城市道路照明節(jié)能技術(shù)淺析

張阿旬

(咸陽市路燈管理處，咸陽712000)

0 引言

為進(jìn)一步構(gòu)筑節(jié)能降耗、綠色環(huán)保的生態(tài)城市結(jié)構(gòu)，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)、文化和諧統(tǒng)一地可持續(xù)發(fā)展，在城市道路照明領(lǐng)域積極探索和引進(jìn)照明節(jié)能技術(shù)具有重要的意義。傳統(tǒng)的道路照明系統(tǒng)大多采用直接供電方式，受不同時段電壓波動的影響，道路照明系統(tǒng)的能源利用率不高。為此，有效消除電壓波動的負(fù)面作用，延長燈具的使用壽命，研制和開發(fā)高效實用的道路照明節(jié)能方法和控制系統(tǒng)就顯得十分必要。目前，在路燈照明節(jié)能方面，主要研究有以下幾種方式，這些方式在道路照明設(shè)施中都得以選擇性的應(yīng)用。

1 道路照明節(jié)能方法與技術(shù)

1.1 半夜燈間隔工作控制方式

在確保功能和效果的前提下，合理調(diào)整亮燈數(shù)量和時間可直接降低能耗。據(jù)調(diào)查，我國小型城市在夜晚9點后，大中城市在午夜12點后，道路上幾乎空無一人。從這一時段至次日清晨路燈熄滅，在低交通流量的道路上就可以適當(dāng)降低一個照度等級，減少亮燈數(shù)量。對快速路、主次干道實行雙回路供電，分全夜燈回路和半夜燈回路。在設(shè)定的時段半夜減半控制，關(guān)閉對輔道或人行道的照明，保持對機(jī)動車的照明;支路、工業(yè)區(qū)和生活區(qū)路及路幅較窄的街道采用半夜單邊亮燈方式。例如重慶市11 km長的北濱路的路燈照明管理就采取半夜控制方式，成功節(jié)電15%左右。但是，上述半夜燈控制方式還存在以下危害。

(1)變壓器壽命縮短，選型困難。比如4路線路，每路50 A，前半夜，三相電流將是50 A，100 A，50 A，后半夜三相電流將是50 A，50 A，0 A。從上面可以看出，工程選擇變壓器時，如果選3×100 A，成本太高，也比較浪費(fèi)，如果選3×50 A，又出現(xiàn)過載，一般可能會選擇3×70 A的變壓器，這樣，前半夜，變壓器一般處于過載狀態(tài)，發(fā)熱嚴(yán)重，壽命縮短。

(2)功率不能平衡，威脅電網(wǎng)安全。路燈變壓器一般直接掛在高壓線路上，如果大量的路燈供電，都采用這種不平衡的方式，很難控制高壓側(cè)的線路平衡，威脅電網(wǎng)安全。

(3)后半夜導(dǎo)致燈具電壓過高，燈具燒毀嚴(yán)重。由于變壓器工作總不能平衡，因此后半夜輕載線路上將出現(xiàn)250 V以上的高電壓，燈具壽命大大縮短，燈具高溫?zé)龤?yán)重。后半夜隔盞亮?xí)r，道路長達(dá)40 m的陰影，出現(xiàn)斑馬效應(yīng)，給行車帶來安全隱患，也影響社會治安和城市形象。

在我國，隔盞控制方式在大城市很少采用，但在地級城市和縣城比較多。

無功節(jié)能技術(shù)在道路照明中，無功損耗帶來的利用電費(fèi)和附加電費(fèi)約占全部電費(fèi)的20%。由此可見，增裝無功補(bǔ)償設(shè)備，提高網(wǎng)絡(luò)的功率因數(shù)具有極為重要的作用。目前，常用的道路無功節(jié)能技術(shù)有三種:電容器單燈補(bǔ)償、早期的電容器集中補(bǔ)償和微電腦型集中補(bǔ)償。

(1)電容器單燈補(bǔ)償對于一條路甚至幾條路的路燈設(shè)施具有較好的補(bǔ)償效果。但是對于不同的供電區(qū)域，由于遍布路、街、巷、小區(qū)等的燈具類型不同，光源種類不同，特別是多數(shù)地段安裝不同功率的光源，于是整個供電系統(tǒng)的功率因數(shù)就無法達(dá)到指標(biāo)要求。此外，電容器開路損壞不易檢測，難于維護(hù)、長期運(yùn)行勢必提高整個網(wǎng)絡(luò)的無功功率損耗，造成電能浪費(fèi)。

(2)早期的電容器集中補(bǔ)償技術(shù)采用機(jī)械式接觸器控制電容器投切方式，具有集中補(bǔ)償、自動調(diào)控?zé)o功功率的特點。其缺點是觸電電流大，有涌流產(chǎn)生，易燒毀觸點，縮短接觸器、電容器使用的壽命，而且轉(zhuǎn)換開關(guān)時間長，易造成補(bǔ)償滯后，不適應(yīng)三相不平衡負(fù)荷。

(3)微電腦智能型集中補(bǔ)償技術(shù)。此外，還需注意選用優(yōu)質(zhì)節(jié)能的照明電器與設(shè)備。高壓汞燈、高壓鈉燈和金屬鹵化物燈等都是氣體放電燈，具有負(fù)的伏安特性，所以，必須串聯(lián)一個具有正的伏安特性的元件來平衡其影響，比如鎮(zhèn)流器。目前采用的比較多的是電感鎮(zhèn)流器，優(yōu)質(zhì)電感鎮(zhèn)流器具備阻抗穩(wěn)定性和伏安性好，功率因素高，功率損耗低的特點。這樣才能穩(wěn)定燈泡的工作電流，延長燈泡的使用壽命。

降低鎮(zhèn)流器的功率損耗也是節(jié)能降耗不容忽視的一個方面，如250 W鈉燈鎮(zhèn)流器質(zhì)量好的功率損耗有20～25 W，而質(zhì)量差的功率損耗可達(dá)40 W左右。如果我們在選用配套鎮(zhèn)流器時都能注意選用優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，則節(jié)能效果是很顯著的。如我市在安裝高桿鈉燈鎮(zhèn)流器時均選用優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，以平均每只鎮(zhèn)流器降低功率損耗3 W，全年點燈時間4 000 h計算，則可節(jié)電60 000 kW·h。

1.2 安裝智能監(jiān)控管理系統(tǒng)

路燈監(jiān)控系統(tǒng)主要采用安裝在單燈上的非聯(lián)網(wǎng)型節(jié)能控制器，操作人員可以控制每盞燈的亮燈情況并及時反映到中央控制室，方便準(zhǔn)確調(diào)度車輛進(jìn)行維護(hù)，從而大大降低維修的工作量。其節(jié)能效果可以實現(xiàn)“按需照明、維護(hù)及時”的要求，避免原先要么關(guān)燈拉閘，要么不分時段、地點和環(huán)境條件全亮的弊端。在維護(hù)上，當(dāng)某點出現(xiàn)故障，能及時向監(jiān)控中心報警，提高了搶修效率。由于該系統(tǒng)采用經(jīng)濟(jì)運(yùn)作方式，準(zhǔn)確合理控制開關(guān)時間，現(xiàn)已成功為我市每年節(jié)約電費(fèi)15%左右。同時，也減少了派車巡燈的費(fèi)用，有效節(jié)約了燈具維護(hù)費(fèi)用。

此外，上海市還通過在陜西南路等路段安裝照明節(jié)電控制箱，根據(jù)市區(qū)道路照明及夜間車流量之實際情況，設(shè)置如下:晚上11點以前采用穩(wěn)壓模式，晚上11點以后至早上關(guān)燈時段采用節(jié)電模式。對其中一臺控制箱進(jìn)行測試，該控制箱控制250 W的高壓鈉燈共計72盞。

安裝節(jié)能控制箱前的運(yùn)行數(shù)據(jù)如下:

測試時間:2005年4月27日18:35至2005年4月28日4:53

用電量:14 771-14 533=238(kW·h)

安裝節(jié)能控制箱后的運(yùn)行數(shù)據(jù)如下:

測試時間:2005年5月9日18:35至2005年5月10日4:53，穩(wěn)壓模式為18:35～23:00，節(jié)電模式為23:00～4:53

用電量:16 921-16 732=189(kW·h)

節(jié)電比率:(239-189)/238×100%=20.6%

目前，市場上大部分照明節(jié)能產(chǎn)品，都采用電磁換檔技術(shù)，這種產(chǎn)品大約在2003年下半年進(jìn)入市場，如在我國廣州內(nèi)環(huán)路照明改造工程、深圳灣填海區(qū)市政道路照明工程等一些市政路燈節(jié)電項目中采用的NE系列照明調(diào)控裝置。這種采用電磁換檔控制調(diào)壓技術(shù)的主要缺點是:燈具壽命縮短。中途換檔，由于接觸器電流的切斷，導(dǎo)致閃斷故障電力供應(yīng)，沖擊燈具，容易滅燈，燒燈。設(shè)備容易燒毀。由于違背電磁基本原理，切換時，沖擊電網(wǎng)，過壓擊穿變壓器絕緣，接觸器觸點拉弧，易燒接觸器。浪費(fèi)能源，耗用珍貴資源。耗用大量稀有且高能耗的電解銅和矽鋼，在節(jié)能工作的同時，導(dǎo)致更大的能源浪費(fèi)和稀有資源的匱乏。

由于以上的問題，許多傳統(tǒng)電磁節(jié)能產(chǎn)品，說明書上注明在商務(wù)運(yùn)作時，可按時段調(diào)節(jié)電壓，而產(chǎn)品實現(xiàn)銷售后，卻往往打在固定檔位。

1.3 智能數(shù)字化調(diào)壓控制方式

1.3.1 有功節(jié)能技術(shù)

微電腦控制技術(shù)其原理是使用微電腦控制技術(shù)，系統(tǒng)實時采集輸出、輸入電壓信號，與最佳照明電壓進(jìn)行比較，通過計算自動調(diào)節(jié)，從而保證輸出最佳的照明系統(tǒng)工作電壓。它的技術(shù)特點是:(1)采用微電腦技術(shù)和高可靠性的軟件和硬件設(shè)計;實現(xiàn)控制過程智能化。(2)針對電網(wǎng)電壓偏高和波動現(xiàn)象，實時對在線電源動態(tài)跟蹤，對電流連續(xù)調(diào)節(jié)、調(diào)控輸出最佳照明電壓和功率，實現(xiàn)穩(wěn)定工作電壓，減小工作電流，提高電力質(zhì)量，節(jié)約照明用電。(3)多時段節(jié)能運(yùn)行?？筛鶕?jù)用戶的實際照明需求，通過程序多時段節(jié)能電壓設(shè)置，滿足用戶對不同光源、不同時段的需求，實現(xiàn)最佳照明狀態(tài)和最大節(jié)電率。(4)實現(xiàn)光源的軟啟動和慢斜波控制過程。由于采用低壓軟啟動進(jìn)行充分預(yù)熱，能減少啟動電流的沖擊，有效提高光源的壽命。在調(diào)壓、穩(wěn)壓過程中，智能調(diào)控裝置采用慢斜波方式，讓電壓在設(shè)定時間內(nèi)緩慢過渡，保證光源不受電壓、電流的沖擊，降低對電光源的損壞，延長其使用壽命。(5)實現(xiàn)正弦波輸出，對電網(wǎng)無諧波污染，對浪涌電壓沖擊時及耐瞬時大負(fù)荷沖擊能力強(qiáng)。這類照明節(jié)電技術(shù)的實施成本雖然略高于前兩種，但由于其能實現(xiàn)智能照明調(diào)控，有效保護(hù)電光源，降低電能消耗，節(jié)能效果明顯，所以經(jīng)濟(jì)性和可靠性遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于前兩種有功節(jié)能技術(shù)，是目前國際和國內(nèi)比較成熟的照明節(jié)能技術(shù)。

1.3.2 無功節(jié)能技術(shù)

微電腦智能性集中補(bǔ)償技術(shù):

采用單擊或DSP芯片以及大規(guī)模集中電路作為控制模塊和數(shù)據(jù)采集模塊，能自動跟蹤電網(wǎng)無功功率變化，快速采樣、運(yùn)算并發(fā)出投切信號。開關(guān)模塊采用大功率晶閘管實現(xiàn)電容器組的零電壓投入和零電流切除，無浪涌電流沖擊，無火花和諧波干擾。該技術(shù)作為新一代的集中補(bǔ)償技術(shù)，目前已被廣泛應(yīng)用。其主要技術(shù)特點是:(1)實現(xiàn)控制模塊的數(shù)字化和智能化，確?？刂凭冗\(yùn)行的可靠性;(2)全自動分組、分段自動按需補(bǔ)償;(3)物理量取樣可為無功電流相角差等綜合量，改善電網(wǎng)功率因數(shù)、降低總電流，使負(fù)荷功率因數(shù)控制在0.95～0.99;(4)可根據(jù)三相無功功率的電流具體情況，選擇單相分別進(jìn)行補(bǔ)償，不產(chǎn)生涌流沖擊;(5)采用無觸電開關(guān)，切換速度快，整機(jī)使用壽命長;(6)可靈活設(shè)定過壓、欠壓、欠流延時等參數(shù)，具有完善的越線報警和過壓、欠壓、缺相、缺零、諧波、越限保護(hù)縮閉功能，保證系統(tǒng)安全運(yùn)行;(7)采用“自愈式”電容器，具有使用壽命長，可靠性強(qiáng)，溫升小，無需專門散熱的裝置的優(yōu)點;(8)具有數(shù)據(jù)采集功能和標(biāo)準(zhǔn)的通信接口，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程實時檢測和計算機(jī)聯(lián)網(wǎng)管理。此外，原有的單燈補(bǔ)償裝置對路燈系統(tǒng)并不會構(gòu)成影響，且能更好地發(fā)揮集中補(bǔ)償與分散補(bǔ)償相結(jié)合的作用，具有很好的補(bǔ)償和節(jié)能效果。

當(dāng)今國際上流行的節(jié)能方式是智能調(diào)控技術(shù)，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(jìn)行自動調(diào)節(jié)，在確保功能和效果的前提下，合理調(diào)整亮燈的亮度、數(shù)量和時間，包括以調(diào)光裝置、聲控、光控、時控等為主的光源控制器件。自20世紀(jì)90年代末期，荷蘭交通部對DYNO降壓調(diào)控道路照明系統(tǒng)進(jìn)行測試，并對道路照明安全與節(jié)能技術(shù)進(jìn)行相關(guān)研究以來的近十年間，智能照明節(jié)能調(diào)壓控制技術(shù)在歐洲不斷進(jìn)行測試和推廣使用，如西班牙SALICRU電子公司開發(fā)的易路特智能照明調(diào)控系統(tǒng)。這種節(jié)能控制器效果很好，但相應(yīng)的成本就高。在我國這種智能化道路照明節(jié)能控制技術(shù)尚處于起步階段。

2 小結(jié)

筆者分析了道路照明節(jié)能控制方法，可以看出價格低，污染小，且可擴(kuò)展的微功率智能型節(jié)能控制器，在節(jié)省電能的同時又延長燈具的使用壽命，值得在我國推廣使用。

［1］崔元日，束惠.道路照明標(biāo)準(zhǔn)與道路照明節(jié)能［J］.光源與照明，2009(03)

［2］李景色，李鐵楠.我國道路照明新標(biāo)準(zhǔn)的特點［J］.照明工程學(xué)報，2007，18(4)