市政路燈照明電氣系統無功補償技術分析

文／李學軍 西寧市市政工程管理處 青海西寧 810000

引言：

近幾年，隨著節能和環境的不斷發展，為了減少能耗，國內的城市路燈照明普遍采用了節能型的燈具。例如，新型的高壓氣體放電燈，其功率因數與相關規定相差甚遠，一般為0.3～0.5，而電力行業則規定，低壓側的功率因數要高于0.9，高電壓端的功率因數要高于0.95。因為電力的影響是不夠的，所以為了保證電力供應，必須進行電力補償。另外，由于發電量要通過遠距離輸送到用電地區，因此會造成很大的損耗，同時各種電器在運行時也會發生諧波，從而對電網的穩定造成一定的不利影響。采用市政路燈照明的電力系統補償技術，能有效地降低電力系統的耗能、解決上述問題、改善電力供應品質、降低電力損耗。

1、補償技術應用概述

利用電容器作為電源，將電能轉化成熱能和機械能，以達到改善電壓品質、減少線路損耗的目的。在電力系統的轉換中，不會產生任何的損失，故又稱其為無功補償。目前，補償技術在電力自動化系統中得到了越來越多的應用，其主要目的是使電力設備的工作效率得到明顯的改善。另外，該技術還能實現對電網的電壓、電流等參數的控制與穩定。一般來說，負荷能力和線路損失是成正比的。為了實現電力自動化的快速發展，需要加強對城市路燈照明的電力補償技術的研究和應用，以達到大幅度提高電力消耗的目的。采用城市路燈照明電力系統的補償技術，將無功電源安裝到電力自動化裝置中，并能產生和控制無功，從而提高電力系統的電壓品質，并使整個電力供應環境得到優化。

2、自動調壓及無功補償節能原理

電壓是衡量電力品質的一個重要指標，電力裝置的工作電壓和額定電壓之間的誤差都是有限制的，功率等于電壓和電流的乘積，通過降低用電裝置的電壓，可以降低電力消耗，從而達到節能的目的。在電力使用高峰期，由于電網電壓過低，不但會造成照明不足，而且會縮短光源的使用壽命，而到了午夜，則會使電網電壓升高，光源電壓也會隨之增加，這不但造成了大量的能量消耗，而且還會對光源造成嚴重的傷害。為解決這種極端不合理的用電問題，論文建議采用“自動調節”的方法，將光源置于適當的工作電壓，以達到節能和保護光源的目的。在現代化的街巷施工中，采用分段調節的方式逐步顯現出了它的特點。在路燈的使用中，高壓鈉燈要經過一段時間的預熱，所以，很多節能系統都增加了軟啟動的功能，在高峰時段，為了節省電力，可以在高峰時段，在高峰時段，照明和照明都要保持在正常的電壓范圍之內，而到了晚上，人流越來越少，到了電力的低谷，電壓就會升高，所以，可以適當地降低工作電壓。到了午夜時分，人流量會越來越大，可以增加電壓，提高照明效果，到了黎明時分，就會熄滅。其功能是：改善電力系統的功率因數、減少電力消耗、穩定電壓、改善供電品質。由于路燈線路的有功損失AP=7 R, AP值與功率因數的平方成反比，故增加功率因數可以減少線路的有功損失。

3、電氣補償系統的應用優勢

在城市路燈的照明系統中，采用補償技術是一種十分有效的方法。這種方法既可以改善整個系統的穩定性，又可以減少電力傳輸時的損耗。而且，各種補償方式，都有各自的優點和特色。在路燈的電力系統當中，最常用的就是一個小型的補償器，這個補償器可以安裝在電力系統里面，而且這個補償器的補償范圍很小，可以減少電力的損失。此外，補償盒設備間的聯接線路也比較簡單，方便了以后的維護保養。這種技術在城市路燈的電力系統中被廣泛的采用，不僅可以增強電力系統的整體穩定性，還可以大大的延長電力系統的使用壽命，減少電力的損失，從而解決當前的能源短缺問題，推動國家的能源安全穩定的發展。

4、市政路燈照明電氣系統補償影響

4.1 補償方式

目前，市政路燈照明的電能系統仍然是以用戶端作為運行出發點，只注重對路燈的功率因數進行補償，并未考慮到全網的問題，也就是沒有考慮到電網的能量消耗。僅僅是增加了一個補償，就可以提高路燈系統的功率因數。這樣做可以降低一些損失，但要想把損失降到最低，就需要從全局的角度來考慮最優的無功補償技術，從而達到最大限度地提高投資效率。

4.2 諧波影響

雖然路燈的電力系統能夠在一定程度上抵御諧波，但也會產生大量的諧波，當諧波的數量超過臨界值時，電容器就會被加速。另外，由于無功電容會在某種程度上將諧波效應放大，使得電網的諧波將會對城市道路照明和電力系統產生嚴重的干擾，從而影響到補償技術的推廣。所以，在市政路燈照明用電系統進行無功補償時，必須在發現有諧波干擾的情況下，加裝濾波器。若不加以重視，并采取相應的相應措施，會造成相應的設備的損害，因此，在城市路燈照明的電氣系統設計中要加以重視。

4.3 無功倒送

在市政路燈照明的電力系統中，最普遍的問題就是無功反向供電。無功反向供電不但會帶來很大的電能損耗，還會給變壓器等相關電器設備帶來一定的損害，從而造成重大的經濟損失。通常，在市政路燈照明的電力系統中，若采用接觸器控制，應利用適當的照明系統進行無功補償，若出現較大的無功倒退問題，可采取三相負荷的方法來進行補償；但若采用可控硅來實現對補償箱的控制，則可視具體情況而定。但在實際生產中，很多廠家只采用單相無功分析與取樣，以降低成本。所以，在三相不對稱負荷的情況下，無功反向問題就會產生。當采用固定電容進行無功補償時，在負荷較小的情況下，也會出現無功倒置等問題。

5、自動調壓及無功補償節能裝置功能設計

自動調壓節流技術是針對現場實際情況，通過電壓無級調壓器對輸出電壓進行調整，使其達到最優的電壓波動幅度，從而達到延長裝置使用壽命的目的，這樣就可以節省電能。該節能設備通過對低壓母線上的電壓和電流進行模擬，并對其進行調整，當路燈供電網絡的電壓出現波動時，系統會根據預設的電壓值，輸出一個固定的電壓，保證路燈兩端的電壓不會隨著電網的電壓波動而發生波動，從而保證燈具的正常工作，不會因為電壓的變化而出現電壓不足或高電壓引起的燈具損壞和能量浪費。針對街坊的電壓特性及現場照明狀況，采取分時段的方式進行電壓控制，并設計了七個調壓時段，即：

（1）18:30-18:40；照明設備的軟啟動時間.通過對開關進行開關的控制和無極調壓器的調整，使路燈的電壓由195 V逐漸升高至220 V，在一般情況下，該開關的啟動時間為4-8分鐘。

（2）18:40-18:50：加溫和發光的高壓鈉燈。在軟起動后，燈泡的電壓達到了額定值，電壓值為220 V，電壓準確度為±2%。

（3）18:50-19:10：燈泡的最佳工作狀態，可調節壓力。對高壓鈉燈的工作參數進行了分析，得出了高壓鈉燈的最佳工作電壓為200 V左右，在不降低照度、不影響照明設備的使用壽命的情況下，是最節能的工作電壓。在這一階段，控制系統根據所獲得的電壓值，對馬達運動的調壓碳刷進行降壓，同時電壓采集裝置持續地反饋電壓，構成了一個閉環的調壓系統。該控制系統還能接受監控主機的控制指令，將不在系統設定的時間內進行調壓，改為人工調節，使得輸出電壓逐漸降低，并在190～220 V之間隨意設置。

（4）19:10-00:00：首個能量周期。當控制系統調整好電壓至最佳工作電壓后，路火開始進入一段節能期，電壓控制精度保持在±2%。午夜時分。在交通流量大的同時，也是用電高峰時期，在這個時段，我們不能只注重節約能源，忽視照明。最好將電壓保持在200 V左右。由于電力網的電壓存在波動，因此，該系統將根據采集到的電壓信號的輸入和輸出信號，自動地進行穩壓。

（5）00:00-05:00：第二個節能時段.午夜過后，車輛和行人逐漸稀少，這段時間里，燈光不一定要很強，但也不能完全熄滅，為了節省電力，可以將照明度調低一些。干是可以按照最佳的節能思想設置第二個節能區。零點過后，系統啟動了第二個節能方案，把輸出電壓降到了185 V以下，而不會對照明設備造成傷害。在此電壓下，燈泡的工作亮度略有下降，但不會對燈泡造成損害，從而達到更高的節能效果。

（6）05:00-05:20凌晨，車輛流量逐步增加，應增加燈光亮度，并退出二次節能時段。然后，系統按照電壓調整方案，將調壓器的電壓提升到了200 V，保證了照明設備在最大功率下工作，準確度為-2%。

（7）黎明：在這個時期，太陽漸漸升起，白天來臨，不再需要燈光。系統通過室內的時鐘和光感應信號來判斷白天是不是已經亮了，再由斷路器斷開電源，斷開燈具的輸入端。到了這一步，整個壓力調節方案完成。

6、系統實際運行狀況

6.1 現場安裝方案

根據對路燈線路的監測資料進行分析，發現不同的線路有不同的狀況，可以分為兩種：一種是線路長度大、負載大、尾端電壓低、頭、尾壓差高，比如新黃路、山大路等；第二種是線路短，負載少，首尾壓力損失低的情況，如工業南段；但不管怎么說，輸出電壓都很高，而且波動很大。在路燈節能改造中，應充分考慮到各照明設備的穩壓，同時要降低前端照明設備的電壓，同時要提高尾部照明設備的電壓，使其亮度不變。根據兩種不同的路燈類型，采用了不同的處理方法。對于線路長度大、負載大、末端電壓低的線路，應在線路前端安裝節能器，在線路2/3處增設增壓器，并配以無功補償電容器，使其能夠進行升壓，使其維持原來的電壓或略高。對于線路短、負載少、首尾壓降小的輸電線路，在低壓側增設節能設備，并采用分相補償電容，從而達到穩壓、節能、解決電壓跌落、閃變問題，提高燈具壽命。為節約能源設備的電氣連接及使用方便，在箱變的左邊設置了節能設備，并與箱變正面水平。

6.2 系統功能性能運行界面

該系統在路燈節能工程中進行了現場試驗；按下按鈕，就可以進入系統的操作界面，每一個安裝位置都有一個節能設備的編號，點擊這個按鈕，就會出現一個節能設備的實時操作界面，在這個界面上，可以看到一個節能設備的運行狀態，運行曲線，安裝位置信息，實時電壓，電流，有功，無功，功率因數等。

7、電氣系統波長技術應用措施

7.1 單燈補償技術

單燈補償就是為單個燈泡提供獨立的補償電容，例如CBB60，它能很好地完成電容的補償。采用這種單燈補償技術，不但能保證照明效果，還能有效地減少與之相關聯的輸電線路的電壓等級，改善路燈照明用電系統的功率因數。例如，400 W的高壓鈉燈，在采用補償電容與CBB60燈泡相連前，其功率因子是0.46，工作電流是4.6 A。配置后設定的50微FCBB60串聯補償電容后，其功率因數達到0.91，工作電流2.29安。通過調節電容，可以看到，與安裝之前相比，電流減少了將近一半，而功率因素則增加了一倍。另外，由于照明裝置裝有電容器，所以在電力系統中，配電線路和變壓器的工作效率也有很大的提升。采用單燈補償技術，不僅能夠達到城市路燈照明電器的節能目的，還能有效地提高相關電器的利用率，延長其使用壽命，為城市路燈照明電器的安全運行提供了有力的保障。盡管單燈的補償技術及在安裝、后期維修等方面較為復雜，但它仍是市政路燈照明電氣系統中的一項技術，值得大力推廣和推廣，對提高城市路燈照明的照明質量具有十分重要的意義。

7.2 集中補償技術

集中式補償技術是將三相低壓電容器置于城市道路照明電力系統的供電控制裝置中，以實現大容量的無功補償。集中補償技術具有施工簡便、維修簡便、整體造價低、補償效果好、相關損失小等優點。集中補償技術由于其結構簡單、結構清晰、效果好等優點而被普遍采用。通過集中補償，裝置在安裝完成并投入使用后，可以在較短的時間內收回投資，其中包括電源因素控制、設備檢修、維修等。城市路燈的照明和電力系統采用集中補償，既能提高設備的利用率，又能有效地節省能源，所以及時的集中補償是一種十分有效的補償手段。

7.3 兩種補償方式的綜合分析

從上述結果可以看出，兩者均能有效地改善市政路燈照明的電力系統的功率因數、節能效果、變壓器及電線的使用率、改善道路照明用電品質。雖然采用了補償技術，可以實現一定程度的節約能源，但仍然不能完全消除相關的電能損失，而且各種補償技術的適用情況也不盡相同。因此，在實際使用時，要根據具體情況，選用最合適的補償方式。集中補償技術通常是針對已完工的市政路燈照明電力系統，在此條件下，集中補償技術具有更高的施工效率和更低廉的后期維修費用。對于三相對稱負荷的市政路燈照明系統，應選用三相補償裝置進行集中補償；對于不對稱三相負荷，必須采用混合補償裝置進行集中補償。而單燈補償技術一般都是在新建的市政路燈照明系統中使用，在此基礎上，采用單燈補償技術，既能快速有效地進行施工，又能得到較好的補償。

7.4 市政路燈照明電氣系統補償技術的應用注意事項

（1）選擇補償電容；電容式無功補償是一種高效的電容式無功補償方法，但它受電容本身的影響。所以，要對補償電容進行科學、合理的選擇。但在實際應用中，由于氣體放電光源自身的電流失真，影響了電源的效率。所以，一般情況下，理想的目標功率因數為0.8～0.9。

（2）配電系統中的無功補償技術在電網中的應用：支路補償技術是一種主要的補償方式。其補償原則是通過對支路無功進行均衡，以彌補支路損耗，從而降低支路對主干的影響，降低無功損失。配電網中的無功補償技術是將部分電容器安裝在線路上。對于較長的輸電線路，采用分段布置的方式進行無功補償，這是一種最適合的補償線路長度和較低的自然功率因素。

（3）持續的革新與先進的技術運用：在城市路燈照明與電力系統的設計中，要不斷地改進與運用先進的技術來改善其補償效果。例如，可以將城市路燈照明電力系統作為自換相電流回路，采用靜態產生（SVG）來對整個系統進行持續的動態補償。另外，利用觸發式可控硅（LTT）對市政路燈照明用電進行有效的補償，既能有效地改善可控制性，又能確保電力系統的穩定性，減少故障的發生。

7.5 適當布置小補償箱

在無功補償中，要實現的一個重要目的就是解決交通運輸中的能源消耗。而要減少電力系統的能量消耗，不僅要達到傳輸的要求，而且要盡可能地減少由電阻引起的能量轉換為熱能的問題。無功補償之所以能夠在照明系統中發揮節約能源的功能，其重要原因在于，它能夠保持電力網絡的穩定，降低電力傳輸在照明系統中的損耗。而且，無功補償也有各自的優點。在實際應用中，常用的是幾種小型的補償箱。這種補償盒的最大優勢在于其安裝十分簡便，可以在某些補償裝置上直接進行。此外，采用小型補償盒進行照明，可以縮短補償距離，有利于節約能源。另外，安裝起來也比較容易，維修起來也比較方便。無功補償由于其自身的優點和特性，已經越來越多地被應用于照明領域，通過對無功補償的運用，可以極大地提高我國城市照明系統的使用壽命，提高電力網絡的穩定性，減少因電力傳輸而帶來的各種損失。

7.6 電容器單燈的應用

目前我國城市照明系統的實際建設和應用，采用補償技術對系統進行恰當的處理，可以分為兩種。一種是通過特殊的結構來實現單光源的補償，采用這種補償技術，可以實現對單個燈具的節能。還有一種是三相和一相的電力燈，由于這種燈的功率較低，所以在城市的道路上，可以采用專用的路燈變壓器，使其負載功率更合理。在這種條件下，三相和三相電容的合理配置，能夠很好地彌補照明系統的不足，同時也能使照明系統得到最大程度的補償。現在，很多地方都在采用電容器的方法，但在實際應用中，由于單光源的特性和抗壓能力都很強，所以在照明方面的應用范圍更廣。在實施補償技術時，要考慮到照明系統的實際狀況和客觀需要，選用適當的補償技術，并根據具體的應用來確定最佳的節能效果。

結語：

綜上所述，隨著我國經濟的快速發展，我國的能源消費日益增多，能耗問題日益凸顯。隨著能源問題越來越受到重視，人們紛紛采取各種節能手段，補償技術便是其中之一，將補償技術應用于城市照明系統，不僅可以降低照明系統的能耗，還可以提高電力網絡的穩定性，因此，必須進一步加大對照明系統的節能研究，研發更多的補償技術，使照明系統能夠更好地發揮電力的功能，同時也可以使電力系統的運行更加穩定，為城市的發展做出更大的貢獻。