城市隧道LED照明電能質量分析

(東南大學建筑設計院有限公司 江蘇 南京 210096)

隨著隧道對智能用電要求的不斷提高，計算機技術、網絡技術、工業控制技術的不斷發展末端配電系統電能質量得到了越來越多的關注。隧道內使用了大量LED照明燈、EPS應急電源等設備，具有改善隧道內路面狀況、改善隧道內視覺享受、減輕駕駛員疲勞、提高隧道通行能力保證交通安全等好處，但這些非線性負載，在運行過程中會產生大量高低次諧波污染、三相不平衡和中性線過流等電能質量問題。

一、隧道LED照明電能質量主要問題及危害

(一)增大用電安全隱患

國標GB1094-1-5《電力變壓器》對中性線電流有明確規定：N線電流不應超過變壓器額定電流的25%，三相電流的不平衡度小于15%。在實際的應用現場，由于大量LED照明燈、EPS等設備的應用，會產生諧波電流、三相不平衡電流等問題，引起中性線電流遠超過國標，甚至要遠高于相線電流，中性線過流是極需要解決的問題。

JGJ16-2008《民用建筑電氣設計規范》對N線也有相應要求，N線金屬導體截面宜為相線的1/2以上或與相線相同。在實際設計中一般選擇加粗N線電纜及加設帶中性線斷線保護功能的斷路器，但N線電流始終存在，甚至有的N線電流大于相線電流，或出現“斷零”燒壞設備的事故，始終存在用電安全隱患。

中性線過流會引起電纜發熱，加速中性線絕緣老化，增大用電安全隱患。持續的N線電纜老化可能會引起“斷零”現象，“斷零”會引起機電事故，危及人身安全。電纜發熱加速電纜老化，可能會擊穿絕緣造成電纜短路，加了電氣火災發生的風險，甚至會引起重大火災等事故。

(二)降低供電可靠性

諧波電流會引起變壓器過熱，使絕緣介質老化加速，導致絕緣損壞，會使變壓器產生振動和噪聲。容易構成電容器諧振，使電容器發熱導致絕緣擊穿的故障增多，更容易發生局部放電。

(三)增大用電事故的發生率

繼電保護會由于諧波電流、相位變化等電能質量問題而可能引起誤動或拒動。電流的發熱作用大于有效值相等的工頻電流，能降低熱元件的發熱動作電流，某些斷路器的磁吹線圈不能正常工作，影響斷路器的開斷能力。

(四)影響線路通訊

諧波電流會使通訊線路產生干擾，降低信號的傳輸質量，甚至會使數據丟失，造成故障。

增加線路損耗和電纜成本

大量中性線電流和諧波電流，會使得線路上的損耗成倍的增加。電流流過導體，產生的熱量與電流的平方成正比的，當電流增加時，熱損耗在成倍的增加，浪費電力資源。中性線電流和諧波電流的增大，需要選擇大截面的電纜，才能解決因電流增大而帶來的電纜發熱老化問題，勢必增加了電纜的成本。

二、中性線過流分析

造成系統中性線線過流的原因主要有以下幾個方面：

(一)三相負載不平衡

三相負載不平衡產生的原因：在三相四線制供電系統中，用電設備主要是單相負載(供電電壓AC 220V)為主和其它混合負載。在設計和裝接負載時，會將所用負載均衡地分接在A、B、C三相上。但在實際工作及運行中，線路的標志、單相負載的不可控增容、大功率單相負載的接入以及單相負載用電的不同時性等，都造成了三相負載的不平衡。

(二)三次諧波

在正常的供電系統中，供電頻率為50Hz。所謂的三次諧波，就是在50Hz的系統中，夾雜著150Hz的交流正弦波，由于是50Hz的三倍，故稱之為“三次諧波”。LED照明燈會產生大量的三次諧波，由于三相電的每相基波電流之間的相位差是120度，因此三次諧波電流的相位差是360度，對于交流電而言，相位差是360度意味是同相的。因此，3次諧波電流在N線是算數疊加的，不僅是3次諧波，3倍次諧波都會疊加，比如：6次、9次等。他們不會像其它次諧波那樣抵消，因此會造成N線過流。

JGJ16-2008《民用建筑電氣設計規范》規定，末端回路三相負載不平衡度不得大于15%。但是，在實際的用電過程中，單相負載的變化和隨機性以及同時率問題，這是很難保證不平衡度在可控范圍的。傳統的交流單相負載已經越來越少了，我們使用的單相負載90%以上都是通過交直流變換來供電的。故3次諧波的疊加使得N線過流已經是必然。

三、諧波分析

(一)諧波的含義

諧波是指電流中所含有的頻率為基波的整數倍的電量，一般是指對周期性的非正弦電量進行傅立葉級數分解，除了基波頻率的電量，其余大于基波頻率的電流產生的電量，稱為諧波。諧波次數是諧波頻率與基波頻率(n=fn/f1)的比值。諧波波形圖及分解圖如下圖所示。

(二)諧波的產生

在實際的供電系統中，由于有非線性負荷的存在，當電流流過與所加電壓不呈線性關系的負荷時，就形成非正弦電流。任何周期性波形均可分解為一個基頻正弦波加上許多諧波頻率的正弦波。諧波頻率是基頻的整倍數，例如基波頻率為50Hz，二次諧波為100Hz，三次諧波則為150Hz。因此，畸變的電流波形可能有二次諧波、三次諧波……等。

(三)LED照明系統諧波分析

1.LED電源工作原理

LED照明采用隔離變壓器、功率因素校正控制實現開關電源，輸出恒定的電流和電壓，驅動LED燈。電路的總體框圖見下圖。

LED電源總體框圖

三相交流電經過全橋整流后變成脈動的直流在濾波電容和電感的作用下，輸出直流電壓。主開關DC/AC電路將直流電轉換為高頻脈沖電壓在變壓器的次級輸出。變壓器輸出的高頻脈沖經過高頻整流、LC濾波和EMI濾波，輸出LED燈需要的直流電。PWM控制電路采用電壓電流雙環控制，以實現對輸出電壓的調整和輸出電流的限制。反饋網絡采用恒流恒壓器件和比較器。反饋信號通過光耦送給PFC器件。由于使用了PFC器件，可以使模塊的功率因數達到0.95以上。

2.LED照明諧波電流產生的原因

在實際的應用中，LED照明在工作時需要相應的驅動電源與之配套，而工作于交流市電的驅動電源主要是以高頻開關電源為工作模式的AC/DC變換器，其自身的輸入特性決定了輸入電流和電壓將產生相應的畸變，特別是大功率的隧道LED照明，這種畸變將更為嚴重，因此在大量使用時極易造成照明配電線路中有嚴重的諧波電流成分，并引發照明線路上諧波電壓的加劇。下圖為典型LED驅動電路及其輸入輸出波形，由圖可見，正弦波交流電經過開關電源后變成斷續的尖峰波，其中的諧波含量非常高。大量的開關電源同時工作將產生大量的諧波，如果不加以處理將嚴重污染電網，對其他設備的運行帶來各種危害。

LED驅動電路及其輸入輸出波形

(四)諧波的危害

在隧道的配電線路上通風、除塵等大量電氣設備運行頻繁，造成電網電壓波動大，供電質量非常差，LED照明諧波的加入大大加劇了這一情況并威脅到隧道其他設備的正常運行。照明諧波的危害表現在許多方面，既有對供配電設備、開關電氣及輸配電線路的危害，也有對用戶端所使用的負載的危害，主要包括：

(1)電網諧振危險：諧波會引起電網中局部的并聯諧振和串聯諧振，從而使諧波放大。

(2)變壓器：電流諧波將增加銅損，電壓諧波將增加鐵損，綜合效果是使變壓器溫度上升，影響其絕緣能力，并造成容量裕度減小。諧波也可能引起變壓器繞組及線間電容之間的共振，及引起鐵心磁通飽和或歪斜，而產生噪聲。

(3)電纜：諧波的集膚效應引起電纜發熱，產生額外的損耗，嚴重時導致電纜起火。

(4)電動機：輸出諧波對電動機的影響主要有，引起電動機附加發熱，導致電動機的額外溫升，電動機往往要降額使用，由于輸出波形失真，增加電動機的重復峰值電壓，影響電動機的絕緣，諧波還會引起電動機轉矩脈動，以及噪聲增加。

(5)電力電容器組：一般電容器的標準規范，規定其最大電流只允許35%的超載，但實際運轉時，由于諧波的影響，以致常發生嚴重過載。電容器的電容與電網的電感形成了一個諧振電路，通常這個諧振電路的自諧振頻率一般位于250和500Hz之間，即在5次和7次諧波范圍內。當電網中存在的諧波頻率與自諧振頻率相近時，有可能使諧波電流放大到正常的20倍以上。受諧波影響的電網不能采用常規的電容器來做無功補償。

(6)開關設備：由于諧波電流的存在，開關設備在起動瞬間產生很高di/dt的電流變化率，致使增加暫態恢復電壓的峰值，以致破壞絕緣。

(7)計量儀表：電能表等計量儀表，因諧波而會造成感應轉盤產生額外的電磁轉矩，引起誤差，降低精確度。

(8)電力電子設備：在多種場合，電子設備常會產生諧波的電流源，且很容易感受諧波失真而誤動作。

(9)其它還有如照明設備、通信設備、電視及音響設備、電腦設備、載頻遙控設備等都容易受諧波的干擾而影響其正常的工作或減少其使用壽命。

實際工程中，一方面采用交流市電驅動的LED照明有大量的諧波產生，另一方面單個LED照明的功率也有越來越大的趨勢。由此造成照明配電中諧波電流對配電所產生的危害愈加明顯。這不僅對在同一配電線路上的其他用電負載造成的嚴重影響，而且對照明配電的線路和開關電器等也有直接的影響。

四、電能質量治理方案

目前，在治理隧道照明系統的諧波問題時，主要采用的是就地補償以及集中補償方式。所謂就地補償主要是指在交流進線的諧波源位置布設濾波裝置，實現利用濾波裝置對諧波進行就近補償的目的，這是一種非常有效的補償方式。而所謂集中補償則主要指的是將諧波補償裝置設置在電網連接用戶用電系統的節點處，這樣諧波源所產生的大量諧波電流在進入變壓器母線時就會被有效抑制，這種治理方式能夠對上級電網進行有效的保護，而對下級電網的影響不明顯。

由于隧道內LED燈具數量較多，為合理控制和治理LED燈具控制裝置所產生的諧波，可采用在隧道照明配電箱中分布式安裝末端配電系統智能治理裝置，以實現分布式的諧波治理。

五、結語

隨著我國隧道工程的發展，照明設施的規模及數量的越來越大，隧道LED照明的節能高效也越來越受到重視。隨之而來的隧道LED照明電能問題也引起了廣泛的重視。基于此，本文從隧道LED照明電能質量問題產生的機理著手，分析了隧道LED照明電能質量問題的危害，并提出有效的治理措施，對于進一步研究如何有效地進行LED照明配電的設計，還是在施工中需要關注和解決問題等都具有積極和廣泛的意義。