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摘要：本文根据已完成施工的某大型工业厂房照明系统配电线路上出现的问题进行分析并提出解决方案。厂房内照明系统施工按设计给出的配电线路方案实施，遇到电缆放热量超标的问题。通过对配电箱功率、电缆载流量计算、每相电缆实际负载电流测试，判断为零线电流过大导致电缆发热量超标。通过计算数据和实测数据对比，以及配电箱、电缆承担负载即LED灯具分析，得出电缆零线电流过大的原因是灯具产生的高次谐波引起。本文针对产生的原因提出几种解决方案进行探讨。为今后类似大型空间照明系统配电方案提供技术优化方案，保证低压配电柜及电缆的安全运行。

关键词：  LED灯具  负载功率  电缆载流量  谐波电流

本文根据已完成施工的某大型工业厂房照明系统配电线路上出现电缆发热量超标的情况，通过计算和实测数据对比，负载设施性能分析发现电缆发热由零线电流过大引起。以往对厂房内照明系统电气审图和施工过程中通常仅仅对配电箱负载功率和电缆载流量进行计算，在满足计算要求的情况下审图时并未提出异议随即按照设计投入施工。在民用建筑和小型厂房内照明系统配置电缆电线偶有发热量超标时，一般主要考虑有漏电流、短路或者三相不平衡引起的原因，在排出上述原因后，基本未做进一步处理。本次大型工业厂房照明系统造成的问题引起项目部高度重视，对其原因分析后提出解决方案，同时今后设计审图提供了宝贵的经验。

1、工程概况

1.1项目概况

某大型工业厂房建筑面积116723m2，结构形式为钢筋混凝土框架+门式钢架结构组合。分为a、b、c三座联合厂房，每个厂房为大跨度空间和夹层办公组合形式。三座厂房的正常电源（N）由b号联合厂房内10kV终端变电站低压屏供电，电源电压采用50Hz，220V/380V，低压配电系统带电导体为三相五线制，接地型式为TN-S系统。配电方式主要为放射式的配电方式。

1.2厂房照明系统及配电系统设计

以a号厂房为例，厂房内灯具的电源由b号厂房低压配电室配电屏引来，在a厂房配电间内设置一台照明总配电柜ALH1101，再分别引出五个回路至厂房内终端照明配电箱AL1101～AL1105，接线回路如图1.1所示。照明配电柜至b厂房低压配电间距离50m。该项目的配电电缆选用YJV-0.6/1.0kV铜芯交联聚乙烯绝缘电缆，电力电线选用BV-450/750V铜芯聚氯乙烯绝缘电线。

本项目所有灯具光源均采用LED光源。生产区采用双管线性支架灯，光源采用2×26W LED直管光源，灯具安装形式为吸顶安装等。LED光源光通量为＞110lm/W、光衰＜5%（<5000小时），光衰＜10%（＜10000小时），光衰＜30% （＜40000小时），光源透光率＞80%，Ra=80，色温为6000K。

2、按设计方案施工后存在的问题

以a号厂房为例，设计图纸上照明配电总箱ALH1101设计为：进线电缆规格为YJV-0.6/1KV-4×95+1×50，额定功率Pe=87.9kW，功率因素Cosϕ=0.9 ，需用系数k=0.99，预留有组备用开关。

配电总箱ALH1101计算电流：

Ijs=Pe×k×1.52/Cosϕ=87.9×0.99×1.52/0.9=146.97（A）

照明终端箱AL1101～ AL1105设计为：进线电缆规格为 YJV-0.6/1KV-5×10，额定功率Pe=15.12kW，功率因素Cosϕ=0.9，需用系数K=0.97。

分配电箱计算电流值：

Ijs=Pe×k×1.52/Cosϕ=15.12×0.97×1.52/0.9=24.8（A）

生产大厅中吊顶区域共有LED 2x26W LED双管线性支架灯1355盏，灯具的供电平均分配给五个照明终端配电箱。

根据计算，每个终端配电箱负载功率

P分=1355/5×2×26=14092W=14.092kW

I分=P分/（1.732×Ue×Cosϕ）=14.092/（1.732×0.38×0.9）=23.79（A）

总配电箱负载功率P总=14.092×5=70.46kW。总配电箱电缆通过的电流

I总=P总/（1.732×Ue×Cosϕ）=70.46/（1.732×0.38×0.9）=118.95（A）

总配电箱和分配电箱计算实际负载的电流值I分、I总均小于配电箱设计电流值Ijs。

根据电缆厂家提供电缆允许持续载流量表查询可知，YJV-0.6/1kV-4×95+1×50的电缆在空气中25℃情况下载流量为210A。YJV-0.6/1kV-5×10的电缆在空气中25℃情况下载流量为46A。因此根据设计图纸安装配电箱及电缆能安全正常使用。各个分配电箱系统图一致，（以AL1101为例）见图1.2所示。

在安装完成后试运行48小时后，对a厂房内照明系统配电箱及电缆检查过程中，发现终端配电箱至总配电箱、总配电至配电间低压配电屏电缆异常发烫。现场技术人员对所有回路及灯具接线安装情况全面检查测试，未发现短路和漏电等异常情况。从系统上看配电箱内每组回路均平均分配，无三相不平衡状况出现。

对照明总配电箱的进线电缆采用钳形表进线检测，L1：105.8A，L2：102.5A，L3：92.1A，N：244A。测试见图1.3所示

3、原因分析及优化的方案探讨

3.1 原因分析

LED是一个半导体二极管，由PN结芯片、电极和光学系统组成。其发光过程包括三部分：正向偏压下的载流子注入、复合辐射和光能的传输。微小的半导体晶片被封装在洁净的环氧树脂物中，当电子经过该晶片时带负电的电子移动到带正电的空穴区域与之复合，电子和空穴消失的同时产生光子。它需要直流供电，如果用市电供电的话，就一定会有一个整流器，通常是二极管整流桥。为了得到尽可能平滑的直流避免出现纹波闪烁，通常都需要加上一个大电解电容。而后面的LED可以近似为一个电阻。如图3.1所示。

根据实验室对灯具的输入电流电压和整定电流电压测试，整定后其各种电流电压波形如图3.2所示。

整流后的电压电流波形都不是正弦波，而且虽然整流前的电压波形是正弦波，但是其电流波形也不是正弦波，整个系统是一个非线性系统。通过对普通桥式整流器整定后的电流脉冲波形进行频谱分析，其电流波形有很多高次谐波，见图3.3所示；

这种非线性负载最大的问题是谐波电流，虽然谐波电流不能和基波电压形成视在功率，但是谐波电流的平方乘以线路电阻就会引起热损耗。

通过上述对LED灯具整流电路原理分析，可知厂房内灯具组成的电路为大型的容性负载。配电箱柜输入至LED灯的电流经灯具的整流器整定后变成带有高次谐波的电流，再汇至配电箱柜流入市电电网。因此在分析a厂房配电柜ALH1101和终端配电箱AL1101～AL1105接入的电缆运行温度超标的原因时，判断为由于电流经a厂房内上千支灯具整流后，汇入终端配电箱电缆的电流存在的高次谐波电流，再汇总到照明总配电箱后叠加增大，导致进线电缆上就出现三相电流不平衡和N线电流过载，而造成电缆发热量超标的问题。

3.2 几种解决方案探讨

（1）方案一：在照明总配电柜处或低压配电屏处安装一台有源滤波器。有源滤波器的主要作用是为谐波补偿，使失真减少到不足5％的总谐波失真（THD）。有源滤波器的是基于高速全数字控制方式的数字信号处理技术制成的新型电力谐波治理专用设备。工作原理是指令电流运算电路实时监视线路中的电流，并将模拟电流信号转换为数字信号，送入高速数字信号处理器（DSP）对信号进行处理，将谐波与基波分离，并以脉宽调制（PWM）信号形式向补偿电流发生电路送出驱动脉冲，驱动IGBT或IPM功率模块，生成与电网谐波电流幅值相等、极性相反的补偿电流注入电网，对谐波电流进行补偿或抵消，主动消除电力谐波。

该方案的优势是能智能实时监测电网系统谐波情况，可动态滤除各次谐波，并对感性、容性补偿系统不平衡负载自动检测，自动抑制系统的谐振。存在缺陷是有源滤波器的单套容量不允许超过100kVA，使用电压不超过690V。设备的造价相对较高，选择时根据使用场所需考虑投入性价比。

（2）方案二：对总照明配电柜进行分流。结合现场实际情况，如图3.4所示，将5个分配电箱中的2个配电箱重新从低压配电屏备用抽屉接入，对照明总配电箱进行分流。原照明总配电柜的N6回路电缆采用原规格继续使用，分配电箱备用回路电缆采用YJV-0.6/1.0kV-4×50+1×25。

根据优化方案实施后，对照明总配电箱N6回路电缆和分配电箱备用回路电缆进线测量，N6回路：L1：69.3A，L2：67A，L3：60.1A，N：142.2A；备用回路：L1：34.5A，L2：32.2A，L3：28.4A，N：68.1A；根据测量数据看，电缆上零线上仍存在高次谐波电流，但由于电流变小后，电缆的发热情况明显降低。

由于电缆上发热量降低，大大的减小了电气线路上火灾发生的风险。由于a厂房内LED灯具为容性负载，在本项目中厂房内绝大多数的用电设备是采用电机驱动的设备，都是感性负载，本来电业局都需要采用大型高压电容在变压器的次级加以补偿，现将厂房照明灯具带有容性负载电流汇集到低压配电柜时就能相互补偿。同时若备用回路选择在不同电压器输出的配电屏，对电网的谐波危害会更低。还有该优化方案的实施成本相对较低。

（3）方案三：重新敷设一根跟零线电缆同规格的电缆，跟零线电缆并联一起，增大零线电缆的截面积。

根据计算，该方案实施能降低零线电流的负荷，使电缆整体的发热量降低。可能会存在两个风险，一是考虑到电缆生产工艺，两根并联的电缆规格若出现差异，会导致零线上电流不平衡，造成电缆整体发热增加。二是主电缆上相线和零线上谐波电流依然集中在照明总配电柜和相应的低压配电屏上，若该配电屏上关联的感性负载设备较少不足抵消由灯具带来的容性负载时，将对变压器负载的配电电网造成污染。

在本项目中选择优化方案二对照明总配电柜进行电流分流的方法，同时将N6回路电缆和备用回路电缆分别接至不同的变压器所属配电屏上，尽量考虑所接入两个配电屏负载含有电动机等感性电路。尽可能将LED灯具产生的容性负载抵消，提高整体电网的功率因素。从施工成本上考虑，增加一根备用线路电缆比采购安装有源滤波器成本要低得多，也比增加一根与总配电箱同规格的零线电缆风险小的多。

4、结语

对于厂房内一套配电柜负载灯具较多出现高次谐波和因容性负载造成功率因素降低，进线电缆因零线上电流过大造成电缆发热的问题，针对不同项目实际情况，综合实施方案可行性、施工成本、后期维护等情况给出不同解决方案。本项目根据大型工业厂房含有比较多电动机等感性负载的特点，采用将照明系统回路分回路方式来处理，但对于要求较高且容量不大的特殊场所，建议优先考虑在电网中加装有源滤波器的方案。

非线性负载系统中的功率因素测量学术界存在较大争议。目前市面上LED灯具功率因素测量多数采用传统线性负载方法测量得到，产品说明标注的功率因素数字有待商榷。选择产品时更应详细研究灯具的整流驱动电路特性，采购时尽量选用采用加有校正功率因素驱动板的集成电路恒流驱动产品。

在今后的设计和图纸会审中发现类似问题时，照明配电柜负载的灯具数量进行控制。低压配电屏在负载分配时要考虑到容性负载和感性负载能对产生的谐波能相互抵消这样合理的设计，否则在图纸会审时提出整改建议，避免后期施工时返工和检修。

参考文献：

[1] 茅于海 详解LED灯具的功率因素