传统高压钠金卤灯的节能改造技术及方案浅析经典报告.docx
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传统高压钠金卤灯的节能改造技术及方案浅析经典报告.docx
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传统高压钠金卤灯的节能改造技术及方案浅析经典报告
传统高压钠灯/金卤灯节能改造技术及方案浅析
一、前言
中国改革开放30多年以来,城镇化建设和道路亮化工程得到了高速发展,城市道路照明灯盏数、耗电量逐年以不低于10%的增速迅猛增长;伴随而来的路灯电费已逐渐成为各地政府的一大经济负担。
据统计,2013年,我国仅纳入城市市政管理的道路照明总灯数2000多万只,其中80%以上是传统高压钠灯和5%以上的金卤灯。
要实现“十二五”期末城市照明节电率达到15%,对传统高压钠灯做节能改造已势在必行,刻不容缓。
传统高压钠灯、金卤灯节能改造不外乎两种方案:
一是做换灯改造,工程投资大。
现在很多经济发达地区换成LED、陶瓷金卤灯、氙气灯或高频无极灯,这种改造方案工程量大,投资回收期一般都在五年以上;大量的钠灯换下来,还存在处置回收汞污染的问题。
工程上一般是降低原配光功率以求最大节电率,虽然节能但不节钱。
另外新型光源只是在显色性方面有较大提高,但在光效、光衰、使用寿命、雾雨穿透力等方面都不及传统的高压钠灯。
进入2014年,随着全国范围的雾霾天气的日益恶化,光源的雾透力就变得非常重要,很多地方政府对换光源做节能改造都颇为谨慎,不盲目追求节电率,理性回归到确保交通安全和社会治安的前提下最大限度的节能。
二是不换灯做节能改造,改造工程量小,投资回收期最多不超过三年。
不改变原有线路,在原高压钠灯、金卤灯配电系统上增加无级降压稳压、后半夜变功率调光控制系统,增加或维修线路无功补偿电路,节电率也可以达到30~50%。
工程上只需施工一个混凝土基础、联通PE管、在原配电柜母线和空开之间接入智能节能控制柜;批量安装时,安装调试一个节能控制柜施工工时不超过2个工时,可以在白天完成施工,不影响夜间亮灯。
二、路灯照明高电耗因数
实事求是地讲,道路照明的高电耗问题不是光源本身。
路灯高电耗与供电质量(后半夜高压)、和后半夜长夜灯有直接关系。
大多数人误认为传统的高压钠灯和金卤灯光源才是高电耗的“罪魁祸首”,纷纷做换灯节能改造,这是不客观的,也是不明智的。
电网供电造成的路灯高能耗因素,不管用什么光源都始终存在,必须首先考虑解决降压稳压、后半夜调光的问题,不换灯也同样可以做节能改造。
路灯高电耗因数有以下四个方面:
1、超额定电压送电。
供电部门为了避免输电过程中的各种损耗以及用电高峰期造成线路末端电压过低对用电设备产生的不良影响,而以比标准电压高10%的电压向用户(以单相220V标准电压为例,实际供电电压为:
220+220×10%=242V)供电,以确保供电线路远端的电压不会低于198V。
后半夜输送最高可达254V。
从公式P=U²/R,灯具消耗功率与电压的平方成正比,前半夜电压提高了10%、功率电耗增加了20%,后半夜电压升高了15%,功率电耗增加了30%;这两部分的额外能耗是完全可以通过降压的方式节省能耗。
2、后半夜的长夜灯。
很多城市的路灯都是长夜灯,午夜12点后,道路上行人寥寥无几,即便是北京、上海、广州这样的繁华都市,凌晨2点以后,道路上也已罕见行人、车辆。
从这一时段直至清晨6点路灯熄灭,在低交通流量的道路上仍然保持较高照度显然没有必要的,是完全可以进行调压调光节能。
3、线路电能损耗大。
供电的三相不平衡,造成零序电流过大、零点位移,这会引起某些线路电压的急剧升高,导致线路以及灯具的过功率损耗和损坏,比基本能耗大许多。
这部分节能除选用S11、S9等节能型变压器、路灯特种变压器外,工程上按电流精确选择缆线截面,合理配置三相负荷,能有效地减少在零线电流和环相电流,极大地降低线路损耗,实现节能。
4、无功损耗大。
我国有的城市在早期的亮化工程中没做无功补偿,传统电感整流器的自然功率因数一般小于0.5,照明线路无功电流导致的有功损耗比较大,造成了电能的极大浪费。
“十一五”开始后,国家就要求道路照明要做无功补偿,功率因数不能低于0.85。
无功补偿后,不仅改善了电网供电环境、降低灯具的故障率、延长灯具使用寿命,对照明节能也有明显作用。
三、高压钠灯的性能优势
高压钠灯发出金白色光,120~140lm/W的高光效、透雾透雨性强、功率范围大、技术性能稳定寿命长、成本低、不诱虫等特点,在路灯照明应用中仍有不可替代的性能优势。
安装电感整流器的高压钠灯和金卤灯都具有良好的可调光特性。
电感镇流器呈感性,是一个铁芯电感线圈,电感的性质是当线圈中的电流发生变化时,则在线圈中将引起磁通的变化,从而产生感应电动势,其方向与电流的方向相反,因而阻碍着电流变化,以满足灯具调光恒流的需要。
高压钠灯和金卤灯都是高强度气体电弧放电发光,在点火并充分预热后,只要保持照明电弧电流的连续和稳定缓慢变化,灯管内部电压、电流、温度、压强达到平衡(电压电流闪断、突变会破坏这种平衡,从而导致熄灭和损耗灯具),灯具亮度可实现超宽范围调节。
建城[2011]178号《“十二五”城市绿色照明规划纲要的通知》仍把高压钠灯列为高效照明节能产品中的首选高效节能型光源;中国市政工程协会城市道路照明专业委员会贯彻《“十二五”城市绿色照明规划纲要》实施细则中第四十三条,明确规定“快速路、主干路、次干路和支路应采用高压钠灯,居住区机动车道和行人混合交通道路宜采用高压钠灯”。
近年来,金卤灯、高压钠灯在技术也得到重大突破,高光效陶瓷金卤灯、高显色性高压钠灯在新建道路亮化工程上也得到广泛推广应用,节能效果十分显著。
应该说高压钠灯、金卤灯仍是道路照明的主流光源,对老路灯进行养护、加装节能装置是节约又节能的最佳节能改造方案;不能轻率决策做换其他新光源做节能改造,必须综合评估新光源的技术性能和工程投资回报。
四、高压钠灯、金卤灯的节能原理
高压钠灯、金卤灯的降压节能分两个时段进行调节:
第一阶段,前半夜的降压与稳压阶段。
开灯预热3~5分钟后,控制设备智能寻找到灯具发光效率的最佳功率点,最佳功率点一般为额定功率的90%,最优发光电压一般为210V(气体放电灯都存在一个最佳发光功率问题,超过这个功率发光效率反而下降,并且易损坏灯具);然后一直持续稳压(在210V~198V范围内选择)至下半夜调压开始,这阶段可以节能15~20%;照度百分百。
示意图:
第二阶段,后半夜调压调光阶段。
后半夜夜深人静,电网电压最大可能达到250V,必须启动二次降压,否则又白白多耗电;这时控制设备开始智能启动精密缓慢调节电压至190V(甚至可以更低)后又一次稳压,该阶段节电率可达35~50%,直至关灯,此阶段照度以不会影响行车安全和路人出行为原则,国家允许降低一个照明等级。
通过上述两个阶段的分时调压节能,综合节电率可达30~40%(保守估计,实际节电率在调试中可视情调整)且全过程都必须是稳压状态,既又保护了灯具的使用寿命又不影响正常交通照光。
节能坐标图:
调压节能节电率查询表(珠海麦尼公司提供):
五、高压钠灯、金卤灯的节能技术
早期的高压钠灯、金卤灯的调压节能技术有两种,可控硅调压和自耦变压器调压,目前都淡出市场。
目前最先进、最广泛应用的是高频化智能调压技术:
1、可控硅调压节能技术
可控硅是在上世纪九十年代初期开始应用到路灯节能上。
采用可控硅交流调压技术的原理是利用可控硅在路灯配电柜或箱式变压器处让交流电压在一个周期里间断通过或关断来达到调低电压的目的,但其缺点是可控硅交流调压会产生高次谐波和线路震荡,降低灯泡寿命,如果是公用变压器还会产生电力污染。
因此这种技术已被证明不是理想的节能方式,现已很少采用。
2、自耦变压器调压节能技术
这种技术大约在2003年下半年进入市场,每相采用多抽头的自耦变压器和升压变压器为主要器件,使用可控硅作为开关元件,每相独立控制,电压可升可降,一般有3-5档调压,无稳压功能严重影响光源使用寿命;安全性和可靠性虽较接触器触点调压有所提高,但中途换档,容易灭灯、烧灯,灯具电压随电网电压波动而波动;调节时换相失败,也容易导致设备损毁;另由于其耗用大量铜材和矽钢,被盗和破坏严重,给路灯管理部门带来不少麻烦。
3、高频化智能调压节能技术
2006年,高频化PWM变压技术与智能控制技术有机结合开始成熟,渐入市场;目前已形成主流趋势,已被国内外作为高压气体放电灯(HID)调压/调光节能的首选技术。
高频化PWM变压是将50Hz的交流电源进行50KHz高频化PWM(脉冲宽度调节技术)处理后无级调压,恢复50Hz输出;变压器体积由此大大缩小,大量节省铜和矽钢,是一种比较科学的、资源节约型的、绿色的节能技术。
使用低通滤波器保证50Hz电压波形的衰减在0.1%左右,50kHz的谐波波形的衰减为99%以上,从而实现近乎标准、无谐波的正弦电压输出。
结合工业嵌入式智能控制技术,用32位微处理器,高速实时采样市电电网各种不同状态,无论出现何种电压波动和偏移,采用尾随的方式进行电压精密负反馈调节;始终保持三相电压平衡和输出稳压状态,整个过程无需任何人为调节,由CPU自动采样、保持、信号处理、判断,主控单元的EEPROM存储自身重要数据(用户事先设置),自动保证输出最优电压或情景节能的设置电压。
高频化智能调压的节电率可以在30~60%之间进行选择,在路灯节能工程上运用,一般采用与配电柜一样的集中控制方式。
六、结束语
对传统的高压钠灯、金卤灯进行节能改造,目前最通用的方案是采用高频化智能调压、调光集中控制的方式,还可以辅以天文钟智能管理开/关灯时间节能的办法。
对于新装高压钠灯、金卤灯做节能另可考虑智能调压调光单灯控制方式,可通讯支持路灯单灯遥测遥控管理系统。
需特别补充说明的是,在调压过程中,有些老化灯具在较低电压下会灭队,需要及时予以更换同等功率的灯泡,经过调压后不再熄灭的灯泡,在稳压调压节能控制下,灯管温度得到控制,能极大延长灯具寿命。
过分老化的灯具,如果不更换,会影响节电器电压的降低,从而影响整个节能效果。
作者建议,在对老路灯做节能改造工程前,需实地进行数据采集,以便加装的节能控制设备与原配电柜相匹配、提高线路功率因数。
附样表:
城市路灯照明节能工程数据采集样表(开灯1小时后测量)
序号
回路
名称
配电柜
地标
空开额定
电流(A)
实测电流(A)
实测电压(V)
功率因数
A
B
C
A
B
C
A
B
C
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