電磁感應(yīng)燈 (無(wú)極燈)在道路照明工程中的應(yīng)用

金麗萍

(北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院，北京 100089)

1 電磁感應(yīng)燈的工作原理及特點(diǎn)

電磁感應(yīng)燈是無(wú)極燈的一種，顧名思義，無(wú)極燈就是沒(méi)有燈芯的燈，大家都知道普通的白熾燈是依靠燈芯 (電極)的燃燒來(lái)提供照明的，包括道路照明上用的比較多的高壓鈉燈、汞燈等都是有燈芯的，無(wú)極燈沒(méi)有燈芯，靠什么來(lái)照明呢?靠的就是電磁感應(yīng)原理。如圖1所示:

在環(huán)狀的燈管外套著一對(duì)鐵芯，鐵芯上包著繞組，當(dāng)繞組通過(guò)交流電后，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，鐵芯周?chē)彤a(chǎn)生了交變的磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)電流，再利用耦合震蕩原理將產(chǎn)生的高頻電壓注入到真空的玻殼或玻管里，使低壓汞和惰性氣體的混合蒸氣產(chǎn)生放電，輻射出紫外線，再通過(guò)三基色熒光粉轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光。

圖1 環(huán)形電磁感應(yīng)燈原理

同樣卵形無(wú)極燈主要由燈泡、耦合器和高頻發(fā)生器組成，如圖2所示:其工作原理也是高頻電磁場(chǎng)能量以電磁感應(yīng)方式耦合到燈泡內(nèi)，使燈泡內(nèi)的氣體激發(fā)和電離，形成等離子體，等離子體受激發(fā)原子返回基態(tài)時(shí)，輻射出253.7nm的紫外線，燈泡內(nèi)壁熒光粉受到紫外線激發(fā)而發(fā)出可見(jiàn)光。

基于法拉第電磁感應(yīng)定律的工作原理，電磁感應(yīng)燈具有如下諸多優(yōu)點(diǎn):

1)超長(zhǎng)壽命:由于電磁感應(yīng)燈沒(méi)有燈絲和電極，從而有效的避免了燈絲和電極燃燒的損耗，壽命一般可達(dá)到60000小時(shí)以上，比普通的白熾燈長(zhǎng)100倍，比高光效的高壓鈉燈，也要高出一倍以上(高壓鈉燈一般標(biāo)稱(chēng)壽命為24000～28000小時(shí))。

圖2 卵形電磁感應(yīng)燈原理

2)高效節(jié)能:電磁感應(yīng)燈的功率因數(shù)很高，一般都在0.99以上，減少了無(wú)功消耗，比白熾燈節(jié)能90%以上，比普通的節(jié)能燈節(jié)能45%以上，而普遍采用的高壓鈉燈即使在加裝電容補(bǔ)償后，功率因數(shù)也只能達(dá)到0.85～0.90，因此，電磁感應(yīng)燈的節(jié)能效果是毋庸置疑的。另外，電磁感應(yīng)燈的發(fā)光效率達(dá)到了70～80lm/W，屬于高光效，雖然比金鹵燈和高壓鈉燈稍低 (金鹵燈光效為75lm/W含鎮(zhèn)流器耗電量，高壓鈉燈光效為80～100lm/W含鎮(zhèn)流器耗電量)，但是用于室外照明也已足夠，尤其是橋下照明、通道照明，還有就是隧道照明和道路照明。

3)高顯色性:電磁感應(yīng)燈采用三基色熒光粉，顯色指數(shù) Ra>80，光色柔和，在夜晚色彩還原性好，可以有效的幫助司機(jī)和行人分辨各類(lèi)物體，增加道路交通的安全性。色溫范圍較廣，從2700K～6400K可選，而且有紅、綠、蘭、白、黃等多種顏色可選。

4)無(wú)眩光、無(wú)閃爍:電磁感應(yīng)燈的光源多采用中頻 (210～250kHz)外置耦合器、高頻(2.65MHz)內(nèi)置耦合器來(lái)驅(qū)動(dòng)，不產(chǎn)生頻閃效應(yīng)危害，保護(hù)視力。

5)光衰小:2000小時(shí)光通量維持率95%，20000小時(shí)光通量維持率80%，60000小時(shí)光通量維持率75%。

6)瞬時(shí)啟動(dòng)和再啟動(dòng):即開(kāi)即亮，開(kāi)關(guān)次數(shù)可達(dá)20萬(wàn)次以上。

7)燈功率及電源電壓的范圍寬 電磁感應(yīng)燈的功率現(xiàn)在可以做到20W～250W，如圖3所示，無(wú)論在民用還是在工業(yè)用途中，它的適用范圍都可以滿(mǎn)足要求。另外，電磁感應(yīng)燈的適用電壓范圍極廣，從85V～277V，有著較好的通用性和穩(wěn)定性。

圖3 卵形電磁感應(yīng)燈

8)工作溫度范圍大:由于采用了汞齊技術(shù)，無(wú)需預(yù)熱，在－40℃ ～55℃范圍內(nèi)，均可正常啟動(dòng)和工作。

9)綠色環(huán)保:采用固態(tài)汞齊和無(wú)鉛玻璃，并且99%以上的材料可以回收利用，符合環(huán)保要求。

10)防震、防爆性能好:因?yàn)闊襞輧?nèi)沒(méi)有燈絲和電極，耐震性能好，電燈位置任意，并且燈泡點(diǎn)燃時(shí)表面溫度低，適合防爆場(chǎng)所。

2 電磁感應(yīng)燈在綠色照明的重要作用

綠色照明是指通過(guò)科學(xué)的照明設(shè)計(jì)，采用效率高、壽命長(zhǎng)、安全和性能穩(wěn)定的照明電器產(chǎn)品 (電光源、電器附件、燈具、配線器材，以及調(diào)光控制器件)，改善提高人們工作、學(xué)習(xí)、生活的條件和質(zhì)量，從而創(chuàng)造一個(gè)高效、舒適、安全、經(jīng)濟(jì)、有益的環(huán)境并充分體現(xiàn)現(xiàn)代文明的照明。

綠色照明在我國(guó)并不是一個(gè)新鮮的課題，早在1998年1月1日，我國(guó)就頒布了 《節(jié)能法》，在“十一五”規(guī)劃中，綠色照明更是十大重點(diǎn)節(jié)能工程之一。我國(guó)的人均資源，特別是電力資源還是比較匱乏的，目前，我國(guó)照明耗電占全國(guó)總發(fā)電量的10～12%，相當(dāng)于兩個(gè)三峽發(fā)電站的發(fā)電量，因此綠色照明工程的節(jié)能意義就顯得非常重大。

根據(jù)綠色照明的定義，除了科學(xué)的設(shè)計(jì)外，采用什么樣的光源在綠色照明中有著舉足輕重的作用，是實(shí)施綠色照明的核心。對(duì)照“效率高、壽命長(zhǎng)、安全和性能穩(wěn)定”的要求，我們可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)論在光效、壽命和安全穩(wěn)定性方面，電磁感應(yīng)燈都具有良好的表現(xiàn)，同時(shí)，在顯色性和防眩光等方面，更是超出了標(biāo)準(zhǔn)的要求，是綠色照明光源的優(yōu)先選擇。

3 電磁感應(yīng)燈在道路照明中的應(yīng)用

在河北省石家莊市槐安路改造工程中，在石家莊市市政府的大力支持下，我們和河北寶石節(jié)能照明科技有限責(zé)任公司配合，在9.54km改造路段內(nèi)道路照明全部采用了電磁感應(yīng)燈，照明效果非常好。照明效果如圖4所示。

1)工程背景及概況

槐安路改造工程范圍是槐安路西段 (西二環(huán)路～中華大街)3.59km，東段 (建設(shè)大街 ～東二環(huán)路)5.95km。改造后的東段、西段和已經(jīng)改造過(guò)的3.72km中段 (中華大街 ～建設(shè)大街)共同形成一條完整的快速路系統(tǒng)。改造后東段、西段主路為雙向4車(chē)道高架橋，道路性質(zhì)為城市快速路;輔路為雙向6車(chē)道，道路性質(zhì)為城市主干路。原道路照明全部采用高壓鈉燈，改造后全部使用電磁感應(yīng)燈。

2)照明標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù) 《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》 (CJJ45—2006)槐安路道路照明設(shè)計(jì)照度標(biāo)準(zhǔn)定為:

主路 (城市快速路):

平均亮度:Lav=1.5/2.0cd/m2，亮度總均勻度:Uo=Lmin/Lav≥0.4，亮度縱向均勻度≥0.7;

平均照度:Eav=20/30Lx，均勻度:Ue=Emin/Eav≥0.4;

照明功率密度:LPD<0.85/1.25W/m2。

輔路 (城市主干路):

平均亮度:Lav=1.5/2.0cd/m2，亮度總均勻度:Uo=Lmin/Lav≥0.4，亮度縱向均勻度≥0.7;

平均照度:Eav=20/30Lx，均勻度:Ue=Emin/Eav≥0.4;

圖4 槐安路道路照明照片

照明功率密度:LPD﹤0.7/1.05W/m2。

3)道路照明方案及比較

A照明方式:主路高架橋上采用10米單挑桿燈，燈桿對(duì)稱(chēng)布置，燈桿安裝在橋梁兩側(cè)防撞墩上，燈桿間距30米;輔路道路照明方式采用12米雙挑桿燈，燈桿安裝在兩側(cè)綠化帶內(nèi)，燈桿間距35米;相交路口及渠化段加強(qiáng)照明采用18米中燈桿。橫斷面如圖5所示。

B高壓鈉燈方案:初步設(shè)計(jì)階段光源是按高壓鈉燈考慮的，其中主路高架橋上照明燈具容量為250W，輔路照明燈具容量為250W+150W，加強(qiáng)照明燈具容量為4×400W投光燈。

照度計(jì)算及功率密度計(jì)算:

(高壓鈉燈400W光通量48000lm，250W光通量28000lm，150W光通量15000lm)

圖5 道路照明橫斷面示意圖

E主路==43.5Lx高于標(biāo)準(zhǔn)要求;

LPD主路==1.11 W/m2滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn);

E=輔路=0.78W/m2滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn);

其中非機(jī)動(dòng)車(chē)道計(jì)算略。

C電磁感應(yīng)燈方案:施工圖設(shè)計(jì)階段確定采用電磁感應(yīng)燈，其中主路高架橋上照明燈具容量為2×135W雙光源，輔路照明燈具容量為 (165W+135W)雙光源+135W，加強(qiáng)照明燈具容量為6×165W投光燈。

照度計(jì)算及功率密度計(jì)算:=30.5Lx滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn);

LPD輔路=

(電磁感應(yīng)燈165W光通量11000lm，135W光通量9000lm)

E主路==28Lx滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn);

LPD主路==1.00W/m2滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn);

E=輔路

LPD=輔路=0.78W/m2高于標(biāo)準(zhǔn)要求;

其中非機(jī)動(dòng)車(chē)道計(jì)算略。

槐安路路燈燈桿安裝后，2009年6月28日河北寶石節(jié)能照明科技有限責(zé)任公司的技術(shù)人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)橋上、橋下、渠化段及路口的道路照明效果進(jìn)行了初步實(shí)測(cè)，部分實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表1、表2所示。=21.8Lx滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn);

表1 縱向照度 (單位:lx)

表2 橫向照度 (單位:lx)

其中測(cè)試點(diǎn)0、a、b、c、d、e、f、g之間的間距為 3m。其中測(cè)試點(diǎn) 0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12之間的間距為1m。

從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，除路口照度偏低外，高架橋上、輔路、渠化段的照度都滿(mǎn)足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。路口照度偏低的主要原因，一是中桿燈上照明燈具有點(diǎn)少，二是電磁感應(yīng)燈不適宜安裝太高。建議今后在設(shè)計(jì)中桿燈時(shí)，應(yīng)考慮增加投光燈燈具數(shù)量，或考慮高壓鈉燈和電磁感應(yīng)燈兩種光源混光照明。

D高壓鈉燈和電磁感應(yīng)燈的比較:

為了說(shuō)明問(wèn)題我們?nèi)?km標(biāo)準(zhǔn)路段加1個(gè)路口的燈桿進(jìn)行比較，兩種照明光源方案的比較如表3所示。

表3 兩種照明光源方案的比較 (1km)

從以上分析比較來(lái)看，在滿(mǎn)足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) (20/30lx)的前提下，電磁感應(yīng)燈的用電量比高壓鈉燈少15%～20%，綜合節(jié)電效果大于20%(這個(gè)計(jì)算結(jié)果只是工程個(gè)案);電磁感應(yīng)燈對(duì)于機(jī)動(dòng)車(chē)駕駛員來(lái)說(shuō)視覺(jué)效果比高壓鈉燈好;電磁感應(yīng)燈的壽命是高壓鈉燈的2.5倍，關(guān)于壽命問(wèn)題據(jù)石家莊市路燈管理部門(mén)的反饋意見(jiàn)，市區(qū)近幾年有多條城市支路、小區(qū)道路照明燈具更換為電磁感應(yīng)燈以后，維護(hù)檢修工作量大大減少，基層工作人員反映非常好。

槐安路本次改造9.54km，如果按1km道路照明減少用電量10kW(包括功率因數(shù)的影響)來(lái)計(jì)算，9.54km共節(jié)省用電量95.4kW，如果按道路照明燈具每年開(kāi)燈4000h、每度電0.8元計(jì)算，每年道路照明可節(jié)約電費(fèi)約30萬(wàn)元。

4 電磁感應(yīng)燈的發(fā)展及推廣應(yīng)用

電磁感應(yīng)燈有那么多的好處，為什么不大力推廣使用呢?通過(guò)這次工程實(shí)踐我們體會(huì)以下幾點(diǎn):

1)雖然電磁感應(yīng)燈已經(jīng)推出10年了，但還沒(méi)有被廣大的使用者了解。電磁感應(yīng)燈目前還只是在專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員中得聞其名。究其原因主要是宣傳推廣力度不夠。

2)電磁感應(yīng)燈的價(jià)格不菲，目前還處在一個(gè)比較高的價(jià)位，和節(jié)能燈及高壓鈉燈相比，雖然有著眾多的優(yōu)點(diǎn)，造價(jià)限制了廣泛使用。

3)電磁感應(yīng)燈的質(zhì)量還有待提高，我國(guó)生產(chǎn)廠家產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊。目前，國(guó)家對(duì)于電磁感應(yīng)燈還沒(méi)有出臺(tái)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，電磁感應(yīng)燈的生產(chǎn)廠家良莠不齊，標(biāo)準(zhǔn)不一，導(dǎo)致用戶(hù)對(duì)電磁感應(yīng)燈的信任度不夠。

4)電磁感應(yīng)燈燈頭型號(hào)及安裝方式和現(xiàn)有的路燈燈具不統(tǒng)一，無(wú)法更換光源，必須更換整個(gè)燈具，因此不利于舊燈改造。

電磁感應(yīng)燈要推廣發(fā)展，產(chǎn)品生產(chǎn)廠家、工程設(shè)計(jì)人員、照明行業(yè)及科技部門(mén)要互相配合大力宣傳，可以采用試點(diǎn)工程的方式加以推廣。如在新建道路的照明工程中，整條道路使用電磁感應(yīng)燈，這樣，既能夠達(dá)到整條道路的和諧統(tǒng)一，也可以方便統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，計(jì)算節(jié)能效果，使專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員和廣大人民群眾能夠了解電磁感應(yīng)燈的節(jié)能功效，無(wú)形之中宣傳了電磁感應(yīng)燈的良好效果，配合國(guó)家有關(guān)綠色照明示范工程的要求，達(dá)到一舉多得的效果。

總之，電磁感應(yīng)燈這種新型照明光源的出現(xiàn)，是對(duì)綠色照明工程的有力支持，隨著我國(guó)綠色照明事業(yè)的不斷發(fā)展，電磁感應(yīng)燈也會(huì)隨之不斷完善，克服自身的缺點(diǎn)和不足，在綠色照明工程中發(fā)揮自己的重要作用。

［1］城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn).(CJJ45—2006)

［2］河北寶石節(jié)能照明科技有限責(zé)任公司無(wú)極燈資料

［3］毛永偉.淺談無(wú)極燈在綠色照明中的重要作用