普通路灯改装LED路灯的方案探讨

烟台市老干部活动中心　李卫方



普通路灯改装LED路灯的方案探讨

烟台市老干部活动中心李卫方

【摘要】针对目前已大量安装于厂区、校区、居民区等位置的小型老式照明路灯能耗高、易损、维修难、存在安全隐患的现状，文中提出了采用保留原供电线路及路灯主体，通过增加LED控制器、更换LED发光器的方法来解决以上问题。经过某活动中心实例验证表明，此方案切实可行，节能效果明显。

【关键词】照明改造；LED路灯；节能降耗

1　引言

随着全球工业化进程的不断加快，人类对各种资源的需求量越来越大，地球上各类可开发利用的资源正在遭受着前所未有的过度开发，由此带来的生态破坏和环境污染问题越来越严重，对于我国来说，人均资源短缺，环境容量有限，生态脆弱等问题尤为严重，如果这些问题得不到有效解决，它将极大地制约我国经济发展的空间和可持续性。在这种严峻的形势下，“建设资源节约型、环境友好型社会”已成为我国的基本国策，而目前大量存在的高能耗设备如何处置就成了当务之急，全部更新既费钱、费力又浪费资源，所以对其进行节能改造，使其达到节能要求是唯一出路。文章通过对待改造的路灯线路进行测试，判断原线路是否具备使用条件；通过对路灯的内部构造及受力分析得出改造后的路灯是否安全；通过对原路灯的配置分析选取最佳改造方案和实施方案，最后制作出改造前后的节能降耗效果图。

2　路灯供电线路检查及负载变化分析

路灯系统经过多年运行后，供电线路的电力输送质量会有所下降，主要表现在线路阻值的升高和绝缘性能的下降这两方面，所以在路灯改造之初，首先要对供电线路进行全面检查。

2.1检查线路电阻数值

路灯供电一般采用三相四线制并联供电，我们首先要断开配电室里给路灯供电的线路，然后临时把三根火线与一根中线短接，再把每一个路灯供电线路依次从主供电线路上断开，只保持主线路连通，然后在最远端用万用表分别测量三根火线与中线间的阻值。正常情况下三根火线与中线间的阻值应基本相等，并且所测阻值数应与通过计算所得出的阻值数{导体电阻计算公式：R=ρ×L/S，ρ=电阻率，L=长度(米)，S=线载面(㎜²)。铜电线的电阻率：ρ=0.0172；铝电线的电阻率：ρ=0.0283}相差不大，如果所测阻值符合上述要求，则进行下一步的绝缘检查，否则，要对有问题的线路从远端依次向近端检查，直至找出有问题的线路节点并加以处理。

2.2检查线路绝缘阻值

路灯线路电阻阻值检查符合要求后，断开火线与中线的短接，保持线路中各点无相互连接，无接地点，然后用兆欧表依次测量各线间绝缘阻值。符合要求的绝缘阻值应该不小于0.5MΩ（特别是相线之间及相线对地的绝缘阻值应大于0.5MΩ，中线可在0.25MΩ以上即可）。如果所测绝缘阻值达不到以上要求，说明主线路绝缘层老化严重或者绝缘层有破损，需根据实际情况维修线路或更换新线路。

2.3供电线路负载变化分析

供电线路负载变化主要是因为路灯功率变化及线路损耗变化引起的。在同等光照强度及光照范围条件下，LED光源的功耗大约只有金卤灯光源功耗的50%，路灯主线路损耗也会降低75%(在电压不变的情况下，负载功率降低50%，则主线路中的电流也降低50%，根据公式“损耗功率W=线路电流I的平方×线路电阻”可以计算出线路损耗值)，这不仅有利于节能降耗目标的实现，而且也消除了因电源线路满负荷运行而引发的电源线路发热、接触不良、空开跳闸等故障现象,因此路灯发光源改造成LED将非常有利于路灯系统的长期稳定运行。

3　路灯灯体结构件检查及受力变化分析

路灯灯体结构件包括底座、灯杆、灯头及其他附属物。结构件的材质包括金属、玻璃、塑料等。结构件的检查主要以目测为主，主要检验结构件有无腐蚀、变形、破碎等影响外观和结构受力的现象。大多数路灯在运行几年以后都会出处局部构件损坏的现象，在路灯改造过程中要对破损件进行维修或更换，使改造后的路灯达到使用条件。

路灯灯体结构件受力变化分析是为了检验改造后的路灯主体承力是否满足安全要求。改造过程中灯体重心和迎风面积可能发生变化，当灯体重心下移或不变，迎风面积缩少或不变时，路灯灯杆与底座连接的根部所受最大力矩保持不变或有所降低，满足灯杆原设计的强度和挠度要求，路灯安全有保障；当灯体重心上移，迎风面积增加时，路灯灯杆与底座连接的根部所受最大力矩有所增加，路灯是否安全需要进行如下验证：

3.1验证灯杆强度

确定最大风速度U(12级=36M/S)，求出风压P＝U²/1.6，计算出迎风面积S灯体=(D+d)*H/2 +S附件+S灯具（其中D为灯杆底部外直径，d为灯杆顶部外直径；H为灯杆高度），计算出灯体重心高度Hx＝(2d+D)*H/3(d+D)，得出风压对路灯灯体扭矩M＝ P×S灯体×Hx（风压对灯体的扭矩会随着高度不同而不同，我们在此采用近似计算法，把风压看作全部作用在灯杆重心处）。灯杆根部的截面抵抗矩：W＝π*(D4-d4)/32D，灯杆根部扭矩允许值：[M]＝ W*[σ] （[σ]为灯杆材料屈服强度），如果[M]>M，则灯杆强度是安全的。

3.2验证灯杆挠度

把圆锥杆看作直杆近似计算公式为：De＝(d+D)/2；

截面惯性矩：I＝π*[De4-(De-2t)4]/64(t为材料厚度)；

重心处荷载：Q＝M/Hx；

风压对路灯产生的挠度：Fmax＝ QHx3/3EI（E为弹性模量）；

当灯杆挠度允许值：[Fmax]＝H/40＞Fmax时，灯杆挠度是安全的。

采用马铃薯20 g加入1 L超纯水煮沸至马铃薯完全烂软，纱布过滤后加入15 g蔗糖，用超纯水将培养液补足至1 L，每个三角瓶分装30 mL,然后121 ℃高压灭菌15 min备用。打取PDA平板中的菌碟，每个三角瓶中接种10～12个菌碟，将接种好的三角瓶置于30 ℃恒温摇床中120 r/min摇培，1 d后取出，测量孢子悬浮液中目镜10倍及物镜20倍显微镜下一个视野的孢子数。该方法为PS液体培养法。

考虑风速的不均匀系数，空气动力系数，以及风向与灯杆、灯具的夹角等因素，实际危险截面处的应力及灯顶的挠度均比以上计算的结果低，故经过以上验证后满足要求的灯杆设计是安全可靠的。

4　LED光源与传统光源的参数对比及功率选择

目前已安装使用多年的小型路灯所采用的光源多种多样，性能各异，下表是LED光源与各种传统光源的技术参数比较：

主要电光源的技术性能指标

通过对各种光源技术参数的综合比较以及实际使用效果的对照发现，LED光源的发光效率较高，显色性能良好，使用寿命最长，70W的LED可以取代250W的高压钠灯，或300W的水银灯，可以实现节能70%以上。所以在选择改造所用的LED光源功率时，可以以现有光源功率的三分之一作为参考标准。

5　路灯改造方案的设计及实施

本文主要讨论小型路灯的改造方案。小型路灯具有灯体高度较矮（一般灯高在3～5米），结构形式多样化（既有简单的一体化照明路灯，也有外观复杂多变的景观路灯）等特点，所以改造方案要按照原路灯系统的具体配置来设计。既要考虑原路灯的灯体结构和改造后的美观度，也要考虑改造成本的控制和现有资源的最大化利用。因此，路灯改造方案的设计原则是：①不改或少改路灯外观；②充分利用原路灯线路和安装结构件（最大限度实现资源再利用）；③充分利用LED产品的多样性（有红、黄、蓝、绿、白等多种发光颜色，有各型灯条，不同功率灯珠，各型灯泡等多种产品形式。）来满足改造需要，必要时需要根据路灯内部结构利用LED灯条或灯珠自制发光体；④考虑节能环保因素，实现分时控制（忙时全亮，闲时半亮）。

方案实施过程中，为充分利用资源，我们可采用分步改造法。首先对原路灯进行拆解测试，把仍有利用价值的光源及配件集中起来用来修复部分路灯，使其工作到自然损坏后再进行改造；无法修复的路灯则首先进行改造，并做好改造记录。由于改造后路灯总功率下降50%以上，所以我们可以充分利用原线路中的三根相线进行分路控制，通过时控器可以很容易实现路灯双光源甚至三光源的任意开关控制，这不仅有利于实现节能降耗，还可以大大延长LED路灯的使用寿命。

路灯改造完成后，可以通过前期耗电量记录数据形成节能对照表：

6　总结

按照本方案，某活动中心已完成60路路灯改造，把原路灯120W的金卤灯顶灯换成30W的LED聚光灯，原40W的杆灯日光灯管2根换成由白色5050LED灯条做成的筒形灯（功率为20w），并对顶灯和杆灯实现分时控制，由经纬仪路灯控制器控制顶灯开关，杆灯则由时间控制器控制为夜间6点～12点亮灯，12点后关闭，经统计实现节能75%以上。以上成功案例证明本LED路灯改造方案具有可行性，在对老旧路灯改造成LED路灯的过程中具备一定的指导作用。

参考文献

[1]北京照明学会照明设计专业委员会.《照明设计手册(第二版)》.中国电力出版社,2006.12.1

李卫方（1973—），男，山东莱阳，大学本科，工程师，现供职于烟台市老干部活动中心。

作者简介：