LED景观照明配电系统中剩余动作电流值的选择

包 瑞，常相栋，何杏芳，李 野，黄思平

(1.复旦大学工程与应用技术研究院，上海 200433；2.豪尔赛科技集团股份有限公司，北京 100070)

引言

随着LED照明技术的快速发展，其高效能和易控制的特点，使其逐渐成为了景观照明的主角。人民生活水平的提高，对生活品质和生活环境的追求也越来越强烈。近年来，国内一系列国际会议的举办城市，从G20峰会的杭州到金砖五国峰会的厦门，再到上合峰会的青岛，正在用LED景观照明提升城市形象；同样，从二青会的太原到民运会的郑州，再到军运会的武汉，在国内体育盛事的举办城市，景观照明也正成为城市的新名片。如此量大面广的工程，供电的安全性和可靠性不容忽视。本文将根据LED照明的特点，结合具体工程的经验，分析和讨论LED景观照明配电系统如何合理选取剩余电流保护器(residual operating current, RCD)的剩余动作电流(以下用I△n代替)，以保证配电系统的安全、可靠。

1 室外景观照明配电系统应设置RCD

1.1 RCD设置的必要性

景观照明配电系统中，设置RCD的主要目的，是为了保证接地故障时能自动切断电源，是间接接触防护措施的一种。景观照明配电回路比较长，不论接地形式是TN系统还是TT系统，在接地故障时，都存在回路阻抗大、故障电流小的特点，故障电流不足以引起断路器过电流保护的动作，需要设置RCD，来满足间接接触防护的动作特性，即式(1)和(2)的要求。

(1)

对于TT系统：RAIa≤50 V[1]

(2)

Ia：保证间接接触保护电器在规定时间内切断故障回路的动作电流(A)。对于RCD，Ia为额定剩余动作电流。U0：相导体对地标称电压(V)；ZS：接地故障回路的阻抗(Ω)；RA：外露可导电部分的接地电阻和保护导体电阻之和(Ω)。

室外景观照明配电系统需要设置RCD，在现行的国家和行业标准中有相关规定，如：《城市夜景照明设计规范》(JGJ/T 163—2008)的8.3.3条：当采用TN-S接地系统时宜采用剩余电流保护器作接地故障保护，采用TT接地系统时应采用剩余电流保护器作接地故障保护；《民用建筑电气设计规范》(JGJ 16—2008)的10.9.3条：室外分支线路应装设剩余电流动作保护器；《剩余电流动作保护装置安装和运行》(GB/T 13955—2017)的4.4.1条：安装在室外的电气装置，应安装RCD保护；等等。

1.2 不合理的I△n值影响配电系统的可靠性

对景观照明工程，相关标准只要求设置RCD，并未对其动作电流I△n作出具体规定(注：喷水池除外。喷水池为特殊场所，规范中有明确规定，不在本文讨论范围之内)，部分电气设计人员就习惯性地采用了30 mA。

30 mA是导致人体心室纤颤的电流阀值，也是RCD作为直接接触防护附加保护时的最大动作电流。电气设计中，很多需要设置RCD的地方，要求I△n不大于30 mA，比如：安装高度不超过1.8 m的电气插座、手持式电动工具、移动电器、家用电器的配电回路，等等。但这些都不足以作为景观照明配电系统中I△n取值的依据。

景观照明中RCD的作用是线路保护，电气线路电源端的RCD，其动作电流应按被保护线路泄漏电流值确定[2]。工程设计中，如果不考虑具体情况，I△n均采用30 mA，在许多时候会造成误跳闸。比如回路所带独立驱动电源数量较多时，比如供电线路较长且接头较多时，或者回路所带220 V灯具数量过多时，等等。这些情况如果遇上连续阴雨天气，非事故跳闸发生的几率就会大大增加，严重影响供电系统的可靠性。以至于有的运行管理者不堪其扰，将剩余电流保护器拆除，给电气安全埋下极大的隐患。

2 I△n取值的原则

I△n的取值要兼顾配电的安全性和可靠性。

所谓安全性，就是要满足间接接触防护的动作特性，即本文中的式(1)和式(2)。将式(1)和式(2)变形，可以得到

Ia≤U0/ZS

(3)

Ia≤50/RA

(4)

ZS和RA，的值，一般为几欧姆到几十欧姆。若取50 Ω来计算，分别得到：Ia≤4.4 A和Ia≤1 A。

可见，从安全性角度讲，景观照明配电系统末端回路的RCD，其I△n值需要与相应的阻抗和接地电阻相配合，一般情况下，I△n可以整定到1 A，如果ZS和RA较小，甚至可以整定到几安培。

I△n≥4I△

(5)

即RCD的剩余动作电流不小于4倍的正常运行时的泄漏电流。

工程设计中，I△n的取值宜先按式(5)要求选择，再用式(3)、式(4)要求来校验。

3 确定I△n的合理值

3.1 影响I△n选取的正常泄漏电流

景观照明配电系统中的RCD，装设的位置是照明配电箱的分支回路，如图1所示。对于以LED灯具为主的照明系统，自然泄漏电流主要应考虑配电线路的泄漏电流、220V灯具的泄漏电流、独立式驱动电源的泄漏电流。(因施工接线的工艺水平造成的泄漏电流，不在本文讨论范围。)

图1 配电系统示意图Fig.1 Schematic diagram of power distribution system

3.1.1 线路的泄漏电流

配电线路的泄漏电流，可参考表1来计算[4]。

表1 220/380 V单相及三相线路穿管敷设电线泄漏电流参考值Table 1 Reference value of leakage current of 220/380 V single-phase and three-phase lines laid through pipes mA/km

室外景观照明配电系统，末端配电回路的线缆截面一般以4 mm2和6 mm2居多。以常用的交联聚乙烯绝缘YJV电缆为例，长度为100 m的配电回路，参照表1的数值，正常泄漏电流分别为1.7 mA和2 mA。

3.1.2 独立式驱动电源的泄漏电流

小功率的LED灯具常做成特低压(ELV)产品，工程中需设置独立式驱动电源(简称驱动电源)为多个灯具集中供电。这也是LED景观照明中最常见的形式。除去绝缘电阻的因素，驱动电源还因内部滤波电路的存在，接入配电系统中会有一定的泄漏电流[5]。当下市场上驱动电源产品的漏电流参数不一，从0.75～3.5 mA不等。这让电气设计为难：配电系统设计时，驱动电源的泄漏电流按多少计算合适呢？

我们对多个工程的实际运行状况进行测量，对LED驱动电源的泄漏电流进行测算，得到的结果是：驱动电源的泄漏电流平均值不超过产品漏电参数值的一半。图2是郑州美术馆景观照明工程中，驱动电源(产品漏电参数为：<2 mA/240 VAC)泄漏电流的测算数据。测量以配电回路为单位，图中I△n为单个回路上驱动电源的泄漏电流平均值，横线为所有被测回路驱动电源的泄漏电流平均值：0.52 mA。测量工具为钳形漏电流表，其分辨率为0.01 mA，量程0.00～9.99 mA时精度为±1.2%±5dgt，量程10.0～300.0 mA时精度为±1.5%±5dgt。本文中提到的泄漏电流测量数据，均是在工程初步投入运行、环境干燥的条件下，采用此钳形漏电流表测量所得。

图2 独立式驱动电源泄漏电流测算值散点分布图Fig.2 Scatter diagram of leakage current calculation value of independent drive power supply

在工程设计阶段，由于不能确定驱动电源的品牌，为保证配电系统的可靠性，考虑到线路老化绝缘电阻降低、阴雨天气等因素引起的泄漏电流增大[6]，本文建议：每个驱动电源漏电流可以暂按1 mA考虑，并要求选购漏电流参数不大于2 mA的产品；如不对产品参数作出要求，每个驱动电源泄漏电流宜按1.5～2 mA考虑。

3.1.3 220 V供电的LED灯具的泄漏电流

对于大功率LED灯具，或者受安装条件所限不方便设置独立式驱动电源的情况，一般会采用交流220 V直接供电的产品。LED光源的本质是发光二极管，其触发电压为直流3 V左右。220 V供电的灯具采用的是“内置式驱动电源”，其滤波电容电路同样存在正常运行时的泄漏电流。

现行国家标准GB 7000.1—2015对灯具泄漏电流的最大值作了相应规定。在景观照明中使用更多的1 kW以下的、永久连接的I类灯具，按标准要求，其泄漏电流不应大于3.5 mA。实际工程中，每个灯具的正常泄漏电流都按3.5 mA来考虑，不现实也不经济。

我们对郑州奥体中心及其中轴广场景观照明工程中220 V的LED灯具正常运行时的泄漏电流进行测量，测量结果见图3。本工程中：被测灯具为三个不同品牌、不同功率的产品；每个回路内只有一种灯具，测量以配电回路为单位，测量值体现的是本回路所负载灯具的泄漏电流平均值；按功率分类分别统计灯具的平均泄漏电流，结果如表2所示。

表2 不同功率220V的LED灯具泄漏电流测算值

图3 220 V LED灯具泄漏电流测算值散点分布图Fig.3 Scatter diagram of leakage current calculation value of 220 V LED lamps

图3中，从左至右的第1～28、29～70、71～112回路，分别对应表2中50 W及以下、75 W、300 W灯具的配电回路。从测算结果来看，每回路灯具的泄漏电流平均值极少有超出0.75 mA的，且其值与功率并不呈现明显的正相关关系，各功率段灯具的平均泄漏电流均不超过0.5 mA，所有被测回路灯具的泄漏电流平均值为0.39 mA。在工程设计阶段，若没有更具体的资料时，本测量结果可以作为参考。

3.2 计算确定I△n合理值

以图1中的WL1回路为例：

1)先按可靠性来选取RCD的I△n。

回路中设置8个350 W的驱动电源，假设220 V侧电缆YJV-3x4的长度为150 m，则

I△=10.55 mA

I△n≥4I△=42.2 mA

故I△n宜采用50 mA或100 mA。

2)用安全性要求校验。

假如I△n采用100 mA，则由式(1)和式(2)可得：

ZS≤U0/Ia=2 200 Ω(TN系统)

RA≤ 50/Ia=500 Ω (TT系统)

很显然，是满足安全性要求的。

3.3 保证可靠性前提下降低I△n的措施

3.3.1 减少回路负载的灯具和驱动电源的数量

从前面的分析可以看出，驱动电源或者说是LED灯具的滤波电路，是LED景观照明正常泄漏电流的主要原因。在工程设计中，减少每个配电回路的驱动电源或220V的LED灯具数量，可以降低正常泄漏电流。

以I△n取30 mA为例，每单相回路所负载的驱动电源数量，不宜超过7个；所负载220V的LED灯具总数量，不宜超过10个；否则应提高剩余动作电流I△n的取值。

3.3.2 采用三相配电的方式

三相配电时，三相上的自然泄漏电流，平衡的部分可以互相抵消。如果配电系统分配的好，自然泄漏电流几乎可以忽略不计，RCD检测到的就是故障漏电流，I△n即使整定小一些也无妨，多数情况可以取30 mA。对于LED景观照明工程，三相配电不仅可以减小正常运行时自然泄漏电流对配电系统的影响，还可以降低电压损失、减少配电回路数量，尤其适用大型建筑，如体育场、大型桥梁等工程。表4为我们在郑州博物馆工程中实测的三相配电回路正常运行时泄漏电流的部分数据。测量范围内的灯具均为36 W/220 V的线性洗墙灯。

表4 三相配电回路泄漏电流的测量值

3.4 小结

在工程条件允许且保证供电系统合理的情况下，景观照明配电系统的I△n宜优先选择30 mA，不仅可以满足间接接触防护的要求，还可以作为直接接触防护的后备保护。

LED景观照明工程，要重视LED灯具驱动电源正常泄漏电流对配电系统的影响。对距离较长、灯具或独立式驱动电源较多的配电回路，应通过计算来确定I△n的取值，以保证配电系统的可靠性。当I△n的取值较大时，要结合不同的接地系统即TN系统和TT系统，对ZS和RA做出相应的要求，以满足接地故障时自动切断电源的条件。

对体量大、供电回路多、供电距离长的工程，采用三相配电且I△n取30 mA，不失为一个较优的选择。

4 结束语

LED照明技术的快速发展，推动了LED产品在景观照明工程中的大量运用。在相关标准未能完善之际，工程设计中不合理的I△n取值影响了配电系统的可靠性。本文从分析I△n取值的原则入手，结合现行相关标准的规定和实际工程泄漏电流的测算结果，给出了计算确定I△n合理值的方法。考虑到目前研究的样本数量有限，作者将进一步对不同天气条件、不同使用年限的LED景观照明配电线路的泄漏电流进行测量和分析，希望研究结论能为LED景观照明配电系统的设计和工程实施提供借鉴与指导，并为相关标准的完善提供参考。