【香港機電設計基礎】LED燈具變壓器之啟動衝擊電流(Inrush Current of LED Driver)

发布于 2021-04-06 11:40

衝擊電流引發的問題

最近研究LED燈具的特性，想到了去年做的一個香港賽馬會項目。在驗收過程中，曾經出現過的一個關於LED燈線路跳閘的問題。今天總結一下，在這裡跟大家分享一些經驗。

去年2月馬會驗收精裝區燈具的過程中，物業管理團隊在調試中發現，當使用BMS大面積控制精裝區燈具開/關時（不是逐漸通過調光增加或減少），不定期的會出現上級MCB跳脫的情況。甚至在某些更壞的情況裡，會直接影響到再上一級MCCB箱的保護開關跳脫，導致整個照明配電箱失電，照明系統大面積斷電。

初步調查

本人被委派前往調查，研究設計圖紙發現並沒有不妥之處，配電箱連接負載並未超出上級保護開關容量。經過現場初步測試，發現40A的照明配電箱，實際穩定的運行電流也僅為7～9A，並不存在過載現象。每一路出線的實際運行電流也沒有超過10A的保護MCB。那麼，為何有時會發生跳閘的現象呢？由於跳脫一般發生在點亮燈具時，我們帶著疑問進行了更深入的測試和調查。

MCB跳脫的原因無外乎三種情況。一是過流overload，二是發生短路short circuit，三則是MCB本身出了故障。由於實際運行電流遠低於保護開關的額定電流值，而且MCB確定本身沒有問題，我們排除原因一和原因三。那麼，是什麽導致MCB政策到了短路電流而跳脫呢？

更進一步的調查發現，現場測量過程中，在LED被點亮時，或者LED默認點亮狀態下，MCB直接合閘時電流表會記錄下一個很大的衝擊電流（Inrush Current）。如下圖可見，穩態下電流為1.1A，啟動時可以記錄到的最大電流為15.8A（由於電錶記錄範圍的限制，實際衝擊電流可能更大）。但這種衝擊電流出現的頻率和大小並不固定。

分析和研究

經過研究相關LED燈具的資料，我們發現，當LED燈具每次通電/被點亮時，在最初的很短的時間間隔內，燈具會產生一個可變的衝擊電流，然後一旦達到額定工作條件，電流就會穩定下來。

在燈具通電後的最初時刻，由於LED燈具往往配備校正功率因數的電容器，會出現一個顯著的瞬態電流（根據不同的產品特性，部分可達到額定電流的250倍）。該瞬態電流的持續時間一般小於1毫秒（ms）。一旦衝擊電流過後，會經過100毫秒到1.5秒的時間範圍，恢復到穩態電流。

下面是馬會項目某燈具LED變壓器的數據。我們可以看到。150W、2A  LED Driver，衝擊電流為40A，持續時間未有詳細說明。項目中保護開關的等級為Type B級，工作範圍為3～5In。（Type C級為5～10In，Type D級為10～20In）。也就是說MCB會在迴路電流大於3倍額定電流時開始工作，大於5倍額定電流會在小於0.1s跳脫。

通過調查其他品牌常見的的LED變壓器，我們可以看到，50W、1A  LED Driver，飛利浦型號為XI050C100V054DNMX，衝擊電流為27A，持續時間為86微秒（us）。80W、0.39A  LED Driver，ORSAM型號為OTi BLE 80/220-240/24，衝擊電流為48A，持續時間為220微秒（us）。

由於MCB的跳脫依照MCB的特性曲線。我們來看看不同Type MCB的曲線有什麼不同。下圖中可以看到對於TypeB MCB只要電流打過5倍的額定電流，MCB會在0.1s內跳脫。對於我們一隻衝擊電流40A的LED變壓器來說，MCB為4倍額定電流（40A/10A） ，因此會在>0.1s時才會跳脫（圖中可以見為0.004s，即4ms），若衝擊電流在4000us內消失，則不會影響MCB跳脫。

剛剛我們計算的僅僅是一隻LED變壓器的情況。若兩隻並聯的衝擊電流40A的LED變壓器，則為8倍額定電流，那麼MCB一定會在0.1s中內跳脫（圖中可以見為0.003s，即3ms）；若總十兩隻並聯的衝擊電流40A的LED變壓器，則為40倍額定電流，（圖中可以見為0.0015s，即1.5ms）若衝擊電流在150us內消失，則不會影響MCB跳脫。我們看到常見的Driver的Inrush Current持續時間為100us這個數量級，因此，當十隻driver連接在一起極有可能會使MCB跳脫。

由於LED變壓器每次啟動的衝擊電流大小和時長都是個變量，並不固定，因此，對於同一條線路，發生跳閘的情況也沒有規律。

提出對應的解決方案

既然我們已經了解了MCB跳脫的原因，讓我們來看看有什麼解決辦法。大致有兩個方向，一是減少迴路的總衝擊電流；二是延長MCB的跳脫時間，讓啟動瞬間電流和持續時間不要落在MCB曲線的右下方的跳脫象限部分（紅色及黃色部分），落在綠色部分最為穩妥。

解決方案一：

假設我們將MCB由10A變為20A，那麼衝擊電流與額定電流的倍數則會減半，相應的跳閘時間會增加，有更大的機會使衝擊電流不會影響MCB跳脫。

解決方案二：

假設我們將MCB由TypeB變為TypeC,或者TypeD。特性曲線可以看出，由於TypeC和TypeD使整個MCB的跳脫時間向右平移，MCB相當於延時工作。我們可以看出對於TypeC的斷路器在5倍以下的額定電流的情況下斷路器不會工作，對於TypeD的斷路器在10倍以下的額定電流的情況下斷路器不會工作。雖然對於幾十倍的衝擊電流分別不是很大，但也可以降低MCB跳閘的可能性。

解決方案三：

合理的規劃和限制照明線路上的LED變壓器的數量，每個斷路器不超過8～10個LED變壓器。若具體的數量可以按照LED廠商提供的數據來提供，則會是更好的選擇。

解決方案四：

通過控制線路，使同一條線路上的LED變壓器不會同時啟動。避免同時產生較大的電流。但這種方法對控制迴路的改動較大，成本也較高。

解決方案五：

可以參考施耐德在電氣安裝Electrical Installation Wiki上提供的數據進行設計和預留。這個方法在初步設計和招標圖設計比較有用。在具體的施工過程中，承建商還是要遵守LED廠商的安裝推薦來進行每條線路LED數量的安排。

LED燈具的最大數量取決於斷路器的額定值和曲線

結語：

開頭提到的馬會的項目，由於室內線路的安裝已經完成，沒有辦法重新安排每條線路變壓器的數量。最終的解決辦法也是通過替換了某些特定線路的斷路器（將TypeB改為TypeD）來提升斷路器的延時能力。

LED衝擊電流的問題其實相對來講不算大問題，但常常容易在前期設計時忽略。如果在設計時變壓器數量和迴路數量規劃不妥當，比如迴路連接了過多的LED變壓器，而承建商選擇的LED變壓器的衝擊電流又偏大的話，很容易出現跳閘的問題。問題如果一旦出現，後期處理上改動的成本會很大。一是要增加迴路增加斷路器，二是將斷路器都替換成TypeC或者TypeD。因此，我們在設計時一定要留意這個問題。

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