一、研究的目的和意義

　　近年來，我國的路燈建設取得了飛速的發展，道路照明質量不斷提高，高強度氣體放電燈被廣泛使用，對改善我國的投資環境,促進經濟快速發展，方便群眾生活，美化城市和作為一個外向型現代化城市的建設起了很大作用，但是伴隨而來的是能耗的大幅度提高，特別是近年來能源價格大幅度提升，使電力耗費成為負擔，以西安市為例，1995年全年路燈電費為600萬元，到2003年已上升到1800萬元，因此，有必要加強技術改進，以期減緩能耗上升的趨勢。在全球都在提倡綠色照明的時代，路燈的節能必然成為一種趨勢。

二、路燈節電的理論依據

　　由于氣體放電燈消耗的功率是和它的輸入電壓有關的，以鈉燈為例見圖c，當電壓降低10%時，電流降低10%，而此時功率降低達25%，光通量則降低30%。由于在設計道路照度時已考慮到正常的照度需要，所以不應以降低照度來節約能源消耗。但考慮到在后半夜時車輛人流都大為減少，此時供電電壓由于用電負荷減少而升高，所以此時采用降低供電電壓而適當降低光源的光通量也是可行的，假設在后半夜供電電壓升高10%，此時再降低供電電壓10%來運行，則光通量減少為額定值70%，而消耗功率此時可減少50%。

　　以下是一組實測數據，見下表，采用西安無線電二廠及南京三樂的節能型電感鎮流器，250瓦鈉燈。由表中可看出當電壓從242伏降到198伏時輸入功率降低了140.6瓦。比220伏時額定功率值降低了53%。

　　改革開放以來，我國的發電設備不斷竣工并網發電，輸配電網經過升壓改造，使原來電網末端電壓偏低的現象得到改善，但如此帶來電網的電壓普遍偏高，特別是晚間電壓更高，譬如某地區有些單位晚上220伏電壓達到254伏，普遍單位接近240伏，此時用電設備在高于設備額定電壓狀態下運行，將會導致設備過度發熱，縮短壽命，實驗證明白熾燈的電源電壓升高5%，壽命降低47%，熒光燈電壓升高10%，壽命降低15%，而大量的電氣設備（如電動機、變壓器、接觸器、電磁鐵等）帶有鐵芯的電氣、電壓升高則會引起鐵損和銅損增加。因為電氣設備在高于額定電壓和電流狀態下運行時，鐵芯損耗與總的電壓的平方成正比，銅損則與電流的平方成正比，所以形成了較大的能源浪費。而且會降低設備的平均使用壽命。

　　通過調整供電電壓，降低不必要的損耗，不僅可以達到節電的目的，同時，還能保護終端設備，延長設備的平均使用壽命。

　　在目前的路燈供電系統中，由于供電電壓不能調節，使得光源往往不能工作在較合適的狀態，現在的光源的壽命已很長，如GE的鈉燈壽命已達28000小時，國產的也達18000小時，但實際使用中往往達不到，主要原因是它的工作狀態達不到理想狀態，根據西安市目前的供電變壓器電壓檢測發現。80%的供電電壓偏高，特別是后半夜有的變壓器輸出電壓高達250伏以上，光源長期工作與此環境下，將會大大減低它的使用壽命且浪費了大量的能源。所以，通過調節供電電壓的方法不但可以節能，還可延長光源的壽命，是一種較好的節能方式，

三、我國路燈照明節能的現狀

　　提高道路照明效率的方法有多種，如采用高效率光源，燈具等，目前在道路照明中大量的采用了高效率的高壓鈉燈照明，燈具的效率也在不斷提高，以下我們只討論路燈降壓節電的方法及其影響因素。

　　目前在供電電源端節能的方式主要有兩種，一是采用半夜燈，二是采用調壓的方式。

　　半夜燈是通過在下半夜關掉一部分路燈的方法來達到節能，它具有簡單易行的特點，缺點是使得道路照明不均勻，且無法解決下半夜電壓高而影響光源壽命的問題。

　　通過降低供電電壓的方法不但可以節能，還可延長光源的壽命，是一種較好的節能方式，目前在國內已有地方在進行試運行。

1、目前常用的降壓方式：目前應用的交流調壓方式主要有接觸調壓器，感應調壓器，移圈調壓器，磁性調壓器，補償式調壓器，有載調壓電力變壓器，晶閘管調壓器等幾種不同方式。

2、常用降壓方式比較：對現有照明系統的節能改造，一般采用加裝節能設備，較為經濟和實用，目前國內銷售的照明節能設備很多，其中照明控制調控裝置所占比例最大。從工作原理上大致分為三大類。

（1）可控硅斬波型照明節能裝置

　　原理：采用可控硅斬波原理，通過控制晶閘管（可控硅）的導通角，將電網輸入的正弦波電壓斬掉一部分，從而降低了輸出電壓的平均值，達到控壓節電的目的。

 　　這類節能調控設備對照明系統的電壓調節速度快，精度高，可分時段實時調整，有穩壓作用，因為主要是電子原件，相對來說體積小、設備輕、成本低。

　　但該調壓方式存在一致命缺陷，由于斬波，使電壓無法實現正弦波輸出，還會出現大量諧波，形成對電網系統諧波污染，危害極大，不能用在有電容補償電路中。（現代照明設計要求規定，照明系統中功率因數必須達到0.9以上，而氣體放電燈的功率因數在一般在0.5以下，所以都設計用電容補償功率因數）在國外發達國家，已有明文規定對電氣設備諧波含量的限制，在國內，北京、上海、廣州等大城市，已對諧波含量超標的設備限制并入電網使用。

　　大功率可控硅斬波型節電設備，因其自身存在諧波污染的缺陷，如果加裝濾波設備，成本太高，是不經濟的，所以此類設備是不宜用于照明電路中。

（2）自耦降壓式調控裝置

　　自耦變壓器與普通變壓器的區別在于，自耦變壓器的一、二次側線圈不僅有磁的聯系，還有電的聯系，所以，在輸出電壓調節范圍不大時它的容量比較小，所以消耗的材料小，造價低，效率高，這類產品最大的優點是克服了可控硅斬波型產品產生諧波的缺陷，實現了電壓的正弦波輸出，結構和功能都很簡單，當然可靠性也比較高。目前應用的有兩種方式，即固定抽頭方式和連續調節方式。

存在的技術缺陷：

固定多檔自耦降壓器
　　由于其核心部件是一個多抽頭的變壓器，變壓比是固定的，一般副邊有三到五個降壓抽頭，分別降5V、10V、15V、20V，一旦接線端固定，降低電壓就是固定值，當電網電壓波動時，調控裝置的輸出電壓也會上下波動，這樣照明的工作電壓處在不穩定波動狀態，無法起到對電光源的保護作用。如圖所示，當電網電壓高時，節電率不是最佳狀態；而電網電壓低時，可能出現欠壓現象，造成燈具無法正常點亮，反而降低燈具壽命，這是這類調控裝置存在的最大安全缺陷。當用電高峰時，電壓過低，電氣設備也無法正常運行。

　　這類調控裝置為了能做到對電壓的調節一般都用的都是交流接觸器來進行切換，這是最簡單和常用的辦法。由于接觸器是在電路的主回路中進行切換，所以，切換的電流是很大的，如果用接觸器作為節電產品的電壓調整裝置的話，其安全性、可靠性和無故障工作壽命都不能保障，存在安全隱患，原因如下：

交流接觸器的工作原理是用電磁線圈吸合、斷開，來控制觸頭常開或是常閉，屬機械移動部件，只適用于不經常動作的開關場合，如燈具、電器的開起和關斷，切換次數是有限的，不適用于頻繁切換的場合。
交流接觸器在切換動作時，是機械的吸合和斷開，所以會有短暫的10~20ms的斷電，我們稱之為“閃斷”，這樣的斷電會導致HID燈( High Intensity Discharged Lamp—高壓氣體放電燈，如高壓鈉燈、金鹵燈、高壓汞燈等)熄滅。這種燈的特性決定，在熄滅以后，必須等到燈管冷卻，蒸氣壓下降后才能再點亮，一般需要5~10min左右，在使用中，這將是個嚴重故障。
　　根據以上原因，交流接觸器是不能用來控制照明調控裝置進行頻繁切換的。所以，生產和銷售此類節電產品的廠家，一般做不到實時穩定電壓、多時段調控等功能，這也就是這類節電產品的缺點所在。

2）連續調節自耦型降壓器：它可通過電刷在線圈的表面平滑移動或滾動，改變線圈的變比而調節輸出電壓。優點是可實現無級平滑調節，調節精度高，但由于電刷調節回路是串在主回路中，因此承受的電流大，電刷接觸不良，會產生火花，引起觸點磨損。

（3）智能照明節電器

　　從前兩類節電產品來看，它們各有優缺點，之所以不能得到大量使用，是因為其本身都存在技術缺陷，可控硅（相控）型優點是，可實時精確控制輸出電壓，滿足照明用電的最佳值，缺陷是電壓無法實現正弦波輸出，有諧波污染。而自耦降壓型的優點正好是能做到電壓正弦波輸出，卻不能實現電壓的自動精確控制，只能固定降電壓，不能升壓和穩壓，如果能將兩者優勢結合互補，去除缺陷，就是相對比較理想的照明節能產品了。

　　智能照明調控裝置工作原理，采用微電腦控制系統，實時采集輸出、輸入電壓信號與最佳照明電壓比較，通過計算進行自動調節，從而保證輸出最佳的照明系統工作電壓。

　　智能照明調控裝置在結合前兩類節能產品的優點的基礎上，克服了其中存在的缺陷，具體優點體現在以下四個方面：

 優化電力質量，節約照明用電

     穩定最佳工作電壓
　　針對電網電壓偏高和波動等現象，調控裝置可根據用戶現場實際需求，實時在線調控輸出最佳照明工作電壓，并能將其穩定在±2%以內，有效提高電力質量，從而達到節電10%~40%的效果。

    多時段節能運行
　
　　根據用戶實際的照明需求，調控裝置還可通過程序進行多時段節能電壓設置，從而滿足用戶不同光源、不同時間的需求，實現最佳照明狀態和最大節電率。

　  實時穩壓、控壓
　　在電壓波動很大的地方，如電氣設備比較多的廠區，電壓波動達到±15%；路燈后半夜的供電電壓也會達到250V。智能調控裝置高穩定的最佳照明電壓，能夠延長電光源壽命2~4倍，減少照明運行、維護成本30%~50%。

智能照明調控
為了滿足不同用戶對照明燈具控制的需要，智能調控裝置有三種運行模式可供選用：

     端子控制節能運行模式
     時間控制節能運行模式
     通訊控制節能運行模式
可按現場實際情況，通過天文鐘、智能探頭或內部編程、遠程計算機遙控，實現時控、光控、程控等多種智能化控制。并可根據不同時段、不同燈具、不同亮度要求，每相獨立調節，允許100%不平衡。

       適用性、可靠性

     調控裝置每相可獨立調節，可操作性強，可以承受三相100%的不平衡負載，且保證單相的故障絕不影響其它兩相的正常運行。同一個裝置可以帶不同類型光源負載，還可以獨立調節每相的輸出電壓。
     調控裝置采用手動和自動雙旁路系統，以保證照明設備不斷電，正常安全運行；
     調控裝置控制部分不含交流接觸器，無觸點和移動元件，保證高可靠性和低功耗。
     可選配GSM/GPRS全球實時（手機）監控系統，通過顯示、聲音等信號監測設備運行，故障報警，及時采取保護措施。
 

　　這類照明節電產品成本略高于前兩種，可實現智能照明調控、有效保護電光源、降低電能消耗的功能，使用的經濟性和可靠性遠遠好于前兩種產品，是目前比較成熟的照明控制解決方案。

4）產品的形式：

此類產品大多采用了補償變壓器調節電壓的方式。

A：補償變壓器調節電壓的原理：

　　補償變壓器的二次繞組串聯在主電路中,相位和輸入電壓相反，補償式調壓變壓器的一次繞組接入一個補償電壓，如圖所示。若不計補償變壓器阻抗壓降，則從圖可見：輸出電壓=輸入電壓-補償電壓，補償電壓可通過在輸出電壓或輸入電壓上取出，當補償電壓等于輸入電壓時，輸出電壓=輸入電壓-補償電壓，當補償電壓等于零時，輸出電壓=輸入電壓。由于它的調節是在一次線圈，所以在主回路中是沒有任何觸點的。

　　補償式調壓器輸出為正弦波無諧波干擾，它的變壓器容量僅為需要調節的部分的容量，因此可用較小的容量控制較大的容量輸出，輸出效率高，調節方便，過載能力強，很適合在大中功率場合下應用。

B:目前產品的主要種類

矩陣型調節器

　　此類調節器在電路中串入了多組補償變壓器，通過調節不同的繼電器觸點，便可在輸出端得到不同的電壓組合，如圖中輸出可以等于輸入減去u1,或減去u2,或減去（u1+u2）。當補償變壓器組數足夠多時可得到需要的任意調節精度，缺點是電壓調節為有級調節，當補償變壓器組數少時，一級調節的電壓可能產生跳躍，電路復雜，且為有觸點切換，當切換大電感的初級線圈時，容易產生過電壓和沖擊電流，使得運行不穩定。

C:無觸點補償式調壓器

　　無觸點補償式調壓器是用可控硅代替了上面圖中的繼電器觸點，可控硅工作在全導通狀態，因此無諧波產生，可控硅交流穩壓器，是針對目前大部份電網電壓不穩定、突變頻繁的狀況而研制生產的新一代交流穩壓器，它集合了微機測控、可控硅無觸點開關和變壓器技術于一體，具有容量大、體積小、響應快、無噪聲等特點，具有如下技術特色：

可控硅無環流控制：針對可控硅電流過零自然關斷的特性，采用了精確相位控制和過零觸發技術，使可控硅在切換時無沖擊性共態電流，使可控硅穩壓器完全撇除了限流電阻，可大幅提高整機的可靠性和效率。
變壓器的優化設計：可控硅交流穩壓器采用三相分調系統，合理的變比和精確的設計使得穩壓器具有極其小巧的體積，在所有的穩壓器產品中，穩壓器的容量體積比是最高的。
高度智能化： 穩壓器每一相都有獨立的微機測控裝置，監控該相的輸入電壓、輸出電壓和電流，甚至監控可控硅模塊組的溫度以便控制散熱風機。
D;補償式大功率電力穩壓器

　　該系列穩壓器是目前世界范圍應用最為廣泛的穩壓電源，新一代穩壓器的主要組成模式，利用補償變壓器+調壓變壓器（接觸式調壓器）+伺服傳動機構這一模式。因此，穩壓工作原理與繼電器控制方式的基本相同。區別在于它得調節是無級平滑調節的，控制電路采用單片機控制，使其具備除基本的穩壓、相序檢測、直通、過載、過欠壓保護等功能外，還具備故障報警診斷、串行通信口遙測、遙信等功能，真正實現微機的智能化控制。本系列產品與其他型式穩壓器相比具有容量大、效率高、無波形畸變、電壓調節平穩，適用負載廣泛，能承受瞬時超載，可長期連續工作，手控自控隨意切換，設有過壓、過流、相序、機械故障自動保護裝置，以及體積小、重量輕，使用安裝方便，運行可靠等特點

(3)有載調壓電力變壓器：有載調壓電力變壓器則為路燈供電變壓器，但可在有負載時直接調整輸出電壓，此方法不需再另外附加調壓裝置，輸出波形好，效率高，但投入較大。宜用在新建線路中。

（4）目前應用情況。目前節能產品較多，也有不少城市在應用，但基本處于少量的試點應用。

四、應用方法和影響因素

　　路燈降壓節能是近幾年才提出的，如何更好的去應用還有很多工作要做：

需要通過實驗驗證光源輸出光通量和輸入電壓的關系，理論上講，負載的功率和他的輸入電壓是成平方關系的，即輸入電壓降低百分之十，負載消耗的功率降低百分之二十，此時光通量也應降低百分之二十，但現有的節能產品則認為氣體放電燈不同于白熾燈，電壓降低百分之十，光輸出只降低7—10%，這需要通過試驗來驗證。
驗證光源在道路上的照度和輸入電壓的關系
光源在輸入電壓降低時對啟動時的影響以及和壽命的關系，啟動時降低電壓是不是有利需要研究，氣體放電燈他的壽命在電壓降低時壽命是不是能夠延長，有資料說降電壓對壽命沒有影響，現在還沒有數據證明。
研究調節光源輸入電壓的方法和調節電源的效率，目前的節能產品形式較多，有有觸點的，又無觸點的，有有級調壓的，有無級調壓的，調壓的精度取多少合適，須通過研究試驗選取比較適合路燈運行的方式。