直流照明应用关键技术及其标准化

知识点：直流电源总控制柜

直流供配电技术出现于100多年前，但由于当时难以解决直流输配电过程中的电压转换问题，故而转为采用交流供配电系统。当前在照明领域重提直流供电系统主要有两方面的原因：一是高效直流电压转换器的出现使得直流输配电问题得到解决，二是以LED照明为代表的直流驱动照明技术的成熟与推广。当前阶段，LED照明已经广泛用于各类场所，并在提高光环境质量和降低能源消耗方面作出了巨大贡献。随着智能化进程加快、照明建筑一体化趋势显著以及因人、因时、因地、因需动态变化的健康照明需求的提出，LED照明的优势更为突出。采用直流照明技术，也将使得现有照明中存在的一些问题得到解决，包括降低末端电源转化装置的故障率，从而降低运行维护成本；从源头对直流电流进行处理，从而进一步降低灯具频闪的可能，营造更为舒适健康的光环境等。国际电工委员会于2017年发布关于低压直流供电应用的技术报告，对技术、市场和标准化等方面进行分析，并将其作为未来优先考虑的领域。

随着直流配电照明在相关领域逐步开展应用，我国的直流照明标准化进程也在不断加快，从而引导直流照明的发展和应用。中国建筑科学研究院有限公司牵头制定了T / CECS 705 - 2020《直流照明系统技术规程》，该标准对直流照明系统的设计、安装调试、验收、运行维护等关键环节进行的规定，将为我国直流照明系统工程应用提供指导。本文重点围绕该标准对直流照明应用关键技术进行介绍。

直流照明概念

直流照明系统是指进行直流供配电的照明系统。直流照明系统从配电到末端灯具均为直流。因此系统各组件均需满足直流配电要求。直流照明系统通常包括直流电源总控制柜、配电线路、灯具及附属装置，根据实际需要可配置直流电源分配电箱（柜）和监控系统（图1）。

相关标准介绍

直流供电最早应用于电子及通信领域，对于照明领域的应用尚处于初期阶段。本文根据我国的标准化进程，对我国直流照明标准及其相关标准进行调研，相关标准如表1所示。

从国内标准的角度来看，涵盖建筑、室外等场所直流照明的标准仅有T / CECS 705 - 2020《直流照明系统技术规程》，而对于通用性直流供配电标准及通信领域直流供电标准则相对更为详尽，对于直流照明标准体系的构建和完善具有借鉴意义。

供配电设计

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直流照明标准电压

在直流供配电系统中首先需要考虑的就是直流电压的确定。在直流照明领域建立统一的标准电压对于直流照明实践具有重要意义。《直流照明系统技术规程》给出直流电压的优选值和备选值，如表2所示。

这些电压等级的选择结合了现行国际、国家标准对于直流电压的优选值和备选值的规定，同时也考虑了直流照明实践中对于电压选择的实际情况。对于不同场所，适用的电压等级往往不同，以水池和类似场所为例，出于安全的考虑，电压等级不应大于24 V。

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安全性设计

配电系统的安全，一方面是对供配电系统的自我保护，而另一方面是对外部人员、财产安全的防护。直流供电设备和系统运行首先需要考虑的就是安全性问题，也是相关标准化工作重点考虑的技术内容之一。系统主要防护类型包括过电流保护、电击防护、热效应保护、电压骚扰和电磁骚扰防护等。实施中需要考虑保护电器的选择与其布置位置的确定，直流电弧故障防护等防护措施，以及绝缘监察等监测措施的相关要求等。

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配电线路设计

直流照明系统配电线路设计综合考虑设备布放、配电环节、线缆选择、电压降控制、管线布置等方面的要求。特别是在交流配电线路和直流配电线路同时存在的情况，需要进行隔离，将交、直流分支回路置于不同的管线，避免同管敷设。配电线路的电压降需要经过严格的设计计算，确保能够满足电压降以及节能的相关要求，计算公式为：

式中：

Δu —— 输送过程中的压降，V；

ρ1 —— 正常使用条件下的导体电阻系数，等同于正常使用温度条件下的电阻系数，即为25 ℃ 条件下电阻系数的1.25倍，或铜按0.022 5 Ω· mm² / m计算，铝按0.036 Ω · mm² / m计算；

L —— 线缆长度，m；

S —— 导体截面积，mm²；

I_B —— 整定电流，A；

P_Δu —— 压降百分比，%；

U₀ —— 供电电压，V。

值得注意的是，直流照明系统供电可进行单极性供电（如 + 220 V）和双极性供电（如 ± 110 V），在设计中可根据实际需求进行选择。

主要设备模块性能

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供电模块

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直流转换模块

直流转换模块将外部交流或直流电源转换为所需电压等级的直流电源的装置，可设置于电源总控制柜中，也可布置在分配电箱（柜）中进行直流电压的转换。在直流照明系统中，往往需要特定电压的直流供电输入，因此直流转换模块作为直流照明系统不可或缺的部分，其性能将直接影响系统能否正常工作。因此，直流转换模块的性能要求是标准的重要内容之一，主要技术指标如表3所示。

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以太网供电交换机

以太网供电是直流供电的一种形式，是通过以太网交换机和标准通信线缆向终端设备传输数据的同时，为其提供电能的供电方式，也称为PoE供电、基于局域网的供电系统或有源以太网。以太网供电应用于照明通常采用交换机作为供电模块，其输出电压为DC 44 ~ 57 V，适用于室内照明供电，供电半径不宜超过100 m。根据IEEE的规定，以太网供电参数如表4所示。

照明设计过程中，设计师比较关心以太网交换机的安全防护问题，结合国际电工委员会标准IEC 62368 - 3：2017《Audio / video，information and communication technology equipment — Part 3：Safety aspects for DC power transfer through communication cables and ports》对于ES1能量源的相关规定，确定了相关的技术指标。即在正常工作条件，和未导致单一故障条件的异常工作条件下，和不会超过ES2限值的单一故障条件下，输出满足IEC 62368 - 1：2018《Audio / video，information and communication technology equipment — Part 1：Safety requirements》表4规定，比如直流输出时，电压不超过60 V。对于一般用户、专业人员等，ES1定义为没有危害。

此外，《直流照明系统技术规程》中还对交换机以太网供电的过程进行了规定，包括灯具接入检测、输出功率分级、加电、供电、监控、停止供电等阶段。

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受电模块

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驱动

直流驱动是指直流供电从供电单元输出后通过配电回路，末端对供电电压进行二次处理的部件，通常将接收到的直流电压转化为灯具需要的电压。从形式上划分，一般可分为独立式和灯具整体式。主要技术指标如表5所示。

直流供电系统照明灯具目前主要选用LED灯具，灯具指标除应符合基础标准的规定外，还包括：环境适应性、产品能效值特殊要求、通信接口、灯具类型的适用性。对于直流灯具来讲很重要的要求是与现有标准技术指标的衔接，包括灯具光度性能、色度性能、能效、可靠性、寿命、电气安全等。

总结与展望

直流照明作为未来照明重要发展方向，其标准化领域仍处于初步阶段，现有标准尚未完全形成体系，因此仍需开展相应工作。中国工程建设标准化协会标准T / CECS 705 - 2020《直流照明系统技术规程》是直流照明领域标准化工作的重要探索和实践，该标准对直流照明系统的设备性能、设计要求、安装、调试、验收以及运行维护各个环节作出规定。作为我国首部关于直流照明系统的综合性技术标准，将有利于指导直流照明系统的实施，对于促进行业健康发展、提高光环境质量、降低运营维护成本具有积极作用。

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