市政路灯照明电气系统补偿技术

胡艳平

（沈阳市装备制造工程学校，辽宁 沈阳 110026）

路灯照明系统不但为人们的生活提供了巨大的便利，同时有助于美化城市环境，为人们的夜间出行提供保障，减少安全事故发生风险。不同城市的发展水平各不相同，对路灯照明的要求也有所差异。人口规模较小的中小型城市，受经济发展水平影响，市政路灯照明系统的发展水平有待提高。因此，应结合实际，采取有效措施，解决节能问题。电气系统补偿技术具有较强的降能耗作用，通过电子器件发挥功能，采用自动无功补偿装置减少能耗，保证市政路灯电能供应质量。另外，该项技术具有明显的应用优势，低功率状态下也可以保证路灯的稳定运行，有助于避免剩余功率输出导致的资源浪费问题。同时，采取科学合理的节能设计方法，加强对电源的控制，实现输出功率和应用功率的平衡，提高市政路灯的节能性与实用性。

1 电气系统补偿技术概述

1.1 概念

电气系统补偿技术也被称作功率补偿技术，属于一种新型节能技术，在使用过程中，主要借助电容器等装置，实现电能形式的转化，在此基础上改变电网运行的负荷功率。电能转化时并不会消耗额外电能，有助于改善电网的电压质量，减少能耗，提高电网系统的运行效益。目前，该项技术多用于电气自动化系统，主要目的在于提高设备的电能使用效率。

通过该项技术，可以实现对电网中相关参数的有效控制，如电压、电流等，为电网的稳定运行提供保障。通常情况下，电网的电力负荷与线路损耗程度呈负相关。因此，为提高电力运行效率和负荷程度，减少电路的损耗十分必要［1］。对自动化用电设备而言，电源的安装与转化，有助于促进电功率的流动，不但能保证电压质量，同时能优化供电环境。将补偿技术用于系统中，实现对运行电压的有效控制，通过控制器满足各项指令的要求。这一相互补偿的手段有助于避免自动化运行时发生冲突，为电网的稳定运行提供保障。

1.2 应用优势

将补偿技术应用于市政路灯照明系统中具有明显优势，不但可以保证照明系统的稳定运行，同时有助于减少电能输送过程中的损耗，且不同的补偿技术，其优势、特点各不相同。目前小型补偿箱在市政路灯照明系统中应用频率较高，具有安装简单、操作便捷等优势，能与电气系统直接连接，且补偿距离较短，有助于减少电能的消耗［2］。除此之外，补偿箱设备间的连接十分简单，为后期维护管理提供便利。补偿技术具有极高的应用价值和优势，目前在市政路灯照明系统中应用广泛。该项技术的应用不但有助于保证电网运行的稳定性，同时也能延长电气系统的使用寿命，最大程度减少电能输送时产生的能耗，进而提高市政路灯的节能性，推动城市可持续发展。

1.3 类型

将补偿技术用于市政路灯照明系统中，有助于降低能耗，提高照明效果，其主要方式包括单灯补偿和集中补偿。结合实际情况，如果三相或单相电源的灯具与实际不符，明显低于正常范围，应采用专门的路灯变压器，顺利加载功率因数，同时在系统上进行调节，利用三相或单相功率电容器进行补偿。

1）单灯补偿技术。该项技术较为常用，主要指在路灯照明系统中配置专门的补偿电容器，其系列型号较多，需结合应用需求合理选择。该项技术不但具备良好的照明效果，同时能显著降低配电线路的电流，提高路灯照明系统的功率因数［3］。例如，采用400 W的高压钠灯，补偿电容器和单灯连接前，功率因数和电流分别为0.42 A和4.5 A。与补偿电容器连接后，功率因数与电流分别为0.92 A和2.20 A。通过单灯补偿技术，电流较之前明显降低，而功率因数显著提高。另外，因为在照明系统中设置电容器，配电柜、配电线路以及变压器的性能也得到了明显优化，有效减少照明电路系统中的能源损耗。因此，单灯补偿技术能满足节约能耗的要求，且有助于提高相关电气设备的使用效率，延长使用寿命，为系统的稳定运行提供了支持。虽然该项技术前期安装及后期维护管理较为复杂，但对于提高系统照明效果及节能性具有重要作用。

2）集中补偿技术。集中补偿主要指在系统中安装大功率无功补偿的三相低压电容器。该项技术不但操作便利，且后期维护管理简单，综合成本较低，补偿效果理想，有助于减少能源损耗。相较于单灯补偿技术，集中补偿技术更为便捷、高效，应用频率更高［4］。集中补偿主要由平衡电网、并联电容器等组成（见图1），能显著提高系统的功率因数。

图1 集中补偿电路

虽然集中补偿技术的应用优势已得到广泛认可，但应考虑多方面因素的影响，针对部分城市而言，单灯补偿技术更能满足照明系统的要求。以上两种技术可应用于路灯照明系统中，且对于提高线路利用率及减少能耗均具有明显作用。通常情况下，针对已完成施工建设的市政路灯照明系统，采用集中补偿技术的效果更为理想，且后期维护成本较低。当系统使用对称三相负载，则需要采用三相补偿设施进行集中补偿；如果为非对称三相复杂，多采用混合补偿设施进行补偿，以提高应用效果。针对新建市政路灯照明系统，单灯补偿技术的应用效果较好，这一条件下操作便捷，能实现现场补偿，保证应用效果［5］。

为提高市政路灯照明系统的补偿效果，应积极引进前沿、先进技术，注重技术创新。例如，可将自换相变流电路应用于系统中，并采用静止发生器，实现对系统连续动态化补偿的有效控制［6］。同时，还可以采用触发晶闸管进一步提高系统的补偿效果，保证其具有良好的可控性，为系统的稳定运行提供保障，减少故障发生概率。

2 无功补偿系统的设计

2.1 总体结构设计

无功补偿系统主要由一系列元件、设备构成，具体包括开关、双向晶闸管、熔断器、三相电容器等，如图2所示。

图2 无功补偿系统结构

为进一步明确系统所需的无功功率，首先应采样供电系统中的相关参数，如三相电源电流值、电压值，收集的信号及时迁移至控制器。基于对无功功率的准确结算，控制器根据计算结果进一步确定电容器的实际投入量，将其作为主要指令，迁移至晶闸管并执行指令。

2.2 控制电路设计

人机交互模块是控制电路设计的重点，主要设备为液晶显示器，其型号为1602，能充分、直观显示系统检测到的相关参数信息，如电流值、电压值和功率因数等。该模块与可调电位器连接，能对字体灰度进行合理调节。

投切控制电路的设计。控制器是整个系统中最为关键的装置，其作用为分析处理采样信息，计算无功功率，之后明确投切电容器的数量，在此基础上发送相应指令［7］。在投切时如何使电容器避免电流冲击是系统设计应关注的要素。为避免出现故障，应确保晶闸管触发电路互为独立，避免其互相干扰，虽然存在切断等情况，也能避免电流冲击。路灯照明系统为人们的生活提供了巨大的便利，有助于美化城市环境，为人们夜间出行提供安全保障，减少安全事故发生。各地区城市经济发展水平有所差异，且对路灯照明的要求各不相同。例如，中小城市的人口规模较小，且经济发展水平较低，需要加强市政路灯照明系统的建设。在系统设计阶段，应充分结合城市发展实际，制定科学合理的设计方案，提高系统的节能性。对路灯照明系统进行设计时，能耗补偿设计是应用频率较高且有效的设计手段，运用补偿技术有助于降低能耗。而相应的电子器件、设备可以实现电路补偿，例如，采用自动无功补偿设备可有效降低能耗，进一步提高路灯的供应水平，在额定功率下满足其运行要求。无功率损耗补偿能保持路灯的低功率稳定运行，有助于避免能耗较大的问题［8］。除此之外，还需要积极采用节能设计手段，加强对路灯电源的控制，保证输出功率与应用功率处于平衡状态，避免发生灯具损坏等问题。实际设计阶段，应做好投切控制电路芯片的选型工作，目前多采用MOC3061型号芯片，具有零触发的特点，属于一种光耦合芯片。通过传输脉冲信号，控制器能有效控制触发晶闸管，这一过程中产生的信号通过芯片迁移至晶闸管模块，之后由投切控制电路执行相应的指令。图3为具体原理图，电阻R1具有限制触发器电流的作用，主要由系统电压峰值和触发器终端的重复冲击电流峰值决定。R2为晶闸管的门极电阻，能强化抗干扰性能。R3和电容构成浪涌吸收电路，能避免涌流电压对晶闸管造成损坏。

图3 双向晶闸管控制电路原理

2.3 软件设计

首先，有效值的采样程序设计。系统可以实时收集各相的信号，如电流、电压信号，在互感器的作用下，将完成收集的信号进一步转换，之后经滤波处理，将其转化为有效值的直流信号，通过模拟数字转换器实现电路的转换，将采集信号输入至控制器分析处理［9］。

其次，功率因数采样程序的设计。采样单片机晶振，其频率约11 MHz，运行周期为0.02 ms。经过定时器与中断系统后，单片机可以有效检出相关参数间的差异性，进而对电流值、电压值等进行精准计算，得到准确的功率因数。采集电路信号的过程中，噪声问题十分常见，极易影响检测结果。为进一步提高检测结果的准确性，应对获取的信号实施滤波处理。目前应用较为广泛的方法为算术平均滤波法，但仅能在一定程度上减少噪声的影响，无法根本解决问题。为进一步提高采样的准确性，以平均滤波法对其进行分析，将脉宽计数值信号的最大值与最小值去除，对剩余数值进行平均处理［10］。该方法有助于去除相对明显的噪声，使采样值更为接近真实值。

最后，电容器投切程序的设计。对无功功率而言，如果系统存在欠补偿情况，则无功功率为正，如果存在过偿情况，无功功率为负。检测获得的无功功率为Qm，Qi为对应组合的投切量。如果电容器未投入运行，需要对其容量组合进行检测，明确差值合理的组合，将其应用于设备中。如果该过程中电容器已处于应用状态，电容容量为Qt，系统值缺的总无功功率为Qz，对电容器组容量进行搜索，寻找满足差值最小的组合。

系统投切方法为：对应投切的电容器数量进行计算，如果需要投入的电容器已经运行，使其保持稳定运行状态便可；而无需投入的组合，应及时退出运行。实际工作时，应根据上述流程合理选择电容器组合。

3 结论

综上所述，市政照明路灯系统为人们的日常生活提供了巨大的便利，在城市道路等基础设施中普遍存在，因其数量繁多，能耗问题十分严重。在节约型社会发展背景下，应加强对路灯照明系统能耗问题的关注，积极引进无功补偿技术解决这一问题。在电网功率因数与补偿深度等方面，应进一步加大补偿技术的推广力度和研发力度，注重技术创新，进一步提高系统的节能性。