，已越來越多的運用于節能場所。自2009年以來，LED道路燈具已成為半導體及照明行業的焦點。國家科技部推出的“十城萬盞”半導體照明應用示范城市方案，使越來越多的地方政府認識到LED的節能特性，相關政府部門對在各地方的道路照明中使用LED道路燈具的積極性日漸高漲。隨著LED光效的提高，LED路燈示范已由庭院小道向城市主干道推進。

本文緊扣當前照明技術的發展變化以及市場的需求，對LED路燈進行了電能質量方面的測試。通過對比分析， LED路燈產生的諧波對整個電網的影響較小，各次諧波以及總的諧波畸變率均符合GB／T 14549-1993《電能質量公用電網諧波》的要求。

[1]孫士祥. LED道路照明與傳統道路照明的比較[J]. 現代顯示，2010,8：37～40.

[2]楊一平，李新釗. 前景廣闊的綠色、環保、節能照明燈-高頻無極放電燈和LED燈[J]. 中國高新技術企業,2007,11:75～80.

[3]鄭國全. LED燈的保護技術[J].中國照明，2011,1:84～88.

[4]能源部電力司. GB／T 14549-1993電能質量 公用電網諧波[S]. 北京: 中國標準出版社, 1993.