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路灯系统节能探讨

   日期:2010-07-01     浏览:489    

引言

  近年来,道路照明设施随着各地经济和交通的发展,其规模及数量越来越大,道路照明耗电在迅速上升。

  以深圳市为例。2002年统计的四区(罗湖、福田、南山、盐田)路灯系统光源安装总功率为10294KW,镇流器损耗按光源安装总功率18%计算,照明线路损耗按5%考虑,路灯每年亮灯小时数按4000小时计,则:

  路灯系统电气安装总容量为10294X(0.18+0.05)=12661千瓦。

  路灯系统每年耗电为12661X4000X10-4=5064.4万度。

  年耗电5064.4万度是什么概念呢?大亚湾核电站年发电能力约为140亿度,5064.4万度占其0.36%。

  由上可见,路灯系统的耗电相当可观。正因为此,道路照明节电已成为日益受到重视的话题。近年来很多地区发生的日益严重的电荒,更使许多部门认识到这一当务之急。

  本文站在技术角度,分别从路灯布置方式、配电系统、灯具配件等方面,就如何以科学、合理的方式,实现道路照明系统节能,阐述个人的一点体会。

合适的照度

  合适的照度,是我们在道路照明节电工作中首先需要重视的问题。它包括两个方面。其一是为所设计的道路选择合适的照度标准;其次,是采用适当的计算及设计方式,实现合适的照度。我们不难观察到,国内不少城市道路照度偏高,既增加了路灯照明的耗电,也削弱了道路两侧景观照明的效果。

  现行有效的标准《城市道路照明设计标准》还是早在94年制定的。不可否认,相对于我国沿海一些近年来交通发展较快、经济较发达城市,由于其出行时间延长、交通量大、交通情况复杂,其中的照度标准要求偏低。但我们也不应过分的选择较大的照度。根据正在修订的《城市道路照明设计标准(征求意见稿)》以及我们工程中的实践,推荐按表1的标准选择照度。具体工程中,可视道路所在城市的性质和规模、交通信号的完善程度、道路与周边环境分隔状况在表中高档值与低挡值之间选取照度。

表1

国家行业标准

推荐做法

适用道路

平均照度Eav(lx)

照度均匀度Emin/Eav

平均照度Eav(lx)

照度均匀度Emin/Eav

一级

20

0.4

20∽30

0.5

快速干道

二级

15

0.35

20∽25

0.4

主干道

三级

8

0.35

10∽15

0.35

次干道

四级

5

0.30

8∽10

0.30

支路

五级

   

5

0.20

住宅区机动车道

六级

   

2∽3

0.1

住宅区人行道或非机动车道

  照度标准确定后,如何进行照度计算,是设计师们头疼的问题。常规的利用系数法计算粗糙,且无法确定均匀度。手工逐点计算法计算精度虽高,但需要收集大量的灯具资料,计算工作量也很大。以上两种计算方式在工程实践中均不适用。笔者建议,目前已有多家国内外灯具厂家编制了照明计算软件,计算中虽然只能对相对应厂家生产的灯具进行照度计算,但对于路灯系统设计还是有相当的参考意义。建议在设计中选择一到两家的软件对照度进行计算,从而快速方便地确定灯具布置形式、杆高、路灯间距、光源容量,实现合适的照度,避免或减少路灯系统设计的盲目性。

电容补偿

  路灯采用的光源,基本是气体放电灯,其功率因数相当低,一般在0.45以下,从而使回路电流大,在线路上产生的损耗相当可观。《城市道路照明设计标准》中,要求气体放电灯应加电容补偿,补偿后功率因数应不小于0.8。但标准中并没有明确是在路灯电源处集中补偿,还是在灯具处分散补偿。目前国内城市路灯系统采用的电容补偿方式两种均有。笔者认为,由于路灯设施是均匀分布在道路纵向两侧,由路灯电源至路灯灯具的低压配线较长,道路照明系统产生的损耗主要发生在这一段。采用路灯电源处集中补偿方式,并不能减少低压配线的耗电。而采用单灯分散补偿,无疑减少了路灯电源至路灯灯具这一段线路上产生的损耗,将起到较好的节电效果。电容量与路灯常用光源---高压钠灯的配套建议按表2选择,补偿后单灯功率因数将不小于0.85。

表2

70W

100W

150W

250W

400W

10∽12μF

13∽15μF

20∽22μF

34∽36μF

53∽55μF

关闭半数光源

  显然,关闭半数光源的方式节电效果直接而且显著,节电运行时段节电达50%,总体约在30%左右。在电力紧张的背景下,政府出台了一些文件,要求在后半夜,采取“亮一隔一”或“亮一隔二”的措施,关闭部分光源。笔者认为,这只能作为缓解电力紧张局面的权宜之计。因为,“亮一隔一”或“亮一隔二”不仅减小照度,同时区别于不同的灯杆布置方式,照度均匀度将不同程度、甚至是严重的下降,对交通、行人安全、对维护社会治安产生不利影响。七十年代的世界性能源危机中,日本曾在道路上进行间隔点灯的试验,结果导致治安、道路交通事故的大幅上升。另外,这种方式由于需要在同一路径上敷设两根路灯供电电缆,也增加了建设投资。

  因此,应区别于不同的灯杆布置方式,谨慎采用关闭半数光源的方式。

  常规灯杆布灯时,往往采用车道侧单光源灯具。灯杆布置有单侧布置、交错布置、对称布置。

  单侧布置时,若选用这一方式,则后半夜车道明暗悬殊,照度均匀度远低于道路照明设计标准的要求。如某单侧布灯的工程,前半夜全亮时均匀度高达0.53,采用”亮一隔一”后均匀度则下降至0.07。我们不应顾此失彼,单侧布灯时,不宜推广关闭半数光源的方式。

  交错布置、对称布置时,采用这一方式,虽然均匀度稍差,但若选择配光合适的灯具,均匀度还是可以达到或略低于道路照明设计标准的要求。工程实践中,可根据车道宽度、道路交通量、周边人流量等,有选择性的使用这种方式。

  在照度要求高、机动车道较宽的快速路、主干路上,常规灯杆布灯时,可考虑采用车道侧同杆双光源灯具方案,两个光源可等功率或不等功率。采用这种布灯方案时,上半夜两个光源全亮,后半夜关闭其中一个光源。这种方式,对照度均匀度基本没有影响,单侧布置、交错布置、对称布置时,均可采用这一方案。

环形电感镇流器

  采用气体放电灯的路灯照明系统中,除光源自身的功耗外,与气体放电灯配套的电感镇流器也要消耗一部分电能。电感镇流器的工作效率高低、节能与否,对路灯照明系统的电力消耗有一定的影响。相对于传统的电感镇流器而言,环形电感镇流器,由于其采用圆环形铁芯和线圈,使环形铁芯卷片的几何形状与磁力线回路和曲线更加适应,磁路分布更趋合理,进一步改善了磁通,降低了铁损,减少了总的电力消耗。可广泛适用于高压钠灯、汞灯和金属卤化物灯。需要注意的是,这种方式仅仅是减少了镇流器的损耗,对路灯系统电耗中占主要比例的光源的电耗并没有减少。钠灯用环形电感镇流器与传统型电感镇流器电能损耗比较详表3。

表3

 

镇流器功率损耗

镇流器功率损耗占光源功率的百分比(%)

钠灯光源功率

普通传统型

环形

普通传统型

环形

150W

23∽30W

≤17.6W

15∽20

<11

250W

30∽45W

≤25W

12∽18

<10

400W

48∽72W

≤35W

12∽18

<9

智能光源降压一稳压一调光技术

  智能光源降压一稳压一调光技术,是将装置安装在路灯配电回路的起端,在前半夜控制路灯回路为全压,接近午夜时分,开始降低回路电压,在后半夜车稀人少时,进一步降低电压。它的节电原理有二,其一是高压钠灯的亮灯维持电压低于220V,因此,降低回路电压光源不会熄灭;其二是由于后半夜电网用户少,负荷低,电网电压高于220V,而过压将额外消耗部分电能,采用该装置则避免了这部分的浪费。根据工程实践,它的节电效果在15%左右。采用这种装置,不仅节约了电能,不影响照度均匀度,而且能够避免光源过压运行,延长了路灯寿命。需要注意的是,这种方式是对配电回路降压,回路内所有灯具都将在低电压运行,对下述问题应予注意:①,随着使用时间的增加,光源端电压及电流等电气参数发生变化,同时光源本身质量上又具有离散性,降电压运行时就可能出现同一回路中一些灯具灭灯的现象;②路灯配电回路供电半径长达800米,随灯具与供电端距离的增加,电压逐渐下降,若线路设计不当,有可能出现远端电压不能满足光源所需正常维持电压;③路灯系统中往往会外接公交站台广告灯箱、电话亭照明,而这些照明由于功率小,一般采用直管型荧光灯、紧凑型荧光灯,低于正常工频电压时,这些光源不能正常工作。④回路中接有电动升降式高杆灯时,由于电动装置为感性起动特性,起动电流大,与这种装置过载电气特性不匹配。

 

7 可变功率镇流器

  可变功率镇流器,利用气体放电灯在工作电流适当减少时,仍能正常运行的原理,通过后半夜增加镇流器电抗,从而降低光源电流,减少路灯系统电耗中占主要比例的光源的电耗,达到路灯系统整体节能的目的。

7.1降功率控制原理

  可变功率镇流器工作原理见图。

  图右边的虚线框为标准的路灯设备电路图,左边虚线框为节能型单灯控制器框图。其中电子开关用来控制路灯降功率投入。其工作过程如下:1)正常情况下,LCU控制电路控制电子开关闭合(短路),外部电压直接通过电子开关加到路灯电路上,使路灯工作在额定功率状态。    2)降功率控制情况下,控制电路控制电子开关打开(开路),控制外部电压只能通过降功率电感加到路灯电路上。此时,路灯电路感性负载增加,路灯工作电流降低,从而使路灯功率下降,耗能降低,达到节能的效果。3)当电网电压偏低或光源状况不佳,降功率运行将可能出线闪烁时,即使在降功率运行时间段,控制电路也将自动控制电子开关在闭合状态,避免路灯熄灭。

7.2节能控制方案设计及节能效果分析

  不同的节能控制程序会产生不同的节能控制效果,按每天照明11小时,前5小时处于正常照明状态,后6小时处于节能照明状态。各功率光源节电效果如表4。

表4

 

150W 高压钠灯

250W高压钠灯

2400W高压钠灯

普通运行每天耗电

1837WH

3058 WH

4807 WH

变功率运行每天耗电

1465WH

2260WHr

3715 WH

每天节电量

372WH

798WH

1092 WH

节电率

20%

26%

23%

  这种方式由于是在灯具处安装,因此,适用于各种路灯布置方式和光源组合方式。

  对于原有道路照明工程,可采用附加型变功率镇流器进行改造,其特点是,对原灯具配套的镇流器不予更换,既方便改造施工,又降低系统改造造价。

  可变功率镇流器方式,具有智能光源降压一稳压一调光技术的优点,也避免了智能光源降压一稳压一调光技术的缺点,值得推广。

小结

  以上对路灯系统的节能方式进行了探讨,期翼有助于道路照明系统合理用电,使路灯工程既满足其功能性要求,又能够实现最大限度的节能。

 

 
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