由于城市道路照明节能属节能新领域, 人们对照明理念的创新需要时间, 对控制以及电力电源产品技术需要完善, 因此, 在照明节能事业中难免出现一些误导, 甚至是错误的观点观念。
采用高效节能灯具的城市道路照明, 在控制节能方面, 由于新技术与传统路灯控制需要科学衔接, 实际工程中也存在许多观念的冲突, 需要参与各方从发展角度, 理解??以人为本, 情景节能??的重要内涵, 从而协商一个合理解决方案。
对发展过程中的误导或错误, 不管是有意或无意, 都必须及时加以纠正和引导, 否则, 会导致照明节能走上弯路, 甚至会严重影响节能的积极性和市场的发展。
基于以上原因, 本文收集来自路灯照明节能工程中的技术信息, 包括许多城市道路照明技术细节理念、观点, 以便理清节能思路。
1 照明节能技术
1.1突变/闪断调压对灯具的影响
目前大部分路灯是H ID 金卤灯、钠灯, 电流的切断使设备易受拉弧损坏, 灯具熄灭, 再次点火, 严重缩短灯具寿命。钠灯在不切断电流时电压突变5V 以上将引起电弧漂移而熄灭, 金卤灯在3V 突变时电弧不稳熄灭。因此, 早期的电磁换档的商业运作, 已经产生了严重的不良后果。江西南部某城市出现过类似现象, 以至于建设部对路灯照明节能持非常慎重态度, 并在"十一五"城市绿色照明工程规划纲要中规定, 在调压时严禁出现瞬间灭灯现象。在经济比较发达的江浙地区, 大面积上的电磁节能产品已被拆除。
为了解决闪断突变, 目前国内有几个节能公司, 推出"进口"碳刷的自藕调压器, 但面对大电流和感性负载, 以及灰尘潮湿, 产品存在安全问题。采用"高频PWM 交流稳压调压器"技术的路灯节电器, 由于使用高频化电力电子控制, 无触点连续精密调节稳定输出电压, 是目前较理想的城市道路照明控制节能产品。
1.2电磁固定降压节能的危害
传统电磁调压节电器一般分为三相统一调零换档、三相独立调零换档、三相独立补偿换档、碳刷自偶变压器调节补偿调压等。这些产品都有调压功能, 但由于电磁换档或碳刷闪断冲击, 输出故障电力, 灯具熄灭, 设备冲击, 电网浪涌, 商场电脑损坏, 因此实际使用时都在固定调压位置。而固定调压存在以下问题:
( 1)固定降压节电器, 节电不节钱, 灯具寿命缩短, 换灯成本和工程费高。
固定降压产品节能产品, 如果固定降5V, 节电率太低, 固定降10V, 节电率也不高, 如果开灯就降20V, 开灯时就有许多灯亮不起来。即使全部换上新灯, 用上3 个月就变成旧灯, 这些灯在200V 下难以点燃, 为了节能就得换下, 其实这些灯在正常电压可继续使用。
( 2)开灯就降压, 会带来一系列社会问题。
傍晚需要高亮度照明时, 灯光昏暗, 交通事故增加, 恶性事件频发, 同时影响城市形象和居民生活, 群众和公安投诉严重。
( 3)无法按需照明, 浪费严重。
上半夜电网负荷重, 需要照明时灯光暗; 下半夜电压高, 不需要照明时, 灯光反而更亮。
( 4)不符合环保和可持续发展。
耗用大量高能耗且稀有铜材和矽钢, 被盗和破坏严重, 同时大量使用, 将导致更大的环境污染和能源浪费。
1.3碳刷调节补偿调压及SCR 数控补偿调压面临的挑战
对于照明节能, 尤其是路灯节能, 固定降压目前已经表现出许多弊端, 如有时新灯在低压下也无法启动, 电磁换档也出现灯灭和设备的损毁。
因此有些节能企业将碳刷补偿无级调压用于照明节能, 用伺服电机带动链式碳刷, 实现调压稳压, 但专家对其可靠性存在质疑, 以至于厂家在注意事项中也作描述:"每月至少维护一次, 用极细砂纸打磨铜表面如新, 密切注意, 如有异味或冒烟, 立即切断电源, 并通知厂家"。试想, 每个路灯配电柜派一个人值班,这不现实的。
可控硅代替接触器, 实现无触点补偿调压, 这种技术称为"数控式调压", 在通讯和电台等IT 行业有应用(后端整流桥电路, 无电流滞后) , 但在路灯方面, 由于负载为感性, 电流电压相位复杂, 容易换相失败, 需要大功率电阻吸收短路电流, 电阻功耗大, 设计困难, 功率难做大, 档位调节还存在电压突变现象。尽管经过十多年的发展, 目前国内数控式调压稳压在路灯方面的应用还都不成熟。
2 照明节能理念中国照明网技术论文·LED照明
2.1 "以人为本"节能和"情景照明"节能的重要性
节能应是在不影响正常照明的同时, 极大限度地节约能源, 保护灯具和延长灯具使用寿命。
对不同场合, 制定出相应"以人为本"、"按需调亮"、"情景控制"的节能模式, 节能技术要保证实现的可行性, 这样, 才能消除照明节能的负面影响或使影响极小化。
既然照明是以人的感受为目的, 根据生物效应, 傍晚人尚未适应暗环境, 所以需要高亮照明。商场人少时可以降低亮度, 人多的晚上和节假日,需要高照度。路灯是城市文明的象征, 同时也要满足交通安全和社会治安要求, 但路灯隔盏亮和半夜灯, 又将导致40多米的阴影, 难以保障交通安全和社会治安, 是得不偿失的节能方法。
面对照明节能的新挑战, 有许多自身的客观规律, 而这些规律可能一时还难以理解, 但却是科学的。比如高速公路隧道白天需要高亮度照明, 商场白天也要少节能或不节能, 路灯傍晚最需要高亮度照明(医院统计, 此时交通事故最多)等等。
2.2 "无条件保障照明"理念
"无条件保障照明功能", 对路灯管理部门非常重要。照明节能是锦上添花的事, 不能由于节能, 导致路灯故障, 尤其是灭灯现象的发生。因此, 在系统设计路灯节能产品时, 必须考虑,设备任何部件损坏时, 将自动系统旁路, 该亮灯时出现灯熄灭现象, 系统自动旁路, 实现无条件保障照明。
2.3 HID金卤灯钠灯预热问题
很多HID金卤灯钠灯经销商希望去除预热时间, 或将预热时间调到1m in, 理由是, 哪怕半分钟的节能, 都将影响到节电率, 否则胜算的可能性就是对手。
再加上路灯管理部门以前也没有预热的概念,所以节电设备供应的双方或多方, 都被"强制"不需要预热时间, 一心追求节电率。
HID灯的启动分2个过程, 点火时不稳定的"辉光"放电和10m in后的"弧光"放电,"辉光"放电严重影响灯具寿命, 因此希望时间越短越好。为减少"辉光"放电时间, 点灯后必须维持足够长时间的额定预热电压。
从外部看, 如果灯电流开始下降到稳定运行电流, 则开始结束"辉光放电"; 从温度看, 如果灯管温度达到稳定温度, 则开始结束"辉光放电"。为使"辉光"尽快结束, 必须维持比较高的电压, 发出更多的热快速加热灯管。
有些公司把充分预热说成是如"煲汤", 需要"急火"烧开, 然后"文火"长时间炖, 可节省能量,这种比喻也不妥帖。开灯时钠灯或金卤灯, 在额定电压或全电压下充分预热10~ 20 m in, 对灯管寿命有极大影响, 对节电率损失却可忽略不计(路灯照明时间一般每天10h, 600m in)。
2.4照明节能的"慢斜坡软启动"危害
电机启动时, 由于通电电网电源频率50H z, 而此时电机从静态开始, 电机转速频率为0, 因此瞬间形成频率短路, 启动电流高达额定电流的3~ 8倍, 持续时间直达电机正常运转( 最长达10s以上) , 对配电线路、设备和电网都造成危害。因此需要电机软启动、变频启动和星三角启动, 以减少电网冲击。
HID 灯启动, 由于补偿电容的原因, 合闸瞬间( 2ms, 0.002s) , 有很大启动尖峰电流, 和电机启动堵转不一样的是, 这种尖峰电流不会因为降低电压启动而减小许多, 因为这是电容电压突变引起的电容充电电流。如果没有补偿电容, 这种启动电流也就不存在, 如果补偿电容存在, 降到100V 启动也会有这种短路瞬间电流存在。
应该说, H ID灯存在启动电流, 但不是象电机那样额定值的许多倍, 只是1.2~ 1.3倍, 而且这种电流是与灯温度相关, 必须10m in以上加热到稳定温度, 电流才会下降。
另外, 电感式日光灯, 每开关灯一次, 会降低许多寿命, 因此如果短时间关灯离开, 还不如不关灯,原因是开灯时多次高压辉光点火, 严重损伤灯的阴极, 特别是电网电压低, 频繁多次不断启动, 大大缩短灯的寿命。
开灯前期的辉光过渡阶段, 影响灯具寿命, 而充分点燃后稳定的弧光放电, 不影响灯具的寿命,因此H ID灯要在足够电压下充分预热20m in, 然后将电压缓慢降低, 稳定电弧, 降低灯管温度, 延长灯具寿命。
HID 路灯, 同样采用电感高压点火启动, 如果采用"慢斜坡降压软启动", 每天启动点火将增加到100多次或更多(如果电压不足, 每秒将重复点火50次) , 如果开灯电压足够, 点火1~ 2次就能启动。因此"慢斜坡软启动"将严重损伤灯具。
有些公司还将"启动大电流"导致能量浪费作为宣传, 这是无任何科学道理的。
采用"高频PWM 交流稳压调压器"技术的路灯节电器, 由于电压的高速无级连续调节, 假设软启动是科学的, 将很容易实现。节能公司应秉着科学态度, 认真考虑这个问题, 不要炒作这些概念, 误导照明节能技术。
3 与传统思维观念、技术规范的冲突
3.1照明线路末端电压
在以往不注重节能的时代, 路灯设计需要考虑末端电压, 其电压值要保证灯具额定电压的下限以上。建设部"十一五"城市绿色照明工程规划纲要实施细则中规定, 在电网电压不稳定的地方可采用稳压或降压装置, 但照明线路末端电压不应小于198V。这是保障灯能点燃的必须条件。
但同样, 照明节能是新事物, 需要客观分析对待, 而建设部在制定细则时, 是根据固定降压节电器提出来的, 即开灯就降压, 需要保障末端电压在198V 以上, 否则新灯都有可能点不着。中国照明网技术论文·LED照明
但是, 采用"高频PWM 交流稳压调压器"技术的路灯节电器, 在开灯时总是全电压预热20 m in,在灯温、电弧、电流稳定后精密连续调压, 在需要时将电压调到钠灯130V, 金卤灯150V, 不管是节电率还是延长灯具寿命, 都是非常满意的。
另外, 灯充分点燃后逐步降压节能, 随着导线电流的减小, 末端压降由不节能时的20V, 变得可能只有5V, 因此, 采用"高频PWM 交流稳压调压器"技术的路灯节电器产品, 由于电压精密无级下调, 前端电压降低明显, 末端电压降低反而不明显。
但需要说明的是: "开灯预热电压必须在198V以上", 进入节能后电压可以在198V 以下。
3.2一味追求节电率
节能同时需要保障照明的基本功能, 即: "不影响正常照明同时, 极大限度地节约能源, 延长灯具使用寿命"。
遗憾的是, 包括政府、路灯部门和经销商, 都一味追求节电率, 有的在招标中, 单纯将节电率看成主要指标(不考虑照度情景需求), 这样招标的结果是, 事后工程完工, 市民投诉, 公安局投诉, 在这种情况下, 设备逼迫旁路运行。
如果没有"按时段情景节能功能", 只是一味追求节电率, 只需将高压变压器调低一档, 或将灯功率换小, 或摘除一部分灯。
尽管采用"高频PWM 交流稳压调压器" 技术的路灯节电器, 是所有照明节能产品中节电率最高的, 但并不主张一味追求节电率。如果一味追求节电率, 将使城市/商业综合经营成本上升, 因为这将使恶性事件上升, 交通事故增加, 居民消费下降, 税收减少, 商场营业额下滑, 工厂次品率上升以及生产效率下降。
3.3关于照明节能中的"照度损失问题"
采用降压调亮节能的技术中, 节能是以降低照明输出功率为代价的, 因此照度必然会有损失。恰恰是由于照明节能牺牲(节约)有功功率, 照明节能才是科学并且是可行的。
在工程实际中, 经测量以及人工观测, 当电压在220V 附近小范围下降时( 220 ~ 195V ) , 电压下降, 功率成平方快速下降, 此时照度只是轻微下降,节电率在15%以内。在195V 继续下降, 照度出现比较大的下降幅度。因此建议对照度要求比较高的场所, 控制电压在195V 以上, 如果对照度没有要求, 可以将电压控制在195~ 170V 的程度, 节电率可达30%或更高。
另外, 照明是与人感受相关的概念, 一味机械地强调照度是没有实际意义的, 也是不科学的, 需要将人眼的生物效应、心理效应、实际工况对照明分时段的需求等结合起来考虑。比如人的瞳孔会根据外界光线自动调节, 人瞳孔生物调节是需要时间的,也是有一定范围的, 在暗环境下会自适应。
单灯控制和集中控制试验表明: H ID灯具有非常好的宽范围调光特性, 理想功率(亮度)调节范围为100% ~ 10% , 在全亮到微亮时, 电弧十分稳定, 也就是说, 根据需要, 在微亮时, 节能高达90%, 灯具寿命极大延长。
不要片面要求照度问题, 特别时后半夜人迹稀少的道路照度。
3.4路灯节能改造与路灯管理水平提高
全国路灯管理受地域差别等因素影响, 各地路灯控制线路差别很大。
而国家道路照明规范, 对路灯工程的验收制约力度十分有限, 加上路灯后期工程的改扩建, 这样就导致路灯线路十分复杂, 有许多不合理和不规范。
比如"半夜灯控制", 虽然国家规定必须采用"双回路"控制方式, 保障前半夜和后半夜线路都能做到"三相平衡", 但这需要多出一倍的电缆用量(当然, 线径可减少一半) , 工程接线相对复杂。再加上相关部门无规范的验收程序, 因此, 大多路灯工程公司采用单回路节省成本, 导致前后半夜电流均不平衡, 零线电流非常大, 灯具电压波动严重。
再比如, 许多城市, 特别是"历史久远"的大城市, 目前还在使用, 并继续在新建路段使用单相高压变压器供电, 这完全违背"三相就近平衡"原则。对高压电网, 以及输配发电, 冲击较大, 有的单相变压器合闸开灯电流高达500A。
在控制方面, 一般电气规范要求时钟控制接触器"线包"火线电压, "线包"零线接零线排, 但有些路灯控制系统却相反, "线包"火线固定, 时钟控制零线。这将导致维修时, "线包"带电, 不符合安全要求。
在工程实践中, 有些路灯控制柜不接地, 有些错误理解"安全地线"与"零线", 干脆将机箱外壳接"零线排", 这是非常危险的。路灯电网电压偏离是常见的, 从205 ~ 240V 不等, 但也有一些路况, 电压高达260V, 在我国西南小水电多的地区比较普遍。
特别值得一提的是, 路灯节能是新技术在传统线路上的改造, 这就需要对传统路灯控制进行一些"科学革新", 尤其是引入"以人为本, 情景节能"理念, 需要科学合理的技术方案, 对传统控制进行"改造"。
路灯金卤灯、钠灯等H ID灯, 需要全电压或额定电压充分预热, 然后才能做"情景无级调节节能, 深度节能", 否则, 低压或降压开灯, 有许多灯难点燃, 并且严重影响灯具寿命。
因此, 应该采用节电器接入电力总线, 附加"接触器"监控板, 监控多路开灯接触器"线包"信号, 当开灯时, 由电脑板判断输出电压是否足够点灯, 如果是, 立即开灯, 如果电压进入节能状态, 并且不足以点灯, 设备快速提升电压到足够高, 再开灯, 随后进入以前的节电水平。
考虑到路灯管理部门的顾虑, 担心设备改动,如果节电器故障, 恢复困难, 采取透明方式处理, 如果设备旁路开关打下, 所有主电力线、时钟与对应接触器连线, 自动恢复原有状况, 与没有安装节电器一样。如果设备进入节能, 节电器设备才发出强制接管时钟信号, 这样设备故障时自动不接管, 恢复原有线路。
路灯管理部门日常重要的工作是修灯, 在传统电磁固定调压情况下, 路灯部门带电修灯, 换上新灯, 可能由于目前出于降压状态, 新灯也点不着, 因此, 需要在路灯节电器软件中增加修灯命令, 即: 发现灯故障后, 启动修灯命令, 线路电压迅速提升到电网电压, 提供2~ 3 h修灯时间, 设备自动进入以前的节电水平。
某公司从2008年开始研发路灯节能控制柜、将路灯控制柜、节能柜、远程监控、电缆防盗、天文钟合成一体, 目前已经在多个城市使用。这是今后路灯控制的发展方向。中国照明网技术论文·LED照明
在对金卤灯、钠灯的研究中, 发现许多有趣的现象。对H ID 灯进行无级精密调压时, 如果调压速度过快, 灯闪烁严重, 如果不断流突变调压, 3V突变, 很大可能导致金卤灯灯熄灭, 5V突变可能导致钠灯熄灭。
在作精密较快连续调压时, 如果电压逐步升高, 电流尾随上升很快, 调压停止, 电流继续增加,不变, 然后电流回落。同样如果电压下调, 电流急剧下降, 不变, 然后回升。
在比较快速的调压中, 表现出比较大的电流惯性, 如果调压速度快, 还出现灯闪烁现象。
对金卤灯、钠灯的节能控制, 特别要关注灯管温度、电压、电流、压强的平衡, 过快的调节, 使这种平衡遭到破坏, 因而引起灯的闪烁, 甚至熄灭。
4结语
我国以及全球城市道路照明规模十分庞大, 同时, 城市道路照明非常适合"情景节能", 与此相关的新技术也将不断出现。作为地方政府, 城市道路照明节能改造, 既是节能形势所需, 也是对"节能减排"最好的示范。
通过对照明节能技术的研究和相关理念的探索, 城市道路照明节能工作一定会得到一个飞跃发展。
