上海鼎胜建筑工程管理设计有限公司上海市200333
摘要：本文以笔者所负责设计的商业综合体为例，探讨谐波对照明配电线路选择的影响和低压配电线路发生接地故障时的危害及保护措施。
关键词：谐波；接地故障保护
引言
在民用建筑电气设计中，我们通常对电气消防相关规范条文执行的比较好，但对低压配电中某些隐性的安全问题重视不够，如谐波对照明配电线路的影响和配电线路的接地故障保护等安全问题。下面结合笔者所负责设计的某个商业综合体为例，具体分析计算谐波和接地故障电流分别对配电线路和保护电器规格的选择影响，并提出一些解决措施。
1.项目概况：
泰安爱琴海购物公园位于山东泰安泮河以南、天平湖路以北，建筑面积为157703.3㎡。其中地上建筑面积为100000㎡，地下建筑面积为57703.3㎡。地上5层，地下2层。建筑高度为28.8m。其功能为集超市、商业、电影院、儿童娱乐、KTV、健身于一体的商业综合体。
2.谐波对照明配电线路的影响
照明配电设计是每个项目不可或缺的一部分。随着科技的发展，光源的形式从热辐射光源到气体放电光源再到固态光源，发生了翻天覆地的变化。目前固态LED光源最受宠爱。LED的光源的优点很多，如：1）发光效率高，节能效果相对传统荧光灯、白炽灯、气体放电灯节能效果明显，2）使用寿命长、体积小、质量轻、环氧树脂封装，寿命可达25000~50000h，大大降低了灯具的维护费用。3）安全可靠性高，发热量低、无热辐射，属于冷光源。4）相应时间快，启动可靠快捷。5）调光方便，可结合控制技术、通讯技术实现自动调光，满足节能和调节照度功能的需求。由于它的节能、调光、控制、安全可靠等特点较为突出，在商业装修设计中被大量使用。但LED光源也存在着一些不足，主要是驱动电源谐波大、功率因数低。而谐波对配电线路的影响最为严重，也是我们在照明配电设计中经常忽略的问题。在照明线路的配电设计中，通常我们只按相线计算电流选择开关导线。但当末端照明选用的全是LED光源时，照明配电线路设计就需考虑谐波的影响。LED照明灯具在使用的过程中将产生大量的高次谐波。而在所有可能存在的谐波电流中，三次谐波电流影响最为显著。三次谐波电流在中性导体中呈现3倍叠加，对配电线路的影响也最为显著。当3次谐波分量超过33%时，则中性线电流将超过相线电流。。如果此时还按照相线电流选择导体截面就会造成中性线过负荷，线路长期过载运行，绝缘层将加速老化，留有很大安全隐患。
下面就以本工程二层防火分区二的公共走道照明箱配电为例计算谐波电流对配电线路的影响。该防火分区的公共走道照明计算功率为20KW，计算电流为33.8A；分别假定以3次谐波分量12%、28%、42%、65%、86%为例选择电缆截面。依据《低压配电设计规范》GB50054-2011第3.2.9条表3.2.9计算不同谐波电流下的计算电流的开关电缆选择，其计算、选择结果详见下表2.1：
表2.1
注：a.33%以下三次谐波电流对相线电流的影响较小忽略不计。b.电缆沿桥架敷设。c.以上电缆截面的选择，仅考虑电缆的载流量，未考虑电压降和其他设计方面的问题。
根据表2.1的计算结果，考虑谐波的影响，按中性线电流选择的电缆截面比按相线电流选择的电缆截面最大大三级。如果没有考虑谐波对配电线路的影响，按常规相线线电流选者电线电缆截面，将会对照明线路造成过负荷，带来很大的安全隐患。而在实际市场中，LED产品质量参差不齐，价格低的产品驱动电源电路简单，谐波较大，谐波小的优质产品价格高。标准GB17625.1－2012《电磁兼容限值谐波电流发射限值（设备每相输入电流≤16A）》，对于有功输入功率＞25W的照明灯具，其谐波电流不应超过表2.2给出的对应限值。
表2.2C类设备（照明）谐波电流限值表（照明灯具有功输入功率＞25W）
注：有功功率不大于25W的放电灯，应符合以下两项要求中的一项：①用谐波电流与功率有关值表示，3次谐波电流不超过3.4mA/W；5次谐波电流不超过1.9mA/W；②用基波电流百分数表示，3次谐波不应超过86%，5次谐波不应超过61%。
依据上述标准，对于大于25W的照明灯具，功率因数要求在0.9以上的，3次谐波分量都小于33%，对照明配电线路计算影响较小。但对于不大于25W的照明灯具，我们的产品的制造标准只要规定3次谐波分量小于86%即为合格产品。所以在照明设计中，首先应尽量使用功率在25W以上的LED光源，当选择不大于25W的LED光源时，一定要注明其谐波分量的限值。
3.接地故障保护
为了防止人身间接电击、电气火灾等事故，配电线路需要设置接地故障保护。
依据《低压配电设计规范》GB50054-2011第5.2.13条及条文解释，用一般的过电流保护器（熔断器、断路器）兼作间接接触防护电器最为经济简单，应优先采用。但大型商业综合体通常是建筑面积大，层数较少，单层面积大。由于建筑条件的限制，变电所及配电竖井很难布置在建筑平面的中心位置，变电所的供电半径较大。但对于远离变电所的用电负荷，当末端设备及线路发生地故障时，故障回路阻抗大，接地故障电流小。短路保护电器过电流脱扣器兼做接地故障保护往往难以满足接地故障灵敏性的要求。因此需要校验保护电器的接地故障保护的灵敏性。下面就以本工程为例，校验距离变配电所最远的配电回路末端发生单相接地故障时，变电所出线断路器瞬时过电流脱扣器能否快速切断单相接地故障电流。本工程屋面广告照明配电箱7AL（GG）1距离变电最远，距离变电所低压母线段为167.3米。低压配电回路示意图详见图1。根据上述图1低压配电回路示意图等效TN系统发生接地故障时的回路示意图，详见图2。
短路点单相接地故障电流：==220/0.4074=540A。
另我们也可以根据《工业与民用配电设计手册》第四版P965式11.2-6近似快速计算接地故障电流，=（0.8~1.0）U0Sk1k2/1.5ρ（1+m）L
=0.95×220×35×1×1/1.5×0.0172（1+2.19）×167.3=531.3A。比较上述计算结果，两者相差不大。设计中我们可以优先采用近似计算公式快速计算接地故障电流，如其数值在接地故障保护电器的灵敏性校核中处于临界值，再采用精确计算方法计算接地故障电流。本配电设计回路断路器的的过负荷的整定电流为=100A，配电型瞬时脱扣器的脱扣范围为5~10IN，取低值=5=500A，则/=540/500=1.08<1.3，不满足规范《低压配电设计规范》GB50054-2011第6.2.4条要求。当屋面广告照明配电箱7AL（GG）1发生接地故障时，上端断路器无法保证及时切断故障电流。针对上述情况，可采取以下措施：1）调整线路，加大线路相导体及保护接地导体的截面，增大单相接地故障电流；2）采用带短延时的过电流脱扣器的断路器做接地故障保护或带接地故障保护的断路器；3）采用剩余电流动作保护电器。
4.总结
对大量使用小于25W的LED照明光源的场所，要考虑谐波对配电线路的影响，从节能和电力系统安全考虑，要限制LED灯驱动电源的谐波含量。对距离变电所较远、线缆截面较小的配电回路，一定要验算配电线路的接地故障保护电器的灵敏性，一旦接地故障保护电器设置不当，发生接地故障时就可能会引起人身间接电击、电气火灾等事故。
参考文献：
[1]中国航空规划设计研究总院有限公司.工业与民用供配电设计手册[M].第三版.北京：中国电力出版社，2005.
[2]中国航空规划设计研究总院有限公司.工业与民用供配电设计手册[M].第四版.北京：中国电力出版社，2016.
[3]北京照明学会照明设计专业委员会编.照明设计手册[M].第三版.北京：中国电力出版社，2016.
[4]中机中电设计研究院有限公司.GB50054-2011低压配电设计规范[S].北京：中国计划出版社，2011.