城市道路照明节能技术浅析

2011-04-01张阿旬

灯与照明 2011年3期

张阿旬

(咸阳市路灯管理处，咸阳712000)

0 引言

为进一步构筑节能降耗、绿色环保的生态城市结构，促进经济、文化和谐统一地可持续发展，在城市道路照明领域积极探索和引进照明节能技术具有重要的意义。传统的道路照明系统大多采用直接供电方式，受不同时段电压波动的影响，道路照明系统的能源利用率不高。为此，有效消除电压波动的负面作用，延长灯具的使用寿命，研制和开发高效实用的道路照明节能方法和控制系统就显得十分必要。目前，在路灯照明节能方面，主要研究有以下几种方式，这些方式在道路照明设施中都得以选择性的应用。

1 道路照明节能方法与技术

1.1 半夜灯间隔工作控制方式

在确保功能和效果的前提下，合理调整亮灯数量和时间可直接降低能耗。据调查，我国小型城市在夜晚9点后，大中城市在午夜12点后，道路上几乎空无一人。从这一时段至次日清晨路灯熄灭，在低交通流量的道路上就可以适当降低一个照度等级，减少亮灯数量。对快速路、主次干道实行双回路供电，分全夜灯回路和半夜灯回路。在设定的时段半夜减半控制，关闭对辅道或人行道的照明，保持对机动车的照明;支路、工业区和生活区路及路幅较窄的街道采用半夜单边亮灯方式。例如重庆市11 km长的北滨路的路灯照明管理就采取半夜控制方式，成功节电15%左右。但是，上述半夜灯控制方式还存在以下危害。

(1)变压器寿命缩短，选型困难。比如4路线路，每路50 A，前半夜，三相电流将是50 A，100 A，50 A，后半夜三相电流将是50 A，50 A，0 A。从上面可以看出，工程选择变压器时，如果选3×100 A，成本太高，也比较浪费，如果选3×50 A，又出现过载，一般可能会选择3×70 A的变压器，这样，前半夜，变压器一般处于过载状态，发热严重，寿命缩短。

(2)功率不能平衡，威胁电网安全。路灯变压器一般直接挂在高压线路上，如果大量的路灯供电，都采用这种不平衡的方式，很难控制高压侧的线路平衡，威胁电网安全。

(3)后半夜导致灯具电压过高，灯具烧毁严重。由于变压器工作总不能平衡，因此后半夜轻载线路上将出现250 V以上的高电压，灯具寿命大大缩短，灯具高温烧毁严重。后半夜隔盏亮时，道路长达40 m的阴影，出现斑马效应，给行车带来安全隐患，也影响社会治安和城市形象。

在我国，隔盏控制方式在大城市很少采用，但在地级城市和县城比较多。

无功节能技术在道路照明中，无功损耗带来的利用电费和附加电费约占全部电费的20%。由此可见，增装无功补偿设备，提高网络的功率因数具有极为重要的作用。目前，常用的道路无功节能技术有三种:电容器单灯补偿、早期的电容器集中补偿和微电脑型集中补偿。

(1)电容器单灯补偿对于一条路甚至几条路的路灯设施具有较好的补偿效果。但是对于不同的供电区域，由于遍布路、街、巷、小区等的灯具类型不同，光源种类不同，特别是多数地段安装不同功率的光源，于是整个供电系统的功率因数就无法达到指标要求。此外，电容器开路损坏不易检测，难于维护、长期运行势必提高整个网络的无功功率损耗，造成电能浪费。

(2)早期的电容器集中补偿技术采用机械式接触器控制电容器投切方式，具有集中补偿、自动调控无功功率的特点。其缺点是触电电流大，有涌流产生，易烧毁触点，缩短接触器、电容器使用的寿命，而且转换开关时间长，易造成补偿滞后，不适应三相不平衡负荷。

(3)微电脑智能型集中补偿技术。此外，还需注意选用优质节能的照明电器与设备。高压汞灯、高压钠灯和金属卤化物灯等都是气体放电灯，具有负的伏安特性，所以，必须串联一个具有正的伏安特性的元件来平衡其影响，比如镇流器。目前采用的比较多的是电感镇流器，优质电感镇流器具备阻抗稳定性和伏安性好，功率因素高，功率损耗低的特点。这样才能稳定灯泡的工作电流，延长灯泡的使用寿命。

降低镇流器的功率损耗也是节能降耗不容忽视的一个方面，如250 W钠灯镇流器质量好的功率损耗有20～25 W，而质量差的功率损耗可达40 W左右。如果我们在选用配套镇流器时都能注意选用优质产品，则节能效果是很显著的。如我市在安装高杆钠灯镇流器时均选用优质产品，以平均每只镇流器降低功率损耗3 W，全年点灯时间4 000 h计算，则可节电60 000 kW·h。

1.2 安装智能监控管理系统

路灯监控系统主要采用安装在单灯上的非联网型节能控制器，操作人员可以控制每盏灯的亮灯情况并及时反映到中央控制室，方便准确调度车辆进行维护，从而大大降低维修的工作量。其节能效果可以实现“按需照明、维护及时”的要求，避免原先要么关灯拉闸，要么不分时段、地点和环境条件全亮的弊端。在维护上，当某点出现故障，能及时向监控中心报警，提高了抢修效率。由于该系统采用经济运作方式，准确合理控制开关时间，现已成功为我市每年节约电费15%左右。同时，也减少了派车巡灯的费用，有效节约了灯具维护费用。

此外，上海市还通过在陕西南路等路段安装照明节电控制箱，根据市区道路照明及夜间车流量之实际情况，设置如下:晚上11点以前采用稳压模式，晚上11点以后至早上关灯时段采用节电模式。对其中一台控制箱进行测试，该控制箱控制250 W的高压钠灯共计72盏。

安装节能控制箱前的运行数据如下:

测试时间:2005年4月27日18:35至2005年4月28日4:53

用电量:14 771-14 533=238(kW·h)

安装节能控制箱后的运行数据如下:

测试时间:2005年5月9日18:35至2005年5月10日4:53，稳压模式为18:35～23:00，节电模式为23:00～4:53

用电量:16 921-16 732=189(kW·h)

节电比率:(239-189)/238×100%=20.6%

目前，市场上大部分照明节能产品，都采用电磁换档技术，这种产品大约在2003年下半年进入市场，如在我国广州内环路照明改造工程、深圳湾填海区市政道路照明工程等一些市政路灯节电项目中采用的NE系列照明调控装置。这种采用电磁换档控制调压技术的主要缺点是:灯具寿命缩短。中途换档，由于接触器电流的切断，导致闪断故障电力供应，冲击灯具，容易灭灯，烧灯。设备容易烧毁。由于违背电磁基本原理，切换时，冲击电网，过压击穿变压器绝缘，接触器触点拉弧，易烧接触器。浪费能源，耗用珍贵资源。耗用大量稀有且高能耗的电解铜和矽钢，在节能工作的同时，导致更大的能源浪费和稀有资源的匮乏。

由于以上的问题，许多传统电磁节能产品，说明书上注明在商务运作时，可按时段调节电压，而产品实现销售后，却往往打在固定档位。

1.3 智能数字化调压控制方式

1.3.1 有功节能技术

微电脑控制技术其原理是使用微电脑控制技术，系统实时采集输出、输入电压信号，与最佳照明电压进行比较，通过计算自动调节，从而保证输出最佳的照明系统工作电压。它的技术特点是:(1)采用微电脑技术和高可靠性的软件和硬件设计;实现控制过程智能化。(2)针对电网电压偏高和波动现象，实时对在线电源动态跟踪，对电流连续调节、调控输出最佳照明电压和功率，实现稳定工作电压，减小工作电流，提高电力质量，节约照明用电。(3)多时段节能运行。可根据用户的实际照明需求，通过程序多时段节能电压设置，满足用户对不同光源、不同时段的需求，实现最佳照明状态和最大节电率。(4)实现光源的软启动和慢斜波控制过程。由于采用低压软启动进行充分预热，能减少启动电流的冲击，有效提高光源的寿命。在调压、稳压过程中，智能调控装置采用慢斜波方式，让电压在设定时间内缓慢过渡，保证光源不受电压、电流的冲击，降低对电光源的损坏，延长其使用寿命。(5)实现正弦波输出，对电网无谐波污染，对浪涌电压冲击时及耐瞬时大负荷冲击能力强。这类照明节电技术的实施成本虽然略高于前两种，但由于其能实现智能照明调控，有效保护电光源，降低电能消耗，节能效果明显，所以经济性和可靠性远远好于前两种有功节能技术，是目前国际和国内比较成熟的照明节能技术。

1.3.2 无功节能技术

微电脑智能性集中补偿技术:

采用单击或DSP芯片以及大规模集中电路作为控制模块和数据采集模块，能自动跟踪电网无功功率变化，快速采样、运算并发出投切信号。开关模块采用大功率晶闸管实现电容器组的零电压投入和零电流切除，无浪涌电流冲击，无火花和谐波干扰。该技术作为新一代的集中补偿技术，目前已被广泛应用。其主要技术特点是:(1)实现控制模块的数字化和智能化，确保控制精度运行的可靠性;(2)全自动分组、分段自动按需补偿;(3)物理量取样可为无功电流相角差等综合量，改善电网功率因数、降低总电流，使负荷功率因数控制在0.95～0.99;(4)可根据三相无功功率的电流具体情况，选择单相分别进行补偿，不产生涌流冲击;(5)采用无触电开关，切换速度快，整机使用寿命长;(6)可灵活设定过压、欠压、欠流延时等参数，具有完善的越线报警和过压、欠压、缺相、缺零、谐波、越限保护缩闭功能，保证系统安全运行;(7)采用“自愈式”电容器，具有使用寿命长，可靠性强，温升小，无需专门散热的装置的优点;(8)具有数据采集功能和标准的通信接口，可实现远程实时检测和计算机联网管理。此外，原有的单灯补偿装置对路灯系统并不会构成影响，且能更好地发挥集中补偿与分散补偿相结合的作用，具有很好的补偿和节能效果。

当今国际上流行的节能方式是智能调控技术，采用微电脑控制系统，实时采集输出、输入电压信号与最佳照明电压比较，通过计算进行自动调节，在确保功能和效果的前提下，合理调整亮灯的亮度、数量和时间，包括以调光装置、声控、光控、时控等为主的光源控制器件。自20世纪90年代末期，荷兰交通部对DYNO降压调控道路照明系统进行测试，并对道路照明安全与节能技术进行相关研究以来的近十年间，智能照明节能调压控制技术在欧洲不断进行测试和推广使用，如西班牙SALICRU电子公司开发的易路特智能照明调控系统。这种节能控制器效果很好，但相应的成本就高。在我国这种智能化道路照明节能控制技术尚处于起步阶段。