路灯单灯节能技术探讨

 

一、 问题的提出 能源危机一直困绕着世界，处于经济迅速发展周期中的中国也日益感受到了节约能源的重要性和紧迫性。占我国总用电量近五分之一的照明用电，则是我国节能工作 的重要内容。照明用电中，路灯占有相当份额。路灯数量大，线路工作时间长，耗能相当大，故路灯的节能是一项非常有潜力的项目。 目前我国的道路灯基本都采用高压钠灯照明，燃点线路中也主要是传统的电感镇流器。由于电感镇流器自身功耗大、功率因素低，因此针对电感式镇流方式的节能研究就是一个主要的节能研究方向。 不按道路车流通行密度状况，长时间用单一功率照明，这是目前路灯的实际状况，如果改变这种照明方式，分时段采用不同功率照明，即每晚车行密度低时降功率照明，这里面也就存在相当大的可挖掘的节能潜力。 国际铜业协会（中国）和中国照明学会成立的我国《节能型电感镇流器推广工作协调组》在我国组织众多节能式电感镇流器的研发推广工作，曾多次就道路照明节能举行了专题研讨会，取得较好的社会反映。 二、 高压钠灯路灯节能技术简介 目前我国道路灯具市场上普遍采用高压钠灯为光源。高压钠灯采用交流电子镇流器时机尚未成熟，广泛采用的仍是电感式镇流器，因而针对电感式镇流方式的节能研究应是现实而便捷的有效途径。 由此高压钠灯为光源的路灯节能方向主要是两个方面：即，一方面由于高压钠灯的电感镇流线路中电感镇流器的自损耗大的问题，另一方面是路灯单一输出功率固定 不变，无法适应路灯长时间工作过程中某些时段路面只须低照度而用高功率光源照明所造成的不必要浪费问题。因此功耗小的节能型电感镇流器和单灯分时段降功率 使用即为可行的节能方向。 1、  镇流器部分： 普通电感式镇流器是一种高电感低电阻元件，主要缺点是功率因素低，自身功耗大。传统电感镇流器自身损耗占灯功率的10%～30%。由于传统电感镇流器制作 厂家追求利润成本，在镇流器结构、铁芯材质、导线选择方面不尽合理，造成总损耗增大。因此，降低电感镇流器自身损耗是节能目标之一。    图1  常规镇流器点灯线路示意图    由此，必须对电感镇流器进行科学严格的设计制作，按相关的能效标准，设计节能型电感镇流器。    节能性电感镇流器就是在传统电感镇流器基础上进行技术改进，大幅降低自身功耗的节能型产品。 电感镇流器自身总损耗是铁芯截面积、片宽、窗口面积、窗宽及最大磁通密度的函数。即损耗表现为铁损和铜损两部分。铁损由铁芯材质、形状、尺寸决定，铜耗由 线圈导线长度及截面积决定。通过计算和实验，可以优选出上述各项参数，使镇流器在额定视在功率和规定的温升范围内，做到铜损、铁损最小。 铁芯磁路长短与铁功耗有关。通常使用的芯型E型，磁路较长，铁耗较大。而环形磁路最短，功耗最小。选择适当铁芯截面可做到铜耗最小，同时选择适当的铁芯材料的磁通密度Bm，平衡各项参数，即： a、选择合适的芯型   b、设计适当的铁芯截面  c、选择合理的Bm值 可使镇流器自身损耗减少40～50%，同时又控制了温升，做到可靠性好。 节能性电感镇流器由于具备：①比传统电感镇流明显节能；②温升低、安全性能好；③噪声低等优点符合节能环保的绿色照明原则，是值得发展的方向性产品。 2、路灯变换功率使用 道路灯工作时间长，线路分散，上下半夜道路的车流行人通行密度相差很大，在道路通行密度大时采用高光通照明而在通行密度小时采用低光通照明无疑是一种明智 而节俭的科学做法，可在路灯燃点线路中设计一个预置时间变换线路来改变单灯燃点功率。在不降低道路交通安全性的前提下，通过变换控制器将路灯燃点功率从高 车流密度时的全功率运行变换到低车流密度时的60%额定功率运行，从而达到显著的节能效果。 在该模式中，每天傍晚18：00开始通电点灯，钠灯工作于满功率输出状态，直到深夜24：00，车少人稀时，进行功率转换使钠灯在60%的额定功率下运行。在早上6：00， 天亮时系统断电关灯。 现提出两种镇流器变档措施： A：在原有功率的镇流器线路中定时增加一只补充电感镇流器，使得原线路镇流电感增大，达到需要的光源燃点功率变小，达到节电目的。如图（3）

 

图中L1为原有较大功率镇流器，L0为补入的电感镇流器。L1+ L0后总的镇流电流变小，光源运行在较低功率状态。K0在较高功率运行时为闭合态。L0应是高功率和低功率时两种线路中镇流器阻抗差值，但当高功率镇流器 以低功率运行时，其工作电流降低，由于工作电流减少，则镇流器L1自身的功耗降低，基本可抵消增加的L0自身功耗。 该方法适合已建成路灯，只需增加一只小电抗器和时间控制线路即可。

B、节能型电感镇流器设计抽头，形成双输出功率，然后定时控制功率变换。

该方法由于镇流器本身能耗小，加之时间段功率控制，综合节能效果明显，但节能感镇流器多为环行等短磁路特殊磁芯，材质好，加工难，绕制复杂，成本高。 图4  变功率镇流器点灯线路示意图

功率 开关电路

隔离驱动

单 片 机

振荡触发

电源电路

控制器主要采用时间预置式功率输出，原则是功能可靠，结构紧凑，成本低，其原理如图：
特点：

² 采用单片机编程：高精度延时，延时时间可调。 ² 采用专用触发IC，抗干拢能力强，同步性能好。 ² 采用光电隔离驱动电路，隔离高低两路电压、隔离程序和驱动两种电路。 ² 采用低功耗设计，空载功耗小于1W，负载功耗≤2W。 主要的节能部分在分时段控制单灯功率输出方面，对上述不同镇流器均可控制功率变档，由于路灯主要是功率为400W和250W的高压钠灯，控制的功率变档也主要是400W>250W和250W>150W两种。 三、适合旧路灯节能改造的电抗器法节能技术： 普通电感镇流器增加降功率电抗器，适用于已建的运行中路灯节能改造。 经正规检测，在保证光源总光通中分别从400W的46000切换到250W的25000左右和250W的28000切换到150W地14000左右前提下，光源功率分别降低相应值，并且进行功率因素补偿条件下的功率切换实验，典型数据如下：

电源电压	原功率 （W）	切换后功率 （W）	原光源光通 （lm）	切换后光通 （lm）	cosф（补偿55μf） （前/后）
220	401	255	46500	25900	0.95/0.93
220	216	147	28200	14300	/

电抗节能器体积小，可适应多种灯杆内空腔安装，控制器切换时间可事先设定。   四、经济分析 我国路灯大多为400W和250W功率的高压钠灯，采用功率变换技术，主要以400W变换为250W和250W变换为150W计。 由于普通型镇流器功耗约占功率12%～14%左右，我们以市面上较高质量的电感镇流器产品计，则整灯功率消耗如下表：

名称规格	单灯正常消耗功率（W）	单灯低功耗功率（W）	节省功耗（W）
250W HPS	275	170	105
400W HPS	440	275	125

变换器自身也有一定功耗，每只以5W计。设路灯工作时间为18:00～6:00，共工作12小时，其中下半夜6小时从高功率变换为低功率工作，则每年365天路灯在低功率状态下工作时间为2190小时，则每盏路灯节电量和节电费用（以0.50元/度计）如下： 若以本技术推广应用各1000套路灯计，则每年可节省电费为： （109.5+131.4）×1000=24.09万元 考虑到变换器等新增器件投入部分单灯总费用约新增120元左右，则该节能技术应可在约一年时间内收回成本。 重要的是我国发电型多为火电，路灯长期的节电效果在少发电、少排放污染、改善环境方面的作用更是意义重大的工作。