路灯系统节能探讨

近年来，道路照明设施随着各地经济和交通的发展，其规模及数量越来越大，道路照明耗电在迅速上升。
　　以深圳市为例。2002年统计的四区(罗湖、福田、南山、盐田)路灯系统光源安装总功率为10294KW，镇流器损耗按光源安装总功率18%计算，照明线路损耗按5%考虑，路灯每年亮灯小时数按4000小时计，则：
　　路灯系统电气安装总容量为10294X（0.18+0.05）=12661千瓦。
　　路灯系统每年耗电为12661X4000X10-4=5064.4万度。
　　年耗电5064.4万度是什么概念呢？大亚湾核电站年发电能力约为140亿度，5064.4万度占其0.36%。
　　由上可见，路灯系统的耗电相当可观。正因为此，道路照明节电已成为日益受到重视的话题。近年来很多地区发生的日益严重的电荒，更使许多部门认识到这一当务之急。
　　本文站在技术角度，分别从路灯布置方式、配电系统、灯具配件等方面，就如何以科学、合理的方式，实现道路照明系统节能，阐述个人的一点体会。
2 合适的照度
　　合适的照度，是我们在道路照明节电工作中首先需要重视的问题。它包括两个方面。其一是为所设计的道路选择合适的照度标准；其次，是采用适当的计算及设计方式，实现合适的照度。我们不难观察到，国内不少城市道路照度偏高，既增加了路灯照明的耗电，也削弱了道路两侧景观照明的效果。
　　现行有效的标准《城市道路照明设计标准》还是早在94年制定的。不可否认，相对于我国沿海一些近年来交通发展较快、经济较发达城市，由于其出行时间延长、交通量大、交通情况复杂，其中的照度标准要求偏低。但我们也不应过分的选择较大的照度。根据正在修订的《城市道路照明设计标准(征求意见稿)》以及我们工程中的实践，推荐按表1的标准选择照度。具体工程中,可视道路所在城市的性质和规模、交通信号的完善程度、道路与周边环境分隔状况在表中高档值与低挡值之间选取照度。
表1

照明等级	国家行业标准	推荐做法	适用道路
平均照度Eav(lx)	照度均匀度Emin/Eav	平均照度Eav(lx)	照度均匀度Emin/Eav
一级	20	0.4	20∽30	0.5	快速干道
二级	15	0.35	20∽25	0.4	主干道
三级	8	0.35	10∽15	0.35	次干道
四级	5	0.30	8∽10	0.30	支路
五级			5	0.20	住宅区机动车道
六级			2∽3	0.1	住宅区人行道或非机动车道

　　照度标准确定后，如何进行照度计算,是设计师们头疼的问题。常规的利用系数法计算粗糙，且无法确定均匀度。手工逐点计算法计算精度虽高，但需要收集大量的灯具资料，计算工作量也很大。以上两种计算方式在工程实践中均不适用。笔者建议,目前已有多家国内外灯具厂家编制了照明计算软件，计算中虽然只能对相对应厂家生产的灯具进行照度计算，但对于路灯系统设计还是有相当的参考意义。建议在设计中选择一到两家的软件对照度进行计算，从而快速方便地确定灯具布置形式、杆高、路灯间距、光源容量，实现合适的照度，避免或减少路灯系统设计的盲目性。
3 电容补偿
　　路灯采用的光源，基本是气体放电灯，其功率因数相当低，一般在0.45以下，从而使回路电流大，在线路上产生的损耗相当可观。《城市道路照明设计标准》中，要求气体放电灯应加电容补偿，补偿后功率因数应不小于0.8。但标准中并没有明确是在路灯电源处集中补偿，还是在灯具处分散补偿。目前国内城市路灯系统采用的电容补偿方式两种均有。笔者认为，由于路灯设施是均匀分布在道路纵向两侧，由路灯电源至路灯灯具的低压配线较长，道路照明系统产生的损耗主要发生在这一段。采用路灯电源处集中补偿方式，并不能减少低压配线的耗电。而采用单灯分散补偿，无疑减少了路灯电源至路灯灯具这一段线路上产生的损耗，将起到较好的节电效果。电容量与路灯常用光源---高压钠灯的配套建议按表2选择，补偿后单灯功率因数将不小于0.85。
表2

70W	100W	150W	250W	400W
10∽12μF	13∽15μF	20∽22μF	34∽36μF	53∽55μF

4 关闭半数光源
　　显然，关闭半数光源的方式节电效果直接而且显著，节电运行时段节电达50%，总体约在30%左右。在电力紧张的背景下，政府出台了一些文件，要求在后半夜，采取“亮一隔一”或“亮一隔二”的措施，关闭部分光源。笔者认为，这只能作为缓解电力紧张局面的权宜之计。因为，“亮一隔一”或“亮一隔二”不仅减小照度，同时区别于不同的灯杆布置方式，照度均匀度将不同程度、甚至是严重的下降，对交通、行人安全、对维护社会治安产生不利影响。七十年代的世界性能源危机中，日本曾在道路上进行间隔点灯的试验，结果导致治安、道路交通事故的大幅上升。另外，这种方式由于需要在同一路径上敷设两根路灯供电电缆，也增加了建设投资。
　　因此，应区别于不同的灯杆布置方式，谨慎采用关闭半数光源的方式。
　　常规灯杆布灯时，往往采用车道侧单光源灯具。灯杆布置有单侧布置、交错布置、对称布置。
　　单侧布置时，若选用这一方式，则后半夜车道明暗悬殊，照度均匀度远低于道路照明设计标准的要求。如某单侧布灯的工程，前半夜全亮时均匀度高达0.53，采用”亮一隔一”后均匀度则下降至0.07。我们不应顾此失彼，单侧布灯时,不宜推广关闭半数光源的方式。
　　交错布置、对称布置时，采用这一方式，虽然均匀度稍差，但若选择配光合适的灯具，均匀度还是可以达到或略低于道路照明设计标准的要求。工程实践中，可根据车道宽度、道路交通量、周边人流量等，有选择性的使用这种方式。
　　在照度要求高、机动车道较宽的快速路、主干路上，常规灯杆布灯时，可考虑采用车道侧同杆双光源灯具方案，两个光源可等功率或不等功率。采用这种布灯方案时，上半夜两个光源全亮，后半夜关闭其中一个光源。这种方式，对照度均匀度基本没有影响，单侧布置、交错布置、对称布置时，均可采用这一方案。
5 环形电感镇流器
　　采用气体放电灯的路灯照明系统中，除光源自身的功耗外，与气体放电灯配套的电感镇流器也要消耗一部分电能。电感镇流器的工作效率高低、节能与否，对路灯照明系统的电力消耗有一定的影响。相对于传统的电感镇流器而言，环形电感镇流器，由于其采用圆环形铁芯和线圈，使环形铁芯卷片的几何形状与磁力线回路和曲线更加适应，磁路分布更趋合理，进一步改善了磁通，降低了铁损，减少了总的电力消耗。可广泛适用于高压钠灯、汞灯和金属卤化物灯。需要注意的是，这种方式仅仅是减少了镇流器的损耗，对路灯系统电耗中占主要比例的光源的电耗并没有减少。钠灯用环形电感镇流器与传统型电感镇流器电能损耗比较详表3。
表3

	镇流器功率损耗	镇流器功率损耗占光源功率的百分比(%)
钠灯光源功率	普通传统型	环形	普通传统型	环形
150W	23∽30W	≤17.6W	15∽20	<11
250W	30∽45W	≤25W	12∽18	<10
400W	48∽72W	≤35W	12∽18	<9

6 智能光源降压一稳压一调光技术
　　智能光源降压一稳压一调光技术，是将装置安装在路灯配电回路的起端，在前半夜控制路灯回路为全压，接近午夜时分，开始降低回路电压，在后半夜车稀人少时，进一步降低电压。它的节电原理有二，其一是高压钠灯的亮灯维持电压低于220V，因此，降低回路电压光源不会熄灭；其二是由于后半夜电网用户少，负荷低，电网电压高于220V，而过压将额外消耗部分电能，采用该装置则避免了这部分的浪费。根据工程实践，它的节电效果在15％左右。采用这种装置，不仅节约了电能，不影响照度均匀度，而且能够避免光源过压运行，延长了路灯寿命。需要注意的是，这种方式是对配电回路降压，回路内所有灯具都将在低电压运行，对下述问题应予注意：①，随着使用时间的增加，光源端电压及电流等电气参数发生变化，同时光源本身质量上又具有离散性，降电压运行时就可能出现同一回路中一些灯具灭灯的现象；②路灯配电回路供电半径长达800米，随灯具与供电端距离的增加，电压逐渐下降，若线路设计不当，有可能出现远端电压不能满足光源所需正常维持电压；③路灯系统中往往会外接公交站台广告灯箱、电话亭照明，而这些照明由于功率小，一般采用直管型荧光灯、紧凑型荧光灯，低于正常工频电压时，这些光源不能正常工作。④回路中接有电动升降式高杆灯时，由于电动装置为感性起动特性，起动电流大，与这种装置过载电气特性不匹配。
7 可变功率镇流器
　　可变功率镇流器，利用气体放电灯在工作电流适当减少时，仍能正常运行的原理，通过后半夜增加镇流器电抗，从而降低光源电流，减少路灯系统电耗中占主要比例的光源的电耗，达到路灯系统整体节能的目的。
7.1降功率控制原理
　　图右边的虚线框为标准的路灯设备电路图，左边虚线框为节能型单灯控制器框图。其中电子开关用来控制路灯降功率投入。其工作过程如下：1）正常情况下，LCU控制电路控制电子开关闭合（短路），外部电压直接通过电子开关加到路灯电路上，使路灯工作在额定功率状态。 2）降功率控制情况下，控制电路控制电子开关打开（开路），控制外部电压只能通过降功率电感加到路灯电路上。此时，路灯电路感性负载增加，路灯工作电流降低，从而使路灯功率下降，耗能降低，达到节能的效果。3）当电网电压偏低或光源状况不佳，降功率运行将可能出线闪烁时，即使在降功率运行时间段，控制电路也将自动控制电子开关在闭合状态，避免路灯熄灭。
7．2节能控制方案设计及节能效果分析
　　不同的节能控制程序会产生不同的节能控制效果，按每天照明11小时，前5小时处于正常照明状态，后6小时处于节能照明状态。各功率光源节电效果如表4。
表4

	150W 高压钠灯	250W高压钠灯	2400W高压钠灯
普通运行每天耗电	1837WH	3058 WH	4807 WH
变功率运行每天耗电	1465WH	2260WHr	3715 WH
每天节电量	372WH	798WH	1092 WH
节电率	20%	26%	23%

　　这种方式由于是在灯具处安装，因此，适用于各种路灯布置方式和光源组合方式。
　　对于原有道路照明工程，可采用附加型变功率镇流器进行改造，其特点是，对原灯具配套的镇流器不予更换，既方便改造施工，又降低系统改造造价。
　　可变功率镇流器方式，具有智能光源降压一稳压一调光技术的优点，也避免了智能光源降压一稳压一调光技术的缺点，值得推广。
8 小结
　　以上对路灯系统的节能方式进行了探讨，期翼有助于道路照明系统合理用电，使路灯工程既满足其功能性要求，又能够实现最大限度的节能。