荧光灯对电压波动的敏感性研究

雍 静 晏小龙 曾礼强

(重庆大学电气工程学院，重庆 400030)

1 引言

在建筑照明环境中，人们对照明的要求除了节能、环保以外，对照明的舒适性也提出了要求［1］，而电能质量问题是影响照明质量的一个因素。在电力系统中，许多电力电子设备的使用、大型负荷的投切等情况的出现，都会造成供电电压波动［2］。当照明光源的输入电压中存在电压波动时，光源会发生输出光通量波动，表现为光照的闪烁，即称为光闪变。光闪变造成视觉上的不舒适感，也会引起人视觉疲劳。长期将使人的视力减退。闪变频率过高，还会使工作人员注意力分散，影响人们的工作效率［3～4］。

不同的光源对电压波动具有不一样的敏感性，表现出不同的光通量波动情况。目前的研究中，已有对白炽灯在电压波动下的光通量波动研究，并形成了一定的标准［2，5］，但对荧光灯的研究较少，同时也很少有荧光灯对电压波动敏感性的定量研究。

文章通过实验的方法，通过设备给荧光灯输入设定的电压波动，使荧光灯发生闪变。读取荧光灯在电压波动下的光通量信号，来定量计算其光通量波动深度与光闪变强度的大小，从而评估荧光灯对电压波动的敏感性情况。

2 电压波动引起的荧光灯光通量波动

2.1 标准波形下的荧光灯光通量曲线

由于在电力系统中大量使用的电力电子设备，使得供电电压中存在电压波动等电能质量问题。尤其是系统中存在间谐波时，输入给光源的电压会出现具有一定特征的电压波动，这个电压波动可以用波动频率与波动幅度两个参量来表征。

首先，对于标准基波电压，频率为50Hz，均方根值220V，作0.5s内的电压波形图如图1所示。

图1 标准波形曲线Fig.1 Curve of fundamental harmonic waveform

将220V频率为工频50Hz的基波电压输入给荧光灯，并用照度计来读取荧光灯输出的瞬时照度值曲线。由于光通量的大小与照度值线性相关，因此用照度计读取到的信号即可表征光通量信号的变化，将这个光通量信号Φ(t)记录下来，同样取0.5s内的曲线，如图2所示。

图2 标准波形下的光通量曲线Fig.2 Curve of luminous flux under fundamental harmonic waveform

从图2中可以发现，荧光灯瞬时光通量曲线的频率为100Hz，是工频的两倍。由于这个频率远高于人眼能感受到的光波动的频率范围1～25Hz，因此人眼感觉到的光照是恒定不变的，并不会发生波动。

2.2 电压波动下的荧光灯光通量曲线

当输入电压中存在电压波动时，会导致荧光灯输入功率的波动，从而导致其输出光通量的波动。已有学者进行研究后发现:输入电压的波动幅度Δv vM与荧光灯的瞬时输入功率波动深度Δp pM具有一定的线性关系，而荧光灯光通量的波动深度ΔΦ ΦM及频率与输入功率有线性相关的关系，因此可以得知输入电压的电压波动与荧光灯输出光通量的波动直接相关，且荧光灯的光通量波动的频率等于电压波动的波动频率［6］。

当系统中含有波动频率为9Hz、波动幅度为2%的电压波动时:取1s内的电压波形如图3所示:可知电压波形在这50Hz基波下有幅度为2%、频率为9Hz的包络线。

图3 含有电压波动的输入电压波形Fig.3 Curve of input voltage signal with fluctuations of voltage

将这个电压输入给荧光灯，取0.5s内的曲线，得输出的瞬时光通量曲线Φ(t)如图4所示:

图4 0.5s内光通量波动曲线Fig.4 Curve of luminous flux in 0.5s

提取光通量曲线的上包络线，即可作为光通量波动曲线，取1s内的曲线如图5所示:可知其包络线波动频率为9Hz，即可知，人眼观察到的光照波动为9Hz。

图5 1s内光通量波动曲线包络线Fig.5 Envelope Curve of luminous flux in 1s

3 荧光灯光闪变敏感性评价方法

闪变是指灯光照度不稳造成的视感，是人眼对灯光照度波动的主观反应。在不同的电压波动条件下，荧光灯的光通量会出现不同的波动状况。而人眼接收到不同的荧光灯光照波动时，也会有不同的反应。当输入电压中，电压波动幅度越大时，灯的闪变也就越明显。影响人眼反应的除了照度波动的幅度外，还有波动的频率。实验表明:人眼对不同频率的光通量波动的敏感程度是不同的［7］，尤其对于8.8Hz附近的灯光闪烁最为敏感，可以用视感度曲线表示，如图6所示。

图6 视感度曲线Fig.6 Visibility curve

不同的荧光灯对于不同的电压波动，也会出现不同的光通量波动，从而引起人眼不同的视觉反应。因此，可以将荧光灯光通量波动的情况作为荧光灯光对电压波动的光闪变敏感性评价的对象。

3.1 光闪变强度

关于光闪变的强弱的评价，目前国际上较通行的是针对白炽灯的IEC标准，它是基于调幅电压对白炽灯的闪变效应设计的，该标准以白炽灯为模型设计了flickermeter模型，通过输入含有一定频率与幅度的调幅电压波动的电压到flickermeter中，来直接得出光闪变强度Pst，作为光闪变程度的评价结果。光闪变强度Pst值越大时，表明该灯的闪变程度越深。但由于白炽灯已渐趋于淘汰，且IEC的flickermeter并不直接适用于荧光灯。对此，本文提出以光通量波动深度和基于flickermeter的改进的光闪变强度Pst这两个标准来作为荧光灯对于电压波动敏感性的评价标准。当Pst＜1时，表示此时的光闪变为人眼可以接受。当Pst＞1时，表明此时的光闪变已经超出了人眼可以接受的范围。

同一支荧光灯对于相同的电压波动幅度下，在某一频率下若闪变强度越大，表明该灯具对这个频率下的电压波动更敏感;对于不同的灯，在相同的电压波动幅度与频率下，若某支灯具闪变强度越大，则表明该灯比其他灯对电压波动下的光闪变敏感性更大。

3.2 光通量波动深度

设输入电压中含有频率为f、幅度为m的电压波动时，获取此时的光通量曲线，如图7所示。光通量波动深度的计算方法为:

其中，Φmax与Φmin为光通量波动曲线上的最大与最小值。同样地:同一支荧光灯对于相同的电压波动幅度下，在某一频率下若光通量波动深度越大，表明该灯具对这个频率下的电压波动更敏感;对于不同的灯，在相同的电压波动幅度与频率下，若某支灯具光通量波动深度越大，则表明该灯比其他灯对电压波动下的光闪变敏感性更大。

对于光源的光通量波动，根据IEC标准可以作出假设:当光源产生相同频率下的同样波动深度的光通量波动时，其产生的闪变对于人眼的影响程度也是一样的。据此，已有学者提出光通量波动限制曲线:即人眼能接受的光通量波动深度限值，如图7所示。

图7 光通量波动限制曲线Fig.7 Luminous flux fluctuation limit curve

根据这条曲线，可以查找到对应光通量波动频率下的波动深度的限制值。若在该频率下波动深度大于限制曲线上的限制值，表明闪变已经超出人眼能接受的范围。

以输入电压中含有频率为9Hz、幅度为2%的电压波动时为例，可以计算得到:其光通量波动深度为1.2743%。表明，该灯的光照已经对人眼构成不良影响，超出可接受的范围。

另外，通过针对直接输入光通量曲线的改进的Flickermeter计算方法，可以得到其光闪变强度Pst为1.9786，同样，表明其闪变情况已经超出人眼能接受的范围内。

4 对不同的荧光灯的实验研究

为得出不同的荧光灯对电压波动的敏感性情况，本文采用实验的方法，对荧光灯输入不同幅度和频率的电压波动，然后获取荧光灯的光通量信号，对光通量信号进行处理，计算出其闪变强度 Pst与波动深度。

4.1 实验步骤

实验中:使用Chroma(致茂)公司的设备Chroma 61505来发生含一定频率与幅度的电压波动的电压，并输出给荧光灯。使用某公司的高精度照度计T～10来读取荧光灯的光通量，并输出瞬时光通量信号。为了防止外界光照的干扰，将照度计与灯用一个纸盒子封闭起来。用示波器来读取并记录照度计的光通量信号，然后将这个信号输入计算机平台中，进行计算。这样，便可以通过实验的方法，获得在一定频率与幅度的电压波动下，荧光灯的光通量波动情况，并得出荧光灯的敏感性的指标:光闪变强度Pst与波动深度。实验的设备连接图如图8所示。

图8 实验装置连接原理框图Fig.8 Block diagram of experimental installation

4.2 实验结果分析

实验中，选取几支荧光灯作为研究对象:14W、23W的飞利浦紧凑型荧光灯各一支。对这两支灯具进行实验，获得如下的实验结果，同时人眼通过观察灯的光照，来感受其闪变情况。

对于14W飞利浦紧凑型荧光灯，设定输入电压的电压波动幅度为2%时，取波动频率分别为6、7、8、9Hz，分别计算其波动深度与闪变强度 Pst，如表1所示。

表1 14W飞利浦紧凑型荧光灯的闪变强度与光通量波动深度Table 1 The Pst and luminous flux fluctuation of 14W Philips CFL

从表1可以看出:在相同的波动幅度下，荧光灯闪变强度在电压波动频率越接近8.8Hz时越强，而波动幅度几乎不变。

对比23W飞利浦紧凑型荧光灯，同样，取输入电压的电压波动幅度为2%时，分别取波动频率为6、7、8、9Hz，计算波动深度与 Pst，如表2所示。

表2 23W飞利浦紧凑型荧光灯的闪变强度与光通量波动深度Table 2 The Pst and luminous flux fluctuation of 14W Philips'CFL

对比表1、表2可知:同样的电压波动条件下，23W飞利浦荧光灯比14W的波动深度更大，闪变强度也更大，可知功率更大的荧光灯发生光通量波动的程度更大，对电压波动的敏感性也更大些。

5 结论

荧光灯在输入电压含有一定频率与幅度的电压波动下，会发生光通量波动，产生光闪变。本文结合现有的研究成果，对荧光灯产生光通量波动，发生光闪变的过程进行分析，并提出对应的荧光灯对电压波动的敏感性的评价指标。通过实验研究的方法，对两支灯具在一定的电压波动条件下的波动深度与闪变强度进行了实验与计算，并获得其对电压波动敏感性的情况。

［1］凌志斌，邓超平，郑益慧，叶梵生.荧光灯光通量波动分析［J］.照明工程学报，2003，14(3):15～18.

［2］雍静，孙才新，李建波，周海兵，陈亮.间谐波导致的闪变特征及闪变限制曲线［J］.电机工程学报，2008，28(31):88～93.

［3］Masi M G.，Peretto L.，Tinarelli R.，Rovati L.Assessment of Human Annoyance Under Flicker Condition.IEEE InternationalInstrumentation and Measurement Technology Conference，2011:1294～1298.

［4］庄晓波，朱绍龙，张善端.光源光输出波动的准确测量及其影响因素［J］.照明工程学报，2009，20(1):12 ～19.

［5］IEC 61000-4-15. Testing and measurement techniques: flickermeter-functionaland design specifications［S］.Geneva，Switzerland:IEC，2003.

［6］周海兵.间谐波电压作用下自激式电子镇流器荧光灯的闪变效应研究［D］.重庆:重庆大学，2009.

［7］Gallo Daniele， Landi Carmine， Langella Roberto， et al. IEC flickermeter response to interharmonic pollution［C］.11thInternational Conference on Harmonics and Quality of Power，New York，U.S.A.，IEEE，2004:489 ～494.