节能灯照明系统谐波电流问题研究

摘要： 随着现代电力电子和建筑智能化的迅速发展和普及，电网谐波污染的问题越来越严重。由于谐波危害很大，而且谐波源分布广泛，因此对不同谐波源产生的谐波电流应逐个分析。本文针对商业建筑中大量使用节能灯作为照明灯具的情况，结合工程实际，对25W以下的具有代表性的节能灯进行实验数据采集和分析，并得到重要结论。

Abstract： With the rapid development and popularization of modern power electronics and intelligent building， the power grid harmonic pollution problems are becoming more and more serious. The harmonic wave has great harm， and harmonic sources are widely distributed， so the harmonic current caused by different harmonic sources should be analyzed one by one. Many energy-saving lamps are used in commercial buildings. Combined with the engineering practice， experiment data acquisition and analysis are carried out to the representative energy-saving lamps below 25W， and important conclusions are drawn.

关键词： 谐波；节能灯；谐波电流系数

Key words： harmonic wave；energy-saving lamps；harmonic current coefficient

中图分类号：TM923.3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）12-0104-03

0 引言

随着我国经济的进一步发展和我国电力市场的发展，各行各业对电能的需求日益增长，同时对供电可靠性，安全性和电能质量也提出了更高的要求。

谐波是影响电能质量的最主要因素之一，存在于配电系统已经很多年了，随着电力电子技术及建筑智能化技术的发展，谐波问题日趋严重。变压器、电力电容器，各种电力电子装置、各类节能灯等伏安特性为非线性的设备均能产生谐波。同时更多的精密设备和各类电子装置对电能质量也很敏感。在建筑电路中如果谐波含有率长时间偏高，会使电缆电线载流量大，温度升高，留下火灾隐患；若谐波电压太高，会引起电子设备无法正常工作，或电气保护设备误动作，或对通信设备和电网产生干扰，或引起电能计量装置计量不准确等等。

而想要进行准确的配电设计，精确的谐波电流值是非常重要的。但目前设计标准或手册都只是基波电流的计算，对于谐波都是以电流限制的形式来进行要求。因此，对于不同谐波源产生的谐波电流值需要逐个分析研究。

本研究的目的主要是针对当前建筑电气照明系统中由于节能灯的大量应用而带来的严重问题和后果。根据本研究的数据和结论，不但可以为建筑电气照明系统的改造，故障的解决提供理论支持，还可以为电气设计师在建筑电气配电设计上提供有效的参考。

1 节能灯谐波的产生和国标中的谐波标准

1.1 节能灯谐波概况 节能灯，又称为省电灯泡、电子灯泡、紧凑型荧光灯及一体式荧光灯，是指将荧光灯与镇流器组合成一个整体的照明设备。节能灯的尺寸与白炽灯相近，与灯座的接口也和白炽灯相同，所以可以直接替换白炽灯。节能灯的正式名称是稀土三基色紧凑型荧光灯，20世纪70年代诞生于荷兰的飞利浦公司，并且被国家纳入到了863推广计划中。这种光源在达到同样光能输出的前提下，只需耗费普通白炽灯用电量的1/5至1/4，从而可以节约大量的照明电能和费用，因此被称为节能灯。

实际上，节能灯就是一种紧凑型的日光灯。由于其自带电子镇流器，正是谐波产生的根源所在。在供电系统的负载端，谐波主要产生与具有非线性特性的设备，而节能灯自带的电子镇流器是由滤波电路、触发电路、高频振荡电路和LC串联输出电路组成。这些元件都是非线性的，从而导致了不同程度的波形畸变。

1.2 照明设备谐波标准 在国家标准GB/T 14549-1993《电能质量 公用电网谐波》的规定中，公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量（方均根植）不应超过表1中的规定允许值。

在2003年颁布的GB17625.1-2003《电磁兼容限制谐波电流发射限制（设备每相输入电流≤16A）》中，按照谐波电流限制，将设备分为四类，其中有功功率大于25W的照明设备被定义为C类，并做了较详细的规定。节能灯虽然属于标准中有功输入功率小于等于25W的放电灯，但大量使用的节能灯串，应归为C类。其谐波电流应至少符合以下两个要求中的一个：

①谐波不超过表2中D类设备每瓦允许的最大谐波电流限制；②3次谐波电流畸变率不超过86%，5次谐波不超过61%。

通过此标准的规定可以看出，此标准只是针对功率大小来划分谐波限制，并未将按照光源分类给出谐波限制，而且谐波限值是比较大的。

2 节能灯谐波电流的测量

商业建筑中是节能灯大量使用的典型场所，因其对照明的主要要求体现在三个方面：一是节能，由于营业时间长、灯具数量多；二是显色性好；三是灯具小巧美观。因此，自带电子镇流器的稀土三基色紧凑型荧光灯是最合适的选择。因此，从实际工程应用角度来考虑，在实验室搭建了一个模拟实际工程情况的试验平台，这样通过试验不仅能推导出大量使用节能灯后的谐波特性，还能够使试验结果与实际工程紧密结合。

实验电路如图1所示，设计最大25个灯是因为在JGJ-16-2008《民用建筑电气设计规范》中规定：照明系统中的每一单相回路的电流不宜超过16A，光源数量不宜超过25个。

实验中选择了两种不同品牌的节能灯（A和B）进行实验，A选择品牌为飞利浦品牌的三基色自镇流荧光灯；B选择了佛山出品的一种杂牌自镇流荧光灯。

根据工程的实际情况，实验共需采集两类数据：①每5个灯一组，共采集5盏、10盏、15盏、20盏、25盏五组数据进行分析。②三是根据三相平衡原则，同时接通三相A、B、C回路，采集三相四线制条件下N线的谐波数据。

实验中节能灯谐波值和标准规定限制如表3。

实验数据如表4-表7。

3 谐波电流系数f的提出

在建筑照明设计时，一般会根据灯具的规格和数量来计算回路中电流，但这样计算是按照正常基波状态，并没有考虑谐波电流的影响。从实验结果可明显看出，节能灯回路中谐波电流值非常大，不考虑谐波电流的影响的设计是有问题。

式中：I为实际电流（A）；f为节能灯谐波校正系数；I1为基波电流（A）；Un为额定电压（kV）；Pe为设备额定功率（kW）。

在工程上应用，必须要保证在使用谐波校正系数f后计算电流不大于实际正常负荷电流。通过上述实验，分析、综合考虑后，确定谐波校正系数应取实验数据中最大值，才能确保工程安全。

此处，功率因数可取0.9。

利用实验数据通过上式计算可得实验中使用的节能灯，由个数1增加至25时，对于的校正系数f。

从数据中看出，节能灯f值的变化规律虽然随着数量的增加而变大，但变化的范围较大是杂牌的产品。因此，考虑到市场上节能灯品牌众多，质量良莠不齐，必须将谐波校正系数的取值偏大考虑。所以，笔者认为f取值为1.7，比较合适。

4 结论

①基本上两种节能灯的各次谐波都不能完全负荷国家标准，一般3、5、7、9次谐波都比较接近标准值，但是11次以上的高次谐波值高出标准值较多。

②实验中所用到的25W以下的节能灯，电流总谐波含量THDI非常高，最高接近100%；单个节能灯造成的问题并不严重，但大量使用节能灯将对电网造成的非常严重污染。

③从节能灯同品牌不同数量的实验中可以得出，节能灯产生的电流总谐波含量随着灯的数量增加而增加，但不是线性叠加。

④工程设计中，计算电流比实际电流小很多，尤其是三相四线制供电系统的N线电流增加较大，若没有滤波措施，很容易使得N线超负荷，不仅可能损坏设备，甚至有造成火灾的隐患。

⑤提出节能灯谐波系数f概念，可用于校正计算电流数值，使得设计师在计算电流时能更加准确。

5 改进措施

节能灯回路的谐波抑制，可从控制谐波源和加装滤波器两方面考虑。

①从实验数据和结论中可知，3、5、7、9次谐波都比较接近标准值，节能灯生产厂家应完善节能灯中滤波电容的设计，使之具有针对11次以上谐波滤波的能力。

②两种节能灯比较而言，名牌节能灯的各次谐波值要小于杂牌节能灯，说明厂家在灯具制造和滤波方面还是有一定标准要求的。建议大规模使用节能灯的场所，购买知名厂家的产品。

③目前节能灯线路中，加装滤波器方面建议使用高通滤波器，主要可消除某些高次谐波和某次谐波以上的所有谐波，配合节能灯中滤波电容的低次谐波的滤波效果，可较好的滤除节能灯照明回路中的大部分谐波。

④节能灯谐波校正系数f主要用于节能灯线路设计中电流的计算，可较精确的计算出节能灯回路中计算电流值（包含基波电流和谐波电流），可以此为依据较为地准确选择开关、导线等电气设备，并考虑是否需要设计滤波装置。

6 结语

本文从大规模使用节能灯的电气照明回路的谐波电流入手。通过实验分析，有针对性地说明了使用节能灯照明回路的谐波现状，并提出了改进措施。通过再次实验验证，在使用了滤波装置的节能灯回路中，各次谐波值基本都符合国家标准GB/T 14549-1993《电能质量 公用电网谐波》的要求。

参考文献：

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