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PFC在LED户外亮化工程中对零线电流的影响

2016-09-19    

来源:武汉市东辉电子科技有限公司 北京灯亿网络科技有限公司

   作者:董事长胡东辉 联合创始人陈军  

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导语: 在LED户外亮化工程中,过低的功率因数会引起严重的问题,并会极大地影响零线电流。工程中,零线的使用和控制,与此相关的剩余电流保护器的使用,一直以来都存在模糊的地方。本文结合工程案例,尝试对此给出清晰的描述和分析。

  LED灯具在户外景观亮化中的应用已经有超过十年的历史,因为LED控制的便捷性,这样的工程整体规模已经越来越大,整个工程标动辄几千万元,甚至上亿元。这种情况下,原来不被注意的一些技术盲点开始显现。

  在这些技术盲点中,功率因数和零线电流的影响就是其中之一。这个问题虽然简单,但是因为不受重视,引起的工程问题、隐患和浪费不小。

  在霓虹灯时代,镇流器本身功率因数一般都比较高,由此引发的问题较少。而在LED时代,所使用的低压开关电源通常没有PFC[L2] 功能,相应地会有以下几方面的后果:

  ① 在大规模工程中,因为功率因数过低,可能严重污染电网,大量的高次谐波会对其它设备造成干扰。

  ② 同时,功率因数过低,还会增大前级设备的功率载荷,增加用户投资。

  ③ 引起零线电流过大。在老式电路中由于功率因数较高,零线电流较小,通常市售的四芯电缆也是基于这种情况,零线的线径相对相线会小一些。

  ④ 严重超量的启动冲击电流会强烈冲击电网,造成合闸困难也是常有的事。

  关于普通开关电源因为输入整流滤波电容较大,造成启动时对电网冲击较大,引起合闸困难,这一点工程设计单位已经有所考虑,采取了一些措施,这个不是本文讨论的重点。带PFC功能的开关电源,因为输入电容小很多,有助于减少启动冲击电流。

  本文主要描述和分析采用三相四线制的大功率LED工程中,零线电流的各种情况。

  一、三相四线制分相使用普通不带PFC功能的开关电源,总零线电流约等于各相线电流之和。

  通常的误解是:①零线中的电流为三相相电流的相量之和,三个相电流频率相等,相位角互差120º,如果三个电流大小也相等的话,则三个电流互相抵消,相量和恰好为零,零线中就无电流。②零线就是用来通过不平衡电流的。

  其实这些说法都只适用于带PFC功能的开关电源。

  不带PFC功能的开关电源,交流输入经整流后,采用一个大的电容滤波。这种情况下,输入电流为脉冲形式。一个这种开关电源的典型输入电流波形如图1所示。

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  图1

  在这样一个典型的电流波形上,叠加120°和240°两个相移的同样的电流波形,可以得到图2的波形,这样就得到了三相平衡情况下,三根零线一起接到三相四线的零线上时,形成的总零线电流。

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  图2

  可以很清楚地看出,由于所有正向电流和负向电流都没有同时出现,所以总零线电流是三个相线电流简单的叠加。

  这种波形当然不是“三相四线制分相使用普通不带PFC功能的开关电源”时可能出现的唯一情况。在这个示意图中,正向电流和负向电流不会同时出现是有条件的。如果开关电源进线整流后的滤波电容过小,或者负载较重,不同相的正向电流和负向电流就有可能重叠、相互抵消,那么总零线电流就不再是三个相线电流简单的叠加,会小一些。

  因为这个原因,就有下面的推论:

  二、三相四线制分相使用开关电源,总零线绝对不能悬空。

  总零线悬空的代价,依我们的工程经验,可以说工程界每天都在付出。之所以将“不带PFC功能”去掉,是因为就算有PFC功能,除非三相负载特别平衡,总零线电流不会是零,所以也不允许不接好。

  正常的三相交流电,相线与零线间的电压为220V,各相之间的相位角是120度。如果单一一相的零线开路,当然没有问题,这一相没电而已,如果总零线开路,就会造成中位点漂移,各相之间的相位角发生改变,变化的大小与三相接入的负载多少有关,此时各相上的电压为相邻两相电压的矢量和,造成负载小的那相电压升高,负载重的那相电压降低。

  图3记录了总零线未接造成相电压异常的情况。使用不带PFC功能的电源,总零线未接时,分别调整三相的使用功率,实际测量相电压,蓝色的电压值明显已经超过电源输入电压范围。工程中出现这种情况,在一定程度内开关电源可能提供保护,但通常会引起电源损坏。

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  图3

  对零线的重视是分相使用三相四线制交流电的核心问题之一,必须非常清楚零线的重要性和相应的工程工艺。

  ①使用不带PFC的开关电源,虽然零线上的电流通常会接近或等于三个相线电流之和,但通常不会对每一相的电压产生比相线更多的压降,原因是这个复合电流基本上是分时的;

  ②铜铝相接必须使用铜铝过度线夹或接线鼻;

  ③零线汇流排必须使用接线鼻连接,接线鼻一定要正确使用液压钳压接;

  ④建立零线运行、定期检查档案;

  ⑤定期对零线接头进行除氧化处理和加固,必要的话涂上导电胶;

  ⑥防止接线错误引起的总零线悬空。有时为了处理其他问题,将相线跳过分控断路器,此时绝对不能忘记零线,否则此断路器未合闸时,零线悬空。

  三、三相四线制分相使用带PFC功能的开关电源,总零线电流由各相的功率因数以及各相电流的差异决定。

  假设各相上的功率因数都很理想,可以用电子表格来计算总的零线电流。表格的一种样式如图4:

4.jpg

  图4

  其中:

  I1、I2、I3分别为三相电流。

  I1x= I1*COS(0*PI()/180)

  I2x=I2*COS(240*PI()/180)

  I3x=I3*COS(120*PI()/180)

  I1y=I1*SIN(0*PI()/180)

  I2y=I2*SIN(240*PI()/180)

  I3y=I3*SIN(120*PI()/180)

  Inx=I1x+I2x+I3x

  Iny= I1y+I2y+I3y

  总零线电流有效值:In=SQRT(Inx*Inx+Iny*Iny)

  实际使用中,将等式右边的电参数,换成相应的单元格坐标即可。

  下面图5是模拟的一些典型情况所做的计算。

5.jpg

  图5

  将计算结果和实际测量的结果比照,可以判断开关电源是否有足够高的功率因数。我们采用下面的电路做验证试验,结果非常接近理论计算。

6.jpg

  图6

  四、与此问题相关的剩余电流保护器RCD或漏电保护器的使用。

  对功率因数问题,特别是对零线电流缺乏认识的情况下,有人会在系统中采用三相三线的剩余电流保护器,然后发现行不通,无法合闸。这个理由不再赘述。结论是:即使你采用带PFC功能的开关电源,只要出现三相不平衡,保护器就会动作。

  关于漏电保护器的问题,做一个延伸:是不是采用三相四线的漏电开关、把零线接好就一定没问题呢?

  实际情况常常还是不行,因为工程中开关电源都是要求输入接地线的,而开关电源出于EMC和安全方面的考虑,这个接地线与交流进线间,通常会接一个或几个高耐压小容量电容。如果你使用了较灵敏的漏保器,这些电容充电的瞬间电流就会触发了漏电保护器动作。

  除了上电时的冲击,同样是因为这些电容的原因,开关电源使用中的对地漏电流相对于工频变压器,算得上是大很多,而在大的工程中,由于开关电源使用数量通常比较多,这些漏电流叠加起来,会达到很大的数值,而且是电源不接地反而没那么大。这种情况,应计算总漏电流值,选择动作电流更大的漏电保护器。

  五、结束语:

  本文结合理论阐述和工程实践,指出大型LED户外工程中使用具备PFC功能开关电源的必要性,并总结了自LED应用于户外工程以来,一直未被充分重视的零线相关问题。作者希望借此为行业从业者提供参考,为LED户外工程的规范化进程尽一份绵力。

  参考文献:

  GB13955-2005《剩余电流动作保护装置安装和运行》

  (本文经审稿专家悉地国际建筑设计顾问有限公司(CCDI集团)电气总工程师、教授级高级工程师李炳华审稿)

责编:颖子


标签:​功率因数  零线电流  LED  亮化工程  漏电流  PFC  

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