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[分享] LED 时代的电能质量:第 3部分

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发表于 2022-1-12 08:41:12 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 waveforce 于 2022-1-12 08:47 编辑

https://mp.weixin.qq.com/s?__biz ... 83147&lang=zh_CN#rdLED 时代的电能质量:第 3部分[url=]SREXACT[/url] [color=rgba(0, 0, 0, 0.3)]2022-01-11 08:59

原文刊载于 protocol 杂志 2018 summer
原文作者:Guy Holt
翻译者:黄英哲
-版权声明: 本文图片版权属于原始作者与发行单位所有-



翻译者引言:
自从上次亲身遭遇开关电源导致发电机烧毁的案例之后
对于LED 相关的功率因数 问题都特别关心
非常凑巧的美国ESTA 会刊protocol当中也有数篇关于这方面的问题讨论
内容质量都很高,我们特别将其翻译为中文
将采取长篇连载的形式向各位分享

内容提要
当使用功率因数不良的开关电源,将使得中性线带电发热,
在这种情况下线缆导体的载流容量应降低至其额定容量的48%。
线缆的使用效率非常低下!!

在此建议各位:
采购LED灯具 LED大屏
务必要求厂家使用:PFC 功率因子校正的电源,
低价电源功率因数 大约0.5~0.7
产生大量"三次谐波"+"蓄积热量"
"低价电源"是导致电网不稳以及高风险的主因

PFC 功率因校正的电源可以:
大幅降低三次谐波对于三相电源的中性线负担
并降低因为三次谐波所导致的集肤效应进一步提高中性线电阻
这对于演出电源供应稳定非常重要!

-----------------正文开始-----------------

在本系列的下一部分中,我们将研究2017年美国国家电气规范(NEC)如何解决谐波电流产生的热量,以及各级配电电缆和导体的额定值为什么可能需要降载。

弄清楚导线应降低多少额定值是众所周知的难,就像“抓住抹了油的猪一样”,这是因为2017年NEC中没有关于相导线上谐波电流的具体规定。
因为这只是”NEC 310.15中载流导体的容许载流容量和工作温度”这更大问题的其中一部分,该规范从根本上解决了这一问题。

我们将
导体在自由空气中的载流量(图1–NEC表400.5(B))与
封闭在导管中的载流量(图2–NEC 310.15(B)(16)
进行比较时我们立即发现,
相同尺寸的导体的荷载电流额定值在封闭时,显著降低。


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图1–NEC表400.5(B)
注:仅当单个导线未安装在电缆管道中且未进行物理接触时,子目D下的载流量才允许用于单导线型电缆。
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图2–NEC表310.15(B)(16)
例如:
4/0电缆在自由空气中的载流容量为405 A,但在导管中带有两个额外载流导体,载流容量仅为260 A。

便携式电缆和导管中使用的电缆绝缘不同
并不能解释它们的不同额定值,因为它们都是 90°C 导体。

它们的额定值纯粹是由于导管内的温升与自由空气的温升不同而定。
当封闭在导管中时,相邻载流导体产生的额外热量及其对散热的影响
导致了表NEC 310.15(B)(16)中的较低载流量。
虽然降载比例很重要,但必须注意的是:降载只是考虑基于基频(60 Hz)下电流产生的热量。

如本系列第2部分所述,本表未考虑高频电流产生的热量增加,尽管最近的研究表明,它可以将I2R损耗增加100%以上。
让我们更详细地看一下图2(表310.15(B)(16))。

在NEC 310.15中,该规范规定,穿过电缆管道或导管的导线不得以工作温度超过导线额定温度的方式使用。

图2(表310.15(B)(16))给出了三种电缆绝缘等级:60℃、75℃和90℃。
例如:在90°C(194°F)的工作温度下,4/0电缆的额定负载不超过260 A。

应注意本表所依据的几个前提。
第一:NEC表310.15(B)(16)使用了86°F的基准环境温度。
当温度不是86°F时,规范要求调整导体可安全承载的最大电流。
第二: NEC表310.15(B)(2)图3 给出了环境温度修正系数。
还值得注意的是,该表基于电缆管道或导管中最多安装三根载流导线。
在三相Y形连接系统中,只有当负载为正弦且中性点无电流返回时,才会出现这种情况。如果中性点不带电流,则不会发热。
即使相位不平衡,且中性点返回相位支线之间的差值,中性点上的电流也不会产生太多热量,因为基频(60 Hz)下的I2R损耗较低。

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图3–NEC表310.15(B)(2)

但是!正如我们在本系列第2部分中看到的,为大量非线性LED灯具供电时,情况并非如此。
  • 他们吸收的电流中含有丰富的谐波,
  • 通过集肤效应和邻近效应增加并产生大量热量
  • 不仅相导体产生更多的热量,
  • 而且中性点变成了一个超级加热器。


中性点产生的热量更大,这不仅是因为流过同一导体的电流过多,还因为电流的谐波部分只在铜的外层上运行而产生更大的电阻。
综合效应使中性点成为管道内温升的主要因素。
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图4–NEC表310.15(B)(3)(a)

因此,NEC第310.15(B)(5)(c)条增加:
“在四线三相Y形电路上,负载的主要部分由非线性负载组成,中性导体中存在谐波电流;因此,中性导体应视为载流导体。”
NEC表310.15(B)(3)(a)中给出了导管中三个以上载流导体的调整系数,如上图4所示。

现在,我们将NEC 310.15的规定应用于我们在本系列第1部分和第2部分中使用的舞台制作。
您可能还记得,这拍片现场是由8'Quasar Science Q100 LED管组成的大型软光箱照亮的,这些管绑在Speedrail框架上(见图5)。总共有:
五个8英尺x 6英尺的盒子,
两个8英尺x 20英尺的盒子,以及
一个8英尺x 12英尺的盒子,用于放置250个8'Quasar ScienceQ100 LED管。

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图5—(左)8'x 20'Quasar Science软光箱。
(中)8'x 12'Quasar Science软光箱。
(右)8'x 6'Quasar Science软光箱。

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图6–Quasar ScienceLED管的PQM读数。
(注:右侧FFT中的三次谐波(三次、九次等)数量不成比例。)




正如我们在第1部分(图6)中看到的电能质量计(PQM)读数所示,
8'Quasar ScienceLED管产生的电流非常扭曲。功率因数(PF)为0.51,每个8'Quasar ScienceLED管是70 W的输出
但是视在功率为140 VA。当其均方根电流为1.12A时,其畸变电流波形的峰值因子约为3.3,峰值电流为3.7A。
他们吸收的电流谐波丰富,总谐波失真为68.1%,第三、第五、第七和第九谐波分量较大。

在本系列的第2部分中,我们研究了大量使用8'Quasar ScienceLED管所产生的扭曲电流对舞台供电质量的影响。
各相支路和中性点上的畸变电流
根据FFT分析,存在相当多的谐波含量。
例如,上游支线(如图7所示)
承载300 A电流,
其中63.8 A为三次谐波,16.8 A为五次谐波,
总谐波失真为22%。
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图7–上游支线的FFT显示其承载300 A电流,
其中63.8 A为三次谐波,16.8 A为五次谐波。
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图8–返回中性点的105 A中99.3 A包含三次谐波电流。

这样的谐波失真,,人们可以预计:
集肤效应和邻近效应的增加将大幅增加舞台配电导线的电阻,从而导致从电气室主配电盘到舞台地板上company开关的管道中产生和积聚的大幅热量增加。
(到目前为止,我们只关注舞台馈线电缆,但捆绑在Socapex电缆中用于为大量 Quasar灯管供电的多导体也是如此。)

当我们应用NEC 310.15的规定来降低导体的载流容量时,我们发现NEC所提供的资源(第310条的允许载流容量表、数据性附录B的载流容量表以及310.15(B)(2)中的环境温度修正系数)他们能为电工根据电缆的工作温度对其进行降载仅能提供很少的实际指导。

2017年NEC在信息说明中总结了工作温度的主要决定因素。
让我们看看哪种方法适用于这里。
详情如下:
(1)环境温度环境温度可随导体长度以及不时出现的情况发生变化
(NFPA培训材料中经常引用的一个例子是线缆穿过阁楼爬行空间,在特定季节温度可达到125°F)。
(2)负载电流(包括基波电流和谐波电流)在导体内部产生的热量。
(3)产生的热量耗散到周围介质中的速率。覆盖或包围导体的隔热层会影响散热速率。
(4)相邻承载导体相邻导体具有提高环境温度和阻碍散热的双重作用。”

由于只有20%或更少的能量供应给白炽灯,用以产生可见光谱中的光,其余部分会产生热量,悬挂在电杆下方的三幅24k fresnels 灯产生了大量热量。
由于温度升高,猫道的环境温度达到了95°F–105°F。
该舞台在猫道上有一个company开关,为葫芦电机和照明负载供电(图9)。
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图9–在猫道中放置high box


根据NEC表310.15(B)(2),为high box供电的导线额定值必须降低至NEC表310.15(B)(16)中给出的允许载流量的91%。
因此在86°F时额定承载260 A的4/0铜线
现在在100°F时额定承载236 A。

由于导管外的环境温度达到100°F以上,因此可以合理地假设导管内的温度较高,导管内包含四根承载产生热量的谐波电流的导体。我们无法知道有多高。

正如我们在本系列第2部分中所看到的,
谐波电流通过两种方式增加了导管中电缆的工作温度:
集肤效应和邻近效应(上面列出的工作温度的第二个决定因素)导致电阻增加,相导体产生更多的热,
三倍频谐波迭加在中性点上,使中性点成为额外的发热导体
(上述工作温度的第四个决定因素)。
NEC 310.15提供了一个降载表,该表考虑了中性点发出的热量。
表310.15(B)(3)(a)要求我们将4/0铜导体的荷载再降低20%。
因为第四个需要散热导体(中性点)被封闭在导管中
在86°F温度下,
4/0电线的正常额定荷载260 A
现在的额定承载能力仅为188 A,。
虽然NEC 310.15提供了一个降载表,其中考虑了90 a三次谐波电流在中性在线产生的热量,但它没有考虑到在相导线上有63.8 a三次谐波和16.8 a五次谐波电流移动所产生的额外热量。

表310.15(B)(16)中给出的导体载流量降载仅考虑了60 Hz基频产生的热量。
NEC 310.15 中没有任何地方考虑到由于更高频率下的 I2R 损耗而导致的增加。

与美国相比,欧盟国家更容易受到谐波的影响,因为它们的电网不像北美国家那样受到三角形Y形连接变压器的保护。
在没有变压器的情况下,三阶谐波失真会一直影响到欧盟国家的公用发电机。

为此,国际电工委员会(IEC)发布了一份谐波额定值表,该表考虑了电缆中的三次谐波电流,见BS 7671附录11。

此外,在欧盟国家制造或销售的灯具应符合EN 61000-3-2的谐波限制。例如,55ARRI S60 Skypanel也为该装置提供照明,并对其进行功率因子校正,以使其产生正弦电流。

相比之下,NEC 310.15对电工设置帮助不大,因为电工测量导管内电缆的工作温度是不可行的。
从本系列的第1部分和第2部分中,我们知道在相导线和中性导线上所测量的谐波电流会导致导管内的工作温度大幅升高,但我们无法测量其升高程度。

未能按照NEC 310.15的要求降低电缆载流量的后果-会使电缆绝缘随时间慢慢劣化直到到中性线着火。

为什么中性线会着火?Why would the neutral catch fire?
如本系列第2部分所示,三相Y形配电系统当中相线电流的返回到中性线可以导致中性在线电流达到相线的1.7倍。
由于这种升高的电流主要由三次谐波电流组成,因此当以低功率因子提供大负载时,三相Y形系统的中性导线可能会严重过热。
由于配电系统的中性导线没有过电流保护,相导线也没有过电流保护,严重的过热会将电缆加热到绝缘着火的程度。
即使导体温度从未达到导致灾难性故障的程度,谐波电流产生的热量也会对配电系统造成损害。
欧洲电工标准化委员会最近的研究发现,电缆运行温度超过最高导体工作温度时,每增加14.4°F(8°C),电缆的寿命就会减半(CENELEC标准HD603 S1:1994/A2:2003 E)。
仅出于这一原因,在大量供应非功率因正LED灯时,降低舞台导体的额定值非常重要
一个认真的电工可以观察其他行业如何处理类似情况。
CBEMA(计算机和商业设备制造商协会)开发了一个简单的公式(见图10),用于降低服务设备的额定值,该服务设备为大型办公室中数百台台式计算机提供非线性开关电源。

利用非线性负载产生的峰值电流(见图11),该公式提供了服务设备的降载系数,以保护其免受谐波电流产生的热量的影响。

dF(降载系数)=(1.414 x均方根电流)/(峰值电流)
图10–计算机和商业设备制造商协会(CBEMA)
配电设备降载公式-当存在谐波电流时。



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图11–(左)正弦电流的值。(右)畸变电流波形的值
由峰值系数为2.6的非线性电源绘制。


为了求出对8'Quasar Science Q100 LED灯具应提供的降载系数,一组电工只需要知道他们所消耗的峰值电流。
由于当今的许多万用表都可以提供峰值因子和真实RMS电流测量值,因此这是一个简单的计算:
峰值电流=峰值系数x RMS电流。

让我们使用我们已经从样品制作当中收集到的信息,来完成确定主要由Quasar ScienceLED管组成的负载的CBEMA降级因子的练习。
根据我们的电能质量计数据,8'Quasar Science管的
均方根电流为1.12 A,
峰值系数为3.3。
如果我们将这些数字代入上述方程式,我们会发现CBEMA建议我们在供应Quasar Science LED管(dF=1.414/3.3=0.43)时必须将服务设备的额定容量降低到43%,


这与本系列第2部分引用的欧盟研究中获得的结果大致一致。
您可能还记得,在“Calculation of harmonic losses and ampacity in low-voltage power cables when used for feeding large LED lighting loads低压电力电缆用于为大型LED照明负载供电时谐波损耗和载流量的计算”(Advanced Electromagnetics高级电磁学,第3卷,第1期,2014年10月)中,作者得出结论,当供应大量LED时,捆绑在自由空气中的导线应至少降低40%的额定值。
但是,由于在这种情况下,四根散热导线被封闭在导管中,
因此必须根据NEC表310.15(B)(3)(a)将导线的载流容量再降低20%。
最终结果是:
当为大量8'Quasar ScienceLED供电时,
导体的载流容量应降低至其额定容量的48%。

根据CBEMA指南,为舞台400 A company  开关供电的600 MCM铜电缆的额定值应从NEC表310.15(B)(16)中给出的475 A大幅降至仅有204 A。

在本系列的下一部分也是最后一部分中,
我们将探讨如何使用谐波缓解变压器(HMT)来恢复
因为非线性电源产生的谐波电流产生的热量而降载损失的配电容量。
…未完待续






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KYJV 线缆具有良好的耐温能力常态操作温度90℃
载流量是一般聚氯乙烯的30%以上



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