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带优质的高压钠灯应用于隧道照明的研究

通过对18省道隧道照明过程中,应用带优质电子镇流器的高压钠灯,并作为隧道照明光源成功案例的介绍。重点阐述了电子镇流器的基本原理及其优缺点,剖析了实测数据符合隧道照明的标准设计,尤其是应用三年后仅1%左右的损坏率,得出带优质的高压钠灯是隧道照明中可选用的适宜照明器材。

0、引言

18省道迤逦在临安西北部山区,南起自龙岗镇与02省道连接,北至岛石镇与安徽交界的苦竹岭,全长40.7公里。是昌北地区人们走出大山的惟一要津,沿途傍崖临水、崎岖盘折,曾为等级较低的二级公路。按照省公路局的统一部署需要对原来的隧道照明进行节能改造;气体放电灯和发光二极管(LED)是目前
隧道照明中广泛使用的新一代高效光源’而气体放电灯中最常用的是高压钠灯。结合18省道隧道照明工程中的节能改造,采用的是第三代高效节能光源——高压钠灯,其特点是寿命长(2400h)、光效高(100~1201m/W)、透雾性强。

1、隧道照明中常用光源的主要参数

图表1是目前隧道照明中常用光源的参数比较.

图表1 隧道照明常用光源的主要参数比较

带优质的高压钠灯应用于隧道照明的研究
从图表1可以看出,LED与高压钠灯比除了显色指数好以外,其他的参数还是有一定差距的。高压钠灯的穿透力大大高于LED灯,特别是在浙江省隧道中由于雾气、尾气较多,很容易影响驾驶员的视线,所以黄光是隧道照明最佳的选择;因此在本项目前山、大峰隧道上采用了传统高压钠灯电子镇流器来进行节能改造。

2、电子镇流器基本原理及优缺点

2.1.电子镇流器基本原理
电子镇流器一般使气体放电灯工作于高频,从而可以用较小的电感就能实现系统稳定工作;或者是使用控制技术,使灯电流、灯功率处于恒定状态,达到镇流效果。

电子镇流器基本分为三部分:电磁兼容(EMC)、功率因数校正(PFC)技术、逆变电路。

EMC是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰(EMI)的能力。因此,EMC包括两方面的要求:
一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的EMI不能超过一定的限值;另一方面是指器具对所在环境中存在的EMI具有一定程度的抗扰度,即电磁敏感性。

由于气体放电灯电子镇流器是高频率大功率的电子产品,其电磁能量转换大、密度高,构成了极其复杂的电磁环境,因此将不可避免地产生EMI。而EMI所造成的电磁污染、水污染和空气污染,被称为当今人类社会的三大污染源。电磁污染作为威胁电子电器设备安全经济运行和威胁人类健康和社会生活的“黑客”,已日益引起国际社会的重视,并陆续制定了一系列相应的标准和措施对其进行限制。目前北美等许多国家把EMC标准作为电气电子产品必备的产品性能评价依据。我国在2003年8月1日开始执行的3C认证中,除了电子产品的安全标准之外,还把EMC标准强制作为电子产品性能评价依据。

电子镇流器需要把电网的交流电整流成直流电,若采用简单的带电容滤波二极管不控整流电路,虽然成本低,却使输人端的电源电流谐波含量过高。如果少量使用,其危害并不大,但若是千家万户密集使用,所产生的谐波电流会对电力系统造成严重污染,影响到整个电力系统的电气环境,包括电力系统本身和广大用户。在人们追求绿色能源的今天,“谐波污染”问题已引起了人们广泛的关注,解决这一问题的有效办法就是对用电设备进行PFC。同样在电子镇流器技术中,PFC已成为提高镇流器性能,实现绿色照明的关键技术。PFC技术的基本思想就是使整流电路的输入电流尽量正弦化、提高电网的功率因数、并减少电网的谐波含量。

PFC是电子镇流器的关键技术之一。PFC分为无源PFC(PPFC)和有源PFC(APFC)。PPFC技术是利用电感和电容等无源元件组成滤波器,将输入电流波形进行相移和整形,这种方法可得到0.9的功率因数。因为简单可靠,PPFC电路在荧光灯和小功率气体放电灯电子镇流器中有一定范围的应用,还没有完全被淘汰。其缺点也很明显:总谐波失真(™D)含量比较高、输人电压的纹波过大,造成灯电流波峰系数太高;功率因数也不可能达到1,所以在大功率高压钠灯电子镇流器中已不再使用PPFC技术。

APFC是在整流器和负载之间接入开关变换器,实际上是一种DC-DC变换器。其应用电流反馈技术,使输入电流跟踪正弦电压波形,迫使输人电流接近正弦波,大大减小输人端THD含量。APFC电路应用于电子镇流器有效地抑制了输人电源电流的波形失真,将系统功率因数提高到几乎为1的水平;输出低纹波的直流电压;输人电压在大范围内波动时,可以获得稳定的直流电压,从而提高电子镇流器的可靠性和安全性;同时可以保证灯电压和电流的稳定,保持光输出恒定,延长灯的使用寿命。缺点是电路较复杂、用专用芯片成本高,且因为使用了有源功率器件,效率也有所降低。
APFC电路的拓扑形式大致可分为:升压式(Boost)电路,降压式(Buck)电路、升压-降压式(Boost-Buck)和反激式(Flyback)电路,其中Boost电路输出电压高于输人电压,在一定的输出功率下可以减小输出电流,因而可以减小输出滤波电容值和体积,故在电子镇流器中被广泛采用。

图1是Boost变换器工作于客户关系管理(CRM)模式的电路与电感电流的主要波形图。其工作原理为:在一个开关周期中,当电感电流下降为零时,二极管关断、此时开通开关管,电感电流开始线性上升;当它达到整流桥输出正弦母线电压给定值时,开关管关断、二极管开通,电感电流由峰值开始线性下降,直到下降为零,下一个工作周期开始。

电子镇流器的逆变电路,是电子镇流器电路中最基本同时也是很关键的组成部分,如图2所示。

半桥逆变电路中,开关器件&和戈基极信号在一个周期内各有半周正偏、半周反偏,且二者互补。当戈闭合(戈断开)时,直流电压通过又、和灯形成回路对C充电;当戈闭合时,C中电荷通过Ls、戈和灯形成回路放电。半桥逆变电路使用的功率器件少、驱动简单、抗电路不平衡能力强,但输出交流电压的幅值仅为tV2,同样输出功率条件下,功率管额定电流值要大于全桥逆变电路两倍。

2.2.电子镇流器的优点

①传统电感镇流器是由电感镇流器、触发器、电容组成的一个电路,电子镇流器无须启辉器和补偿电容器,因此使用方便、故障率低。

②电子镇流器由于采用先进的APFC可使线路功率因数达0.99。而传统电感镇流器的线路功率因数只有0.45,对电网产生较大干扰。电子镇流器输人电流比电感式镇流器小50%、启动电流小、启动时间短。灯管启动快速、不会产生频闪,光线更柔和及稳定提高了驾驶员的安全性;由于运行电流小,可使供电线路、变压器等设备可以降低一档(例如原相同路段照明投资需采用25m2电缆,使用电子镇流器后可使电缆线径降至16m2),节省照明工程的一次性投资。

③电子镇流器采用高频恒功率技术点燃灯泡,克服了声谐振这一难题。它消除了工频供电时灯泡的闪烁现象;消除了电感镇流器固有的嗡嗡噪声,避免了噪音污染。由于灯泡高频运行排除了电极温度周期性的升降,从而消除了电极上应力的积聚,减少了电极变形甚至开裂的可能性,从而降低了灯泡流明维持率突然下降的可能性。

④电子镇流器具有很好的宽电压工作范围及各种保护功能,在输人交流电压170~260V范围内输出功率基本保持恒定、软启动、灯管预热、灯泡寿命晚期的保护。

⑤电子镇流器自身功耗小,可以节能15%。同时镇流器自身低功率因数使电流在线路、变压器等设备上的损耗大大降低;灯电流波峰比矣1.4、灯泡寿命延长20%。
图表2、图表3是不同输人电压下高压钠灯电子镇流器与电感镇流器的数据


图表2 不同输人电压下NG250W高压钠灯电子镇流器的基本恒功率特性表

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图表3 不同输入电压下NG250w高压钠灯电感镇流器的数据测试表

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⑥电子镇流器是高频输出,电子和离子没有足够的时间进行重新复合,因此每次电流反向时的电荷载体密度相当高,无需额外的功率来重新点燃灯。

实际应用情况

前山、大峰二个隧道宽l0m,高5m,是单洞双向双车道隧道,隧道照明设计速度按二级公路40km/h标准设计,隧道照明系统按进洞口入口段、过渡段、中间段及出口段进行照明设计,分白天及夜间照明二种工况,各段照明设计值见图表4。

图表4 隧道照明设计值
带优质的高压钠灯应用于隧道照明的研究
施工完三个月后组织了相关检测机构对隧道内的照明进行了检测,检测结果见图表5、图表6。表5是前山隧道的检测结果;表6是大峰隧道的检测结果。在测区内划分网格固定测点,使各单位长为2m、宽为1m,
共100个测点;给各测点编号,并测取各测点的照度岛,则该大测区的平均照度为五石,此即为中间。

图表5 前山隧道照明测试结果
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图表6 大峰隧道照明测试结果

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4、结论

从表5、表6中可以看出各个段的亮度超出了原来设计值,原因是:

①由于考虑隧道灯具老化、灰尘多,因此设计上的冗余考虑得比较多;

②同等输出功率下电子镇流器使光源发出的亮度比电感镇流器高15%左右;

我们对这些隧道的用电情况也进行了跟踪,由于是新建的工程,因此实际没有可比性;但是与同类采用了电感镇流器的隧道比较得出了结论:

①用电量减少了15%~25%;

②灯泡寿命延长了20%,间接减少了维修费用;

③无功补偿柜切人的电容少了三分之一;
④变压器、电缆的温升明显偏低,有助于延长这些设备的寿命。

从2010年12月份正式交付使用截止到2013年9月,隧道的电子镇流器损坏不是很高,大约在1%左右,因此本项目中采用电子镇流器还是比较成功的案例。

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