城市隧道LED照明电能质量分析

(东南大学建筑设计院有限公司 江苏 南京 210096)

随着隧道对智能用电要求的不断提高，计算机技术、网络技术、工业控制技术的不断发展末端配电系统电能质量得到了越来越多的关注。隧道内使用了大量LED照明灯、EPS应急电源等设备，具有改善隧道内路面状况、改善隧道内视觉享受、减轻驾驶员疲劳、提高隧道通行能力保证交通安全等好处，但这些非线性负载，在运行过程中会产生大量高低次谐波污染、三相不平衡和中性线过流等电能质量问题。

一、隧道LED照明电能质量主要问题及危害

(一)增大用电安全隐患

国标GB1094-1-5《电力变压器》对中性线电流有明确规定：N线电流不应超过变压器额定电流的25%，三相电流的不平衡度小于15%。在实际的应用现场，由于大量LED照明灯、EPS等设备的应用，会产生谐波电流、三相不平衡电流等问题，引起中性线电流远超过国标，甚至要远高于相线电流，中性线过流是极需要解决的问题。

JGJ16-2008《民用建筑电气设计规范》对N线也有相应要求，N线金属导体截面宜为相线的1/2以上或与相线相同。在实际设计中一般选择加粗N线电缆及加设带中性线断线保护功能的断路器，但N线电流始终存在，甚至有的N线电流大于相线电流，或出现“断零”烧坏设备的事故，始终存在用电安全隐患。

中性线过流会引起电缆发热，加速中性线绝缘老化，增大用电安全隐患。持续的N线电缆老化可能会引起“断零”现象，“断零”会引起机电事故，危及人身安全。电缆发热加速电缆老化，可能会击穿绝缘造成电缆短路，加了电气火灾发生的风险，甚至会引起重大火灾等事故。

(二)降低供电可靠性

谐波电流会引起变压器过热，使绝缘介质老化加速，导致绝缘损坏，会使变压器产生振动和噪声。容易构成电容器谐振，使电容器发热导致绝缘击穿的故障增多，更容易发生局部放电。

(三)增大用电事故的发生率

继电保护会由于谐波电流、相位变化等电能质量问题而可能引起误动或拒动。电流的发热作用大于有效值相等的工频电流，能降低热元件的发热动作电流，某些断路器的磁吹线圈不能正常工作，影响断路器的开断能力。

(四)影响线路通讯

谐波电流会使通讯线路产生干扰，降低信号的传输质量，甚至会使数据丢失，造成故障。

增加线路损耗和电缆成本

大量中性线电流和谐波电流，会使得线路上的损耗成倍的增加。电流流过导体，产生的热量与电流的平方成正比的，当电流增加时，热损耗在成倍的增加，浪费电力资源。中性线电流和谐波电流的增大，需要选择大截面的电缆，才能解决因电流增大而带来的电缆发热老化问题，势必增加了电缆的成本。

二、中性线过流分析

造成系统中性线线过流的原因主要有以下几个方面：

(一)三相负载不平衡

三相负载不平衡产生的原因：在三相四线制供电系统中，用电设备主要是单相负载(供电电压AC 220V)为主和其它混合负载。在设计和装接负载时，会将所用负载均衡地分接在A、B、C三相上。但在实际工作及运行中，线路的标志、单相负载的不可控增容、大功率单相负载的接入以及单相负载用电的不同时性等，都造成了三相负载的不平衡。

(二)三次谐波

在正常的供电系统中，供电频率为50Hz。所谓的三次谐波，就是在50Hz的系统中，夹杂着150Hz的交流正弦波，由于是50Hz的三倍，故称之为“三次谐波”。LED照明灯会产生大量的三次谐波，由于三相电的每相基波电流之间的相位差是120度，因此三次谐波电流的相位差是360度，对于交流电而言，相位差是360度意味是同相的。因此，3次谐波电流在N线是算数叠加的，不仅是3次谐波，3倍次谐波都会叠加，比如：6次、9次等。他们不会像其它次谐波那样抵消，因此会造成N线过流。

JGJ16-2008《民用建筑电气设计规范》规定，末端回路三相负载不平衡度不得大于15%。但是，在实际的用电过程中，单相负载的变化和随机性以及同时率问题，这是很难保证不平衡度在可控范围的。传统的交流单相负载已经越来越少了，我们使用的单相负载90%以上都是通过交直流变换来供电的。故3次谐波的叠加使得N线过流已经是必然。

三、谐波分析

(一)谐波的含义

谐波是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量，一般是指对周期性的非正弦电量进行傅立叶级数分解，除了基波频率的电量，其余大于基波频率的电流产生的电量，称为谐波。谐波次数是谐波频率与基波频率(n=fn/f1)的比值。谐波波形图及分解图如下图所示。

(二)谐波的产生

在实际的供电系统中，由于有非线性负荷的存在，当电流流过与所加电压不呈线性关系的负荷时，就形成非正弦电流。任何周期性波形均可分解为一个基频正弦波加上许多谐波频率的正弦波。谐波频率是基频的整倍数，例如基波频率为50Hz，二次谐波为100Hz，三次谐波则为150Hz。因此，畸变的电流波形可能有二次谐波、三次谐波……等。

(三)LED照明系统谐波分析

1.LED电源工作原理

LED照明采用隔离变压器、功率因素校正控制实现开关电源，输出恒定的电流和电压，驱动LED灯。电路的总体框图见下图。

LED电源总体框图

三相交流电经过全桥整流后变成脉动的直流在滤波电容和电感的作用下，输出直流电压。主开关DC/AC电路将直流电转换为高频脉冲电压在变压器的次级输出。变压器输出的高频脉冲经过高频整流、LC滤波和EMI滤波，输出LED灯需要的直流电。PWM控制电路采用电压电流双环控制，以实现对输出电压的调整和输出电流的限制。反馈网络采用恒流恒压器件和比较器。反馈信号通过光耦送给PFC器件。由于使用了PFC器件，可以使模块的功率因数达到0.95以上。

2.LED照明谐波电流产生的原因

在实际的应用中，LED照明在工作时需要相应的驱动电源与之配套，而工作于交流市电的驱动电源主要是以高频开关电源为工作模式的AC/DC变换器，其自身的输入特性决定了输入电流和电压将产生相应的畸变，特别是大功率的隧道LED照明，这种畸变将更为严重，因此在大量使用时极易造成照明配电线路中有严重的谐波电流成分，并引发照明线路上谐波电压的加剧。下图为典型LED驱动电路及其输入输出波形，由图可见，正弦波交流电经过开关电源后变成断续的尖峰波，其中的谐波含量非常高。大量的开关电源同时工作将产生大量的谐波，如果不加以处理将严重污染电网，对其他设备的运行带来各种危害。

LED驱动电路及其输入输出波形

(四)谐波的危害

在隧道的配电线路上通风、除尘等大量电气设备运行频繁，造成电网电压波动大，供电质量非常差，LED照明谐波的加入大大加剧了这一情况并威胁到隧道其他设备的正常运行。照明谐波的危害表现在许多方面，既有对供配电设备、开关电气及输配电线路的危害，也有对用户端所使用的负载的危害，主要包括：

(1)电网谐振危险：谐波会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大。

(2)变压器：电流谐波将增加铜损，电压谐波将增加铁损，综合效果是使变压器温度上升，影响其绝缘能力，并造成容量裕度减小。谐波也可能引起变压器绕组及线间电容之间的共振，及引起铁心磁通饱和或歪斜，而产生噪声。

(3)电缆：谐波的集肤效应引起电缆发热，产生额外的损耗，严重时导致电缆起火。

(4)电动机：输出谐波对电动机的影响主要有，引起电动机附加发热，导致电动机的额外温升，电动机往往要降额使用，由于输出波形失真，增加电动机的重复峰值电压，影响电动机的绝缘，谐波还会引起电动机转矩脉动，以及噪声增加。

(5)电力电容器组：一般电容器的标准规范，规定其最大电流只允许35%的超载，但实际运转时，由于谐波的影响，以致常发生严重过载。电容器的电容与电网的电感形成了一个谐振电路，通常这个谐振电路的自谐振频率一般位于250和500Hz之间，即在5次和7次谐波范围内。当电网中存在的谐波频率与自谐振频率相近时，有可能使谐波电流放大到正常的20倍以上。受谐波影响的电网不能采用常规的电容器来做无功补偿。

(6)开关设备：由于谐波电流的存在，开关设备在起动瞬间产生很高di/dt的电流变化率，致使增加暂态恢复电压的峰值，以致破坏绝缘。

(7)计量仪表：电能表等计量仪表，因谐波而会造成感应转盘产生额外的电磁转矩，引起误差，降低精确度。

(8)电力电子设备：在多种场合，电子设备常会产生谐波的电流源，且很容易感受谐波失真而误动作。

(9)其它还有如照明设备、通信设备、电视及音响设备、电脑设备、载频遥控设备等都容易受谐波的干扰而影响其正常的工作或减少其使用寿命。

实际工程中，一方面采用交流市电驱动的LED照明有大量的谐波产生，另一方面单个LED照明的功率也有越来越大的趋势。由此造成照明配电中谐波电流对配电所产生的危害愈加明显。这不仅对在同一配电线路上的其他用电负载造成的严重影响，而且对照明配电的线路和开关电器等也有直接的影响。

四、电能质量治理方案

目前，在治理隧道照明系统的谐波问题时，主要采用的是就地补偿以及集中补偿方式。所谓就地补偿主要是指在交流进线的谐波源位置布设滤波装置，实现利用滤波装置对谐波进行就近补偿的目的，这是一种非常有效的补偿方式。而所谓集中补偿则主要指的是将谐波补偿装置设置在电网连接用户用电系统的节点处，这样谐波源所产生的大量谐波电流在进入变压器母线时就会被有效抑制，这种治理方式能够对上级电网进行有效的保护，而对下级电网的影响不明显。

由于隧道内LED灯具数量较多，为合理控制和治理LED灯具控制装置所产生的谐波，可采用在隧道照明配电箱中分布式安装末端配电系统智能治理装置，以实现分布式的谐波治理。

五、结语

随着我国隧道工程的发展，照明设施的规模及数量的越来越大，隧道LED照明的节能高效也越来越受到重视。随之而来的隧道LED照明电能问题也引起了广泛的重视。基于此，本文从隧道LED照明电能质量问题产生的机理着手，分析了隧道LED照明电能质量问题的危害，并提出有效的治理措施，对于进一步研究如何有效地进行LED照明配电的设计，还是在施工中需要关注和解决问题等都具有积极和广泛的意义。