近年來，我國的路燈建設取得了飛速的發(fā)展，道路照明質(zhì)量不斷提高，高強度氣體放電燈被廣泛使用，對改善我國的投資環(huán)境,促進經(jīng)濟快速發(fā)展，方便群眾生活，美化城市和作為一個外向型現(xiàn)代化城市的建設起了很大作用，但是伴隨而來的是能耗的大幅度提高，特別是近年來能源價格大幅度提升，使電力耗費成為負擔，因此，有必要加強技術改進，以期減緩能耗上升的趨勢。在全球都在提倡綠色照明的時代，路燈的節(jié)能必然成為一種趨勢。

一、研究的目的和意義

　　近年來，我國的路燈建設取得了飛速的發(fā)展，道路照明質(zhì)量不斷提高，高強度氣體放電燈被廣泛使用，對改善我國的投資環(huán)境,促進經(jīng)濟快速發(fā)展，方便群眾生活，美化城市和作為一個外向型現(xiàn)代化城市的建設起了很大作用，但是伴隨而來的是能耗的大幅度提高，特別是近年來能源價格大幅度提升，使電力耗費成為負擔，以西安市為例，1995年全年路燈電費為600萬元，到2003年已上升到1800萬元，因此，有必要加強技術改進，以期減緩能耗上升的趨勢。在全球都在提倡綠色照明的時代，路燈的節(jié)能必然成為一種趨勢。

二、路燈節(jié)電的理論依據(jù)

　　由于氣體放電燈消耗的功率是和它的輸入電壓有關的，以鈉燈為例見圖c，當電壓降低10%時，電流降低10%，而此時功率降低達25%，光通量則降低30%。由于在設計道路照度時已考慮到正常的照度需要，所以不應以降低照度來節(jié)約能源消耗。但考慮到在后半夜時車輛人流都大為減少，此時供電電壓由于用電負荷減少而升高，所以此時采用降低供電電壓而適當降低光源的光通量也是可行的，假設在后半夜供電電壓升高10%，此時再降低供電電壓10%來運行，則光通量減少為額定值70%，而消耗功率此時可減少50%。

以下是一組實測數(shù)據(jù)，見下表，采用西安無線電二廠及南京三樂的節(jié)能型電感鎮(zhèn)流器，250瓦鈉燈。由表中可看出當電壓從242伏降到198伏時輸入功率降低了140.6瓦。比220伏時額定功率值降低了53%。

　　改革開放以來，我國的發(fā)電設備不斷竣工并網(wǎng)發(fā)電，輸配電網(wǎng)經(jīng)過升壓改造，使原來電網(wǎng)末端電壓偏低的現(xiàn)象得到改善，但如此帶來電網(wǎng)的電壓普遍偏高，特別是晚間電壓更高，譬如某地區(qū)有些單位晚上220伏電壓達到254伏，普遍單位接近240伏，此時用電設備在高于設備額定電壓狀態(tài)下運行，將會導致設備過度發(fā)熱，縮短壽命，實驗證明白熾燈的電源電壓升高5%，壽命降低47%，熒光燈電壓升高10%，壽命降低15%，而大量的電氣設備（如電動機、變壓器、接觸器、電磁鐵等）帶有鐵芯的電氣、電壓升高則會引起鐵損和銅損增加。因為電氣設備在高于額定電壓和電流狀態(tài)下運行時，鐵芯損耗與總的電壓的平方成正比，銅損則與電流的平方成正比，所以形成了較大的能源浪費。而且會降低設備的平均使用壽命。

　　通過調(diào)整供電電壓，降低不必要的損耗，不僅可以達到節(jié)電的目的，同時，還能保護終端設備，延長設備的平均使用壽命。

　　在目前的路燈供電系統(tǒng)中，由于供電電壓不能調(diào)節(jié)，使得光源往往不能工作在較合適的狀態(tài)，現(xiàn)在的光源的壽命已很長，如GE的鈉燈壽命已達28000小時，國產(chǎn)的也達18000小時，但實際使用中往往達不到，主要原因是它的工作狀態(tài)達不到理想狀態(tài)，根據(jù)西安市目前的供電變壓器電壓檢測發(fā)現(xiàn)。80%的供電電壓偏高，特別是后半夜有的變壓器輸出電壓高達250伏以上，光源長期工作與此環(huán)境下，將會大大減低它的使用壽命且浪費了大量的能源。所以，通過調(diào)節(jié)供電電壓的方法不但可以節(jié)能，還可延長光源的壽命，是一種較好的節(jié)能方式，

三、我國路燈照明節(jié)能的現(xiàn)狀

　　提高道路照明效率的方法有多種，如采用高效率光源，燈具等，目前在道路照明中大量的采用了高效率的高壓鈉燈照明，燈具的效率也在不斷提高，以下我們只討論路燈降壓節(jié)電的方法及其影響因素。

　　目前在供電電源端節(jié)能的方式主要有兩種，一是采用半夜燈，二是采用調(diào)壓的方式。

　　半夜燈是通過在下半夜關掉一部分路燈的方法來達到節(jié)能，它具有簡單易行的特點，缺點是使得道路照明不均勻，且無法解決下半夜電壓高而影響光源壽命的問題。

　　通過降低供電電壓的方法不但可以節(jié)能，還可延長光源的壽命，是一種較好的節(jié)能方式，目前在國內(nèi)已有地方在進行試運行。

1、目前常用的降壓方式：目前應用的交流調(diào)壓方式主要有接觸調(diào)壓器，感應調(diào)壓器，移圈調(diào)壓器，磁性調(diào)壓器，補償式調(diào)壓器，有載調(diào)壓電力變壓器，晶閘管調(diào)壓器等幾種不同方式。

2、常用降壓方式比較：對現(xiàn)有照明系統(tǒng)的節(jié)能改造，一般采用加裝節(jié)能設備，較為經(jīng)濟和實用，目前國內(nèi)銷售的照明節(jié)能設備很多，其中照明控制調(diào)控裝置所占比例最大。從工作原理上大致分為三大類。

（1）可控硅斬波型照明節(jié)能裝置

　　原理：采用可控硅斬波原理，通過控制晶閘管（可控硅）的導通角，將電網(wǎng)輸入的正弦波電壓斬掉一部分，從而降低了輸出電壓的平均值，達到控壓節(jié)電的目的。

　 這類節(jié)能調(diào)控設備對照明系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)速度快，精度高，可分時段實時調(diào)整，有穩(wěn)壓作用，因為主要是電子原件，相對來說體積小、設備輕、成本低。

　　但該調(diào)壓方式存在一致命缺陷，由于斬波，使電壓無法實現(xiàn)正弦波輸出，還會出現(xiàn)大量諧波，形成對電網(wǎng)系統(tǒng)諧波污染，危害極大，不能用在有電容補償電路中。（現(xiàn)代照明設計要求規(guī)定，照明系統(tǒng)中功率因數(shù)必須達到0.9以上，而氣體放電燈的功率因數(shù)在一般在0.5以下，所以都設計用電容補償功率因數(shù)）在國外發(fā)達國家，已有明文規(guī)定對電氣設備諧波含量的限制，在國內(nèi)，北京、上海、廣州等大城市，已對諧波含量超標的設備限制并入電網(wǎng)使用。

　　大功率可控硅斬波型節(jié)電設備，因其自身存在諧波污染的缺陷，如果加裝濾波設備，成本太高，是不經(jīng)濟的，所以此類設備是不宜用于照明電路中。

（2）自耦降壓式調(diào)控裝置

　　自耦變壓器與普通變壓器的區(qū)別在于，自耦變壓器的一、二次側(cè)線圈不僅有磁的聯(lián)系，還有電的聯(lián)系，所以，在輸出電壓調(diào)節(jié)范圍不大時它的容量比較小，所以消耗的材料小，造價低，效率高，這類產(chǎn)品最大的優(yōu)點是克服了可控硅斬波型產(chǎn)品產(chǎn)生諧波的缺陷，實現(xiàn)了電壓的正弦波輸出，結構和功能都很簡單，當然可靠性也比較高。目前應用的有兩種方式，即固定抽頭方式和連續(xù)調(diào)節(jié)方式。

存在的技術缺陷：

• 固定多檔自耦降壓器 　　

由于其核心部件是一個多抽頭的變壓器，變壓比是固定的，一般副邊有三到五個降壓抽頭，分別降5V、10V、15V、20V，一旦接線端固定，降低電壓就是固定值，當電網(wǎng)電壓波動時，調(diào)控裝置的輸出電壓也會上下波動，這樣照明的工作電壓處在不穩(wěn)定波動狀態(tài)，無法起到對電光源的保護作用。如圖所示，當電網(wǎng)電壓高時，節(jié)電率不是最佳狀態(tài)；而電網(wǎng)電壓低時，可能出現(xiàn)欠壓現(xiàn)象，造成燈具無法正常點亮，反而降低燈具壽命，這是這類調(diào)控裝置存在的最大安全缺陷。當用電高峰時，電壓過低，電氣設備也無法正常運行。

　　這類調(diào)控裝置為了能做到對電壓的調(diào)節(jié)一般都用的都是交流接觸器來進行切換，這是最簡單和常用的辦法。由于接觸器是在電路的主回路中進行切換，所以，切換的電流是很大的，如果用接觸器作為節(jié)電產(chǎn)品的電壓調(diào)整裝置的話，其安全性、可靠性和無故障工作壽命都不能保障，存在安全隱患，原因如下：

• 交流接觸器的工作原理是用電磁線圈吸合、斷開，來控制觸頭常開或是常閉，屬機械移動部件，只適用于不經(jīng)常動作的開關場合，如燈具、電器的開起和關斷，切換次數(shù)是有限的，不適用于頻繁切換的場合。
  
• 交流接觸器在切換動作時，是機械的吸合和斷開，所以會有短暫的10~20ms的斷電，我們稱之為“閃斷”，這樣的斷電會導致HID燈( High Intensity Discharged Lamp—高壓氣體放電燈，如高壓鈉燈、金鹵燈、高壓汞燈等)熄滅。這種燈的特性決定，在熄滅以后，必須等到燈管冷卻，蒸氣壓下降后才能再點亮，一般需要5~10min左右，在使用中，這將是個嚴重故障。 　　

根據(jù)以上原因，交流接觸器是不能用來控制照明調(diào)控裝置進行頻繁切換的。所以，生產(chǎn)和銷售此類節(jié)電產(chǎn)品的廠家，一般做不到實時穩(wěn)定電壓、多時段調(diào)控等功能，這也就是這類節(jié)電產(chǎn)品的缺點所在。

連續(xù)調(diào)節(jié)自耦型降壓器：它可通過電刷在線圈的表面平滑移動或滾動，改變線圈的變比而調(diào)節(jié)輸出電壓。優(yōu)點是可實現(xiàn)無級平滑調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)精度高，但由于電刷調(diào)節(jié)回路是串在主回路中，因此承受的電流大，電刷接觸不良，會產(chǎn)生火花，引起觸點磨損。

（3）智能照明節(jié)電器

　　從前兩類節(jié)電產(chǎn)品來看，它們各有優(yōu)缺點，之所以不能得到大量使用，是因為其本身都存在技術缺陷，可控硅（相控）型優(yōu)點是，可實時精確控制輸出電壓，滿足照明用電的最佳值，缺陷是電壓無法實現(xiàn)正弦波輸出，有諧波污染。而自耦降壓型的優(yōu)點正好是能做到電壓正弦波輸出，卻不能實現(xiàn)電壓的自動精確控制，只能固定降電壓，不能升壓和穩(wěn)壓，如果能將兩者優(yōu)勢結合互補，去除缺陷，就是相對比較理想的照明節(jié)能產(chǎn)品了。

　　智能照明調(diào)控裝置工作原理，采用微電腦控制系統(tǒng)，實時采集輸出、輸入電壓信號與最佳照明電壓比較，通過計算進行自動調(diào)節(jié)，從而保證輸出最佳的照明系統(tǒng)工作電壓。

　　智能照明調(diào)控裝置在結合前兩類節(jié)能產(chǎn)品的優(yōu)點的基礎上，克服了其中存在的缺陷，具體優(yōu)點體現(xiàn)在以下四個方面：

• 優(yōu)化電力質(zhì)量，節(jié)約照明用電

穩(wěn)定最佳工作電壓 　　

針對電網(wǎng)電壓偏高和波動等現(xiàn)象，調(diào)控裝置可根據(jù)用戶現(xiàn)場實際需求，實時在線調(diào)控輸出最佳照明工作電壓，并能將其穩(wěn)定在±2%以內(nèi)，有效提高電力質(zhì)量，從而達到節(jié)電10%~40%的效果。

多時段節(jié)能運行
　
　　根據(jù)用戶實際的照明需求，調(diào)控裝置還可通過程序進行多時段節(jié)能電壓設置，從而滿足用戶不同光源、不同時間的需求，實現(xiàn)最佳照明狀態(tài)和最大節(jié)電率。

　 實時穩(wěn)壓、控壓 　　

在電壓波動很大的地方，如電氣設備比較多的廠區(qū)，電壓波動達到±15%；路燈后半夜的供電電壓也會達到250V。智能調(diào)控裝置高穩(wěn)定的最佳照明電壓，能夠延長電光源壽命2~4倍，減少照明運行、維護成本30%~50%。

• 智能照明調(diào)控

為了滿足不同用戶對照明燈具控制的需要，智能調(diào)控裝置有三種運行模式可供選用：

端子控制節(jié)能運行模式

時間控制節(jié)能運行模式

通訊控制節(jié)能運行模式

可按現(xiàn)場實際情況，通過天文鐘、智能探頭或內(nèi)部編程、遠程計算機遙控，實現(xiàn)時控、光控、程控等多種智能化控制。并可根據(jù)不同時段、不同燈具、不同亮度要求，每相獨立調(diào)節(jié)，允許100%不平衡。

• 適用性、可靠性

調(diào)控裝置每相可獨立調(diào)節(jié)，可操作性強，可以承受三相100%的不平衡負載，且保證單相的故障絕不影響其它兩相的正常運行。同一個裝置可以帶不同類型光源負載，還可以獨立調(diào)節(jié)每相的輸出電壓。

調(diào)控裝置采用手動和自動雙旁路系統(tǒng)，以保證照明設備不斷電，正常安全運行；

調(diào)控裝置控制部分不含交流接觸器，無觸點和移動元件，保證高可靠性和低功耗。

可選配GSM/GPRS全球?qū)崟r（手機）監(jiān)控系統(tǒng)，通過顯示、聲音等信號監(jiān)測設備運行，故障報警，及時采取保護措施。

　　這類照明節(jié)電產(chǎn)品成本略高于前兩種，可實現(xiàn)智能照明調(diào)控、有效保護電光源、降低電能消耗的功能，使用的經(jīng)濟性和可靠性遠遠好于前兩種產(chǎn)品，是目前比較成熟的照明控制解決方案。

產(chǎn)品的形式：

此類產(chǎn)品大多采用了補償變壓器調(diào)節(jié)電壓的方式。

A：補償變壓器調(diào)節(jié)電壓的原理：

　　補償變壓器的二次繞組串聯(lián)在主電路中,相位和輸入電壓相反，補償式調(diào)壓變壓器的一次繞組接入一個補償電壓，如圖所示。若不計補償變壓器阻抗壓降，則從圖可見：輸出電壓=輸入電壓-補償電壓，補償電壓可通過在輸出電壓或輸入電壓上取出，當補償電壓等于輸入電壓時，輸出電壓=輸入電壓-補償電壓，當補償電壓等于零時，輸出電壓=輸入電壓。由于它的調(diào)節(jié)是在一次線圈，所以在主回路中是沒有任何觸點的。

　　補償式調(diào)壓器輸出為正弦波無諧波干擾，它的變壓器容量僅為需要調(diào)節(jié)的部分的容量，因此可用較小的容量控制較大的容量輸出，輸出效率高，調(diào)節(jié)方便，過載能力強，很適合在大中功率場合下應用。

B:目前產(chǎn)品的主要種類

矩陣型調(diào)節(jié)器

　　此類調(diào)節(jié)器在電路中串入了多組補償變壓器，通過調(diào)節(jié)不同的繼電器觸點，便可在輸出端得到不同的電壓組合，如圖中輸出可以等于輸入減去u1,或減去u2,或減去（u1+u2）。當補償變壓器組數(shù)足夠多時可得到需要的任意調(diào)節(jié)精度，缺點是電壓調(diào)節(jié)為有級調(diào)節(jié)，當補償變壓器組數(shù)少時，一級調(diào)節(jié)的電壓可能產(chǎn)生跳躍，電路復雜，且為有觸點切換，當切換大電感的初級線圈時，容易產(chǎn)生過電壓和沖擊電流，使得運行不穩(wěn)定。

C:無觸點補償式調(diào)壓器

　　無觸點補償式調(diào)壓器是用可控硅代替了上面圖中的繼電器觸點，可控硅工作在全導通狀態(tài)，因此無諧波產(chǎn)生，可控硅交流穩(wěn)壓器，是針對目前大部份電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定、突變頻繁的狀況而研制生產(chǎn)的新一代交流穩(wěn)壓器，它集合了微機測控、可控硅無觸點開關和變壓器技術于一體，具有容量大、體積小、響應快、無噪聲等特點，具有如下技術特色：

• 可控硅無環(huán)流控制：針對可控硅電流過零自然關斷的特性，采用了精確相位控制和過零觸發(fā)技術，使可控硅在切換時無沖擊性共態(tài)電流，使可控硅穩(wěn)壓器完全撇除了限流電阻，可大幅提高整機的可靠性和效率。
• 變壓器的優(yōu)化設計：可控硅交流穩(wěn)壓器采用三相分調(diào)系統(tǒng)，合理的變比和精確的設計使得穩(wěn)壓器具有極其小巧的體積，在所有的穩(wěn)壓器產(chǎn)品中，穩(wěn)壓器的容量體積比是最高的。
• 高度智能化： 穩(wěn)壓器每一相都有獨立的微機測控裝置，監(jiān)控該相的輸入電壓、輸出電壓和電流，甚至監(jiān)控可控硅模塊組的溫度以便控制散熱風機。

D：補償式大功率電力穩(wěn)壓器

　　該系列穩(wěn)壓器是目前世界范圍應用最為廣泛的穩(wěn)壓電源，新一代穩(wěn)壓器的主要組成模式，利用補償變壓器+調(diào)壓變壓器（接觸式調(diào)壓器）+伺服傳動機構這一模式。因此，穩(wěn)壓工作原理與繼電器控制方式的基本相同。區(qū)別在于它得調(diào)節(jié)是無級平滑調(diào)節(jié)的，控制電路采用單片機控制，使其具備除基本的穩(wěn)壓、相序檢測、直通、過載、過欠壓保護等功能外，還具備故障報警診斷、串行通信口遙測、遙信等功能，真正實現(xiàn)微機的智能化控制。本系列產(chǎn)品與其他型式穩(wěn)壓器相比具有容量大、效率高、無波形畸變、電壓調(diào)節(jié)平穩(wěn)，適用負載廣泛，能承受瞬時超載，可長期連續(xù)工作，手控自控隨意切換，設有過壓、過流、相序、機械故障自動保護裝置，以及體積小、重量輕，使用安裝方便，運行可靠等特點

有載調(diào)壓電力變壓器：有載調(diào)壓電力變壓器則為路燈供電變壓器，但可在有負載時直接調(diào)整輸出電壓，此方法不需再另外附加調(diào)壓裝置，輸出波形好，效率高，但投入較大。宜用在新建線路中。

目前應用情況。目前節(jié)能產(chǎn)品較多，也有不少城市在應用，但基本處于少量的試點應用。

四、應用方法和影響因素

　　路燈降壓節(jié)能是近幾年才提出的，如何更好的去應用還有很多工作要做：

• 需要通過實驗驗證光源輸出光通量和輸入電壓的關系，理論上講，負載的功率和他的輸入電壓是成平方關系的，即輸入電壓降低百分之十，負載消耗的功率降低百分之二十，此時光通量也應降低百分之二十，但現(xiàn)有的節(jié)能產(chǎn)品則認為氣體放電燈不同于白熾燈，電壓降低百分之十，光輸出只降低7—10%，這需要通過試驗來驗證。
• 驗證光源在道路上的照度和輸入電壓的關系。
• 光源在輸入電壓降低時對啟動時的影響以及和壽命的關系，啟動時降低電壓是不是有利需要研究，氣體放電燈他的壽命在電壓降低時壽命是不是能夠延長，有資料說降電壓對壽命沒有影響，現(xiàn)在還沒有數(shù)據(jù)證明。
• 研究調(diào)節(jié)光源輸入電壓的方法和調(diào)節(jié)電源的效率，目前的節(jié)能產(chǎn)品形式較多，有有觸點的，又無觸點的，有有級調(diào)壓的，有無級調(diào)壓的，調(diào)壓的精度取多少合適，須通過研究試驗選取比較適合路燈運行的方式。

西安市路燈管理處　午崇軍

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