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[摘 要]现代建筑中的照明不仅能为人们的工作、学习、生活提供良好的视觉条件，而且要能利用智能照明系统营造出具有一定风格和美感的室内环境，以满足人们心理和生理的要求。在做广州白云国际会议中心智能化系统中的智能照明子系统设计过程中，涉及到系统中是否使用自锁型继电器、调光设备的高次谐波的抑制措施和输入继电器的交流三相负载不平衡等问题。下面就这些问题的产生根源和改善措施进行详细分析。
[关键词]智能照明 自锁型 继电器 谐波抑制 三相平衡
中图分类号：TK 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）20-0520-02
1 引言
智能照明系统对照明的控制是以模块的自动控制为主要、手动控制为辅助的系统。在为广州白云国际会议中心智能建筑照明系统的设计过程中，面临了许多技术问题，经过与多个厂家的研究与实验，终于圆满完成了工程设计，现工程正在施工阶段，等待最后的验收与总结。本文对工程设计时所出现的几个问题进行分析与解决。
2 继电器的性能比较
继电器作为智能照明系统使用最普遍的基础元件，对于整体系统的性能、可靠性、工作寿命等指标非常重要，同时也影响到整个系统的工作能耗。而各种继电器性能优劣差异很大，对智能照明系统的控制效果，起着很重要的作用。
2.1 传统继电器特性分析
图1是传统继电器的工作原理图，当控制电路通电的时候，电感线圈A产生电磁力，吸引连杆B下降，触点D连通负载电路，负载导通。
可以看出传统继电器主要有两个问题：
（1）继电器导通时，电感线圈A本身消耗电流，产生大量噪音。
（2）继电器导通时，弹簧机构C长期处于拉伸状态，长期使用影响其弹力和寿命。
2.2 自锁型继电器特性分析
自锁型继电器的工作原理是依靠脉冲电流工作，（图2）中1号线圈上施加一个脉冲电流时，横向拉杆向左移动，导通负载；当2号线圈上施加一个脉冲电流时，横向拉杆向右移动，断开负载。可见：
（1）自锁型继电器平时不消耗电流。
（2）由于电感线圈平时不通电，没有工作电流和工作噪音。
（3）没有弹簧机构，工作寿命长。
2.3 停电切换状态智能照明系统对大功率气体放电灯的影响
2.3.1 大功率气体放电灯的工作特性
金卤灯、高压钠灯等大功率气体放电光源，由于工作效率高，越来越多在体育馆、机场、大型购物商场、建筑物外部泛光照明、道路照明中得到应用。
大功率气体放电灯有个工作特点，就是一般要预热10分钟时间，并且中途熄灭后，需要10-15分钟才能重新点亮，要想中途不熄灭，停电时间不能大于20ms。
2.3.2 智能照明系统对停电切换时间的叠加作用
普通EPS系统切换的时候，一般可以做到几个毫秒到十几个毫秒以内，基本可以满足大功率快速启动型气体放电灯的中途不熄灭技术要求。
当照明配电系统叠加了智能照明系统后，EPS切换的瞬间断电，可能会导致继电器模块上单片机的掉电重启，我们知道，单片机启动需要100毫秒复位时间，加上系统的初始化总共大概200毫秒，也就是说200毫秒以后，继电器才会复位，这样尽管停电几个毫秒内照明配电系统再来电的时候，大功率气体放电灯肯定会中途熄灭，而在广州白云国际会议中心这样的一级负荷建筑物内，召开政治会议或国际会议时，中途熄灯所造成的后果是难以估计的。
2.3.3 采用自锁型继电器
采用自锁型继电器的智能照明系统，尽管EPS切换的瞬间，继电器模块上单片机也会重新启动，但是由于没有脉冲电流施加在继电器上，因此继电器的通、断状态会保持下去，当几个毫秒内配电系统切换到备用电源的时候，快速启動型大功率气体放电灯会马上得到电流，保持点亮的状态。
3 调光设备的谐波抑制措施
由于非线性特性电气设备的使用，产生了周期性非正弦电量。对这些周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量即称为谐波。电气设备中存在着众多的非线性特性负载谐波源，如：荧光灯、气体放电灯、计算机、UPS装置、电子调速装备等。调光电气设备中，另有大量的谐波源，尤其是可控硅调光装置引起的电流波形畸变，使谐波问题尤为严重。
3.1 调光电气谐波的特性分析
可控硅调光器是目前的主流调光器。智能照明系统用的各种调光器实质上就是一个单相的相位控制交流调压器。
对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解可知，可控硅调光过程中输出的负荷电压除含有与电源同频率的基波成分外，还含一系列频率为电源频率奇次倍的高次谐波，这些高次谐波大量幅射，也会通过导线传导到其它负载，引起电源电压波形畸变。
3.2 谐波的危害
电源电压波形畸变造成电网谐波污染，使电力系统的发供用电设备出现许多异常现象和故障。谐波的危害是多方面的，就调光电气系统而言，主要来有以下几个方面：
3.2.1 对供配电线路的危害
三相配电线路中，相线上3的整数倍谐波在中性线上会叠加，使中性线的电流值可能超过相线上的电流。相同频率的谐波电压与谐波电流要产生同次谐波的有功功率与无功功率，从而降低电网电压，浪费电网的容量。
继电器在谐波影响下不能全面有效地起到保护作用，产生误动或拒动，将严重威胁供配电系统的稳定与安全运行。
随着谐波次数高频率的上升，电缆导体趋肤效应越发明显，从而导致导体的交流电阻增大，使得电缆的允许通过电流减小。另外，电缆的电阻、系统母线侧及线路感抗与系统串联，提高功率因数用的电容器及线路的容抗与系统并联，在一定数值的电感与电容下可能发生谐振。 3.2.2 对智能化系统设备的有害干扰
对于计算机网络、通信、有线电视、火灾自动报警与楼宇自控等智能化设备，电力系统中的谐波通过电磁感应、静电感应与传导方式耦合到这些系统中，产生干扰。其中电磁感应与静电感应的耦合强度与干扰频率成正比，传导则通过公共接地耦合，有大量不平衡电流流入接地极，从而大大干扰了智能化系统设备。
3.3 调光电气谐波抑制措施
3.3.1 装设滤波器
在可控硅的输出回路上加高频电感电容滤波器，使电流上升的时间从几微秒增至200微秒以上，这样可以大大降低高次谐波的分量。目前实际装置中大多采用L-C无源滤波器。它在吸收高次谐波的同时，还具有改善功率因数的功能。然而，由于调谐偏移及滤波器阻抗的存在，大大防碍了滤波效果。而且，对于多种谐波电流，需分别设置多个L-C滤波支路，彼此相互干扰，可能顾此失彼。装设有源滤波器可弥补这些不足，但单独使用做补偿谐波时，其要求容量約为补偿对象容量的25～40%，成本高。实际设计中，应进行技术经济分析，根据谐波的严重性及危害程度，装设必要的L-C无源滤波器、有源滤波器或二者混和使用，从源头上减少谐波的对外干扰。
3.3.2 对配电线路的要求
由于可控硅调光装置配出的智能照明不宜采用多回路共用零线方式，应采用每回路灯双线配，火线从调光柜引出，零线返到调光箱内部的汇流排，实践证明，可有效抑制调光回路上产生的高次谐波磁场。采用可控硅调光的三相四线或二相三线配电线路，N线或PEN线的导线截面不应小于相线导线截面的两倍。这是因为，三次系列谐波是零序谐波，各相的三次系列谐波在中性线（N线）上的相位是相同的。它们在中性线（N线）上相互叠加，使中性线（N线）电流大于相线电流。试验表明，当可控硅移相调压至半压并满载输出时，中性线（N线）零序电流可为相线电流的1.86倍左右。
3.3.3 合理布线，降低干扰
由可控硅调光装置配出的智能照明线路应远离电声、电视及通信等线路。当两种线路必须平行敷设时，其间距应大于1米；当垂直交叉时，其间距应大于0.5米；并应采用屏蔽措施。屏蔽地线应具有良好的接地，与电气装置接地可共用接地装置，接地电阻不应大于1欧姆。电声、电视及通信设备的电源宜由与智能照明不同的变压器引接。
4 输入继电器的交流三相负载不平衡
使用电气设备时，负荷端的运行可引起电网内电压和电流的不均衡，这种不均衡性带来的“相位差”会产生损耗并导致用电效率的下降，零序电流增大，同时也降低了设备的效率，缩短了设备的使用寿命，严重时会导致电气设备不能正常工作。
4.1 继电器模块的三相平衡
智能照明系统用的各种继电器（包括自锁型继电器）模块一般采用标准DIN导轨模式，每个模块控制的回路数量一般为4、6、8、12路等。
由于继电器模块内部的回路较少，因此一般采取配电箱内、继电器模块外三相平衡的办法，具体的做法是在配电箱内部为继电器模块上各个回路分配电源的时候，用三个相位依次轮流配电。
同时考虑到不同的回路本身的负载电流不同，因此，可以根据设计或现场的情况来进一步平衡负载，电流大的回路可以接一个相位，电流小的回路可以几个回路接一个相位，最后做到一个配电箱内：I1=I2=I3。
4.2 调光箱的三相平衡
调光箱由于所接回路较多，一般为12、24路，因此可以在单一调光箱内部实现三相平衡，具体的做法是：
1、每个调光箱有三相入口；
2、调光箱内部三相轮流给每个回路供电；
3、设计或现场施工接线时，尽量使一个调光箱内不同相位的负载电流值：I1=I2=I3。
5 结束语
智能照明系统借助各种不同的“预设置”控制方式和控制元件，对不同时间不同环境的光照度进行精确设置和合理管理，实现节能。同时该系统还能成功的抑制电网的浪涌电压，具备了电压限定和扼流滤波等功能，避免过电压和欠电压对光源的损害，光源的寿命可延长2～4倍。所以，智能照明系统在实现照明的智能化和建筑物的智能化方面起着非常重要的作用，只有掌握了智能照明系统的特性后，才能在设计时更好的按照不同时间、不同用途、不同效果和不同的预设场景设置进行控制，达到设计师预想的各种照明效果。
参考文献
[1] 中国建筑科学研究院，《建筑照明设计标准》，GB50034-2004.
[2] 中国建筑工业出版社，《建筑照明设计手册》，李恭慰，2004年.
[3] 中国建筑工业出版社，《现代建筑照明》，德里克-菲利普斯，2004年.
[关键词]智能照明 自锁型 继电器 谐波抑制 三相平衡
中图分类号：TK 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）20-0520-02
1 引言
智能照明系统对照明的控制是以模块的自动控制为主要、手动控制为辅助的系统。在为广州白云国际会议中心智能建筑照明系统的设计过程中，面临了许多技术问题，经过与多个厂家的研究与实验，终于圆满完成了工程设计，现工程正在施工阶段，等待最后的验收与总结。本文对工程设计时所出现的几个问题进行分析与解决。
2 继电器的性能比较
继电器作为智能照明系统使用最普遍的基础元件，对于整体系统的性能、可靠性、工作寿命等指标非常重要，同时也影响到整个系统的工作能耗。而各种继电器性能优劣差异很大，对智能照明系统的控制效果，起着很重要的作用。
2.1 传统继电器特性分析
图1是传统继电器的工作原理图，当控制电路通电的时候，电感线圈A产生电磁力，吸引连杆B下降，触点D连通负载电路，负载导通。
可以看出传统继电器主要有两个问题：
（1）继电器导通时，电感线圈A本身消耗电流，产生大量噪音。
（2）继电器导通时，弹簧机构C长期处于拉伸状态，长期使用影响其弹力和寿命。
2.2 自锁型继电器特性分析
自锁型继电器的工作原理是依靠脉冲电流工作，（图2）中1号线圈上施加一个脉冲电流时，横向拉杆向左移动，导通负载；当2号线圈上施加一个脉冲电流时，横向拉杆向右移动，断开负载。可见：
（1）自锁型继电器平时不消耗电流。
（2）由于电感线圈平时不通电，没有工作电流和工作噪音。
（3）没有弹簧机构，工作寿命长。
2.3 停电切换状态智能照明系统对大功率气体放电灯的影响
2.3.1 大功率气体放电灯的工作特性
金卤灯、高压钠灯等大功率气体放电光源，由于工作效率高，越来越多在体育馆、机场、大型购物商场、建筑物外部泛光照明、道路照明中得到应用。
大功率气体放电灯有个工作特点，就是一般要预热10分钟时间，并且中途熄灭后，需要10-15分钟才能重新点亮，要想中途不熄灭，停电时间不能大于20ms。
2.3.2 智能照明系统对停电切换时间的叠加作用
普通EPS系统切换的时候，一般可以做到几个毫秒到十几个毫秒以内，基本可以满足大功率快速启动型气体放电灯的中途不熄灭技术要求。
当照明配电系统叠加了智能照明系统后，EPS切换的瞬间断电，可能会导致继电器模块上单片机的掉电重启，我们知道，单片机启动需要100毫秒复位时间，加上系统的初始化总共大概200毫秒，也就是说200毫秒以后，继电器才会复位，这样尽管停电几个毫秒内照明配电系统再来电的时候，大功率气体放电灯肯定会中途熄灭，而在广州白云国际会议中心这样的一级负荷建筑物内，召开政治会议或国际会议时，中途熄灯所造成的后果是难以估计的。
2.3.3 采用自锁型继电器
采用自锁型继电器的智能照明系统，尽管EPS切换的瞬间，继电器模块上单片机也会重新启动，但是由于没有脉冲电流施加在继电器上，因此继电器的通、断状态会保持下去，当几个毫秒内配电系统切换到备用电源的时候，快速启動型大功率气体放电灯会马上得到电流，保持点亮的状态。
3 调光设备的谐波抑制措施
由于非线性特性电气设备的使用，产生了周期性非正弦电量。对这些周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量即称为谐波。电气设备中存在着众多的非线性特性负载谐波源，如：荧光灯、气体放电灯、计算机、UPS装置、电子调速装备等。调光电气设备中，另有大量的谐波源，尤其是可控硅调光装置引起的电流波形畸变，使谐波问题尤为严重。
3.1 调光电气谐波的特性分析
可控硅调光器是目前的主流调光器。智能照明系统用的各种调光器实质上就是一个单相的相位控制交流调压器。
对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解可知，可控硅调光过程中输出的负荷电压除含有与电源同频率的基波成分外，还含一系列频率为电源频率奇次倍的高次谐波，这些高次谐波大量幅射，也会通过导线传导到其它负载，引起电源电压波形畸变。
3.2 谐波的危害
电源电压波形畸变造成电网谐波污染，使电力系统的发供用电设备出现许多异常现象和故障。谐波的危害是多方面的，就调光电气系统而言，主要来有以下几个方面：
3.2.1 对供配电线路的危害
三相配电线路中，相线上3的整数倍谐波在中性线上会叠加，使中性线的电流值可能超过相线上的电流。相同频率的谐波电压与谐波电流要产生同次谐波的有功功率与无功功率，从而降低电网电压，浪费电网的容量。
继电器在谐波影响下不能全面有效地起到保护作用，产生误动或拒动，将严重威胁供配电系统的稳定与安全运行。
随着谐波次数高频率的上升，电缆导体趋肤效应越发明显，从而导致导体的交流电阻增大，使得电缆的允许通过电流减小。另外，电缆的电阻、系统母线侧及线路感抗与系统串联，提高功率因数用的电容器及线路的容抗与系统并联，在一定数值的电感与电容下可能发生谐振。 3.2.2 对智能化系统设备的有害干扰
对于计算机网络、通信、有线电视、火灾自动报警与楼宇自控等智能化设备，电力系统中的谐波通过电磁感应、静电感应与传导方式耦合到这些系统中，产生干扰。其中电磁感应与静电感应的耦合强度与干扰频率成正比，传导则通过公共接地耦合，有大量不平衡电流流入接地极，从而大大干扰了智能化系统设备。
3.3 调光电气谐波抑制措施
3.3.1 装设滤波器
在可控硅的输出回路上加高频电感电容滤波器，使电流上升的时间从几微秒增至200微秒以上，这样可以大大降低高次谐波的分量。目前实际装置中大多采用L-C无源滤波器。它在吸收高次谐波的同时，还具有改善功率因数的功能。然而，由于调谐偏移及滤波器阻抗的存在，大大防碍了滤波效果。而且，对于多种谐波电流，需分别设置多个L-C滤波支路，彼此相互干扰，可能顾此失彼。装设有源滤波器可弥补这些不足，但单独使用做补偿谐波时，其要求容量約为补偿对象容量的25～40%，成本高。实际设计中，应进行技术经济分析，根据谐波的严重性及危害程度，装设必要的L-C无源滤波器、有源滤波器或二者混和使用，从源头上减少谐波的对外干扰。
3.3.2 对配电线路的要求
由于可控硅调光装置配出的智能照明不宜采用多回路共用零线方式，应采用每回路灯双线配，火线从调光柜引出，零线返到调光箱内部的汇流排，实践证明，可有效抑制调光回路上产生的高次谐波磁场。采用可控硅调光的三相四线或二相三线配电线路，N线或PEN线的导线截面不应小于相线导线截面的两倍。这是因为，三次系列谐波是零序谐波，各相的三次系列谐波在中性线（N线）上的相位是相同的。它们在中性线（N线）上相互叠加，使中性线（N线）电流大于相线电流。试验表明，当可控硅移相调压至半压并满载输出时，中性线（N线）零序电流可为相线电流的1.86倍左右。
3.3.3 合理布线，降低干扰
由可控硅调光装置配出的智能照明线路应远离电声、电视及通信等线路。当两种线路必须平行敷设时，其间距应大于1米；当垂直交叉时，其间距应大于0.5米；并应采用屏蔽措施。屏蔽地线应具有良好的接地，与电气装置接地可共用接地装置，接地电阻不应大于1欧姆。电声、电视及通信设备的电源宜由与智能照明不同的变压器引接。
4 输入继电器的交流三相负载不平衡
使用电气设备时，负荷端的运行可引起电网内电压和电流的不均衡，这种不均衡性带来的“相位差”会产生损耗并导致用电效率的下降，零序电流增大，同时也降低了设备的效率，缩短了设备的使用寿命，严重时会导致电气设备不能正常工作。
4.1 继电器模块的三相平衡
智能照明系统用的各种继电器（包括自锁型继电器）模块一般采用标准DIN导轨模式，每个模块控制的回路数量一般为4、6、8、12路等。
由于继电器模块内部的回路较少，因此一般采取配电箱内、继电器模块外三相平衡的办法，具体的做法是在配电箱内部为继电器模块上各个回路分配电源的时候，用三个相位依次轮流配电。
同时考虑到不同的回路本身的负载电流不同，因此，可以根据设计或现场的情况来进一步平衡负载，电流大的回路可以接一个相位，电流小的回路可以几个回路接一个相位，最后做到一个配电箱内：I1=I2=I3。
4.2 调光箱的三相平衡
调光箱由于所接回路较多，一般为12、24路，因此可以在单一调光箱内部实现三相平衡，具体的做法是：
1、每个调光箱有三相入口；
2、调光箱内部三相轮流给每个回路供电；
3、设计或现场施工接线时，尽量使一个调光箱内不同相位的负载电流值：I1=I2=I3。
5 结束语
智能照明系统借助各种不同的“预设置”控制方式和控制元件，对不同时间不同环境的光照度进行精确设置和合理管理，实现节能。同时该系统还能成功的抑制电网的浪涌电压，具备了电压限定和扼流滤波等功能，避免过电压和欠电压对光源的损害，光源的寿命可延长2～4倍。所以，智能照明系统在实现照明的智能化和建筑物的智能化方面起着非常重要的作用，只有掌握了智能照明系统的特性后，才能在设计时更好的按照不同时间、不同用途、不同效果和不同的预设场景设置进行控制，达到设计师预想的各种照明效果。
参考文献
[1] 中国建筑科学研究院，《建筑照明设计标准》，GB50034-2004.
[2] 中国建筑工业出版社，《建筑照明设计手册》，李恭慰，2004年.
[3] 中国建筑工业出版社，《现代建筑照明》，德里克-菲利普斯，2004年.