浅谈LED照明系统谐波电流对电能质量影响及治理

唐平安

(四川省第六建筑有限公司，四川成都 610084)

“谐波”是周期性非正弦交流量进行傅里叶级数分解所得到的大于基波频率整数倍的各次分量。但一直以来，照明设备引起的配电网谐波问题未能得到重视,通过下面一个工程实例，来阐述建筑电气照明系统中大量使用LED灯具对电能质量严重影响及解决办法。

1 工程概况及故障跳闸说明

成都某国际五星级酒店，在运营期间，变电所2#变压器低压进线总开关跳闸，报接地故障，N线电流过大，并烧坏弱电控制系统。根据酒店用户反映，公司马上组织人员对故障原因进行分析排查。

1.1 常规排查

(1)对地下室变电所接地系统，通过测量绝缘电阻的方式进行排查，发现无任何明显故障点。

(2)排查N线和PE线是否混接，从照明回路到房间内的每个插座回路逐一检查，发现部分插座N线和PE线混接，但经过处理后，故障并未排除。

通过以上方式，排除接地故障引起的N线电流过大。

1.2 电能质量分析

2#变压器主要供电对象是酒店的照明负荷，照明均采用LED光源，包括室外景观、客房、宴会厅、公共区域及保障、应急照明。通过观察，发现夜晚光彩照明启动时，N线电流瞬时值达1200 A。平时正常营业时，N线电流瞬时值也达600 A。引起N线电流过大，主要有3种原因，三相负荷不平衡、灯具谐波电流、泄露电流。公司请来第三方公司，采用电能质量分析仪，对2#变压器低压侧进行连续长时间电能质量数据监测，监测数据如下：

通过连续监测，数据统计得到：

(1)低压侧电压畸变率低，符合国家相关标准低于5%。

(2)电流谐波畸变率高达54%。

(3)三相不平衡电流8%。

(4)监测期间，负荷率波动大，谐波含量最大值THDi=207A。

1.3 2#变压器低压负载电压、电流波形

2#变压器低压负载侧瞬时波形见图1。

图1 2#变压器低压负载电压、电流波形

1.4 跳闸分析

由以上数据可分析，变电所跳闸(显示接地故障)是属于意外跳闸，是谐波和三相不平衡电流叠加导致中性线电流过大的典型故障，电路保护装置的意外动作取决于工作原理。下面来分析保护装置的工作原理：

低压配电系统接地型式采用TN-S系统，变电所低压进线总开关采用的带接地故障保护的万能断路器(4P)，接地故障保护工作原理为差值型，信号取至三相电流及N相电流，判断是否是接地故障是通过对电流的采样进行矢量和，in=iu+iv+iw+in，当I(g)(发生接地故障时检查的电流)>Iset(断路器接地故障保护整定值)时，断路器跳闸，并报接地故障。但通过检查电流来判定是否是接地故障，保护装置就会出现误动作，有2种情况：

(1)在三相四线制配电线路正常运行时，当某一相发生接地故障，导致三相负荷不平衡，检测的三相电流加中性线电流相量和增加，I(g)等于接地故障电流。

(2)在三相四线制配电线路正常运行时，三相负荷平衡，如果存在3次谐波或3的奇数倍次谐波时，谐波电流通过中性线，它所引起的中性线电流甚至超过基波相电流，同样会引起检测电流过大，电路保护装置被触发，但它并不是接地故障。所以接地故障保护的判定并不适用于存在高次谐波的场所。

2 谐波分析

LED灯作为新型绿色环保光源，与传统光源相比具有寿命长，能耗低，高光效，光源小巧等特点，适用于长时间营业的商业建筑。但是，LED灯的驱动电源是把电源供应转换为特定的电压电流以驱动LED发光的电源转换器，是一个很典型的非线性谐波源，含有较高的奇次谐波成分，其中3次谐波电流为主要危害。

国家规范对灯具的谐波标准有明确要求，在GB 17625.1-2012《电磁兼容 限值 谐波电流发射限值 (设备每相输入电流≤16A)》中，将照明设备归为C类设备，目前此规范也适用于LED灯具及LED灯具驱动电源。

有功输入功率大于25W的LED灯具，谐波限值要求不超过表1。

表1 大于25W LED灯具谐波限值

有功输入功率不大于25W的LED灯具，谐波限值要求需符合下面2项中其中1项：

(1)谐波电流不应超过与功率相关的限值见表2。

表2 不大于25W LED灯具谐波限值

(2)用基波电流百分数表示的3次谐波电流不应超过 86%；5次谐波不超过61%；同时， 假设基波电压过零点为0°，输入电流波形应是60°或之前达到电流阀值，在65°或之前出现峰值，在90°前不能降低电流阀值以下。

从上面规定可以看出，规范对大于25 W灯具的谐波要求严格，但不大于25 W灯具的谐波要求比较宽泛。LED灯具的质量及成本主要集中于驱动电源，而驱动电路又是造成谐波的主要根源，这造成灯具厂家在制造25 W以上的灯具时对谐波电流进行严格控制，以满足规范标准，但25 W以下的灯具，厂家为了节约成本等考虑，并没有采用过多措施抑制谐波电流。反而造成小功率的LED灯具质量良莠不齐，谐波含量超标现象。

实例中的国际五星级酒店，奢华的室外景观照明，近400间豪华套房，2 000 m2的会议室，5个宴会厅，小于25 W的LED灯具在酒店建筑中运用的更为广泛，单个灯具造成的问题并不严重，但是像酒店这样大规模集中使用时，其产生的谐波将不可忽视。

3 LED灯的谐波危害

为贯彻执行资源节约和环境保护的国家发展战略政策，引导绿色建筑健康发展，LED灯具被大量使用推广，在公共建筑设计中，已经成为标准配置。但随着室内外传统照明被LED灯具全范围取代，LED灯的谐波电流带来的危害开始凸显，对变压器、继电保护、并联电容器、通讯设备、断路器等均有影响。根据工程实例，对LED灯的谐波危害进行几个方面阐述。

3.1 中性线的过流

中性线流过的电流是三相不平衡电流，如果三相负荷平衡，三相相位相差120°，中性线电流是矢量叠加总和为零，in=iu+iv+iw=0，现实中很难存在绝对的三相平衡，但在各种技术措施规范中，都要求尽量保持三相平衡。因此，流过中性线电流都很小，最极端的情况也只是中性线电流等于相电流，以上结论仅适用于传统线性负载。

下面来分析当设备中存在很多非线性负载，中性线电流情况。

将电流进行傅里叶级数分解，n>1的各分量为谐波，在三相中谐波电流表示见图2。

图2 相线和中性线上三次谐波电流

U相：

(1)

V相：

(2)

W相：

(3)

由式(1)～式(3)可得，当n=3时，三相电流相位相同，流过中性线谐波电流是三相谐波电流叠加：

in3+iu3+iv3+iw3=3iu3三相平衡系统中，LED灯具的谐波电流，影响最显著的是三次谐波。中性线三次谐波电流值等于相线谐波电流的3倍。当三次谐波电流超过基波电流的33%，它所引起的中性线电流电流超过基波的相电流。

一般照明配电系统设计中，照明按正常的I=P/UCOSφ计算电流，设计师往往忽略灯具谐波的影响，从实例中的电能监测数据来看，在大规模使用LED照明的的场所，不考虑灯具谐波是有严重问题的，不但会引起接地保护装置误动作，影响酒店的正常经营，更危险的是中性线过热，加速绝缘层老化，留下严重火灾隐患，主要有3个原因：

(1)设计在选择导体截面时，未考虑谐波影响，中性线截面不大于相线截面。

(2)中性线不同于相线，没有保护装置，在过流情况下保护开关不动作，发热严重。

(3)谐波带来高频电流(n×50HZ)，形成趋肤效应，产生更多热量。

3.2 变压器的过热

本案例中，选用的是D，ynll接线组别的配电变压器，这种变压器在谐波治理中优势是二次侧负载产生的三次及其倍数次谐波会在D，ynll接线组别变压器的一次侧形成绕组内环流，故可有效地防止此类谐波经变压器传人一次侧的电网中。但缺点是谐波并未消除，而是在变压器△绕组中形成的环流会产生附加损耗，变压器一次绕组将出现高的温升，引起变压器过热，使得绝缘损坏。同时变压器铁芯产生磁致伸缩和噪声，电抗器产生振动。

在电能监测期间是酒店营业淡季，2#变压器负载率不足20%情况下，变压器温控仪显示温度达85 ℃，虽然没达到变压器高温报警跳闸的极限，但是85 ℃的高温，足以反映出谐波电流对变压器发热影响。

3.3 弱电设备损坏

根据酒店业主反映，营业以来，弱电控制系统经常发生烧坏现象。这一现象是由于零线存在大量谐波电流，而通讯、广播、计算机网络、楼控系统等弱电设备对供电质量敏感度高，在谐波的干扰下会导致烧毁电源模块，击穿芯片，广播设备无法工作。

4 谐波治理

为了改善电能质量，确保电力系统安全经济运行，大量使用LED灯具作为照明系统的项目，谐波总体从3个方向抑制。

4.1 谐波源头的控制

LED灯具谐波来源于驱动电路，驱动电源在整个灯具中的作用就好比像人的心脏一样重要，随着LED需求的迅速增长，生产LED灯具的厂家不断激增，大量低品质的LED灯具在市面上出现，在采购时应选择专业的LED制造厂家，专业厂家会在驱动电路中增加抑制谐波措施，让灯具的谐波含量符合规范要求。虽然采购正规的LED灯具会增加初期采购成本，但是和低劣的LED灯具所产生的谐波电流总量危害整个供电系统和用户生产经营，给后期带来巨大的维护成本相比较，预防、控制谐波源头，是最根本解决照明系统谐波问题的方法。

4.2 针对新建工程，应预防性采用措施解决谐波

设计人员根据LED灯具谐波特征、系统阻抗及公共联接点或谐波侧量点的要求，按实际配电需要，有针对性地进行谐波抑制:

(1)选用D，ynll接线组别的配电变压器，且该变压器的负载率不宜高。

(2)照明系统采用专用配电回路或专用变压器供电。

(3)改善三相不平衡度，照明各相负荷宜平衡分配，最大相负荷不宜大于三相负荷平均值的115%，最小相负荷不宜小于三相负荷平均值的85%。

(4)LED灯具的自然功率因数一般较高，当照明负荷容量占配电变压器容量比例较大时，宜在变压器低压配电母线侧集中装设有源电力滤波器。

(5)当三次谐波电流超过33%时，未设滤波装置时，它所引起的中性线电流超过基波的相电流，此时应按中性线电流选择导体截面。计算电流除以表3中的校正系数。

表3 中性线导体截面电流校正系数

(6)音乐厅及影剧院等建筑物中，舞台调光装置宜采取有效的谐波抑制措施；当未采取措施时，其供电线路的中性导体截面积，应为相导体截面积的2倍。

(7)功率因数补偿电容器组宜配电抗器，抑制高次谐波引起电容器与用电系统可能发生的并联谐振。

4.3 已建工程的补救措施

针对已建工程，项目已经形成被动局面，应采用吸收滤波这种补救措施，包括有源滤波器、无源滤波器。

(1)有源滤波补偿器是一种用于动态抑制谐波、精确补偿无功的新型电力电子装置，它能够对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行动态精确补偿。可以同时滤除多次及高次谐波，滤除率高达95%以上，且不会引起谐振。

(2)无源滤波器，主要由滤波电容器、滤波电抗器、无感电阻和控制保护系统组合而成。当电感与电容串联形成串联谐振，对基波呈容性，电容对基波频率产生无功功率补偿，对谐波形成低阻抗，让谐波流入滤波器。

此工程实例中，2#变压器负荷主要是照明系统用电，3次谐波含量高，而酒店运营特点，淡季和旺季，白天和晚上，照明负荷率变化大，谐波含量随负荷率变化。根据负荷特点，在2#变压器配电前端设置300 A的有源滤波器，保证负荷率最大的时候，配电系统能够正常工作。谐波治理后的三相电流见图3。

图3 谐波治理后三相电流

通过图3看出，投入滤波装置，N线电流明显下降，低压总开关意外跳闸，弱电设备烧坏等问题得到解决，同时降低中性线、变压器发热，解除潜在火灾隐患。不但保证了酒店正常运营，同时提高用电环境安全系数。

5 结论

综上所述要减少谐波对电器设备的影响，确保正常使用，得出以下结论。

(1)加强对市场的监管和检查，对不符合国家规定的电气产品不能进入市场。

(2)从设计阶段就要考虑谐波对使用造成的影响，在设计时就增设谐波抑制措施。

(3)施工单位在施工过程中严格按照规范施工，接线正确，接地牢固可靠。通过各方努力，才能保证用户正常使用。