艾默生网络能源公司      李成章

摘要  在金卤灯照明系统的运行中，如果输入电源因故发生“闪断”故障的持续时间超过4～5ms，就会导致金卤灯发生“熄灯”10min以上的严重事故。为了确保奥运工程相关用电设备的稳定运行，艾默生公司为此开发出“场馆专用”UPS产品，以确保金卤灯照明系统的安全运行。

1   概 述

举世瞩目的2008年第29届奥林匹克运动会和第13届残奥会已经圆满结束。中国以“无以伦比”的组织工作向全世界展示出强大的经济和科技实力。为确保奥运会和残奥会的顺利进行,艾默生公司不仅为北京、天津、上海、青岛、秦皇岛和香港等各赛区的运动场馆及相关电信营运商所用该公司的UPS供电系统、通信电源系统、空调系统及动力集中监控系统等提供高品质的产品,而且还组织了专门的奥运保障团队为奥运会和残奥会提供全程、在线式的现场保障服务,并圆满地实现了“零事故”和“零投诉”的安全保障任务。迄今为止,艾默生公司已为北京及秦皇岛地区的奥运工程中的各场馆提供39台、总功率高达5620kVA的UPS设备(见表1)。

                            表1  北方奥运工程用UPS供电系统配置统计表

2   奥运工程用UPS供电系统的典型负载类型

由UPS供电的设备可大体分为两大类。

2.1   金卤灯照明系统

近年来,金卤灯照明系统因具有节能、照度高、光束射程远和光束均匀度高等优点被广泛地应用于大型体育场、会议厅、剧场及高速公路和铁路隧道等照明系统中。为确保这种用电设备的安全运行,它对供电电源有着特殊要求:

(1) 期望输入电源的电压波动范围尽可能小。对于常见的三相金卤灯产品(1、2kW)而言,输入电源应为400V±15%;对于常见的单相金卤灯(0.07、0.16、1kW)而言,输入电源应为400V±10%;

(2)允许的瞬间供电中断时间很短,典型值为小于4～5ms。在奥运场馆建设的初期,曾因种种原因对金卤灯特殊运行特性的重要程度认识不够,而将用于一般应急照明灯的EPS选配在金卤灯照明设备的供电系统中,往往留下故障隐患。一次,某体育场馆在执行奥运测试赛的过程中,EPS因故在执行市电供电→逆变器供电的切换操作时,由于EPS的切换时间(几十毫秒到上百毫秒)远大于金卤灯所允许的小于4～5ms的切换时间,而导致该体育场的照明系统“熄灯”10min左右,造成不必要的负面影响。经过这样的事故得出两点重要的经验教训:一是有必要认真地分析金卤灯的运行特性;二是要探讨是否能将目前在金融、电信、半导体芯片制备、石化、钢铁、民航、地铁和铁路等企业的数据中心机房或工控系统中大量使用的UPS直接用到金卤灯照明系统的可能性。在此需说明的是:对于在数据中心机房中所用的IT设备和在工控系统中所用的DCS设备而言,它们所允许的“瞬间供电中断时间”为10～20ms。

2.2   单相整流滤波型非线性负载

(1)场地大屏幕彩显系统

根据对场地大屏幕彩色显示屏输入特性的相关检测数据可知,在大屏幕彩色显示屏的交流电源输入端采用的是单相整流滤波器,来为其负载提供各种低压直流电源的设计方案,如图1所示。这是一种单相整流滤波型非线性负载的典型输入波形。在正弦波电压供电的条件下,其电流波是一串非连续性的脉冲波。相关的运行实践表明,对于场地大屏幕彩显系统来说,彩显屏幕的图像画面亮度的瞬变,其所需输入功率的负载百分比的瞬态变化率极大。与图像亮度较暗(轻载)时的输入功率相比,处于图像亮度较亮(重载)时,其输入功率的变化可能会突然增大12～14倍。与此同时,其输入电流谐波含量THDI值始终保持在57%～77.4%的高电流谐波的“污染”水平上,其输入功率因数PF值始终处在0.5～0.76的低功率因数水平(见表2)。由此可见,这种负载是会向UPS反馈大量谐波电流的单相整流滤波型的非线性负载,其谐波污染的危害性主要表现在:因场地大屏幕彩显系统输入电流谐波含量THDI值相当高,在此条件下,当它处于重载(图像亮度很高)条件下运行时,由于反射到UPS输入端的谐波电流的绝对值很大,会导致在输入电源原本是正弦波电压的波形上呈现出明显的“削顶”现象,从而导致在UPS的电压失真度(THDV值)急剧增大(见图2);对于这种单相整流滤波型非线性负载而言,由于其输入电流谐波含量主要来自3次电流谐波分量及其奇数次的电流谐波分量。由此所带来的负面影响之一是:导致其零线电流会增大到其输入相电流的150%～170%。对于所检测的这台大屏幕彩显系统而言,当它运行在相电流为131A的条件下时,所测得的零线电流竟高达226A,其零线电流与相电流之比高达1.7:1。

                                           图1  大屏幕彩显的输入特性

                     图2  400V/2kW高压气体灯(金属卤化物灯)的控制原理图

            表2  彩显屏幕图像的亮度与其输入功耗、PF值和THDI值之间的关系

有鉴于此,在为场地大屏幕彩显系统选配UPS时,一定要预留足够的功率裕量。因此,按照大屏幕彩显系统的最大运行功耗来选配UPS的功率,并将其供电系统的零线电缆截面积增大为相线电缆截面积的1.5倍。

(2)场地音响功放系统

众所周知,由于音响功放设备及大功率扬声系统经常是在功放音乐信号/语言信号的条件下运行的,信号强弱的波动范围很大。其中,音乐信号的强弱起伏最大。就一般的音乐信号而言,其峰值功率会比其额定功率高出2～3倍。为了使这些音响功放设备能长期可靠地运行,应为它们预留适当的功率裕量。在实际工作中,常将功率裕量设定为≥最大不失真功率P0。P0这个参数的定义是:在负载为8Ω时,在确保供电电源的总电压谐波失真(THDV)不大于1%的条件下,这套功放设备所应输出的连续正弦波的功率。根据相关的经验数据,宜将音响功放设备的额定功率取为其功放最大不失真功率的1/2左右。为此,在选配UPS的输出功率时,要考虑此项运行参数。在充分考虑到UPS的过载能力的前提下,选择UPS的输出功率。

(3)IT设备及网管设备

对于服务器、计算机等IT设备及网络通信设备而言,它们都是多年来在筹建各类IDC机房所常见的单相整流滤波型非线性负载。根据多年来的工作经验,建议将UPS单机的负载百分比控制在IT设备功耗的80%之内。

3   金卤灯照明系统的工作原理及其运行特性

如上所述,对于金卤灯照明系统而言,在其运行中,如果因故使其供电电源出现供电时间超过4～5ms的闪断/停电故障的话,就会导致金卤灯照明系统熄灯10min以上的事故,从而造成不必要的经济损失或恶劣的社会影响。为避免这样的事故发生,有必要弄清楚其工作原理及运行特性。

3.1   金卤灯的工作原理

一台400V/2kW的金属卤化物灯的典型控制框图如图3所示。它是由如下四大部件组成的:

①金卤灯的灯管:这是金卤灯照明系统的核心部件;

②触发器:利用它来控制金卤灯灯管的启动/关断;

③由“电感型镇流器L+电容C”所组成的输入滤波器;

④由“输入开关K+接触器J”所组成的手动“开机/关机”控制系统。

       图3  在UPS逆变器供电条件下,1台400V/2kW金卤灯的灯管的运行特性

注:在实际工作中,为了尽可能降低金卤灯照明系统对供电电源可能产生的浪涌冲击电流的幅值,通常利用受控于PLC(可编程控制器)的分时、延迟启动开关来取代手动控制开关K,从而达到能对金卤灯照明系统中的各台金卤灯/各分组金卤灯照明系统分批地、自动地投入运行的目的。

在图2中，来自市电的380V电源被直接馈送到标称工作电压为400V的2kW金卤灯的输入端。未稳压、正弦波形的380V电源经由“镇流器L+电容C+触发器”所组成的调控电路进行处理后，被转变成幅度为±210V左右的方波形交变电源，如图4所示。此时，在金卤灯的灯管处可获得其如下运行特性:为了确保金卤灯的安全运行，期望被馈送到其灯管上的交变电源是幅值为±210V的交流“方波电源”。上述现象表明由“镇流器L+电容C+触发器”所组成的控制电路承担着如下的调控任务:

(1)从金卤灯的输入端往其灯管的输入端看(见图2、图3),它承担着将不稳压的380V正弦波电源转变成幅值相对稳定在±210V的“方波形”的交变电源。此时,流过灯管的电流为准正弦波。在此条件下,金卤灯的灯管呈现出如下的输入特性:

在UPS逆变器供电的条件下,cosφ=0.98和输入功率因数PF=0.88,其总输入电流谐波含量的THDI值为8.2%左右,其最大的单次输入电流谐波含量为3次谐波,3次电流谐波分量的THDI值为7.6%左右。

考虑到该金卤灯的设计标称工作电压为400V,对于我国传统380V的供电体系而言,这种金卤灯实际上是处于相对欠压的工作状态之下。

(2)从其灯管的输入端看:LC滤波器实际承担着将幅值为±210V左右“方波形”的交变电源转变成正弦波形的交变电源“波形变换器”的作用。在此条件下,从金卤灯的输入端可测得如下谐波运行特性:

在UPS逆变器供电的条件下,其总输入电流谐波含量的THDI值为7%～11%,其最大的单次输入电流谐波分量为5次谐波分量(典型值4.3%),其输入功率因数PF值为0.86～0.89(滞后);
在市电供电的条件下,其总输入电流谐波含量的THDI值为11%～18%,其最大的单次输入电流谐波分量也是5次谐波分量(典型值7.6%),其输入功率因数PF值为0.83～0.86(滞后)。

上述检测结果表明:为确保金卤灯的灯管能获得所需的方波电源,馈送到金卤灯输入端的交流电源必须要具有足够高的电压幅值。否则,难于维持其正常运行。

3.2   金卤灯在各种工况下的运行特性

根据对金卤灯的实测结果,可以将其运行特性分为“冷启动”工作状态和“热启动”工作状态。为便于讨论,下面将以1种400V/2kW的金卤灯在输入电源的各种工况下的运行特性为例来进行分析:

(1)“冷启动”工作状态

所谓的“冷启动”工作状态是指金卤灯在从未加过电的常温条件下或虽然是处于“开灯”状态下运行过一段时间,当执行关灯操作后,让它充分冷却的条件下(注:建议其停电时间超过12min以上),将380V交流输入电源投入到这种金卤灯输入端上的运行状态。在此条件下,会观察到如下的几种运行特性:

①金卤灯灯管的“缓启动”保护功能

为了避免金卤灯的灯管在未充分预热的条件下,因突加高压而加速老化/损坏,充分发挥其使用寿命长的优点。在由“LC型无源滤波器+镇流器”所组成的缓启动保护线路的调控作用下,此时在这种金卤灯的灯管两端电压及其工作电流是按照如图4所示的运行方式来执行降压限流型的缓启动操作的。

                 图4  1台400V/2kW金属卤化物灯的灯管“冷态启动”特性

当380V的交流电源刚被投入时,虽然金卤灯的灯管会立即被点亮，但该灯具并未真正进入稳定工作状态。相反,此时在400V/2kW的金卤灯灯管上的电压是处在幅值仅为25V的低压状态之下的,并非是最终稳态值210V左右。而与此同时,该灯管的电流却迅速上升到19A的大电流工作状态。此后,其工作电压和工作电流将会分别按照如图5所示的方式逐渐上升和下降。当灯管的端电压上升到其最大值235V时,灯管会产生突然闪亮的现象。此后,当灯管的端电压逐渐下降到其相对稳态值210V时,灯管的亮度将达到其最大的发光状态,灯管的缓启动时间大约会持续约2min左右。相关的检测结果表明:这种金卤灯的工作电流会逐渐下降到其稳态值(约7A左右)。

                           图5  多台金卤照明灯照明系统的冷态开机启动特性

②金卤灯的冷启动运行特性

如图2所示,由于金卤灯的输入端都配置有60μF的交流电容的缘故,当通电时,必然会要求该供电电源应提供足够大的开机启动浪涌电流,以适应电容的充电和金卤灯管的启动。一般来说,开机启动浪涌电流的幅度可能是稳态输入电流的2～3倍。然而,如果多台金卤灯的输入开关突然同时合闸时,其总开机启动浪涌电流却仅为其稳态输入电流1.5～2.5倍。导致出现这种启动电流会相对减小的现象的重要原因是由于在各台金卤灯的实际点亮时间之间存在着相当大的离散度所致(见图5)。正是由于开机启动时间离散性的存在,在一定程度上,可以缓解金卤灯照明系统可能造成的对输入电源启动浪涌电流的冲击。

③处于冷启动工作状态下运行的金卤灯稳态输入特性

从图6可见,在逆变器供电条件下,当金卤灯进入稳定工作状态后,可以将它视作一种输入功率因数为0.86～0.9(滞后)的非线性负载,其输入电流谐波含量较小(THDI为7%～9%)。对于这样的负载而言,当它处于市电电源供电条件下运行时,除了其输入电流谐波含量稍有增大(THDI为10%～15%)之外,其它输入特性并无明显的区别。在此需说明的是:该条件下,导致THDI值有所增大的原因是来自市电电源本身电压失真度THDV值稍大于UPS逆变器THDV值的缘故,与金卤灯的内在工作特性无关。对于金卤灯的这种输入谐波特性和开机启动浪涌电流而言,它与目前在各种数据中心机房中所用的具备输入功率因数校正功能(PFC)的IT设备输入运行特性非常相似。在此背景下,人们很容易产生这样的误解,认为利用目前常被用于数据中心机房中的传统在线双变换式UPS就能顺利解决金卤灯照明系统的供电问题。然而,相关运行实践表明事实并非如此。造成此差异的原因之一是:在金卤灯处于开机缓启动状态时,其输入功率因数并不是稳态输入功率因数PF值[PF=0.9(滞后)]。与此相反,其PF值是沿着从0.14(滞后)→0.17(滞后)→0.55(滞后)→0.64(滞后)→0.89(滞后)这样的变化趋势,由低到高逐渐地增高到其最终的稳态值。当金卤灯处于开机缓启动的运行状态时,不仅有较大的启动浪涌电流的冲击问题,还会有在处于启动阶段时,其输入功率因数相当低的问题。

                图6  在UPS逆变器供电条件下，2台400V/2kW金卤灯的运行特性

因此为了最大限度地降低金卤灯在刚开灯启动时可能对供电电源的冲击,尽可能地对整套金卤灯照明系统采用分批、延迟启动的运行模式,尽量避免采用将整套金卤灯照明系统同时投入到供电电源的运行模式。

当金卤灯的供电电源被改为市电时(见图7),由于当今的市电大都遭受到不同程度的谐波污染,会导致其输入电流谐波含量THDI值将有所增大。在此条件下,所测得典型的THDI值为13%～18%。

                     图7  在市电供电条件下，2台400V/2kW金卤灯的运行特性

(2)热启动工作状态

所谓热启动工作状态是指在金卤灯照明系统处于长时间稳态运行的条件下,如果输入电源中断或出现较大的瞬态电压跌落故障,即使供电电源能迅速地恢复正常供电,也会导致金卤照明灯系统熄灯10～12min。显然,如果这样的照明事故发生,对正在进行体育比赛的运动会或正在举行的重要会议的会场,必然会带来极其不利的负面影响。有下列几种情况：

①输入电源出现超过秒级的明显“停电”事故; 

②输入电源出现持续期超过4～5ms的“闪断”/瞬态“电压下陷”的供电事故(例如:输入电压从380V下降到260V以下);

③输入电源出现长时间的“欠压”运行状态(例如输入电压低至300V左右,其持续期达1分钟以上);

以两台金卤灯的热启动运行特性为例来说明上述问题(见图8),对于处在正常工作的两台金卤灯而言,在运行中如果遇到上述供电事故,即使立刻恢复正常供电,输入电流恢复到正常值,它们仍然处于熄灯状态,其中一台金卤灯的熄灯持续期长达700s左右。此后,第2台金卤灯再相隔约1min左右才被重新再次被点亮。也就是说,对于由多台金卤灯组成的照明系统而言,一旦发生因输入电源供电中断而导致多台灯同时熄灭时,当输入电源重新恢复正常供电后,各台金卤灯重新再次被点亮的时间是不一致的。在通常情况下,它们被重新再次点亮的时间离散跨度为1min左右。

                         图8  两台400V/2kW金卤灯的典型热态启动特性

金卤灯照明系统处于“熄灯”状态,其输入电流并不为零。其输入电流的幅值不但仍具有几乎与它处于“冷启动”状态运行时大致相同的输入电流，而且,还会遇到金卤灯的输入功率因数从原来呈现电感性滞后的PF值,转变成电容性超前的PF值的麻烦。一旦用电设备的输入功率因数变成超前的PF值,势必将迫使供电电源进入大幅度的降额输出状态,导致供电电源的效率大幅度下降，使UPS/EPS进入过载工作状态。多台金卤灯组成的照明系统处于“热启动”工作状态时的典型输入电压和电流波形如图9所示。从图中可见,对于金卤灯照明系统而言,不仅其电流波形明显地超前于其电压波形。而且,其输入功率因数PF绝对值还相当低。这就意味着此时的金卤灯已变成电容性很强的负载,这是因为此时的输入功率因数PF值仅为0.2左右。此外,当处于热启动状态下运行的金卤灯突然从熄灯状态转变成亮灯状态时,还会产生一个幅值高达2.3～2.8倍于其稳态工作电流的点灯启动电流。综上所述,为确保金卤灯供电系统安全运行及满足节能降耗的要求,应采取必要的技术措施,尽可能地消除导致金卤灯照明系统进入热启动工作状态的故障隐患。

                  图9  处于“热启动”工作状态时金卤灯的输入电流和电压波形

综上所述,可将金卤灯的运行特性总结如下:

①“冷启动”运行特性

400V/2kW的金卤照明灯在处于常温的冷态条件下,被投入电源后的运行特性:

市电供电时:THDI为11%～18%, PF为0.83～0.86(滞后);

UPS逆变器供电时:THDI为7%～11%,PF为0.86～0.89(滞后)；

金卤灯的启动时间:2min左右；

单台金卤灯的启动电流:2～3倍稳态电流；

单台金卤灯的稳态电流:7～10A(注:此值与输入电源电压的幅值高低有关);

它所允许的输入电源的“瞬间中断时间”:<4～5ms;

由多台金卤灯组成的照明系统的启动电流:1.5～2.5倍稳态电流。

②热启动运行特性

在金卤照明灯处于长时间稳态运行的条件下,如果输入电源因故发生中断或闪断时间超过0.04～0.05s的故障,再重新恢复供电后,就会导致金卤照明灯“熄灯”10min以上。

当金卤灯照明系统处于热态的熄灯工作状态时,不但输入电流的幅值与其稳态工作电流几乎相等,而且,输入功率因数还会呈现出如下的准电容性的运行特性:输入电流谐波含量THDI值→0, 输入功率因数PF值→0.2(超前)左右。

当处于热态熄灯工作状态条件下的金卤灯系统突然再次被点亮时,其浪涌电流为2.3倍稳态电流左右。    (未完待续)