由于城市道路照明節(jié)能屬節(jié)能新領域, 人們對照明理念的創(chuàng)新需要時間, 對控制以及電力電源產品技術需要完善, 因此, 在照明節(jié)能事業(yè)中難免出現(xiàn)一些誤導, 甚至是錯誤的觀點觀念。
采用高效節(jié)能燈具的城市道路照明, 在控制節(jié)能方面, 由于新技術與傳統(tǒng)路燈控制需要科學銜接, 實際工程中也存在許多觀念的沖突, 需要參與各方從發(fā)展角度, 理解??以人為本, 情景節(jié)能??的重要內涵, 從而協(xié)商一個合理解決方案。
對發(fā)展過程中的誤導或錯誤, 不管是有意或無意, 都必須及時加以糾正和引導, 否則, 會導致照明節(jié)能走上彎路, 甚至會嚴重影響節(jié)能的積極性和市場的發(fā)展。
基于以上原因, 本文收集來自路燈照明節(jié)能工程中的技術信息, 包括許多城市道路照明技術細節(jié)理念、觀點, 以便理清節(jié)能思路。
1 照明節(jié)能技術
1.1突變/閃斷調壓對燈具的影響
目前大部分路燈是H ID 金鹵燈、鈉燈, 電流的切斷使設備易受拉弧損壞, 燈具熄滅, 再次點火, 嚴重縮短燈具壽命。鈉燈在不切斷電流時電壓突變5V 以上將引起電弧漂移而熄滅, 金鹵燈在3V 突變時電弧不穩(wěn)熄滅。因此, 早期的電磁換檔的商業(yè)運作, 已經(jīng)產生了嚴重的不良后果。江西南部某城市出現(xiàn)過類似現(xiàn)象, 以至于建設部對路燈照明節(jié)能持非常慎重態(tài)度, 并在"十一五"城市綠色照明工程規(guī)劃綱要中規(guī)定, 在調壓時嚴禁出現(xiàn)瞬間滅燈現(xiàn)象。在經(jīng)濟比較發(fā)達的江浙地區(qū), 大面積上的電磁節(jié)能產品已被拆除。
為了解決閃斷突變, 目前國內有幾個節(jié)能公司, 推出"進口"碳刷的自藕調壓器, 但面對大電流和感性負載, 以及灰塵潮濕, 產品存在安全問題。采用"高頻PWM 交流穩(wěn)壓調壓器"技術的路燈節(jié)電器, 由于使用高頻化電力電子控制, 無觸點連續(xù)精密調節(jié)穩(wěn)定輸出電壓, 是目前較理想的城市道路照明控制節(jié)能產品。
1.2電磁固定降壓節(jié)能的危害
傳統(tǒng)電磁調壓節(jié)電器一般分為三相統(tǒng)一調零換檔、三相獨立調零換檔、三相獨立補償換檔、碳刷自偶變壓器調節(jié)補償調壓等。這些產品都有調壓功能, 但由于電磁換檔或碳刷閃斷沖擊, 輸出故障電力, 燈具熄滅, 設備沖擊, 電網(wǎng)浪涌, 商場電腦損壞, 因此實際使用時都在固定調壓位置。而固定調壓存在以下問題:
( 1)固定降壓節(jié)電器, 節(jié)電不節(jié)錢, 燈具壽命縮短, 換燈成本和工程費高。
固定降壓產品節(jié)能產品, 如果固定降5V, 節(jié)電率太低, 固定降10V, 節(jié)電率也不高, 如果開燈就降20V, 開燈時就有許多燈亮不起來。即使全部換上新燈, 用上3 個月就變成舊燈, 這些燈在200V 下難以點燃, 為了節(jié)能就得換下, 其實這些燈在正常電壓可繼續(xù)使用。
( 2)開燈就降壓, 會帶來一系列社會問題。
傍晚需要高亮度照明時, 燈光昏暗, 交通事故增加, 惡性事件頻發(fā), 同時影響城市形象和居民生活, 群眾和公安投訴嚴重。
( 3)無法按需照明, 浪費嚴重。
上半夜電網(wǎng)負荷重, 需要照明時燈光暗; 下半夜電壓高, 不需要照明時, 燈光反而更亮。
( 4)不符合環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展。
耗用大量高能耗且稀有銅材和矽鋼, 被盜和破壞嚴重, 同時大量使用, 將導致更大的環(huán)境污染和能源浪費。
1.3碳刷調節(jié)補償調壓及SCR 數(shù)控補償調壓面臨的挑戰(zhàn)
對于照明節(jié)能, 尤其是路燈節(jié)能, 固定降壓目前已經(jīng)表現(xiàn)出許多弊端, 如有時新燈在低壓下也無法啟動, 電磁換檔也出現(xiàn)燈滅和設備的損毀。
因此有些節(jié)能企業(yè)將碳刷補償無級調壓用于照明節(jié)能, 用伺服電機帶動鏈式碳刷, 實現(xiàn)調壓穩(wěn)壓, 但專家對其可靠性存在質疑, 以至于廠家在注意事項中也作描述:"每月至少維護一次, 用極細砂紙打磨銅表面如新, 密切注意, 如有異味或冒煙, 立即切斷電源, 并通知廠家"。試想, 每個路燈配電柜派一個人值班,這不現(xiàn)實的。
可控硅代替接觸器, 實現(xiàn)無觸點補償調壓, 這種技術稱為"數(shù)控式調壓", 在通訊和電臺等IT 行業(yè)有應用(后端整流橋電路, 無電流滯后) , 但在路燈方面, 由于負載為感性, 電流電壓相位復雜, 容易換相失敗, 需要大功率電阻吸收短路電流, 電阻功耗大, 設計困難, 功率難做大, 檔位調節(jié)還存在電壓突變現(xiàn)象。盡管經(jīng)過十多年的發(fā)展, 目前國內數(shù)控式調壓穩(wěn)壓在路燈方面的應用還都不成熟。
2 照明節(jié)能理念中國照明網(wǎng)技術論文·LED照明
2.1 "以人為本"節(jié)能和"情景照明"節(jié)能的重要性
節(jié)能應是在不影響正常照明的同時, 極大限度地節(jié)約能源, 保護燈具和延長燈具使用壽命。
對不同場合, 制定出相應"以人為本"、"按需調亮"、"情景控制"的節(jié)能模式, 節(jié)能技術要保證實現(xiàn)的可行性, 這樣, 才能消除照明節(jié)能的負面影響或使影響極小化。
既然照明是以人的感受為目的, 根據(jù)生物效應, 傍晚人尚未適應暗環(huán)境, 所以需要高亮照明。商場人少時可以降低亮度, 人多的晚上和節(jié)假日,需要高照度。路燈是城市文明的象征, 同時也要滿足交通安全和社會治安要求, 但路燈隔盞亮和半夜燈, 又將導致40多米的陰影, 難以保障交通安全和社會治安, 是得不償失的節(jié)能方法。
面對照明節(jié)能的新挑戰(zhàn), 有許多自身的客觀規(guī)律, 而這些規(guī)律可能一時還難以理解, 但卻是科學的。比如高速公路隧道白天需要高亮度照明, 商場白天也要少節(jié)能或不節(jié)能, 路燈傍晚最需要高亮度照明(醫(yī)院統(tǒng)計, 此時交通事故最多)等等。
2.2 "無條件保障照明"理念
"無條件保障照明功能", 對路燈管理部門非常重要。照明節(jié)能是錦上添花的事, 不能由于節(jié)能, 導致路燈故障, 尤其是滅燈現(xiàn)象的發(fā)生。因此, 在系統(tǒng)設計路燈節(jié)能產品時, 必須考慮,設備任何部件損壞時, 將自動系統(tǒng)旁路, 該亮燈時出現(xiàn)燈熄滅現(xiàn)象, 系統(tǒng)自動旁路, 實現(xiàn)無條件保障照明。
2.3 HID金鹵燈鈉燈預熱問題
很多HID金鹵燈鈉燈經(jīng)銷商希望去除預熱時間, 或將預熱時間調到1m in, 理由是, 哪怕半分鐘的節(jié)能, 都將影響到節(jié)電率, 否則勝算的可能性就是對手。
再加上路燈管理部門以前也沒有預熱的概念,所以節(jié)電設備供應的雙方或多方, 都被"強制"不需要預熱時間, 一心追求節(jié)電率。
HID燈的啟動分2個過程, 點火時不穩(wěn)定的"輝光"放電和10m in后的"弧光"放電,"輝光"放電嚴重影響燈具壽命, 因此希望時間越短越好。為減少"輝光"放電時間, 點燈后必須維持足夠長時間的額定預熱電壓。
從外部看, 如果燈電流開始下降到穩(wěn)定運行電流, 則開始結束"輝光放電"; 從溫度看, 如果燈管溫度達到穩(wěn)定溫度, 則開始結束"輝光放電"。為使"輝光"盡快結束, 必須維持比較高的電壓, 發(fā)出更多的熱快速加熱燈管。
有些公司把充分預熱說成是如"煲湯", 需要"急火"燒開, 然后"文火"長時間燉, 可節(jié)省能量,這種比喻也不妥帖。開燈時鈉燈或金鹵燈, 在額定電壓或全電壓下充分預熱10~ 20 m in, 對燈管壽命有極大影響, 對節(jié)電率損失卻可忽略不計(路燈照明時間一般每天10h, 600m in)。
2.4照明節(jié)能的"慢斜坡軟啟動"危害
電機啟動時, 由于通電電網(wǎng)電源頻率50H z, 而此時電機從靜態(tài)開始, 電機轉速頻率為0, 因此瞬間形成頻率短路, 啟動電流高達額定電流的3~ 8倍, 持續(xù)時間直達電機正常運轉( 最長達10s以上) , 對配電線路、設備和電網(wǎng)都造成危害。因此需要電機軟啟動、變頻啟動和星三角啟動, 以減少電網(wǎng)沖擊。
HID 燈啟動, 由于補償電容的原因, 合閘瞬間( 2ms, 0.002s) , 有很大啟動尖峰電流, 和電機啟動堵轉不一樣的是, 這種尖峰電流不會因為降低電壓啟動而減小許多, 因為這是電容電壓突變引起的電容充電電流。如果沒有補償電容, 這種啟動電流也就不存在, 如果補償電容存在, 降到100V 啟動也會有這種短路瞬間電流存在。
應該說, H ID燈存在啟動電流, 但不是象電機那樣額定值的許多倍, 只是1.2~ 1.3倍, 而且這種電流是與燈溫度相關, 必須10m in以上加熱到穩(wěn)定溫度, 電流才會下降。
另外, 電感式日光燈, 每開關燈一次, 會降低許多壽命, 因此如果短時間關燈離開, 還不如不關燈,原因是開燈時多次高壓輝光點火, 嚴重損傷燈的陰極, 特別是電網(wǎng)電壓低, 頻繁多次不斷啟動, 大大縮短燈的壽命。
開燈前期的輝光過渡階段, 影響燈具壽命, 而充分點燃后穩(wěn)定的弧光放電, 不影響燈具的壽命,因此H ID燈要在足夠電壓下充分預熱20m in, 然后將電壓緩慢降低, 穩(wěn)定電弧, 降低燈管溫度, 延長燈具壽命。
HID 路燈, 同樣采用電感高壓點火啟動, 如果采用"慢斜坡降壓軟啟動", 每天啟動點火將增加到100多次或更多(如果電壓不足, 每秒將重復點火50次) , 如果開燈電壓足夠, 點火1~ 2次就能啟動。因此"慢斜坡軟啟動"將嚴重損傷燈具。
有些公司還將"啟動大電流"導致能量浪費作為宣傳, 這是無任何科學道理的。
采用"高頻PWM 交流穩(wěn)壓調壓器"技術的路燈節(jié)電器, 由于電壓的高速無級連續(xù)調節(jié), 假設軟啟動是科學的, 將很容易實現(xiàn)。節(jié)能公司應秉著科學態(tài)度, 認真考慮這個問題, 不要炒作這些概念, 誤導照明節(jié)能技術。
3 與傳統(tǒng)思維觀念、技術規(guī)范的沖突
3.1照明線路末端電壓
在以往不注重節(jié)能的時代, 路燈設計需要考慮末端電壓, 其電壓值要保證燈具額定電壓的下限以上。建設部"十一五"城市綠色照明工程規(guī)劃綱要實施細則中規(guī)定, 在電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定的地方可采用穩(wěn)壓或降壓裝置, 但照明線路末端電壓不應小于198V。這是保障燈能點燃的必須條件。
但同樣, 照明節(jié)能是新事物, 需要客觀分析對待, 而建設部在制定細則時, 是根據(jù)固定降壓節(jié)電器提出來的, 即開燈就降壓, 需要保障末端電壓在198V 以上, 否則新燈都有可能點不著。中國照明網(wǎng)技術論文·LED照明
但是, 采用"高頻PWM 交流穩(wěn)壓調壓器"技術的路燈節(jié)電器, 在開燈時總是全電壓預熱20 m in,在燈溫、電弧、電流穩(wěn)定后精密連續(xù)調壓, 在需要時將電壓調到鈉燈130V, 金鹵燈150V, 不管是節(jié)電率還是延長燈具壽命, 都是非常滿意的。
另外, 燈充分點燃后逐步降壓節(jié)能, 隨著導線電流的減小, 末端壓降由不節(jié)能時的20V, 變得可能只有5V, 因此, 采用"高頻PWM 交流穩(wěn)壓調壓器"技術的路燈節(jié)電器產品, 由于電壓精密無級下調, 前端電壓降低明顯, 末端電壓降低反而不明顯。
但需要說明的是: "開燈預熱電壓必須在198V以上", 進入節(jié)能后電壓可以在198V 以下。
3.2一味追求節(jié)電率
節(jié)能同時需要保障照明的基本功能, 即: "不影響正常照明同時, 極大限度地節(jié)約能源, 延長燈具使用壽命"。
遺憾的是, 包括政府、路燈部門和經(jīng)銷商, 都一味追求節(jié)電率, 有的在招標中, 單純將節(jié)電率看成主要指標(不考慮照度情景需求), 這樣招標的結果是, 事后工程完工, 市民投訴, 公安局投訴, 在這種情況下, 設備逼迫旁路運行。
如果沒有"按時段情景節(jié)能功能", 只是一味追求節(jié)電率, 只需將高壓變壓器調低一檔, 或將燈功率換小, 或摘除一部分燈。
盡管采用"高頻PWM 交流穩(wěn)壓調壓器" 技術的路燈節(jié)電器, 是所有照明節(jié)能產品中節(jié)電率最高的, 但并不主張一味追求節(jié)電率。如果一味追求節(jié)電率, 將使城市/商業(yè)綜合經(jīng)營成本上升, 因為這將使惡性事件上升, 交通事故增加, 居民消費下降, 稅收減少, 商場營業(yè)額下滑, 工廠次品率上升以及生產效率下降。
3.3關于照明節(jié)能中的"照度損失問題"
采用降壓調亮節(jié)能的技術中, 節(jié)能是以降低照明輸出功率為代價的, 因此照度必然會有損失。恰恰是由于照明節(jié)能犧牲(節(jié)約)有功功率, 照明節(jié)能才是科學并且是可行的。
在工程實際中, 經(jīng)測量以及人工觀測, 當電壓在220V 附近小范圍下降時( 220 ~ 195V ) , 電壓下降, 功率成平方快速下降, 此時照度只是輕微下降,節(jié)電率在15%以內。在195V 繼續(xù)下降, 照度出現(xiàn)比較大的下降幅度。因此建議對照度要求比較高的場所, 控制電壓在195V 以上, 如果對照度沒有要求, 可以將電壓控制在195~ 170V 的程度, 節(jié)電率可達30%或更高。
另外, 照明是與人感受相關的概念, 一味機械地強調照度是沒有實際意義的, 也是不科學的, 需要將人眼的生物效應、心理效應、實際工況對照明分時段的需求等結合起來考慮。比如人的瞳孔會根據(jù)外界光線自動調節(jié), 人瞳孔生物調節(jié)是需要時間的,也是有一定范圍的, 在暗環(huán)境下會自適應。
單燈控制和集中控制試驗表明: H ID燈具有非常好的寬范圍調光特性, 理想功率(亮度)調節(jié)范圍為100% ~ 10% , 在全亮到微亮時, 電弧十分穩(wěn)定, 也就是說, 根據(jù)需要, 在微亮時, 節(jié)能高達90%, 燈具壽命極大延長。
不要片面要求照度問題, 特別時后半夜人跡稀少的道路照度。
3.4路燈節(jié)能改造與路燈管理水平提高
全國路燈管理受地域差別等因素影響, 各地路燈控制線路差別很大。
而國家道路照明規(guī)范, 對路燈工程的驗收制約力度十分有限, 加上路燈后期工程的改擴建, 這樣就導致路燈線路十分復雜, 有許多不合理和不規(guī)范。
比如"半夜燈控制", 雖然國家規(guī)定必須采用"雙回路"控制方式, 保障前半夜和后半夜線路都能做到"三相平衡", 但這需要多出一倍的電纜用量(當然, 線徑可減少一半) , 工程接線相對復雜。再加上相關部門無規(guī)范的驗收程序, 因此, 大多路燈工程公司采用單回路節(jié)省成本, 導致前后半夜電流均不平衡, 零線電流非常大, 燈具電壓波動嚴重。
再比如, 許多城市, 特別是"歷史久遠"的大城市, 目前還在使用, 并繼續(xù)在新建路段使用單相高壓變壓器供電, 這完全違背"三相就近平衡"原則。對高壓電網(wǎng), 以及輸配發(fā)電, 沖擊較大, 有的單相變壓器合閘開燈電流高達500A。
在控制方面, 一般電氣規(guī)范要求時鐘控制接觸器"線包"火線電壓, "線包"零線接零線排, 但有些路燈控制系統(tǒng)卻相反, "線包"火線固定, 時鐘控制零線。這將導致維修時, "線包"帶電, 不符合安全要求。
在工程實踐中, 有些路燈控制柜不接地, 有些錯誤理解"安全地線"與"零線", 干脆將機箱外殼接"零線排", 這是非常危險的。路燈電網(wǎng)電壓偏離是常見的, 從205 ~ 240V 不等, 但也有一些路況, 電壓高達260V, 在我國西南小水電多的地區(qū)比較普遍。
特別值得一提的是, 路燈節(jié)能是新技術在傳統(tǒng)線路上的改造, 這就需要對傳統(tǒng)路燈控制進行一些"科學革新", 尤其是引入"以人為本, 情景節(jié)能"理念, 需要科學合理的技術方案, 對傳統(tǒng)控制進行"改造"。
路燈金鹵燈、鈉燈等H ID燈, 需要全電壓或額定電壓充分預熱, 然后才能做"情景無級調節(jié)節(jié)能, 深度節(jié)能", 否則, 低壓或降壓開燈, 有許多燈難點燃, 并且嚴重影響燈具壽命。
因此, 應該采用節(jié)電器接入電力總線, 附加"接觸器"監(jiān)控板, 監(jiān)控多路開燈接觸器"線包"信號, 當開燈時, 由電腦板判斷輸出電壓是否足夠點燈, 如果是, 立即開燈, 如果電壓進入節(jié)能狀態(tài), 并且不足以點燈, 設備快速提升電壓到足夠高, 再開燈, 隨后進入以前的節(jié)電水平。
考慮到路燈管理部門的顧慮, 擔心設備改動,如果節(jié)電器故障, 恢復困難, 采取透明方式處理, 如果設備旁路開關打下, 所有主電力線、時鐘與對應接觸器連線, 自動恢復原有狀況, 與沒有安裝節(jié)電器一樣。如果設備進入節(jié)能, 節(jié)電器設備才發(fā)出強制接管時鐘信號, 這樣設備故障時自動不接管, 恢復原有線路。
路燈管理部門日常重要的工作是修燈, 在傳統(tǒng)電磁固定調壓情況下, 路燈部門帶電修燈, 換上新燈, 可能由于目前出于降壓狀態(tài), 新燈也點不著, 因此, 需要在路燈節(jié)電器軟件中增加修燈命令, 即: 發(fā)現(xiàn)燈故障后, 啟動修燈命令, 線路電壓迅速提升到電網(wǎng)電壓, 提供2~ 3 h修燈時間, 設備自動進入以前的節(jié)電水平。
某公司從2008年開始研發(fā)路燈節(jié)能控制柜、將路燈控制柜、節(jié)能柜、遠程監(jiān)控、電纜防盜、天文鐘合成一體, 目前已經(jīng)在多個城市使用。這是今后路燈控制的發(fā)展方向。中國照明網(wǎng)技術論文·LED照明
在對金鹵燈、鈉燈的研究中, 發(fā)現(xiàn)許多有趣的現(xiàn)象。對H ID 燈進行無級精密調壓時, 如果調壓速度過快, 燈閃爍嚴重, 如果不斷流突變調壓, 3V突變, 很大可能導致金鹵燈燈熄滅, 5V突變可能導致鈉燈熄滅。
在作精密較快連續(xù)調壓時, 如果電壓逐步升高, 電流尾隨上升很快, 調壓停止, 電流繼續(xù)增加,不變, 然后電流回落。同樣如果電壓下調, 電流急劇下降, 不變, 然后回升。
在比較快速的調壓中, 表現(xiàn)出比較大的電流慣性, 如果調壓速度快, 還出現(xiàn)燈閃爍現(xiàn)象。
對金鹵燈、鈉燈的節(jié)能控制, 特別要關注燈管溫度、電壓、電流、壓強的平衡, 過快的調節(jié), 使這種平衡遭到破壞, 因而引起燈的閃爍, 甚至熄滅。
4結語
我國以及全球城市道路照明規(guī)模十分龐大, 同時, 城市道路照明非常適合"情景節(jié)能", 與此相關的新技術也將不斷出現(xiàn)。作為地方政府, 城市道路照明節(jié)能改造, 既是節(jié)能形勢所需, 也是對"節(jié)能減排"最好的示范。
通過對照明節(jié)能技術的研究和相關理念的探索, 城市道路照明節(jié)能工作一定會得到一個飛躍發(fā)展。
