PFC在LED戶外亮化工程中對零線電流的影響

    在LED戶外亮化工程中，過低的功率因數會引起嚴重的問題，并會極大地影響零線電流。工程中，零線的使用和控制，與此相關的剩余電流保護器的使用，一直以來都存在模糊的地方。本文對此給出清晰的描述和分析。

    LED燈具在戶外景觀亮化中的應用已經有超過十年的歷史，因為LED控制的便捷性，這樣的工程整體規模已經越來越大，整個工程標動輒幾千萬元，甚至上億元。這種情況下，原來不被注意的一些技術盲點開始顯現。

    在這些技術盲點中，功率因數和零線電流的影響就是其中之一。這個問題雖然簡單，但是因為不受重視，引起的工程問題、隱患和浪費不小。

    在霓虹燈時代，鎮流器本身功率因數一般都比較高，由此引發的問題較少。而在LED時代，所使用的低壓開關電源通常沒有PFC[L2] 功能，相應地會有以下幾方面的后果：

    ① 在大規模工程中，因為功率因數過低，可能嚴重污染電網，大量的高次諧波會對其它設備造成干擾。

    ② 同時，功率因數過低，還會增大前級設備的功率載荷，增加用戶投資。

    ③ 引起零線電流過大。在老式電路中由于功率因數較高，零線電流較小，通常市售的四芯電纜也是基于這種情況，零線的線徑相對相線會小一些。

    ④ 嚴重超量的啟動沖擊電流會強烈沖擊電網，造成合閘困難也是常有的事。

    關于普通開關電源因為輸入整流濾波電容較大，造成啟動時對電網沖擊較大，引起合閘困難，這一點工程設計單位已經有所考慮，采取了一些措施，這個不是本文討論的重點。帶PFC功能的開關電源，因為輸入電容小很多，有助于減少啟動沖擊電流。

    本文主要描述和分析采用三相四線制的大功率LED工程中，零線電流的各種情況。

    （一）、三相四線制分相使用普通不帶PFC功能的開關電源，總零線電流約等于各相線電流之和。

    通常的誤解是：①零線中的電流為三相相電流的相量之和，三個相電流頻率相等，相位角互差120o，如果三個電流大小也相等的話，則三個電流互相抵消，相量和恰好為零，零線中就無電流。②零線就是用來通過不平衡電流的。

    其實這些說法都只適用于帶PFC功能的開關電源。

    不帶PFC功能的開關電源，交流輸入經整流后，采用一個大的電容濾波。這種情況下，輸入電流為脈沖形式。一個這種開關電源的典型輸入電流波形如圖1所示。

    在這樣一個典型的電流波形上，疊加120°和240°兩個相移的同樣的電流波形，可以得到圖2的波形，這樣就得到了三相平衡情況下，三根零線一起接到三相四線的零線上時，形成的總零線電流。

    可以很清楚地看出，由于所有正向電流和負向電流都沒有同時出現，所以總零線電流是三個相線電流簡單的疊加。

    這種波形當然不是“三相四線制分相使用普通不帶PFC功能的開關電源”時可能出現的唯*情況。在這個示意圖中，正向電流和負向電流不會同時出現是有條件的。如果開關電源進線整流后的濾波電容過小，或者負載較重，不同相的正向電流和負向電流就有可能重疊、相互抵消，那么總零線電流就不再是三個相線電流簡單的疊加，會小一些。

    因為這個原因，就有下面的推論：

    (二)、四線制分相使用開關電源，總零線絕對不能懸空。

    總零線懸空的代價，依工程經驗可以說工程界每天都在付出。之所以將“不帶PFC功能”去掉，是因為就算有PFC功能，除非三相負載特別平衡，總零線電流不會是零，所以也不允許不接好。

    正常的三相交流電，相線與零線間的電壓為220V，各相之間的相位角是120度。如果單一一相的零線開路，當然沒有問題，這一相沒電而已，如果總零線開路，就會造成中位點漂移，各相之間的相位角發生改變，變化的大小與三相接入的負載多少有關，此時各相上的電壓為相鄰兩相電壓的矢量和，造成負載小的那相電壓升高，負載重的那相電壓降低。

    圖3記錄了總零線未接造成相電壓異常的情況。使用不帶PFC功能的電源，總零線未接時，分別調整三相的使用功率，實際測量相電壓，藍色的電壓值明顯已經超過電源輸入電壓范圍。工程中出現這種情況，在一定程度內開關電源可能提供保護，但通常會引起電源損壞。

    對零線的重視是分相使用三相四線制交流電的核心問題之一，必須非常清楚零線的重要性和相應的工程工藝。

    ①使用不帶PFC的開關電源，雖然零線上的電流通常會接近或等于三個相線電流之和，但通常不會對每一相的電壓產生比相線更多的壓降，原因是這個復合電流基本上是分時的；

    ②銅鋁相接必須使用銅鋁過度線夾或接線鼻；

    ③零線匯流排必須使用接線鼻連接，接線鼻一定要正確使用液壓鉗壓接；

    ④建立零線運行、定期檢查檔案；

    ⑤定期對零線接頭進行除氧化處理和加固，必要的話涂上導電膠；

    ⑥防止接線錯誤引起的總零線懸空。有時為了處理其他問題，將相線跳過分控斷路器，此時絕對不能忘記零線，否則此斷路器未合閘時，零線懸空。

    （三）、三相四線制分相使用帶PFC功能的開關電源，總零線電流由各相的功率因數以及各相電流的差異決定。

    假設各相上的功率因數都很理想，可以用電子表格來計算總的零線電流。表格的一種樣式如圖4：

    其中：

    I1、I2、I3分別為三相電流。

    I1x= I1*COS(0*PI()/180)

    I2x=I2*COS(240*PI()/180)

    I3x=I3*COS(120*PI()/180)

    I1y=I1*SIN(0*PI()/180)

    I2y=I2*SIN(240*PI()/180)

    I3y=I3*SIN(120*PI()/180)

    Inx=I1x+I2x+I3x

    Iny= I1y+I2y+I3y

    總零線電流有效值：In=SQRT(Inx*Inx+Iny*Iny)

    實際使用中，將等式右邊的電參數，換成相應的單元格坐標即可。

    下面圖5是模擬的一些典型情況所做的計算。

    將計算結果和實際測量的結果比照，可以判斷開關電源是否有足夠高的功率因數。我們采用下面的電路做驗證試驗，結果非常接近理論計算。

    （四）、與此問題相關的剩余電流保護器RCD或漏電保護器的使用

    對功率因數問題，特別是對零線電流缺乏認識的情況下，有人會在系統中采用三相三線的剩余電流保護器，然后發現行不通，無法合閘。這個理由不再贅述。結論是：即使你采用帶PFC功能的開關電源，只要出現三相不平衡，保護器就會動作。

    關于漏電保護器的問題，做一個延伸：是不是采用三相四線的漏電開關、把零線接好就一定沒問題呢？

    實際情況常常還是不行，因為工程中開關電源都是要求輸入接地線的，而開關電源出于EMC和安全方面的考慮，這個接地線與交流進線間，通常會接一個或幾個高耐壓小容量電容。如果你使用了較靈敏的漏保器，這些電容充電的瞬間電流就會觸發了漏電保護器動作。

    除了上電時的沖擊，同樣是因為這些電容的原因，開關電源使用中的對地漏電流相對于工頻變壓器，算得上是大很多，而在大的工程中，由于開關電源使用數量通常比較多，這些漏電流疊加起來，會達到很大的數值，而且是電源不接地反而沒那么大。這種情況，應計算總漏電流值，選擇動作電流更大的漏電保護器。

    （五）、結束語：

    本文結合理論闡述和工程實踐，指出大型LED戶外工程中使用具備PFC功能開關電源的必要性，并總結了自LED應用于戶外工程以來，一直未被充分重視的零線相關問題。希望借此為行業從業者提供參考，為LED戶外工程的規范化進程盡一份綿力。

責編：小瀞