包 瑞，常相棟，何杏芳，李 野，黃思平

(1.復(fù)旦大學(xué)工程與應(yīng)用技術(shù)研究院，上海 200433；2.豪爾賽科技集團(tuán)股份有限公司，北京 100070)

引言

隨著LED照明技術(shù)的快速發(fā)展，其高效能和易控制的特點(diǎn)，使其逐漸成為了景觀照明的主角。人民生活水平的提高，對生活品質(zhì)和生活環(huán)境的追求也越來越強(qiáng)烈。近年來，國內(nèi)一系列國際會(huì)議的舉辦城市，從G20峰會(huì)的杭州到金磚五國峰會(huì)的廈門，再到上合峰會(huì)的青島，正在用LED景觀照明提升城市形象；同樣，從二青會(huì)的太原到民運(yùn)會(huì)的鄭州，再到軍運(yùn)會(huì)的武漢，在國內(nèi)體育盛事的舉辦城市，景觀照明也正成為城市的新名片。如此量大面廣的工程，供電的安全性和可靠性不容忽視。本文將根據(jù)LED照明的特點(diǎn)，結(jié)合具體工程的經(jīng)驗(yàn)，分析和討論LED景觀照明配電系統(tǒng)如何合理選取剩余電流保護(hù)器(residual operating current, RCD)的剩余動(dòng)作電流(以下用I△n代替)，以保證配電系統(tǒng)的安全、可靠。

1 室外景觀照明配電系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置RCD

1.1 RCD設(shè)置的必要性

景觀照明配電系統(tǒng)中，設(shè)置RCD的主要目的，是為了保證接地故障時(shí)能自動(dòng)切斷電源，是間接接觸防護(hù)措施的一種。景觀照明配電回路比較長，不論接地形式是TN系統(tǒng)還是TT系統(tǒng)，在接地故障時(shí)，都存在回路阻抗大、故障電流小的特點(diǎn)，故障電流不足以引起斷路器過電流保護(hù)的動(dòng)作，需要設(shè)置RCD，來滿足間接接觸防護(hù)的動(dòng)作特性，即式(1)和(2)的要求。

(1)

對于TT系統(tǒng)：RAIa≤50 V[1]

(2)

Ia：保證間接接觸保護(hù)電器在規(guī)定時(shí)間內(nèi)切斷故障回路的動(dòng)作電流(A)。對于RCD，Ia為額定剩余動(dòng)作電流。U0：相導(dǎo)體對地標(biāo)稱電壓(V)；ZS：接地故障回路的阻抗(Ω)；RA：外露可導(dǎo)電部分的接地電阻和保護(hù)導(dǎo)體電阻之和(Ω)。

室外景觀照明配電系統(tǒng)需要設(shè)置RCD，在現(xiàn)行的國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中有相關(guān)規(guī)定，如：《城市夜景照明設(shè)計(jì)規(guī)范》(JGJ/T 163—2008)的8.3.3條：當(dāng)采用TN-S接地系統(tǒng)時(shí)宜采用剩余電流保護(hù)器作接地故障保護(hù)，采用TT接地系統(tǒng)時(shí)應(yīng)采用剩余電流保護(hù)器作接地故障保護(hù)；《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》(JGJ 16—2008)的10.9.3條：室外分支線路應(yīng)裝設(shè)剩余電流動(dòng)作保護(hù)器；《剩余電流動(dòng)作保護(hù)裝置安裝和運(yùn)行》(GB/T 13955—2017)的4.4.1條：安裝在室外的電氣裝置，應(yīng)安裝RCD保護(hù)；等等。

1.2 不合理的I△n值影響配電系統(tǒng)的可靠性

對景觀照明工程，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)只要求設(shè)置RCD，并未對其動(dòng)作電流I△n作出具體規(guī)定(注：噴水池除外。噴水池為特殊場所，規(guī)范中有明確規(guī)定，不在本文討論范圍之內(nèi))，部分電氣設(shè)計(jì)人員就習(xí)慣性地采用了30 mA。

30 mA是導(dǎo)致人體心室纖顫的電流閥值，也是RCD作為直接接觸防護(hù)附加保護(hù)時(shí)的最大動(dòng)作電流。電氣設(shè)計(jì)中，很多需要設(shè)置RCD的地方，要求I△n不大于30 mA，比如：安裝高度不超過1.8 m的電氣插座、手持式電動(dòng)工具、移動(dòng)電器、家用電器的配電回路，等等。但這些都不足以作為景觀照明配電系統(tǒng)中I△n取值的依據(jù)。

景觀照明中RCD的作用是線路保護(hù)，電氣線路電源端的RCD，其動(dòng)作電流應(yīng)按被保護(hù)線路泄漏電流值確定[2]。工程設(shè)計(jì)中，如果不考慮具體情況，I△n均采用30 mA，在許多時(shí)候會(huì)造成誤跳閘。比如回路所帶獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電源數(shù)量較多時(shí)，比如供電線路較長且接頭較多時(shí)，或者回路所帶220 V燈具數(shù)量過多時(shí)，等等。這些情況如果遇上連續(xù)陰雨天氣，非事故跳閘發(fā)生的幾率就會(huì)大大增加，嚴(yán)重影響供電系統(tǒng)的可靠性。以至于有的運(yùn)行管理者不堪其擾，將剩余電流保護(hù)器拆除，給電氣安全埋下極大的隱患。

2 I△n取值的原則

I△n的取值要兼顧配電的安全性和可靠性。

所謂安全性，就是要滿足間接接觸防護(hù)的動(dòng)作特性，即本文中的式(1)和式(2)。將式(1)和式(2)變形，可以得到

Ia≤U0/ZS

(3)

Ia≤50/RA

(4)

ZS和RA，的值，一般為幾歐姆到幾十歐姆。若取50 Ω來計(jì)算，分別得到：Ia≤4.4 A和Ia≤1 A。

可見，從安全性角度講，景觀照明配電系統(tǒng)末端回路的RCD，其I△n值需要與相應(yīng)的阻抗和接地電阻相配合，一般情況下，I△n可以整定到1 A，如果ZS和RA較小，甚至可以整定到幾安培。

I△n≥4I△

(5)

即RCD的剩余動(dòng)作電流不小于4倍的正常運(yùn)行時(shí)的泄漏電流。

工程設(shè)計(jì)中，I△n的取值宜先按式(5)要求選擇，再用式(3)、式(4)要求來校驗(yàn)。

3 確定I△n的合理值

3.1 影響I△n選取的正常泄漏電流

景觀照明配電系統(tǒng)中的RCD，裝設(shè)的位置是照明配電箱的分支回路，如圖1所示。對于以LED燈具為主的照明系統(tǒng)，自然泄漏電流主要應(yīng)考慮配電線路的泄漏電流、220V燈具的泄漏電流、獨(dú)立式驅(qū)動(dòng)電源的泄漏電流。(因施工接線的工藝水平造成的泄漏電流，不在本文討論范圍。)

圖1 配電系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of power distribution system

3.1.1 線路的泄漏電流

配電線路的泄漏電流，可參考表1來計(jì)算[4]。

表1 220/380 V單相及三相線路穿管敷設(shè)電線泄漏電流參考值Table 1 Reference value of leakage current of 220/380 V single-phase and three-phase lines laid through pipes mA/km

室外景觀照明配電系統(tǒng)，末端配電回路的線纜截面一般以4 mm2和6 mm2居多。以常用的交聯(lián)聚乙烯絕緣YJV電纜為例，長度為100 m的配電回路，參照表1的數(shù)值，正常泄漏電流分別為1.7 mA和2 mA。

3.1.2 獨(dú)立式驅(qū)動(dòng)電源的泄漏電流

小功率的LED燈具常做成特低壓(ELV)產(chǎn)品，工程中需設(shè)置獨(dú)立式驅(qū)動(dòng)電源(簡稱驅(qū)動(dòng)電源)為多個(gè)燈具集中供電。這也是LED景觀照明中最常見的形式。除去絕緣電阻的因素，驅(qū)動(dòng)電源還因內(nèi)部濾波電路的存在，接入配電系統(tǒng)中會(huì)有一定的泄漏電流[5]。當(dāng)下市場上驅(qū)動(dòng)電源產(chǎn)品的漏電流參數(shù)不一，從0.75～3.5 mA不等。這讓電氣設(shè)計(jì)為難：配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電源的泄漏電流按多少計(jì)算合適呢？

我們對多個(gè)工程的實(shí)際運(yùn)行狀況進(jìn)行測量，對LED驅(qū)動(dòng)電源的泄漏電流進(jìn)行測算，得到的結(jié)果是：驅(qū)動(dòng)電源的泄漏電流平均值不超過產(chǎn)品漏電參數(shù)值的一半。圖2是鄭州美術(shù)館景觀照明工程中，驅(qū)動(dòng)電源(產(chǎn)品漏電參數(shù)為：<2 mA/240 VAC)泄漏電流的測算數(shù)據(jù)。測量以配電回路為單位，圖中I△n為單個(gè)回路上驅(qū)動(dòng)電源的泄漏電流平均值，橫線為所有被測回路驅(qū)動(dòng)電源的泄漏電流平均值：0.52 mA。測量工具為鉗形漏電流表，其分辨率為0.01 mA，量程0.00～9.99 mA時(shí)精度為±1.2%±5dgt，量程10.0～300.0 mA時(shí)精度為±1.5%±5dgt。本文中提到的泄漏電流測量數(shù)據(jù)，均是在工程初步投入運(yùn)行、環(huán)境干燥的條件下，采用此鉗形漏電流表測量所得。

圖2 獨(dú)立式驅(qū)動(dòng)電源泄漏電流測算值散點(diǎn)分布圖Fig.2 Scatter diagram of leakage current calculation value of independent drive power supply

在工程設(shè)計(jì)階段，由于不能確定驅(qū)動(dòng)電源的品牌，為保證配電系統(tǒng)的可靠性，考慮到線路老化絕緣電阻降低、陰雨天氣等因素引起的泄漏電流增大[6]，本文建議：每個(gè)驅(qū)動(dòng)電源漏電流可以暫按1 mA考慮，并要求選購漏電流參數(shù)不大于2 mA的產(chǎn)品；如不對產(chǎn)品參數(shù)作出要求，每個(gè)驅(qū)動(dòng)電源泄漏電流宜按1.5～2 mA考慮。

3.1.3 220 V供電的LED燈具的泄漏電流

對于大功率LED燈具，或者受安裝條件所限不方便設(shè)置獨(dú)立式驅(qū)動(dòng)電源的情況，一般會(huì)采用交流220 V直接供電的產(chǎn)品。LED光源的本質(zhì)是發(fā)光二極管，其觸發(fā)電壓為直流3 V左右。220 V供電的燈具采用的是“內(nèi)置式驅(qū)動(dòng)電源”，其濾波電容電路同樣存在正常運(yùn)行時(shí)的泄漏電流。

現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB 7000.1—2015對燈具泄漏電流的最大值作了相應(yīng)規(guī)定。在景觀照明中使用更多的1 kW以下的、永久連接的I類燈具，按標(biāo)準(zhǔn)要求，其泄漏電流不應(yīng)大于3.5 mA。實(shí)際工程中，每個(gè)燈具的正常泄漏電流都按3.5 mA來考慮，不現(xiàn)實(shí)也不經(jīng)濟(jì)。

我們對鄭州奧體中心及其中軸廣場景觀照明工程中220 V的LED燈具正常運(yùn)行時(shí)的泄漏電流進(jìn)行測量，測量結(jié)果見圖3。本工程中：被測燈具為三個(gè)不同品牌、不同功率的產(chǎn)品；每個(gè)回路內(nèi)只有一種燈具，測量以配電回路為單位，測量值體現(xiàn)的是本回路所負(fù)載燈具的泄漏電流平均值；按功率分類分別統(tǒng)計(jì)燈具的平均泄漏電流，結(jié)果如表2所示。

表2 不同功率220V的LED燈具泄漏電流測算值

圖3 220 V LED燈具泄漏電流測算值散點(diǎn)分布圖Fig.3 Scatter diagram of leakage current calculation value of 220 V LED lamps

圖3中，從左至右的第1～28、29～70、71～112回路，分別對應(yīng)表2中50 W及以下、75 W、300 W燈具的配電回路。從測算結(jié)果來看，每回路燈具的泄漏電流平均值極少有超出0.75 mA的，且其值與功率并不呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系，各功率段燈具的平均泄漏電流均不超過0.5 mA，所有被測回路燈具的泄漏電流平均值為0.39 mA。在工程設(shè)計(jì)階段，若沒有更具體的資料時(shí)，本測量結(jié)果可以作為參考。

3.2 計(jì)算確定I△n合理值

以圖1中的WL1回路為例：

1)先按可靠性來選取RCD的I△n。

回路中設(shè)置8個(gè)350 W的驅(qū)動(dòng)電源，假設(shè)220 V側(cè)電纜YJV-3x4的長度為150 m，則

I△=10.55 mA

I△n≥4I△=42.2 mA

故I△n宜采用50 mA或100 mA。

2)用安全性要求校驗(yàn)。

假如I△n采用100 mA，則由式(1)和式(2)可得：

ZS≤U0/Ia=2 200 Ω(TN系統(tǒng))

RA≤ 50/Ia=500 Ω (TT系統(tǒng))

很顯然，是滿足安全性要求的。

3.3 保證可靠性前提下降低I△n的措施

3.3.1 減少回路負(fù)載的燈具和驅(qū)動(dòng)電源的數(shù)量

從前面的分析可以看出，驅(qū)動(dòng)電源或者說是LED燈具的濾波電路，是LED景觀照明正常泄漏電流的主要原因。在工程設(shè)計(jì)中，減少每個(gè)配電回路的驅(qū)動(dòng)電源或220V的LED燈具數(shù)量，可以降低正常泄漏電流。

以I△n取30 mA為例，每單相回路所負(fù)載的驅(qū)動(dòng)電源數(shù)量，不宜超過7個(gè)；所負(fù)載220V的LED燈具總數(shù)量，不宜超過10個(gè)；否則應(yīng)提高剩余動(dòng)作電流I△n的取值。

3.3.2 采用三相配電的方式

三相配電時(shí)，三相上的自然泄漏電流，平衡的部分可以互相抵消。如果配電系統(tǒng)分配的好，自然泄漏電流幾乎可以忽略不計(jì)，RCD檢測到的就是故障漏電流，I△n即使整定小一些也無妨，多數(shù)情況可以取30 mA。對于LED景觀照明工程，三相配電不僅可以減小正常運(yùn)行時(shí)自然泄漏電流對配電系統(tǒng)的影響，還可以降低電壓損失、減少配電回路數(shù)量，尤其適用大型建筑，如體育場、大型橋梁等工程。表4為我們在鄭州博物館工程中實(shí)測的三相配電回路正常運(yùn)行時(shí)泄漏電流的部分?jǐn)?shù)據(jù)。測量范圍內(nèi)的燈具均為36 W/220 V的線性洗墻燈。

表4 三相配電回路泄漏電流的測量值

3.4 小結(jié)

在工程條件允許且保證供電系統(tǒng)合理的情況下，景觀照明配電系統(tǒng)的I△n宜優(yōu)先選擇30 mA，不僅可以滿足間接接觸防護(hù)的要求，還可以作為直接接觸防護(hù)的后備保護(hù)。

LED景觀照明工程，要重視LED燈具驅(qū)動(dòng)電源正常泄漏電流對配電系統(tǒng)的影響。對距離較長、燈具或獨(dú)立式驅(qū)動(dòng)電源較多的配電回路，應(yīng)通過計(jì)算來確定I△n的取值，以保證配電系統(tǒng)的可靠性。當(dāng)I△n的取值較大時(shí)，要結(jié)合不同的接地系統(tǒng)即TN系統(tǒng)和TT系統(tǒng)，對ZS和RA做出相應(yīng)的要求，以滿足接地故障時(shí)自動(dòng)切斷電源的條件。

對體量大、供電回路多、供電距離長的工程，采用三相配電且I△n取30 mA，不失為一個(gè)較優(yōu)的選擇。

4 結(jié)束語

LED照明技術(shù)的快速發(fā)展，推動(dòng)了LED產(chǎn)品在景觀照明工程中的大量運(yùn)用。在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)未能完善之際，工程設(shè)計(jì)中不合理的I△n取值影響了配電系統(tǒng)的可靠性。本文從分析I△n取值的原則入手，結(jié)合現(xiàn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定和實(shí)際工程泄漏電流的測算結(jié)果，給出了計(jì)算確定I△n合理值的方法。考慮到目前研究的樣本數(shù)量有限，作者將進(jìn)一步對不同天氣條件、不同使用年限的LED景觀照明配電線路的泄漏電流進(jìn)行測量和分析，希望研究結(jié)論能為LED景觀照明配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和工程實(shí)施提供借鑒與指導(dǎo)，并為相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的完善提供參考。