趙建平,高雅春，陳 琪，張 濱

(1. 中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013；2.中國建筑設(shè)計研究院有限公司，北京 100044)

引言

隨著LED照明技術(shù)的不斷發(fā)展，LED照明已廣泛應(yīng)用于室內(nèi)外各類場所。傳統(tǒng)LED燈具的供電方式是在末端通過驅(qū)動電源將220 V的交流電轉(zhuǎn)化為LED燈具所需要的直流電，而隨著直流照明供電技術(shù)的不斷成熟，LED燈具希望能夠直接采用直流供電，從而省去末端轉(zhuǎn)化的過程。從光環(huán)境質(zhì)量的角度來看，通過集中處理直流供電照明能夠更好地避免燈具的頻閃，從而營造更為舒適健康的光環(huán)境；從控制的角度來看，直流供電具有更好的控制靈活性，在智能化技術(shù)具有更明顯的優(yōu)勢；從技術(shù)發(fā)展的角度來看，直流照明對于節(jié)能環(huán)保具有推動作用，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。

國際電工委員會(IEC)發(fā)布低壓直流供電技術(shù)報告[1]，對低壓直流供電的技術(shù)、市場和標準化進行了詳細的分析，并將低壓直流供電作為其未來優(yōu)先考慮的重點領(lǐng)域。相比交流供電照明系統(tǒng)，直流照明系統(tǒng)的產(chǎn)品、設(shè)計等方面產(chǎn)生了明顯的差異，為引導(dǎo)直流照明的發(fā)展及應(yīng)用，中國建筑科學研究院有限公司成立編制組在廣泛調(diào)研國內(nèi)外先進技術(shù)的基礎(chǔ)上，制定了《直流照明系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》(T/CECS 705—2020)[2]。該標程規(guī)定了直流照明系統(tǒng)的總則、術(shù)語、基本規(guī)定、系統(tǒng)架構(gòu)與功能、工程設(shè)計、設(shè)備要求、安裝和調(diào)試、驗收、運行和維護等方面，從全過程質(zhì)量管理的角度，對直流照明系統(tǒng)實施的多個關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行了規(guī)定，為我國直流照明系統(tǒng)應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

直流照明系統(tǒng)是指進行直流供配電的照明系統(tǒng)。直流照明系統(tǒng)從前端配電開始，直到末端設(shè)備均為直流，而外部電源可為直流或交流輸入。這就要求照明系統(tǒng)的各個部分均按照直流配電的要求進行設(shè)計選型。直流照明系統(tǒng)一般應(yīng)包括直流電源總控制柜、配電線路、燈具及附屬裝置，根據(jù)實際需要可配置直流電源分配電箱(柜)和監(jiān)控系統(tǒng)，如圖1所示。

對于直流電源總控制柜，一般包括輸入模塊、輸出模塊、直流轉(zhuǎn)換模塊、本地監(jiān)控以及保護模塊等(圖2)，在應(yīng)用中需要根據(jù)項目實際情況確定各功能模塊的需求。

對于配電系統(tǒng)，根據(jù)負荷的規(guī)模、重要性及其分布可分為集中輻射式(圖3)、分層輻射式(圖4)、分布式(圖5)。

圖1 直流照明系統(tǒng)構(gòu)成示意圖Fig.1 Diagrammatic drawing of DC lighting system

圖2 直流電源總控制柜組成示意圖Fig.2 Diagrammatic drawing of DC control cabinet

2 系統(tǒng)設(shè)計要點

區(qū)別于傳統(tǒng)照明系統(tǒng)，直流照明系統(tǒng)從電源輸出到配電，再到末端輸入均為直流電，其設(shè)計與交流電氣系統(tǒng)存在較大差異。特別是從安全性的角度來看，IEC在低壓直流供電技術(shù)報告也指出，對于直流供電系統(tǒng)的安全性的要求要高于交流供電系統(tǒng)。

圖3 集中輻射式配電系統(tǒng)示意圖Fig.3 Diagrammatic drawing of centralized power distribution system

2.1 供電電壓的選擇

通過線纜供電，增加電壓、減少電流、加大線徑是減少線損的有效措施，但隨著電壓的增加，安全風險也會增加。綜合當考慮各種因素的影響時，往往會規(guī)定電壓上限值。對于有大量人員存在的工作場所，考慮到安全和運行的要求，直流低電壓類別是比較合適的。在直流照明領(lǐng)域建立統(tǒng)一的標準電壓對于產(chǎn)品規(guī)格化和提高產(chǎn)品可替換性具有重要意義。

圖4 分層輻射式配電系統(tǒng)示意圖Fig.4 Diagrammatic drawing of layered power distribution system

圖5 分布式配電系統(tǒng)示意圖Fig.5 Diagrammatic drawing of distributed power distribution system

表1 不同標準給出的直流電壓優(yōu)選值和備選值

根據(jù)照明供配電的特點和實際需求，在《直流照明系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》中，選擇48 V、220(±110)V、375 V、750(±375)V作為供電電壓的優(yōu)選值。直流照明系統(tǒng)各級別電壓對于場所的適用性也各有不同，根據(jù)傳輸距離來看，如室內(nèi)末端宜采用48 V供電、道路照明采用220 V或375 V；根據(jù)安全性來看，如水池及類似場所0區(qū)供電電壓不大于24 V等。

2.2 供配電及布線系統(tǒng)

直流照明供配電系統(tǒng)的設(shè)備布置與交流供配電系統(tǒng)類似，直流電源總控制柜宜設(shè)置在負荷中心；配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的選擇還要根據(jù)負荷的規(guī)模、重要性及其分布情況等綜合確定，而從控制柜到末端燈具的配電級數(shù)建議不超過2級。值得注意的是，直流照明系統(tǒng)供電可進行單極性供電(如+220 V)和雙極性供電(如±110 V)，在設(shè)計中可根據(jù)實際需求進行選擇。

布線系統(tǒng)主要對線纜選擇、絕緣耐壓、電壓降、線路布置及線纜標色等方面進行規(guī)定。當需要對照明系統(tǒng)同時提供交流供電電源和直流供電電源時，需要在箱(柜)或橋架內(nèi)進行隔離，并做到交、直流分支回路避免同管敷設(shè)。確定線纜供電半徑時，需要根據(jù)負載功率、供電距離及電壓降的要求合理選擇截面面積。以直流110 V供電電壓為例，線路損失百分率表如下所示：

表2 DC 110 V線路電壓損失百分數(shù)表

2.3 電氣安全

國際標準IEC60479-1[6]規(guī)定了直流電和交流電在電擊方面的差別。觸摸帶電體并受到電擊時，機體反應(yīng)過程中通過人體的電流強度和通電時間的關(guān)系具有一定的差異性。通過人體的交流電(50 Hz或60 Hz)電流超過0.5 mA時會引起人體麻木，而對于直流這個數(shù)值增加到2 mA；當交流電流達到10 mA以上時會引起嚴重的癥狀，例如呼吸困難，而對于直流電，這個數(shù)值上升到30 mA，這表明，直流供電對于人體電擊方面安全性要優(yōu)于交流供電。

對于直流照明系統(tǒng)，供配電系統(tǒng)的電氣安全主要包括過電流保護、電擊防護、熱效應(yīng)保護、電壓騷擾和電磁騷擾防護等，其中過電流保護包括過載長延時保護、短路短延時保護以及短路瞬時保護。特別值得注意的是，相比較于交流電弧，直流電弧更難熄滅，因此直流供電線路設(shè)計需要考慮電弧故障的防護，采取相關(guān)的防護措施。

3 設(shè)備要求

《直流照明系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》對于直流電源總控制柜、直流電源分配電箱(柜)、以太網(wǎng)供電交換機、燈具及附屬裝置、電氣及通信接口等分別進行了規(guī)定。本部分重點對設(shè)備中的直流轉(zhuǎn)換模塊、以太網(wǎng)供電要求以及直流驅(qū)動的相關(guān)要求進行簡要介紹。

3.1 直流轉(zhuǎn)換

LED燈具需要進行直流轉(zhuǎn)換，將外部電源轉(zhuǎn)換為LED燈具需要的直流電，該功能通常通過直流轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)，也稱為整流模塊，一般位于直流電源總控制柜中。作為直流照明系統(tǒng)供電核心模塊，其安全性與可靠性十分重要，特別是對于重要照明負荷。針對此類問題，標準規(guī)定的主要技術(shù)措施如下：

1)設(shè)備安全防護。對于設(shè)備輸入端、輸出端及控制柜箱體等均設(shè)置安全防護措施，以應(yīng)對浪涌、過欠壓、短路、過溫、絕緣失效等風險，此外設(shè)備內(nèi)部確保充足的電氣間隙和爬電距離。

2)單模塊故障不影響整體工作。主要要求包括單模塊故障時的自主均流，以及支持熱插拔功能，以便在單個模塊故障時可以做到系統(tǒng)不間斷運行。

3)設(shè)置冗余備份。原則上照明負荷重要程度越高，冗余備份量越大(見表3)。

表3 直流轉(zhuǎn)換模塊的冗余備份要求

除此之外，直流轉(zhuǎn)換模塊的輸出電能質(zhì)量和轉(zhuǎn)換效率也是十分重要的，將分別影響照明質(zhì)量和節(jié)能指標，因此標準中也做出了相應(yīng)的規(guī)定。

3.2 以太網(wǎng)供電

以太網(wǎng)供電是直流照明系統(tǒng)的一種重要的供電形式，是通過以太網(wǎng)設(shè)備及路由對照明燈具進行供電的技術(shù)。現(xiàn)有的LED照明技術(shù)已與以太網(wǎng)供電技術(shù)進行了有效技術(shù)銜接，并形成了成熟的產(chǎn)品。以太網(wǎng)供電系統(tǒng)通常以交換機作為供電端(PSE)，其供電參數(shù)如表4所示。

表4 照明以太網(wǎng)供電參數(shù)

為確保交換機的安全性能，需要符合國際標準IEC 62368-3:2017[7]對于ES1能量源的相關(guān)規(guī)定，即在正常工作條件，和不導(dǎo)致單一故障條件的異常工作條件下，和不會導(dǎo)致超過ES2限值的單一故障條件下，輸出滿足IEC-62368-1:2018[8]表4規(guī)定，比如直流輸出時，電壓不超過60 V。對于普通人員，經(jīng)過指導(dǎo)的人員，熟悉的專業(yè)人員，ES1定義為沒有危害。以太網(wǎng)供電主要分為以下幾個階段：

1)檢測。檢測燈具是否存在。在把燈具連接到供電交換機時，供電交換機必須先檢測其是否為以太網(wǎng)供電的燈具，以保證拒絕給不符合PoE 標準的燈具提供電流，因為這可能會造成損壞。該步驟主要的操作是：交換機通過檢測電源輸出線對之間的阻抗及電容值來判斷燈具是否存在。檢測階段輸出電壓為2.8～10 V,電壓極性與-48 V輸出一致。只有檢測到燈具，供電單元才會進行下一步的操作。燈具存在的特征：直流阻抗在19～26.5 kΩ之間；電容值不超過150 nF。

2)輸出功率分級。供電單元確定燈具功耗。PSE通過檢測電源輸出電流來確定燈具功率等級。本階段端口輸出電壓大小為15.5～20.5 V。電壓極性與-48 V輸出一致。

3)加電。開始為燈具供電。當檢測到端口所接設(shè)備屬于合法的燈具時，并且供電單元完成對此燈具的分類，供電單元開始對該設(shè)備進行供電，輸出-48 V的電壓。

4)供電。對燈具進行持續(xù)供電。

5)實時監(jiān)控，電源管理。在供電過程，實時檢測供電情況。

6)停止供電。如果供電單元檢測燈具斷開，停止供電。供電單元會通過特定的檢測方法來判斷燈具是否已經(jīng)斷開，如果燈具斷開，供電單元將關(guān)閉端口輸出電壓。端口狀態(tài)返回到檢測狀態(tài)。

3.3 直流驅(qū)動

直流驅(qū)動位于直流照明系統(tǒng)末端，是直流照明系統(tǒng)供電的最后一個環(huán)節(jié)，將系統(tǒng)直流供電轉(zhuǎn)化為燈具所需要的直流電并可根據(jù)照明需求具備一定的控制調(diào)節(jié)能力。從供電角度來看，為提高傳輸效率，供電電壓經(jīng)常高于燈具所需要的電壓，該驅(qū)動環(huán)節(jié)主要應(yīng)對這種電壓不匹配的情況，將較高電壓轉(zhuǎn)化為燈具所需要的低電壓。從產(chǎn)品角度來看，在直流照明系統(tǒng)中，直流驅(qū)動替代傳統(tǒng)交流供電燈具中的交流驅(qū)動?！吨绷髡彰飨到y(tǒng)技術(shù)規(guī)程》對直流驅(qū)動的輸出電流質(zhì)量、能效、壽命、失效率、安全防護等方面進行了規(guī)定。

4 總結(jié)與展望

《直流照明系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》(T/CECS 705—2020)除規(guī)定直流照明系統(tǒng)的設(shè)計要求和設(shè)備要求外，同時也對直流照明系統(tǒng)的安裝、調(diào)試、驗收以及運行維護等方面做出了規(guī)定，以實現(xiàn)規(guī)范直流照明系統(tǒng)工程實踐，保證工程質(zhì)量，達到技術(shù)先進、經(jīng)濟合理、實用可靠、維護方便的編制目的。該標準作為我國首部關(guān)于直流照明系統(tǒng)的綜合性技術(shù)標準，將有利于指導(dǎo)直流照明系統(tǒng)的實施，對于促進行業(yè)健康發(fā)展，提高光環(huán)境質(zhì)量和降低運營維護成本具有積極作用。