路燈照度分析
摘要：本文從工程實際出發(fā)，對路燈系統(tǒng)的多種節(jié)能途經(jīng)和方式進(jìn)行了探討。
關(guān)鍵詞：路燈 系統(tǒng)節(jié)能 照度 電容補償
1 引言
近年來，道路照明設(shè)施隨著各地經(jīng)濟(jì)和交通的發(fā)展，其規(guī)模及數(shù)量越來越大，道路照明耗電在迅速上升。
以深圳市為例。2002年統(tǒng)計的四區(qū)(羅湖、福田、南山、鹽田)路燈系統(tǒng)光源安裝總功率為10294KW，鎮(zhèn)流器損耗按光源安裝總功率18%計算，照明線路損耗按5%考慮，路燈每年亮燈小時數(shù)按4000小時計，則：
路燈系統(tǒng)電氣安裝總?cè)萘繛?0294X(0.18 0.05)=12661千瓦。
路燈系統(tǒng)每年耗電為12661X4000X10-4=5064.4萬度。
年耗電5064.4萬度是什么概念呢?大亞灣核電站年發(fā)電能力約為140億度，5064.4萬度占其0.36%。
由上可見，路燈系統(tǒng)的耗電相當(dāng)可觀。正因為此，道路照明節(jié)電已成為日益受到重視的話題。近年來很多地區(qū)發(fā)生的日益嚴(yán)重的電荒，更使許多部門認(rèn)識到這一當(dāng)務(wù)之急。
本文站在技術(shù)角度，分別從路燈布置方式、配電系統(tǒng)、燈具配件等方面，就如何以科學(xué)、合理的方式，實現(xiàn)道路照明系統(tǒng)節(jié)能，闡述個人的一點體會。
2 合適的照度
合適的照度，是我們在道路照明節(jié)電工作中首先需要重視的問題。它包括兩個方面。其一是為所設(shè)計的道路選擇合適的照度標(biāo)準(zhǔn);其次，是采用適當(dāng)?shù)挠嬎慵霸O(shè)計方式，實現(xiàn)合適的照度。我們不難觀察到，國內(nèi)不少城市道路照度偏高，既增加了路燈照明的耗電，也削弱了道路兩側(cè)景觀照明的效果。
現(xiàn)行有效的標(biāo)準(zhǔn)《城市道路照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》還是早在94年制定的。不可否認(rèn)，相對于我國沿海一些近年來交通發(fā)展較快、經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)城市，由于其出行時間延長、交通量大、交通情況復(fù)雜，其中的照度標(biāo)準(zhǔn)要求偏低。但我們也不應(yīng)過分的選擇較大的照度。根據(jù)正在修訂的《城市道路照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)(征求意見稿)》以及我們工程中的實踐，推薦按表1的標(biāo)準(zhǔn)選擇照度。具體工程中,可視道路所在城市的性質(zhì)和規(guī)模、交通信號的完善程度、道路與周邊環(huán)境分隔狀況在表中高檔值與低擋值之間選取照度。
表1：
照度標(biāo)準(zhǔn)確定后，如何進(jìn)行照度計算,是設(shè)計師們頭疼的問題。常規(guī)的利用系數(shù)法計算粗糙，且無法確定均勻度。手工逐點計算法計算精度雖高，但需要收集大量的燈具資料，計算工作量也很大。以上兩種計算方式在工程實踐中均不適用。筆者建議,目前已有多家國內(nèi)外燈具廠家編制了照明計算軟件，計算中雖然只能對相對應(yīng)廠家生產(chǎn)的燈具進(jìn)行照度計算，但對于路燈系統(tǒng)設(shè)計還是有相當(dāng)?shù)膮⒖家饬x。建議在設(shè)計中選擇一到兩家的軟件對照度進(jìn)行計算，從而快速方便地確定燈具布置形式、桿高、路燈間距、光源容量，實現(xiàn)合適的照度，避免或減少路燈系統(tǒng)設(shè)計的盲目性。
3 電容補償
路燈采用的光源，基本是氣體放電燈，其功率因數(shù)相當(dāng)?shù)?，一般?.45以下，從而使回路電流大，在線路上產(chǎn)生的損耗相當(dāng)可觀?！冻鞘械缆氛彰髟O(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中，要求氣體放電燈應(yīng)加電容補償，補償后功率因數(shù)應(yīng)不小于0.8。但標(biāo)準(zhǔn)中并沒有明確是在路燈電源處集中補償，還是在燈具處分散補償。目前國內(nèi)城市路燈系統(tǒng)采用的電容補償方式兩種均有。筆者認(rèn)為，由于路燈設(shè)施是均勻分布在道路縱向兩側(cè)，由路燈電源至路燈燈具的低壓配線較長，道路照明系統(tǒng)產(chǎn)生的損耗主要發(fā)生在這一段。采用路燈電源處集中補償方式，并不能減少低壓配線的耗電。而采用單燈分散補償，無疑減少了路燈電源至路燈燈具這一段線路上產(chǎn)生的損耗，將起到較好的節(jié)電效果。電容量與路燈常用光源---高壓鈉燈的配套建議按表2選擇，補償后單燈功率因數(shù)將不小于0.85。
4 關(guān)閉半數(shù)光源
顯然，關(guān)閉半數(shù)光源的方式節(jié)電效果直接而且顯著，節(jié)電運行時段節(jié)電達(dá)50%，總體約在30%左右。在電力緊張的背景下，政府出臺了一些文件，要求在后半夜，采取“亮一隔一”或“亮一隔二”的措施，關(guān)閉部分光源。筆者認(rèn)為，這只能作為緩解電力緊張局面的權(quán)宜之計。因為，“亮一隔一”或“亮一隔二”不僅減小照度，同時區(qū)別于不同的燈桿布置方式，照度均勻度將不同程度、甚至是嚴(yán)重的下降，對交通、行人安全、對維護(hù)社會治安產(chǎn)生不利影響。七十年代的世界性能源危機中，日本曾在道路上進(jìn)行間隔點燈的試驗，結(jié)果導(dǎo)致治安、道路交通事故的大幅上升。另外，這種方式由于需要在同一路徑上敷設(shè)兩根路燈供電電纜，也增加了建設(shè)投資。
因此，應(yīng)區(qū)別于不同的燈桿布置方式，謹(jǐn)慎采用關(guān)閉半數(shù)光源的方式。
常規(guī)燈桿布燈時，往往采用車道側(cè)單光源燈具。燈桿布置有單側(cè)布置、交錯布置、對稱布置。
單側(cè)布置時，若選用這一方式，則后半夜車道明暗懸殊，照度均勻度遠(yuǎn)低于道路照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的要求。如某單側(cè)布燈的工程，前半夜全亮?xí)r均勻度高達(dá)0.53，采用”亮一隔一”后均勻度則下降至0.07。我們不應(yīng)顧此失彼，單側(cè)布燈時,不宜推廣關(guān)閉半數(shù)光源的方式。
交錯布置、對稱布置時，采用這一方式，雖然均勻度稍差，但若選擇配光合適的燈具，均勻度還是可以達(dá)到或略低于道路照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的要求。工程實踐中，可根據(jù)車道寬度、道路交通量、周邊人流量等，有選擇性的使用這種方式。
在照度要求高、機動車道較寬的快速路、主干路上，常規(guī)燈桿布燈時，可考慮采用車道側(cè)同桿雙光源燈具方案，兩個光源可等功率或不等功率。采用這種布燈方案時，上半夜兩個光源全亮，后半夜關(guān)閉其中一個光源。這種方式，對照度均勻度基本沒有影響，單側(cè)布置、交錯布置、對稱布置時，均可采用這一方案。
5 環(huán)形電感鎮(zhèn)流器
采用氣體放電燈的路燈照明系統(tǒng)中，除光源自身的功耗外，與氣體放電燈配套的電感鎮(zhèn)流器也要消耗一部分電能。電感鎮(zhèn)流器的工作效率高低、節(jié)能與否，對路燈照明系統(tǒng)的電力消耗有一定的影響。相對于傳統(tǒng)的電感鎮(zhèn)流器而言，環(huán)形電感鎮(zhèn)流器，由于其采用圓環(huán)形鐵芯和線圈，使環(huán)形鐵芯卷片的幾何形狀與磁力線回路和曲線更加適應(yīng)，磁路分布更趨合理，進(jìn)一步改善了磁通，降低了鐵損，減少了總的電力消耗。可廣泛適用于高壓鈉燈、汞燈和金屬鹵化物燈。需要注意的是，這種方式僅僅是減少了鎮(zhèn)流器的損耗，對路燈系統(tǒng)電耗中占主要比例的光源的電耗并沒有減少。鈉燈用環(huán)形電感鎮(zhèn)流器與傳統(tǒng)型電感鎮(zhèn)流器電能損耗比較詳表3。
6 智能光源降壓一穩(wěn)壓一調(diào)光技術(shù)
智能光源降壓一穩(wěn)壓一調(diào)光技術(shù)，是將裝置安裝在路燈配電回路的起端，在前半夜控制路燈回路為全壓，接近午夜時分，開始降低回路電壓，在后半夜車稀人少時，進(jìn)一步降低電壓。它的節(jié)電原理有二，其一是高壓鈉燈的亮燈維持電壓低于220V，因此，降低回路電壓光源不會熄滅;其二是由于后半夜電網(wǎng)用戶少，負(fù)荷低，電網(wǎng)電壓高于220V，而過壓將額外消耗部分電能，采用該裝置則避免了這部分的浪費。根據(jù)工程實踐，它的節(jié)電效果在15%左右。采用這種裝置，不僅節(jié)約了電能，不影響照度均勻度，而且能夠避免光源過壓運行，延長了路燈壽命。需要注意的是，這種方式是對配電回路降壓，回路內(nèi)所有燈具都將在低電壓運行，對下述問題應(yīng)予注意：①，隨著使用時間的增加，光源端電壓及電流等電氣參數(shù)發(fā)生變化，同時光源本身質(zhì)量上又具有離散性，降電壓運行時就可能出現(xiàn)同一回路中一些燈具滅燈的現(xiàn)象;②路燈配電回路供電半徑長達(dá)800米，隨燈具與供電端距離的增加，電壓逐漸下降，若線路設(shè)計不當(dāng)，有可能出現(xiàn)遠(yuǎn)端電壓不能滿足光源所需正常維持電壓;③路燈系統(tǒng)中往往會外接公交站臺廣告燈箱、電話亭照明，而這些照明由于功率小，一般采用直管型熒光燈、緊湊型熒光燈，低于正常工頻電壓時，這些光源不能正常工作。④回路中接有電動升降式高桿燈時，由于電動裝置為感性起動特性，起動電流大，與這種裝置過載電氣特性不匹配。
7 可變功率鎮(zhèn)流器
可變功率鎮(zhèn)流器，利用氣體放電燈在工作電流適當(dāng)減少時，仍能正常運行的原理，通過后半夜增加鎮(zhèn)流器電抗，從而降低光源電流，減少路燈系統(tǒng)電耗中占主要比例的光源的電耗，達(dá)到路燈系統(tǒng)整體節(jié)能的目的。
7.1降功率控制原理
可變功率鎮(zhèn)流器工作原理見圖。圖太大放不上去了 (諒解)
圖右邊的虛線框為標(biāo)準(zhǔn)的路燈設(shè)備電路圖，左邊虛線框為節(jié)能型單燈控制器框圖。其中電子開關(guān)用來控制路燈降功率投入。其工作過程如下：1)正常情況下，LCU控制電路控制電子開關(guān)閉合(短路)，外部電壓直接通過電子開關(guān)加到路燈電路上，使路燈工作在額定功率狀態(tài)。 2)降功率控制情況下，控制電路控制電子開關(guān)打開(開路)，控制外部電壓只能通過降功率電感加到路燈電路上。此時，路燈電路感性負(fù)載增加，路燈工作電流降低，從而使路燈功率下降，耗能降低，達(dá)到節(jié)能的效果。3)當(dāng)電網(wǎng)電壓偏低或光源狀況不佳，降功率運行將可能出線閃爍時，即使在降功率運行時間段，控制電路也將自動控制電子開關(guān)在閉合狀態(tài)，避免路燈熄滅。
7.2節(jié)能控制方案設(shè)計及節(jié)能效果分析
不同的節(jié)能控制程序會產(chǎn)生不同的節(jié)能控制效果，按每天照明11小時，前5小時處于正常照明狀態(tài)，后6小時處于節(jié)能照明狀態(tài)。各功率光源節(jié)電效果如表4。
這種方式由于是在燈具處安裝，因此，適用于各種路燈布置方式和光源組合方式。
對于原有道路照明工程，可采用附加型變功率鎮(zhèn)流器進(jìn)行改造，其特點是，對原燈具配套的鎮(zhèn)流器不予更換，既方便改造施工，又降低系統(tǒng)改造造價。
可變功率鎮(zhèn)流器方式，具有智能光源降壓一穩(wěn)壓一調(diào)光技術(shù)的優(yōu)點，也避免了智能光源降壓一穩(wěn)壓一調(diào)光技術(shù)的缺點，值得推廣。
8 道路照度手算公式：
E=φNU/KBD
E道路照度
φ燈具光通量
N路燈為對稱布置時取2，單側(cè)和交錯布置時取1
U利用系數(shù)
K混泥土路面取1.3，瀝青路面取2
B路面寬度
D電桿間距
9 小結(jié)
以上對路燈系統(tǒng)的節(jié)能方式進(jìn)行了探討，期翼有助于道路照明系統(tǒng)合理用電，使路燈工程既滿足其功能性要求，又能夠?qū)崿F(xiàn)最大限度的節(jié)能。
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