景观照明系统的中性线选用分析

景观照明系统的中性线选用分析
摘要：随着国民经济快速发展，景观照明成为了城市一张的亮丽明信片，为城
市的夜景增添无限色彩。

光与色丰富多彩的变幻，主要得益于LED照明和配套电
子技术的高速发展。

然而景观照明为非线性负载，由于LED驱动电源产生谐波的
存在，尤其是三次谐波，在三相四线制系统的中性线电流将叠加放大，对供电系
统造成一定的危害。

因此，在景观照明的供配电系统设计时需加以分析，可有效
预防中性线过载发热。

关键词：景观照明；LED驱动电源；谐波；中性线
1.前言
城市的夜景照明主要通光来表现构筑物，无论在变幻多彩或者庄重严谨的场所，都需要光的表达。

随着LED照明及其配套的电子技术不断进步，已做到照明
系统轻量化、多样化和节能化，对供电系统容量的要求降低，同时对供电线路线
径要求也减小。

但景观照明系统的供电线路选择仍需慎重，保护开关和线路选择
不匹配，或者中性选用不当，可能频频跳闸，甚至因线路过载发热以至于短路而
引发电气火灾。

2.工程案例
在一项景观照明设计时，采用了LED泛光照明，灯具功率为24W。

由于供电
电源点有限，根据景观照明系统特点，采用三相四线制供电方式，相同类型的负
荷采用树干供电形式，基本保证三相负载平衡，回路总功率24kW，线路保护开
关选用了63A开关，线路采用了VV-0.6/1Kv 5x25mm2电缆在金属线槽内沿墙敷设。

项目如期施工完成，进入试运行阶段。

试运行中，63A开关在每次运行一段
时间后莫名其妙跳闸，当利用钳型电流表测量各相电流，测量显示各相电流正常，各相电流约41A，三相负载基本平衡，相电压为220V，并未超过保护断路器的额
定电流。

排除测量仪表误差和测量方法等各种因素对测量结果不利影响后，同时
排除了线路电流泄漏和线路接头接触不良等施工因素后，在检查配电箱开关时，
发现保护开关表面温度已超出正常运行范围，明显出现过载保护跳闸的现象。

检
查发现为4极开关，因之前只测量相线电流值，便重新检测各相电流和中性线电流，发现中性线电流高达80A。

该案例中，回路三相电压平衡，各相电流有效值也约为相等的情况时，但中
性线电流不等于零，反而远远大于相线电流，造成保护开关运行一段时间后过载
保护动作。

由于该回路的主要负载为LED灯具，造成中性线电流过大的原因。

3.中性线电流过大原因分析
供配电系统中，负载三相对称时，线性负载和非线性负载引起的中性线电流
的差异非常大。

在三相四线制的照明线路中，主要为非线性负载，驱动电源的整
流电路产生大量谐波电流，以三次谐波为例，三次谐波则因矢量方向相同而叠加。

如图1示。

从上图可以看出正弦基波在任一时间三相的合成都是零，而三次谐波则因矢
量方向相同而叠加，在中性线汇集时，三次谐波不是互相抵消，而是产生的三次
谐波电流在中性线互相叠加。

当三次谐波电流含量大时，中性线叠加的电流不等
于零，可能等于相线电流，甚至选远大于相线电流。

随着电子产品的普及，开关电源应用不断增多，我国制定了 GB17625.1-2012《25.1-2012 电磁兼容限值谐波电流发射限值（设备每相输入电流≤16A）》等国
家标准，对谐波含量作出了具体限制和规定。

该标准适用于 LED 灯具及 LED 驱动
电源。

对于有功输入功率大于 25W 的 LED 照明设备（属于C类设备的限值），谐波电流不应超过表 1给出的相关限值。

对于输入有功功率不大于 25W 的 LED 照明灯具，用基波电流百分数表示的 3 次谐波电流不应超过 86%。

*λ是电路功率因数
LED驱动电源，一般采用桥式整流器和电解电容器的整流滤波电路，或者采
用了有源功率因数校正APFC 电路，造成LED电源输入电流畸变的原因是使用了
直流滤波电解电容器的容性负载所致，谐波含量往往会超过符合规定。

在LED驱
动电源选用时，需对产品进行质量控制，避免谐波含量超出预期。

4.中性线选用
在上述工程案例中，三相负载基本平衡，各相电流约41A，不考虑谐波预留
部分容量时，该景观照明供电回路电缆选型为VV-0.6/1Kv 5x16mm2。

若考虑谐波
影响，根据表1，取三次谐波为30%时，按照GB50054—2011《低压配电设计规范》第3.2.9条和《工业与民用配电设计手册》中性线（N）的截面选择相关内容（见表２），计算中性线电流：
Ｉn＝[41×（0.3×λ）×3]/0.86＝[41×（30×0.9）×3]/0.86＝38.6A
按计算结果显示，仍然满足16mm2VV电缆的载流量要求。

但案例中的中性线电流为何达到了80A，是相线的额定电流的1.95倍。

可以
用反推算的方法，计算出该景观工程配电系统中的谐波含量：
设三次谐波含量为x，暂取谐波电流的校正系数为0.86，侧有
∵Ｉn＝[41×（x×0.9）×3]/0.86＝80A
∴x=（80×0.86）/（0.9×3×41）=0.62＝62%
由于62%的三次谐波含量大于45%，谐波电流的校正系数应取1，有
x=（80×1）/（0.9×3×41）=0.72＝72%
由此看出，若使用5×16mm2VV将无法满足电缆中性的载流量，需选用VV-0.6/1Kv 5x25mm2。

，如果该回路的中性线有保护开关时，保护开关的额定电流也必须满足运行要求。

由此，案例中断路器频频跳闸的原因是系统谐波含量大，主要是LED驱动电
源产生的谐波影响，在中性线叠加后的电流大于4P保护断路器的额定电流而动作。

5.结束语
景观照明系统中，目前一般采用LED灯具，LED驱动电源用量大，品种繁多，由些产生的谐波的危害也严重。

谐波会降低电力传输和电能利用的效率，致使电
气设备过热、产生振动和噪声，导致绝缘老化、寿命缩短，发生故障甚至烧毁。

同时，中线电流过大也会导致三相不平衡，即三相电位发生偏移，严重时导致大
批LED灯具烧毁，甚至引起火灾！
通过以上案例分析，在三相四线制景观照明配电系统中，在选择中性线载面时，应根据景观照明非线性负载特点，考虑谐波电流在中性线中叠加而增大的情况，避免因线过载发热影响配电的稳定性和中性线的安全运行。

参考文献：
[1] 郑爱民．电气回路谐波电流引发中性线热故障的探讨．照明工程学报，
2006.3
[2] 林鸣琴，卢腾镞. 三相四线供电系统中零线电流大于最大相电流的分析2001.8
[3] 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）
[4] GB50054 2011 低压配电设计规范
[5] 中国航空工业规划设计研究院.工业与民用配电设计手册．-3版．中国电力出版社，2005。