光源闪烁及电气照明设计之对策

袁星
（东南大学建筑设计研究院 南京 210096）

摘要：本文就可见与不可见光源闪烁产生的危害，从电源的根本上分析其产生的原因，有针对性地提出应该在电气照明设计中采取的相应措施，以达到绿色照明的要求

关键词：光源闪烁 频闪 电压波动和闪变 电气照明设计

The Light Source Scintillation and  Designing   Countermeasure of Electric  illumination.

Yuan  xing
(Architectural Design &Research Institute ,Southeast University,Nanjing 210096)

Abstract
This paper studies the influence and visuognosis of unvisible and visible light sources flicker on the vision system,analyse from the cause of the flicker .The designing countermeasure of electric illumination has been proposed  for the comfortable lighting environment

Key words
Light scource scintillation;frequency flicker,Voltage fluctuation and flicker;Electric illumination designi

1.前言

　　在科技生活日益进步的今天，绿色风潮日益成为人们关注之所在，健康生活成为人们的追求。照明领域，绿色照明的概念已经深入到我们的日常生活。照明设计中对照明舒适度的考虑，在照度、均匀度甚至眩光的控制等方面已经日益得到关注和重视，照明中对视力的影响，潜在却不容忽视的因素——光源闪烁的影响，也应该成为设计的一个焦点所在。

2. 光源闪烁产生的危害

　　2.1视觉过程
　　视觉并不是瞬息即逝的过程，它是多步译码和分析的最终产物，这些过程综合起来为我们提供了环境亮度和色度变化图样的含义。
　　人眼是一个复杂而又精密的感觉器官，很象一台光学仪器，其中把倒像投射到视网膜上的透镜是有弹性的，它的曲率和焦距由睫状肌控制，其控制过程就叫调节；透镜的孔径即瞳孔的大小由虹膜控制，在低照度下瞳孔放大，在高照度下瞳孔收缩。
　　视网膜是视觉的光学过程和生理过程的衔接，视网膜上图像的传递、分析和译码都是由神经细胞的网络或神经原来执行。柱状和锥状细胞的光敏色素就如同转化器，能有效地把光能转换成神经脉冲，从而启动视觉过程。
　　2.2光源闪烁的概念和对人体的危害
　　我们的眼睛每时每刻都在运动中，很小的视觉改变会使视网膜上的像也跟着改变，通过神经网络的调节达到检测亮度的持续的局部改变，许多反馈系统的结合完善了视觉的功能，这在视觉过程中的作用是根本，因此我们对亮度的剧烈改变的敏感性要胜过亮度本身。
　　各种光源的快速闪烁被称为光源闪烁。自然光没有闪烁，虽有明暗变化但极其缓慢，千百年来的进化中，我们生活在大自然中，视觉系统已经非常适应这种变化。而社会的进步，各种人造光源的产生，给人们带来现代化生活舒适感受的同时，随之而来的便是不可避免的光源闪烁。
　　当我们面对越来越多的眼睛干涩、神经紧张，面对高比例的近视人群时，眼科专家开始提醒人们注意光源闪烁的危害。
　　七彩霓虹、变化多姿的广告，处处可见的光源闪烁，对我们大多数人的日常生活而言，却不是危害我们视觉系统的罪魁祸首。对我们视觉系统伤害最大的却是日日相伴，感觉不算明显或根本不能感觉到的光源闪烁。
　　尤其是荧光灯，我们几乎日日生活在这荧光灯的世界，来自国外的专家提醒：荧光灯是引起偏头疼的主要原因，虽然人们看不到荧光灯的闪烁，但这种确实存在的闪烁在不断的影响我们的眼睛和视神经。因此，长期生活在使用荧光灯的环境里，人们的眼睛会感到疲劳，并引起偏头疼，有时还会导致心动过速；照明光源的闪烁和计算机荧光屏上的眩光导致“办公室综合症”，针对这一问题，欧洲委员会（European Commission）已经发布了一项指南（90/270/EC），强调雇主为使用显示屏工作的员工提供更好的照明。
　　目前，我国的医学专家也开始重视这一现象，来自医学界的实验表明，在这种闪烁的光源下工作，视觉系统需要不断的调节，来保证视网膜上光照度的稳定性和呈像的清晰性，从而加重了视觉负荷，容易产生视疲劳。
　　总之，人们已经达成了公识：光源闪烁正成为公害。
　　本文提到的光源闪烁，仅限于用作正常照明用途之灯具所造成的光源闪烁。

3.      光源闪烁的起因

　　3.1基本概念
　　光源闪烁实质上是指电压变动——光通量波动——人眼——脑，这个反应链的主观感受。也就是说电压变动是造成光源闪烁的客观原因，人体是光源闪烁的最终承载者。
　　电压变动是否对人体产生影响，可以用以下几个概念来量化。
　　3.1.1视觉敏感系数曲线和闪变电压限值曲线
　　可以被人眼感知的光源闪烁，可以通过统计的方法来测得人眼的对光源闪烁的感觉特性。
　　通过对多数人研究实验，可以得出人眼对不同频率的电压波动敏感度不同，通过测试，可以得出一系列敏感度系数，最终得到一条视觉敏感系数曲线（图1）。实验集合了相当数量的人的主观感受，用统计学的方法加以处理。从曲线上可以看出：人最敏感也即系数为1的频率是8.8Hz，偏离最敏感频率后，系数值随频率变动而降低。当闪烁40Hz以上感觉就不灵敏，至50Hz以上时则完全感觉不到。视觉敏感系数曲线表征了视觉敏感度对电压波动的频率响应。

图1 视觉敏感系数曲线

　　图2 是IEC给出的闪变电压限值曲线，它标志着从统计数据看有95%的人尚“未感受”到闪烁的界限。它和视觉敏感系数曲线互为映象，视觉敏感频率为8.8Hz，这时电压变动d最小，是0.29%，值得提醒的是该曲线是在周期性矩形（或阶跃）电压作用下的曲线，电压由大到小或由小到大各算一次变动。

图2 闪变电压限值曲线

其中：
电压变动d：电压变动d(t)上，相邻两个极值电压之差
电压变动频率r：单位时间内电压变动的次数

3.1.2.光通量波动深度

波动深度=

其中：
：闪烁波峰值；
：闪烁谷值
　　光通量波动深度是对光源闪烁幅度的量化。光源闪烁是光通量波动的外在体现，光通量波动是光源闪烁的直接原因。

　　3.2.   频闪
　　灯具在交流电源情况下，灯管两端不断改变电压极性，随着电流的变化，光通量随之波动，由此会产生的闪烁感，称为频闪。直流电源不存在这种现象。这种与交流电源直接相关联的闪烁，是我们所无法回避的闪烁。
　　根据视觉敏感系数曲线和闪变电压限值曲线可知道，在交流50Hz市电驱动下，频闪一般不在我们视觉系统感知范围，但这种确实存在的闪烁，却不断影响着我们的眼睛和视觉神经系统。来自医学界关于“频闪”危害的报道已经不再鲜为人知。
　　光通量波动范围在25%以上的波动，用这种变化的光线来照明周期性运动的物体时，将会降低视觉的分辨能力，这种现象称为：“频闪效应”。当物体的转动频率或往复频率是光源闪烁频率的整数倍时，运动的物体看上去好象静止一样，容易造成事故。
　　面对这样的事实，人类并不是无所为的，至少，我们可以去努力减少这种负面的影响。
　　实验证明，光通量波动范围在25%以下的波动对我们造成的伤害才可以忽略。因此，如何达到这个目标才是我们的作为所在。
　　3.3.   电压波动和闪变
　　3.3.1.概念
　　灯具光通量不稳定，造成的视感称为闪变。环境温度改变也会影响灯具光通量的输出，但是缓慢而不为人眼所察觉，如同自然光线的明暗交替。电压波动所引起的闪变，却是可以被感觉到。电压方均根值的一系列的变动和连续的改变，称为电压波动。闪变不仅与电压波动的大小有关，而且与波动的频率、波形、照明灯具的性能以及人的视感甚至人脑对灯光光通量变化的记忆效应等因素有关。
　　和频闪不同的是，电压波动引起的闪变和电力系统电能质量密切相关，和供电电压允许偏差、频率允许偏差、电网谐波以及三相电压允许不平衡度一起，成为电力行业考核电能质量的指标。
　　为此世界各国对电压波动和闪变均制定了相应的限制标准。我国颁布了GB12326-2000《电能质量——电压允许波动和闪变》标准，该标准是在参考了国际电工委员会（IEC）标准的基础上制定的，适用于交流50Hz电力系统正常工作方式下，由波动负荷引起的公共连接点电压的快速变动以及由此引起的人对灯闪明显感觉的场所。规定了电压波动和闪变的限值及测试、计算、评估办法；并且将电压波动限值和电压波动频率相关联，更符合人体科学；引入了多闪变源的综合效应，考虑闪变叠加、传递的计算，使得闪变更加具体化。

对于闪变强弱的量化有两个指标：
　　A.        短时间闪变值P_st：衡量短时间（若干分钟）内闪变强弱的一个统计量值。P_st=1为闪变引起视感刺激性的通常限值。所以，闪变电压限值曲线又叫单位闪变（P_st=1）曲线。
　　B.        长时间闪变值P_lt：由短时间闪变值P_st推算出，反映长时间（若干小时）内闪变强弱的量值。
　　3.3.2.    电压波动和闪变的限值：
　　这里仅介绍适用于LV（低压：U_N≤1kV）和MV（中压:1 kV＜U_N≤35kV）系统的限值。一个波动负荷用户在电力系统公共连接点（PPC）单独引起的电压变动和闪变值一般应该满足下面要求
　　3.3.2.1. 电压变动的限值

表1电压变动限值表

　　3.3.2.2.闪变限值
　　根据用户负荷大小、其协议用电容量占供电容量的比例以及系统电压，分别按三级处理
　　A.  第一级规定：满足本规定，可以不经过闪变核算，允许接入电网

表2第一级限值表

其中：ΔS：波动负荷视在功率的变动；
　　　S_SC：PCC（公共连接点）短路容量
　　已经通过IEC61000-3-3和IEC61000-3-5的LV设备均可视为满足第一级规定。目前国产的低压电气设备大多未按IEC标准校验其电压波动和闪变，相信不远的将来，这个空白会得到填补。
　　B.第二级规定：须根据用户闪变的发生值和限值做比较后确定。每个用户按其协议用电容量S_i=（S_i=P_i/COSΦ_i） 和供电容量S之比，考虑上一级对下一级的闪变传递的影响等因素确定闪变限值。
　　C.第三级规定：规定了超标用户和过高背景闪变水平的处理原则。考虑实际背景闪变水平，酌情分配指标。
　　3.3.3.电压波动和闪变估算
　　3.3.3.1.电压波动估算
三相负荷：

平衡的三相负荷：d≈

d＝

单相负荷：d≈

其中：
　　ΔS_i：负荷容量的变化量；
　　S_SC：PCC（公共连接点）短路容量；
　　ΔP_i：三相负荷的有功功率的变化量；
　　ΔQ_i：三相负荷的无功功率的变化量；
　　R_L：电网阻抗的电阻分量；
　　X_L：电网阻抗的电抗分量；

　　3.3.3.2.闪变估算
　　闪变值可以通过仪器测量、P_st=1曲线分析，以及闪变时间分析法获得
　　3.3.4.电压波动和灯具光通量变化：
　　前面提到，闪变最终体现在光通量的变化中，不同的灯具光通量随电压波动的性能不同，通过对各种灯具光通量输出随电源电压变化曲线分析可知：当电网电压波动时，高压钠灯、白炽灯受电网电压波动影响最大，其次是荧光灯、荧光高压汞灯以及金卤灯
　　由此可见，降低电压波动的频率和闪变值是我们降低电压波动造成闪变的途径；而如何降低灯具光通量对电压波动的敏感程度，是对灯具制造业的挑战。
　　4.      电气照明设计相应措施
　　下面就电气照明设计中，避免光源闪烁危害而可取的措施加以分析。
　　4.1.   在针对频闪
　　4.1.1.提高灯具工作频率：
　　采用提高灯具工作频率——如电子整流器。在电气照明设计中，对使用荧光灯的场所，尤其是学校、使用显示器的场所以及精细作业场所等，优先推广电子整流器。不仅仅如此，通过比较，市场上的电子整流器工作频率不一，光通量波动值的范围很大，只有通过电子整流器内的频率转换电路将荧光灯的工作频率提高到40kHz以上，方可有效消除频闪，因此，设计中应该不仅仅要求使用电子整流器，而且要对整流器工作频率有所要求；
　　4.1.2.光通量互补
　　A. 为改善气体放电灯的频闪效应，可将其同一或不同的灯具的相邻灯管分接在不同相序的线路上。三组灯管发出的光通量互差120度时间角，使得总光通量输出的波动大为减少，从而有效的减轻了频闪。对于大空间照明设计，设计时应刻意使得相邻灯具接自不同的相序；对于走廊，灯具可以采用间隔接自不同相序，这样既满足了节能要求，可以保证照度可调节，也使得频闪得到控制；
　　B. 也采用超前滞后电路或可将双管荧光灯中的一支按正常接线，另一支加移相电容器，这样可以使一支灯管光通量输出最小时，另一支灯管输出的光通量为最大，总和使得闪烁程度得到控制。
　　C.对于工厂类建筑，在考虑大面积大空间采用气体放电灯做整体照明的同时，应强调局部照明的重要，在转动的物体旁边加装白炽灯作为局部照明
　　4.2.   针对电压波动和闪变
　　在电力系统中，冲击性负荷或冲击性负荷群会导致供电电压波动和闪变，所以这个问题在新用户和新设备投产前的规划设计阶段应予以足够的估计，积极采取措施，以限制其所产生的危害。
　　4.2.1.增大系统S_SC：
　　A.由电压波动计算公式可知道，强化供电系统，使公共供电点的容量相对应于冲击负荷的倍数足够大，可以降低电压波动；
　　B. 电动机容量很大，接近变压器容量的20%或更大时，单独启动可能会引起不可忽略的电压波动，因此在大型工程应该校验电动机容量与PCC的短路容量。
　　4.2.2.闪变影响的一般由上级传递到下级：
　　考虑到闪变下一级对上一级的传递一般可以忽略。
　　A. 较大功率的冲击性负荷或冲击性负荷群，例如X射线机，在对电压波动引起闪变敏感的场所，宜分别由不同的配电变压器供电；
　　B. 较小功率的冲击性负荷，在供电线路上可以考虑和照明回路分开供电。
　　4.2.3.降低线路阻抗：
　　为了限制电压波动和闪变，在合理的范围，对小冲击性低压负荷，当与其他负荷共用配电线路时，宜降低配电线路阻抗。适当增大导线截面，可以达到这一目的。
　　4.2.4.控制电压波动幅度
　　A. 正常运行情况下用电设备端子处电压偏差允许值（以额定电压的百分数表示）可按下列要求验算：照明：在一般工作场所为±5%；在视觉要求较高的屋内场所为+5%、-2.5%；
　　B.当电压偏差或波动不能保证照明质量或光源寿命时，在技术经济合理的条件下，可采用有载调压电力变压器、调压器或照明专用变压器供电
　　C.考虑采用无功补偿措施，产生电压偏差的主要因素是系统滞后的无功负荷所引起的系统电压损失。因此，当负荷变化时，相应调整电容器的接入容量就可以改变系统中的电压损失，从而在一定程度上缩小了电压偏差范围。采用无功功率静止补偿装置（SVC）是补偿电压闪变的重大措施之一。

参考文献
　　1、《电能质量 电压波动和闪变》 GB12326-2000 2000.4 国家质量技术监督局
　　2、《民用建筑电气设计规范》JGJ/T-92 1993.8 中国计划出版社
　　3、《光源与照明》[英]M.A.卡意莱斯 A.M.马斯登 1992  复旦大学出版社
　　4、《光源闪烁对视觉影响的研究》余希湖 蒋涌潮 北京 照明工程学报 1996年第4期