蒋卫，鲁明璐
摘要：照明用电量巨大，而我国照明系统比较陈旧，总的用电效率比较低，节能潜力巨大。本文分析了照明系统中存在的主要问题并对照明节电原理和节电设备作了介绍。
关键词：照明；功耗；节能
中图分类号：TU113.6；TM92文献标识码：B文章编号：1004一7948（2005）12一0040一03
1概况
1995年中国发电量为1.0023万亿kWh，2003年的用电量为1.9108万亿kWh，8年间翻了一番。照明用电约占全部用电量的10%～15％左右，年耗电量巨大。我国工矿企业、市政交通、码头货场普遍使用气体放电光源作为照明。气体放电光源主要有：荧光灯、荧光高压汞灯、管形氛灯、高压钠灯、金属卤化物灯。气体放电光源属高效照明光源，其中高压钠灯发光效率最高，已达到l001m/W，寿命达3000h。虽然我国照明灯具采用了新型光源，发光效率较高，但是照明系统比较陈旧，总的效率比较低，有很大的节能潜力。
2照明系统存在的主要问题
2.1运行功率因数低
气体放电光源属电感性负荷，运行功率因数cosφ平均只有0.5，在工作中要从电网吸收大量的无功电流才能正常工作，增加了线路损耗。众所周知：供电线路的损耗与感性负荷功率因数的平方成正比。若提高功率因数到0.90，传统的方法是进行容性补偿，补偿容量可根据照明线路的具体情况确定。
例如：某一厂房照明线路负荷为P1=50.0kW（高压钠灯NG-700型400W、125个），运行功率因数cosφ=0.5，年电压峰谷平均220V，将功率因数补偿到cosφ′=0.9。
则减少的线路损失为：
式中δ一线路损失减少率；
△P、△P′一功率因数补偿前后的线路损耗。即进行大容量补偿后，光源运行功率因数从0.5提高到0.90，可减少线路损耗69.14%。
2.2电压波动影响电能消耗和灯具使用寿命
在额定电压条件下，气体放电光源额定使用寿命一般为3000h或更高，目前的平均使用寿命实际上只有2500h。究其原因：①是质量问题；②是供电网在低谷时电压偏移较大，有些电网夜间电压高达250V，而照明灯具，特别是路灯照明有相当长的时间工作在耗电低谷时段，低谷时段的高电压不仅造成电能的浪费，同时也是灯泡寿命缩短的重要原因。处在超压状态下工作的灯具，其亮度显得刺眼，并发出“嗡嗡”的噪音，温度较高，直接影响灯具的使用寿命和电能消耗。
根据理论和实验，电压与灯源的功率关系为：
式中P一灯具高电压下消耗的功率，W；
PN一灯具额定电压时消耗的功率，W；
V一灯具实际的高电压，V；
VN一灯具额定电压，V。
如当电压为240V时，400W高压钠灯所消耗的实际功率：
此式说明其耗电量是额定电压的1.15倍。
灯泡的使用寿命与电压的关系为：
式中H一灯具高电压下的使用寿命，h;
HN一灯具额定使用寿命，h;
V一灯具实际的高电压，V；
VN一灯具额定电压，V。
若400W灯泡额定使用寿命3000h，而高电压的条件下实际使用寿命为：
由上可知，在用电低谷时照明节电的潜力是相当大的。实践证明，气体放电光源进行无功补偿与可控调压稳压是解决上述两个问题最有效的技术措施，其综合节电效果可达到25％左右，灯泡使用寿命比额定使用寿命增加500～1000h。
2.3照明供电情况
在电力供应过程中，为避免送电线路电压损耗和用电高峰时造成末端用户电压过低，供电部门一般采取提高输送电压的办法，因此用户实际上承受的电压往往会高于设备的额定电压，特别是近端用户和用电低谷时段将承受更多的高电压。同时电网电压随着电网总负载的变化产生波动是很自然的，在偏离额定电压110％的范围以内均属正常（有时还会超过这个范围），而这个波动对照明的功耗和寿命的影响却很严重。
3照明节电原理
据调查，城市公共照明在我国照明耗电中的比例占到30，另一方面我国中小城市在夜晚10点后，道路行人稀少。即使是北京、上海等繁华都市，凌晨2点后，道路上车辆、行人也十分少，从这一时段到清晨6点路灯熄灭时，道路交通流量相对较低，而照明亮度较高，显然造成了浪费。
图1所示为照明光源的耗电功率（线a）、照度（线b）及寿命（线。）与供电电压的关系。
在额定电压（100%）时，照度、功耗、寿命均为额定100%，从三条曲线的变化趋势可见：
(1)当电压从额定上升到110％时，照度会增加到110，功耗会增加，甚至超过120%，灯具寿命会减少近一半。(2)当电压为额定电压的90％时，照度会降到93%，功耗会减至近80%，灯具使用寿命比额定寿命增加1倍。(3)进一步降低电压，功耗比照度降低快，但灯具使用寿命会缩短。
因人眼对光线的感觉成对数关系。即光线照度增加10倍时，人能感觉到的亮度增加1倍；而光线照度减少9％时，人的视觉感觉减少不到1%，很难觉察到。因此，在夜深人静、车量稀少时，路面对照度要求不高，即可进行节电运行。
在一般情况下，晚上电网电压是前低后高（如图2上半部分的曲线），其功耗曲线基本一样，这与所需照明趋势正好相反。因此，在自然波动的电网电压和照明光源之间加入适当的装置，调节光源的电压，既能保证照明的需要，又能节能节电、延长灯泡使用寿命。图2下半部分曲线为加入照明节电装置后的电压和功耗，即前半夜功耗较高，维持在额定水平，后半夜降低照明电压，大幅度降低功耗，达到节电的目的。
图2路灯系统节电改造前后典型运行曲线及节电效果
当把电压降到额定值的88%(195V）时，照度降低34%，由于背景变暗，人的瞳孔放大，所以视觉只感到降低了3.4%；在低压运行时，可延长灯具使用寿命1.8倍，节电率达35%。如果进一步降低电压，节电率会进一步提高，但灯具寿命会缩短。
4节电设备
对现有照明系统的节能改造，一般采用加装节能设备，较为经济和实用，目前国内销售的照明节能设备有很多种，其中照明调控装置所占比例最大。从工作原理上大致分为三大类。
4.1可控硅新波型照明节能装置
4.1.1原理
采用可控硅斩波原理，通过控制晶闸管（可控硅）的导通角，将电网输入的正弦波电压斩掉一部分，从而降低了输出电压的平均值，达到控压节电的目的。这类节能调控设备对照明系统的电压调节速度快，精度高，可分时段实时调整，有稳压作用，因为主要是电子原件，相对来说体积小、设备轻、成本低。
4.1.2存在的技术缺陷
由于斩波使电压无法实现正弦波输出，导致大量谐波出现，形成对电网系统的谐波污染，危害极大，不能用在有电容补偿的电路中。电力电子装置是公用电网中最主要的谐波源，随着电力电子装置应用得日益广泛，电网中的谐波污染日趋严重。谐波使电能生产、传输和利用的效率降低；使电气设备过热，产生振动和噪声，并使其绝缘老化，使用寿命降低，甚至发生故障或烧毁；谐波会引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电器保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。现代照明设计要求规定，照明系统中功率因数必须达到0.9以上，而气体放电灯的功率因数一般在0.5以下。在国外发达国家，已有明文规定对电气设备谐波含量的限制，在国内，如北京、上海、广州等大城市，已对谐波含量超标的设备限制并入电网使用。大功率可控硅斩波型节电设备，因其自身存在谐波污染的缺陷，如果加装滤波设备，成本太高，是不经济的，所以此类设备不宜用于照明电路中。
4.2自搞降压式调控装置
目前市场上最多的照明节电产品就是此类产品。
4.2.1原理
通过一个自耦变压器机芯，根据输入电压高低的情况，连接不同的固定变压器抽头，将电网电压降低5、10、15、20V等几个档，从而达到降压节电的目的。这类产品的最大优点是克服了可控硅斩波型产品产生谐波的缺陷，实现了电压的正弦波输出，结构和功能都很简单，可靠性比较高。
4.2.2存在的技术缺陷
这类调控装置为了能做到额定电压正常启动，并在过电压和欠电压时跳到旁路（设备的安全保护），一般都是用交流接触器来进行切换，这是最简单和常用的办法。但是，如果用接触器作为节电产品的电压调整装置的话，其安全性、可靠性和无故障工作寿命都不能保障，存在安全隐患，原因如下：
(1)交流接触器的工作原理是用电磁线圈吸合、断开，来控制触头常开或是常闭，属机械移动部件，只适用于不经常动作的开关场合，如灯具、电器的开启和关断，切换次数是有限的，不适用于频繁调节切换的场合。
(2)交流接触器在切换动作时，是机械的吸合和断开，所以会有短暂的10～20ms的断电，电力学上称之为“闪断”，这样的断电会导致HID灯（HighIntensityDischargedLamp）即高压气体放电灯，如高压钠灯、金卤灯、高压汞灯等熄灭。这种灯的特性决定，在熄灭以后，必须等到灯管冷却，蒸气压下降后才能再点亮，一般需要5～10min左右，使用中这将是个严重故障。
根据以上原因，交流接触器是不能用来控制照明调控装置进行频繁切换的。所以，生产和销售此类节电产品的厂家，一般做不到实时稳定电压、多时段调控等功能，这也就是这类节电产品的缺点所在。
4.3智能控制系统
从前两类节电产品来看，它们各有优缺点，之所以不能得到大量使用，是因为存在一定缺陷。可控硅（相控）型装置优点是，可实时精确控制输出电压，满足照明用电的最佳值；缺陷是电压无法实现正弦波输出，有谐波污染。而自耦控压型装置的优点正好是能做到电压正弦波输出，却不能实现电压的自动精确控制，只能固定降电压，不能升压和稳压，如果能将两者优势结合互补，去除缺陷，就是相对比较理想的照明节能产品了。
智能控制系统是应用特殊设计的自耦降压式装置（有功率因数补偿效果），在此基础上增加自适应智能化调控系统，做到根据内外部用电条件，自动跟随、自动响应，分级对电网中的浪涌、噪音、干扰、功率因数、谐波进行抑制或优化处理；并根据设定电压曲线，稳定地供应照明设施所需工作电压，使系统的用电能效达到最佳状态。