智能照明调控节能装置在高速公路上的应用

摘　要：高速公路照明节能是创建节约型社会和以人为本为公众服务的一项重要措施，本文通过对浙江省高速公路照明现状的分析，介绍了智能照明调控节能装置的原理、运行周期，并通过对在猫狸岭隧道和钱江二桥上安装智能照明调控节能装置前后进行了实测数据的对比，说明其能达到的节能效果及推广价值。

关键词：高速公路　互通　隧道　照明　智能照明调控节能装置　实测　节能

一、前言
　　以全国1%的土地和6%的人口实现全国20% 的GDP、30%的进出口总额和40%的外资的长江三角洲地区，近年来遭遇愈来愈严重的“电荒”和环境压力。2005年浙江GDP达到13365亿元，经济总量列居全国第4位，浙江省依托“长三角” 的区位优势，建设环杭州湾产业带，培育建设先进制造业基地，对电力的需求将继续保持两位数的增长率。而近几年电力供应总体偏紧，缺电已经从部分地区夏季高峰或枯水期电力短缺转变为全年持续性缺电和随机性缺电，电力供应紧张已重新成为制约社会和经济发展的瓶颈。2005年浙江全省用电量比上年增长18.7%，累计拉电损失电量15.8亿千瓦时，成为全国最缺电的省份之一。
　　为了努力创建资源节约型社会，着力缓解浙江省能源瓶颈制约，促进经济社会全面协调可持续发展，浙江省人民政府发布的浙政发[2006]35号文《浙江省人民政府关于加强节能降耗工作的通知》明确了节能降耗的重点，照明节能是九大重点之一。

二、浙江省高速公路照明现状分析
　　《JTG B01-2003公路工程技术标准》规定：高速公路、一级公路的隧道长度大于100米时应设置照明设施；公路收费广场、服务区应设置照明设施；位于城市出入口路段的互通式立体交叉、特大桥等宜设置照明设施。目前浙江省已经通车的高速公路总里程为1866公里，所有长度大于100米的高速公路隧道均按照《JTJ 026.1-1999公路隧道通风照明设计规范》的规定配置了隧道照明灯具，光源一般采用100W~400W高压钠灯；收费广场、服务区也根据相应的交通量配置了照明设施，根据所照广场的大小分别配置高杆照明灯具和低杆道路灯，大部分互通立交均设置了高杆照明设施，跨越具有代表性河流如钱塘江、富春江、新安江、瓯江等的特大桥也配置了道路照明设施，高杆照明光源一般为400W~1000W高压钠灯和高压汞灯混光；低杆道路灯光源一般采用250W~400W高压钠灯。据不完全统计，一个单洞长度为3000km隧道照明每年电费约49.2万元，一个单喇叭或苜蓿叶型互通每年约用电7.6万元，一个双喇叭或枢纽型互通每年约用电15.1万元。目前高速公路营运公司一般为了节省营运费用，采取以下几种措施：
　　1．设置照明的互通晚上基本上不开灯；
　　2．设置照明的互通晚上24点之前全开，24点之后关闭1/3，2点之后仅开1/3；
　　3．设置照明的隧道白天仅开1/2照明，晚上基本段也仅开1/2照明。
　　目前我国高速公路仍然是收费公路，在道路上设置照明等附属设施，就是为了更好的为道路使用者提供安全、优质、舒适的行车环境。以上几种措施虽然在用电费用上是节省了，但以牺牲道路使用者服务质量为代价的，在人们法律意识越来越强的今天，是不足为取的。

三、新型的高速公路照明节能设备
　　原有路灯的控制只考虑开、关及一些保护，目前国家正在提倡节约型社会，因此在高速公路照明上也要采取节能设备。目前普遍使用的气体放电灯在允许范围内降低电压时照度并不成比例下降，即具有降低电压而照度变化不大的特点，因此适度降低电压使用即能保证照明质量，又能大幅度节约电能消耗，节省可观的电费开支。
　　目前为了节能得目的，市场上出现了多种类型的照明节能装置，其中有一种新型的智能照明调控节能装置，该装置的单相原理详见图1。其是在主回路中串联一套补偿变压器绕组，用其所产生的电势与主电源叠加，来改变输出电压值。由于变压器不是直接用来供电，而仅是起补偿作用（约是总电源电压的30%），因此变压器的功率和体积也可缩小为30%，可节省大量的铜线、铁心等材料。

图1 智能调控装置单项原理图

　　补偿变压器的一次绕组由电子功率部件（固态开关）与抽头变压器的各抽头连接，电子功率部件担负两个任务：①按微处理器的指令通、断与抽头的连接②按微处理器的指令细分电压——即调节导通程度，改变叠加电压的幅值，以增加电压级数和每级精度。如每级抽头为5V，并在5V范围内，可再把它分为1V档5级。由于是靠改变电子部件的导通程度来实现的，相位等参数没有改变，所以波形畸变很小。
　　电源允许波动范围设定184~244V。当采样输入电压超过设定值时，微处理器立即指令电子功率部件进行无触点过零切换到合适的抽头处，以保证输出电压稳定在标称电压的±2%（5V）之内。
　　整个装置除变压器的参数计算设计得合理是关键技术外，微处理器对采样来的输出信号进行分析、判断，立即作出开、关电子开关的指令，电子开关又随着微处理器的指令，与电源同步（同相位）连续导通、截止。
　　该智能照明调控节能装置是一种经济可靠，无谐波的节能设备，能实现照明灯具工作在最佳状态和满足人们对照明节能的要求。根据不同时段灯具工作在最佳运行状态和满足照度标准且大幅度节能要求等条件编制的运行曲线，如图2。其工作过程为：软启动→稳压→降压节能→稳压。路灯电源开关的控制可以根据日照曲线并结合天文钟、光控、PLC、遥控装置等很成熟的常用方法来实现。

图2 运行周期示意图

注：
　　① t0~t1：从200V开始软启动，这个电压持续2min30s，可以消除40%的灯具启动浪涌。
　　② t1~t2：以慢斜坡方式升到220V，这个过程历时5min。
　　③ t2~t3：额定电压运行。
　　④ t3~t4：发出节能指令，以慢斜坡方式降到节能电压，这个过程历时10min。依据灯具不同节能
　　　 电压有所不同，高压汞灯电压在200V左右，高压钠灯电压在190V左右（保证末端高压汞灯电压190V，高压钠灯电压180V）。
　　⑤ t4~t5：节能电压运行，时间可根据各地情况，如浙江地区一般为23时至5时。
　　⑥ t5~t6：解除节能命令，以慢斜坡方式升到220V，这个过程历时10min。
　　⑦ t6~t7：额定电压运行，黎明前光线更暗，车流又多起来，恢复较亮的光线。

图3智能照明调控装置配电系统图

　　智能照明调控节能装置与低压配电设备一起组成完整的照明控制装置，其分为开、关灯及节能时间控制、主电路保护和自动、手动控制开关和维修插座部分。图3为智能照明调控节能装置配电系统图。工作过程是PLC1或光控或手动使J1吸合，进而KM吸合，接通全部照明回路，调控装置开始按图2的t1~t3曲线段工作。到PLC2给调控装置中的“节能端子”一个短接信号，调控装置按图2的t3~t5曲线段工作直到该短路信号撤离，此时再按图2的t5~t7曲线段工作直到PLC或光控或手动使J1关断失电为止，一个循环结束。另外，如需要PLC3使J2吸合，进而KM1、KM3、KM5、KM7失电，即24点后可关闭1/3照明灯，至凌晨2点PLC4使J3吸合，进而KM2、KM4、KM6、KM8失电，又关闭1/3照明灯。

四、节能效果实测
　　采用智能补偿稳压节能装置在甬台温高速公路的猫狸岭隧道二号变电所内也进行了实测，控制隧道灯线路以变电所为界，左洞、右洞各为1.2公里，电压、电流数据详见表1~表4。

表1 安装智能照明调控节能装置的运行数据（测试日期：2005.12.6 19：15~12.7 19：14）

表 2 安装智能照明调控节能装置的光照度（测试日期： 2005.12. 7 14 ： 00 ）

　　注：共选取 9 个测试点，每个点测两个数据，第一个数据为隧道灯正下方光线最强处，第二个数据为两隧道灯之间光线最弱处。

表 3 未安装智能照明调控节能装置的运行数据（测试日期： 2005.12.7 19 ： 34~12.8 19 ： 33 ）

表 4 未安装智能照明调控节能装置的光照度（测试日期： 2005.12. 7 14 ： 00 ）

　　注：共选取9个测试点，每个点测两个数据，第一个数据为隧道灯正下方光线最强处，第二个数据为两隧道灯之间光线最弱处。

　　由表1和表3可得：①安装智能照明控制装置后节电588-409=179（kwh），节电率为179/588=30.4%。②因两隧道灯之间光线最暗处光照度很小，故以隧道灯正下方光照度最强处为主进行比较，安装智能照明控制装置前后光照度变化最大的为56号消防栓右处即为（28-25）/28=10.7%，由此可见，光照度与电压下降不成比列，照度变化不明显。
　　另外，采用智能补偿稳压节能装置在浙江沪杭甬高速公路钱江二桥上对80盏250W高压钠灯进行了实测。测试路段全长2公里，最末端灯杆据控制箱约1公里，根据测试安装该装置前（不节能时）末盏灯的压降为15V，安装该装置后（节能时）末盏灯的压降为9V，节能时的照度为标准值的96%。电压、电流数据详见表5及表6。

表 5 安装智能照明调控节能装置的运行数据（测试日期： 2006.4.20~2006.4.21 ）

表 6 未安装智能照明调控节能装置的运行数据（测试日期： 2006.4.21~2006.4.22 ）

　　由以上表5和表6可得：安装智能照明控制装置后节电167-97=70（kwh）,节电率为70/167=41.6%。
　　目前智能调控装置已经在杭（州）新（安江）景（德镇）高速公路互通照明工程中使用，杭新景高速公路共有18座单喇叭互通和2座枢纽互通，安装了22套智能调控装置，按照以上两测试的平均节电率36%来计算，每年可节电(18×7.6+2×15.1)×36%=59.5万元，即仅互通照明一项每年可为业主节约近60万元，即保证了道路的有效光照度，给道路使用者以良好的硬件服务质量，同时也很好的节约了道路营运者的营运费用，做到一举两得，而该装置（不含配电部分）一套约为3万元，共66万元，其安装成本13个月便可收回。
　　据不完全统计，截至2006年6月已通车高速公路约有92座单喇叭互通、18座双喇叭互通和15座枢纽互通，如果在互通区中推广使用智能照明调控节能装置，每年估计可节电(92×7.6+18×15.1+15×15.1)×36%=431万元，即每年在不明显降低道路照度的情况下，仅互通照明一项即可节约431万元，如配合不同的开关时间组合，其节能效果更佳，具有很好的节能推广价值。

参考文献
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　　[2]2005年浙江经济平稳较快发展 浙江省统计局；
　　[3]长三角全面启动“绿色照明”工程 绿色世界；
　　[4]浙江舟山煤炭中转码头工程可行性研究报告 浙江省交通规划设计研究院；
　　[5]用于路灯照明的智能补偿稳压节能装置 陈伟明 王辉 吴家余 石定良。