电子厂房LED灯谐波产生与消除

电子厂房 LED灯谐波产生与消除

齐长云

陕西建工安装集团有限公司 ， 陕西省

摘要：伴随着社会发展与科技技术进步，在人们日常生活中民用、工业、农业建设中离不开照明灯具使用，LED灯具技术的发展突飞猛进，在日常生活中大量集中使用LED灯具易产生谐波，为保护照明系统的安全使用，从保护用电设备和人身的安全来看，严格控制并限定电流谐波含量，以减少谐波产生造成危害已经成为人们的共识。

关键词：电子厂房；LED灯谐波产生；谐波消除

引言

照明灯具在日常生活中使用是不可缺少的，而灯具自身的行业竞争不断完善与发展，LED灯具由于节能省电、寿命长、光衰小、光源可控等优点，其使用已较为普遍，但与此同时，在集中使用照明LED灯时容易出现谐波，导致中性线产生较大电流，使电缆发热，并且导致三相电流不平衡发生火灾、跳闸等问题,消除谐波的方法也一直是人们关注的重点。

一、LDE灯谐波产生原因及危害

1.1LDE灯谐波产生原因

LED灯电源供电方式有直流供电与交流电供电两种，一类LED灯为24V直流供电，通过UPS对灯具进行集中供电使用，不易产生谐波；另外一类LED灯具为220V交流供电，灯管为LED灯带，且集中使用交流LED灯较少。之所以有这种问题，是因为LED灯的电源是开关电源，开关电源的输入端是整流电路，因此是典型的谐波源。单相桥式整流电路的谐波电流有3次、5次、7次、9次等。3次谐波电流在中性线上是算数叠加的，有效值是相线电流的1.73倍。由于在布线时，零线的截面积与相线的截面积相同，因此当相线达到额定电流时，零线上的电流会超过额定电流值，导致零线过热、开关不明原因跳闸。

1.2谐波的危害

按照国家电网的相关规定，电网输入电流应该是标准的正弦波，当正弦波发生变化，利用傅里叶级数能将谐波从中分离出来。在基波上叠加的高次谐波，被称为谐波。偶次谐波在电路正常工作时可被大量抵消，但奇次谐波会不断叠加，因此对配电网运行影响最大的是奇次谐波。其对配电系统的危害包括以下几方面：电动机共振。脉动转矩是由电动机产生的磁场和谐波电流作用下产生的，在脉动转矩影响下，周期振动会在电动机运转中出现，进而引发共振，加速设备损坏；绝缘性降低。附加组件发热、局部放电现象明显，都是电路绝缘性降低的主要表现；设备损耗加大。谐波电流的存在，会增加设备的有效电阻，设备做工需要抵抗更多的附加电阻，其磨损程度加剧；系统频繁受到外界干扰。正弦波稳定性受到破坏，声音、文字等通过电信系统传输的信息受到谐波干扰，信号极易出现失真现象，不利于配电线路的正常运营。

二、谐波测量与分析

2.1、 为了很好地分析如图1所示的 LED 灯驱动电源的谐波含量，采用优质SFDZ-3电能质量检测仪绍一种使用示波器测量输入电流的方法。先在电源输入回路串接所检测照明回路线缆,通电后测量大功率电阻上两端的电压波形，由于纯功率电阻上两端的电压与电流始终是同相位， 因此电阻上的脉冲电压波形亦即代表了输入电流的脉冲波形，但数值大小不同。由波形显示可知，其脉冲电流 i(t)与图 2 的中性线电流波形存在谐波；

图1

图2

2.2、LED导致零线电流过大的原因 ，交流电流在导体上流动时，有一种物理现象，叫做趋肤效应，或者集肤效应。趋肤效应的意思是，交流电流不是均匀分布在导体中，而是向导体表面集中。交流电的频率越高，这种效应越显著。电流集中在靠近表面的位置，意味着导体的实际截面积减小。因此，当中性线中流过3次谐波电流时，零线对于3次谐波电流呈现出更大的电阻。 交流电阻与频率的平方根成正比，因此，一个导体对于3次谐波电流的电阻是基波电流电阻的1.7倍。按照功率P=I²R计算，同样幅度的3次谐波电流的发热量是基波电流发热量的1.7倍。这更加剧了零线的过热。我们知道，当电流流过导体时，会导致导体发热，发热量与导体的电阻成正比，与流过导体的电流的平方成正比。因此，如果零线与相线的截面积相同，当零线电流达到相线电流的2倍时，则零线发热量是相线的4倍。如果零线的截面积是相线的1/3，零线的电阻是相线的3倍，当零线电流达到相线电流的2 倍时，则零线的发热量是相线的12 倍；通过上面的分析，我们知道，当零线上的电流超过相线电流时，必然会导致中性线过热，可能引发火灾。零线电流过大是一个严重的火灾隐患，因为零线上没有过流保护装置，不像相线上有保险等保护装置，当电流过大时，切断电流。当电流过大时，只能任其温度升高，加速电缆老化，甚至引起火灾，下图为电缆线路中产生谐波时用热成像仪检测电缆温度91.8度。

图3

三、谐波治理理念分析

从分散和集中治理两个角度，来减少电路运行中的谐波量，分散治理方法如下：对驱动电源进行合理架构，比如逐流式、有源功率因数校正结构，以后者为例，有源功率因数校正结构

在交流部分增加功率开关管、控制电路等组件，多个元件共同作用，完成电流输入任务。电路比较复杂，但在校正功率因数上效果很好。电路运行过程中，输出的正弦波相对标准，谐波含量很好，能有效减少电路中谐波的产生；减小LED负载电阻，将电容或者电阻并联在灯串相应位置，负载转移线路多了一条，输入电流做功有效率提高，波形不会偏离标准正弦波太多。集中治理方法如下：工厂中使用的LED灯具较多，相应的电源模块较多，若对模块进行单个治理，成本较高，衡量各方标准后，采用分区治理模式，利用无源滤波对输入电路分块治理。相较于有源滤波，其优点是改造成本低，完成线路改造后基本不需要维护，且线路故障次数较少。机械式构架比较简单，排查故障难度较小，若为电子构架，线路某处出现故障，可能引发大面积停电，不利于后期维护检修。有源滤波具有较强针对性，能及时消减电路传输中产生的谐波，无源滤波则是借助电抗器、电容器两者的相互配合，作用于整个配电系统，工厂为保证电路传输安全，常采用无源滤波对谐波进行滤除。

四、LED灯具谐波治理的具体方案分析   

经分析调研与设计人员确认消除谐波LED灯谐波治理最佳方法，滤波器分为有源滤波和无源滤波，按照连接方式串联三相四线有源滤波器进行消除，就是在LED照明配电箱端总回路出线处电源输入安装三次谐波电流零线滤波器。有源滤波器是用电流互感器采集直流线路上的电流，经采样，将所得的电流信号进行谐波分离算法的处理，得到谐波参考信号，作为调制信号，与三角波相比，从而得到开关信号，用此开关信号去控制单相桥，根据技术的原理，将上下桥臂的开关信号反接，就可得到与线上谐波信号大小相等、方向相反的谐波电流，将线上的谐波电流抵消掉，这是前馈控制部分，再将有源滤波器接入点后的线上电流的谐波分量反馈回来，作为调节器的输入，调整前馈控制的误差；它是专为各类单相整流电路引起三次谐波过大和零线电流过高而开发的专用滤波器，能够将3次谐波电流和零线电流消除掉90%以上，从根源上消除三次谐波引起的零线电流过大等相关故障隐患。

结束语

综合上述,在日常生活电力系统产生的谐波有很多原因，遇见常见故障分析要非常熟练，能够娴熟地处理谐波所产生的电缆发热等类似问题，消除不安全隐患；照明系统使用时生活中不可缺少的一部分，引照明灯具引起谐波必须保持警惕，根据有源滤波器的应用将保护供电可靠性、降低干扰、提高产品质量、增加设备寿命、减少设备损坏，提高电力系统安全可靠运行。

参考文献:

[1]赵莉华,牛纯春,雷晶晶,等. 照明设备的谐波问题及抑制措施[J]. 电测与仪表,2016(8):95-101.

[2]徐晓晓. 浅谈LED照明对电网谐波影响及治理[J]. 电器应用, 2017(20):16-19.