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照明行业标准

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第一章道路照明用电光源

第二章镇流器

第三章道路照明灯具

第四章道路照明的原理

第五章道路照明标准

第六章道路照明的设计

第七章道路照明的计算

第八章道路照明的测量

第九章道路照明的控制

第十章照明低压线路导线截面的选择第十一章电缆的选择与敷设

第十二章变压器的选择

第十三章架空线路的机械计算

精选文库第一章道路照明用电光源

自从电能开始用于照明后,相继制成钨丝白炽灯、低压汞灯、高压灯、高压钠灯、低压钠灯、卤钨灯、金属卤化物灯等电光源。目前,国内在道路照明上使用最多的电光源是白炽灯、高压汞灯和高压钠灯,因为它们分别具有价格便宜、使用方便和有很高的发光效能以及较长的使用寿命。

1、电光源分类(按发光原理分类)

(1)热辐射光源:

1)钨丝白炽灯,如普通照明灯泡。

2)卤钨循环白炽灯,如管形照明卤钨灯泡。

(2)气体放电光源(按发光物质分类):

1)金属类:①汞灯,它又分低压汞灯(又称荧光灯、日光灯)、高压汞灯(简称荧光高压汞灯)2种;②钠灯,它又分低压钠灯、高压钠灯(普通型高压钠灯和高显色高压钠灯)2种。

2)惰性气体类:氙灯;汞氙灯。

3)金属卤化物类:钠铊铟灯;镝灯。

2、道路照明对电光源的要求

(1)发光效能高。

(2)使用寿命长,寿命周期的一致性好。

(3)有较好的显色性和适当的低亮度。

3、电光源的主要特性比较

道路照明常用电光源(国产)的主要特性比较,如表1-1所示。

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表1-1 道路照明常用光源的主要特性比较注1、光效是发光效能的简称,指一个电光源每消耗1W功率的电能所发出的光通量,单位为lm/W(流明/瓦)。

2、电光源的寿命分全寿命、有效奉命和平均寿命。全寿命指电光源从开始燃点到不能再启动的时间总和。有效寿命是指电光源的总光通量下降到初始值的70%时的总共点燃时间。平均寿命是一批灯在额定电源电压和试验室条件(电源电压波动不大于±2%,环境

25±5℃,无灯具的自燃冷却状态)下点燃,且每启动一次至少点燃10h;至少有50%被试验灯能继续燃点时的累计燃点小时。

3、双金属片启动的内触发高压钠灯的再启动时间与灯泡周围的温度有关,一般在10~20min;用触发器启动的外触发高压钠灯再启动时间一般不超过1min。

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精选文库4、1000W钠铊铟灯目前需用触发器启动。

第一节白炽灯

白炽灯泡是根据热辐射的原理制成。它是依靠电流将灯丝加热到白炽的温度(2400~3000K)面辐射出可见光的光源。灯丝是白炽灯泡的主要部分,灯丝断了,灯泡也就坏了。温度很高的灯丝在空气中很容易被氧化,所以它应在没有有害气体的环境中工作,即将泡壳内抽成真空或充入与灯丝不起化学作用的氮气等惰性气体。

普通白炽灯泡的结构,如图1-1所示。

白炽灯泡的灯丝一般都绕成单螺旋状或双螺旋状(即为将绕成单螺旋状的灯丝再绕成较大的螺旋状)。灯丝是白炽灯的主要部分。制作灯丝的材料应具备:①熔点高;②蒸发率小;③可见辐射的选择性较好;④机械性能较好。现在,几乎所有的白炽灯泡都是用钨作灯丝,只有极少数的灯采用其它灯丝材料。

钨丝白炽灯泡的发光效能在6.5~19lm/w。

一般灯泡功率在40W及以下是真空灯泡;功率在40W及以上是充气灯泡。充填气体是用氩气和氮气的混合气体,工作压力为0.1Mpa(760乇)。氩气和氮气的比例,由额定电压和灯丝的发光温度决定。灯泡内充以惰性气体的目的是为了减少钨的蒸发。因为钨在蒸发过程中遇到惰性气体的阻拦,有一部分钨粒子会折回到灯丝上,这样就减少钨的蒸发量,从而可相应提高灯丝的工作温度,提高灯泡的发光效能。

双螺旋白炽灯泡也是从提高灯丝的工作温度出发,从而提高灯泡的光效。在同功率的情况下,双螺旋白炽灯泡比单螺旋白炽灯泡可提高光效12%以上,是值得采用的节能产品。

道路照明用白炽灯一般用40W、60W、100W,仅在个别场合用500W、1000W的大功率灯泡。500W以下的白炽灯泡的外形呈梨形,安装位置可以任意向;500W及以上的则呈圆形,使用时,必须灯头在下。普通白炽灯泡的型号是PZ220-40:PZ的意思是普通白炽灯泡;220为灯泡的额定电压,其单位为V;40为灯泡的额定功率,其单位为W。有时,为提高道路照明灯泡的寿命和适当延长巡修周期,采用额定电压为230V的白炽灯泡。

在使用白炽灯泡时应注意:

(1)电源电压的变化对灯泡寿命和光效影响很大。电压升高则白炽灯泡的寿命急剧减短。光通量对电源电压的变化也比较敏感,电压降低时光通量输出也随着减少。白炽灯主要参数与电压变化的关系见图1-2。

(2)钨丝的冷态电阻比热态小得多,故白炽灯泡瞬时启动电流最高值达额定电流的8倍以上,但在0.12s时间内即可衰减到额定值。

第二节荧光高压汞灯

高压汞灯是荧光高压汞灯的习惯叫法。高压汞灯属第二代电光源。它是道路照明、工厂照明的主要电光源,因它有较高的光较和高寿命,而且价格也较低。

一、高压汞灯

1、灯的构造

高压汞灯分内外2层:①外层是一个耐高温的硬质玻璃壳。在玻璃壳仙壁均匀地涂有荧光粉;②内层是一个耐用高温、耐高压的透时石英玻璃制成的发光管。发光管内充有适量的汞和为降低启动电压并具有保护电极的氩气。在放电管两端的钼箔上封接有钨丝绕制并涂有电子粉的电极,为了使启动容易,在灯头侧的主电极旁装有辅助电极。辅助电极要比相邻的主电极略长一些,在一定程度上可提高灯的寿命,为限制主电极与辅助电极间的放电电流值,

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精选文库辅助电极上串有一个40~60kΩ的附加电阻。高压汞灯在外壳与内管之间抽成真空并充入少量惰性气体,用来减少热传导并保证灯的稳定工作。

2、工作过程

高压汞灯应与其功率相匹配的镇流器组成一电路,如图1-3所示。

当接通电源时,辅助电极E3与靠近的主电极E1之间产生辉光放电,立即使主电极E1 和E2之间引燃点亮。由于放电管内温度上升,使汞在数分钟内全部蒸发,汞汽压上升到设计值0.133~1.33MPa。这个过程中灯泡的工作电压从零上升到设计值;电流从启动电流值随着灯泡工作电压从零上升到稳定值也逐步减少到稳定值。当电流在额定工作电流附近时,启动过程就算结束。

当高压汞灯熄灭后,必须等到放电管逐步冷却,汞蒸气压降下来后,才能重新点燃。从熄灭到再点燃的时间,称为再启动时间。

二、自镇流高压汞灯

将高压汞灯装在外玻璃壳内的钨丝作镇流器用,并与放电管串起来,构成自镇流高压汞灯。钨丝均匀地排列在放电管四周在灯泡稳定工作时钨丝的设计光效为5~7 lm/w.

表1-2 荧光高压汞灯光电参数

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自镇流高压汞灯的寿命是由钨丝的寿命脉决定的,为了使灯泡能有较长的寿命,放电管的工作电压要选得高些,以利控制灯泡的工作电流值。

常用自镇流高压汞灯有160W、250W、450W。如GYZ-450是用250W放电管与200W钨丝配制而成的。由于它的光效低,除非在安装镇流器有特殊困难的灯型外,不宜大量应用在道路照明上。

各种型号的荧光高压汞灯的光电参数,如表1-2所示。

三、使用注意事项

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精选文库(1)电源电压如突然降低5%及以上,可能造成灯泡自行熄灭。新灯泡的工作电压如果低于表1-2所列数值的下限值,灯泡的使用寿命就会降低。

(2)高压汞灯可以在任意位置上点燃。但在水平位置点然时,光通量的输出将减少。水平点燃与灯头在下的垂直点燃时,灯容易自行熄灭。

(3)在高压汞灯的放电管中,充有一定量的汞,破碎的放电管要妥善处理,以防止汞蒸发危害人体健康。

(4)电源电压的变化对400W高压汞灯的光电参数的影响,如图1-4所示。

第三节高压钠灯

自1960年以来,称为第三代光源的高压钠灯已被道路、码头、货场等照明广泛采用。

一、结构和工作原理

图1-5表示高压钠灯的结构。放电管采用半透明多晶氧化铝制成。氧化铝能耐受高温,抗钠腐蚀。氧化铝管的两端用氧化铝陶瓷帽封接,老产品用铌帽封接。在氧化铝管内,除充钠以外,还充入一定量的汞,钠和汞的重量比大约是1:2~1:10。目前,灯泡厂以钠汞齐的形式充入。灯内添加汞的原因有:①提高发光效能,并提高交流电路的功率因数。如400W高压钠灯,在不充汞时,灯的工作电压只有40~44V,电流约10A;充入汞后,灯的工作电压升到100V,电流降到4.6A,这样还可使镇流器做得小又经济。②适当改善光颜色。在这里,汞蒸气起缓冲气体和增加放电电抗的作用。

二、高压钠灯的触发过程

在放电管内充有氙气的高压钠灯,在触发时,需在放电管两端加上约2500V左右的高电压,才能使两电极间在氙气中放电。此时灯的光色由很暗的白色辉光,很快变为蓝色光,这表明放电管内的汞蒸发已有足够的压力,激发和电离主要在汞蒸气中发生;随后发出单一的黄色光,说明在较低的钠蒸气压力下钠产生了共振辐射;随着钠蒸气压力的提高,灯发出金白色光启动过程结束。此启动过程表现在电参数上的变化是,电流值从较大的启动电流逐步降低到接近工作电流;灯泡的工作电压从零逐步升高到接近工作电压。当工作电流、工作电压均稳定在额定值附近时,启动过程结束。在放电管内充氙气时,因氙的热导损耗较小,效率比氩气要高一些,但触发比较困难。如在放电管内充有氩氖混合气,放电管外绕有金属丝,则制成在220V电压下能触发的快速触发高压钠灯。充氩氖的高压钠灯的光效与寿命均低于充氙的高压钠灯。

三、高压钠灯的触发种类

高压钠灯的触发方式可分为内触发、外触发两种。

1、触发式高压纳灯

外触发高压钠灯泡是采用电子触发器在电源接通瞬间灯管两端获得高压脉冲将灯管点燃。目前常用的触发器有:

(1)镇流器抽头式电子触发器,其原理图如图1-6所示。在电源正半周时,交流电流通过二极管D对电容C1充电;在电源负半周时,电源电压和C1上所充电压叠加在一起加到可控硅T上,当电源电压从零向负半周的最大值变化时,不仅T的阳极电压增加,而且控制电压也增加,适当选择电参数,可使可控硅在电源电压达到某一点时导通,原来加在它上面的电压几乎完全加在镇流器L的a、b两端,选择好ab和bc的匝数比,就可在灯两端获得大于2500V以上的瞬间高压,将灯点燃。

(2)独立式电子触发器,其原理与镇流器抽头式电子触发器大致相同。其不同的是图1-7中的镇流器不起脉冲-- 5

精选文库变压器的作用,而在触发器中另有一微型脉冲升压变压器。这种触发器与高压钠灯并联安装。

(3)对电子触发器的性能要求。

电子触发器的工频开始工作电压应控制在175±10V之间;再触发电压应与开始工作电压基本相等。为什么将开始工作电压规定在这个范围内呢?因高压钠灯的工作电压规定为100±2V,即最高不许超过120V(新品)。而在燃点过程中,其工作电压随点燃时间的增加而逐步上升。工作电压上升的速度与充汞量、消气剂的吸附能力有关。高压钠灯的熄弧电压约在145V左右。为防止在高压钠灯燃点过程中,因触发器工作电压偏低而不间断的启动,造成灯泡闪烁,触发器自燃,所以将触发器的最低开始工作电压控制在145V以上;而照明低压线路的末端电压应不低于180V。

抽关式触发器在北京的使用情况较好,特别是以插接方式连接、安装、调试较方便。

2、内触发式高压钠灯

内触发高压钠灯是在灯泡壳内安装一双金属片开关和加热电阻丝,如图1-8所示。其工作原理是当接通电源时,电流经过加热电阻丝R和双金属片开关AB并对AB加热,由于双金属片一面是金属镍,另一面是金属镍铬,正反面的膨胀系数不同,在达到一定温度时,双金属片产生弯曲变形,触点A与B分离,在A与B分离的瞬间,在镇流器电感线圈L上产生数千伏自感电势加在灯的两端,将灯点燃。灯工作后,由于电弧管的热辐射,外壳内温度升高,使开关A、B触点维持在断开状态。

直热式双金属片内触发高压钠灯的触发速度极快,经改进提高后有替代外触发高压钠灯的可能。

四、高压钠灯的参数

高压钠灯的参数,见表1-3。

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注高压钠灯产生厂有:沈阳市华光灯泡厂、上海市亚明灯泡厂、南京电子厂等。

普通高压钠灯的色温为2000~2100K,平均显色指数R。=23~25。在室内体育馆可用高显色高压钠灯,它的色-- 6

精选文库温2300K,显色指数R。约为60~70 lm/W左右。

普通高压钠灯的光、电参数随电源电压的变化情况,如图1-9所示。

五、高压钠灯的寿命

经10多年的生产经验,高压钠灯的单个寿命已由最初的几十小时,到1990年底提高到8000h以上(平均寿命)。国际先进水平为16000~24000h。外触发高压钠灯的启动电流值较小,镇流器的阻安特性曲线接近一条水平线(见第二章图2-7),随着外触发高压钠灯的广泛采用,将使高压钠灯的寿命进一步提高。

第四节低压钠灯

低压钠灯是一种接近于黄色的单色光光源,它的发光效能可达150 lm/W。它适合于作为效区公路的光源。

低压钠灯的结构,如图1-10所示。

外壳内抽成高真空,以减少气体对流和传导引起的热损耗。为提高和维护真空度,大兴安岭在抽成真空后,蒸散一层消气剂。外壳的内壁涂以氧化铟(In2O2)、氧化锡(SnO2)为主要成份的红外反射层,以减少热辐射损耗。

低压钠灯的内管弯成U型。U型管由2层玻璃组成,外层是易于加工成形而性能良好的软玻璃(钠钙玻璃);内层是用加工性能很差的抗钠性能良好的高硼更上一层玻璃(含硅、三氧化二硼、三氧化二铝、氧化钙、氧化铝等)制成,其厚度约在0.05mm左右。

U型管上每隔一段就有一个隆起的小窝,小窝内可存钠。U型管内充有高纯钠、氖气和微量氩气。

为避免灯管太长和使放电管的温度保持在270℃左右,保证钠蒸气压力为666.61Pa,故将放电管弯成紧靠在一起的U型状。

低压钠灯一般采用高阻抗的漏磁变压器提供触发所需的电压,触发电压在400V以上。漏磁变压器的体积大,其自身功耗也大,使全电路的效率降低。低压钠灯触发后需8~10min才能达到全部光输出。此阶段后,电气特性能变化很小,如图1-11所示。

灯工作位置应使U型管保持水平。这样,钠的分布均匀,发光效率也较高。

低压钠灯的光电参数,如表1-4所示。

表1-4 低压钠灯的光电参数

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注ND18由沈阳灯泡厂生产

第五节照明电路的无功补偿

道路照明用电光源已大量采用高压汞灯、高压钠灯等气体放电灯,它们的功率因数cosφ约在0.4~0.67之间。因功率因数cosφ偏低,灯泡工作电流中无功电流成份偏多,从提高照明电路的经济效益着眼,一般应该对气体放电灯进行无功补偿,补偿后不但可以适当减少新装时的报装容量和减低报装投资,而且可以减少照明低压线路的年度线路电能损失,还可提高线路末端电压。

一、无功补偿方法

1、分散补偿即单灯补偿

道路照明负荷的特点是分散、均匀。为减小每一个负荷点的电流值,宜在每一负荷点上并联一个电容量适当的电容器。

气体放电灯电路是一个电感性负荷,电路的功率因数由cosφ提高到cosφ′时,要求并联补偿的电容器的电容值,可按下式计算:(18页有一公式)

式中C——电容值(μF);

P——被补偿的照明电路总功率(W);

U——电源电压(V);

Tgφ——补偿前cosφr的φ角正切值;

tgφ′——补偿后cosφ的φ′角正切值。

Cosφ、sinφ和tgφ与φ之间的对应关系,见表1-5。

对道路照明用气体放电灯进行单灯补偿时,由于线路电流值的减小而使在低压线路上的电能损耗降低,使电容器的投资在2年左右得到全部补偿,而且可以在基建时减少线路贴费、变压器贴费的投资。

表1-5 eosφ、sinφ和tgφ与φ的对应关系值

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在用裸铝线架设的架空线路的主干线与引下线连接部位间,因铜铝接头的存在,难于保证接触良好。如在此负荷侧致使电容器频繁的充放电产生电弧烧伤主干线。共用一熔断器保护灯泡与电容器电路,一旦熔丝更换工作。所以,宜对电缆线路上的气体放电灯进行单灯补偿,而架空线路上的气体放电灯不宜采用单灯补偿。单灯补偿用的电容器内部应加装放电电阻Rc,其值计算如下(20页有一公式)

式中C——电容器的容量(μF)。

2、集中补偿

照明负荷集中的大型广场、立交桥等场所,在分散补偿有困难时,采用集中补偿是解决补偿的办法之一。优点是安装维护简单、运行可靠、利用率高。缺点是不能减小配电低压线路上的电能损耗,并需加装放电设备。在人体直接接触电容器的带电部分前,必须严格执行停电、放电、挂地线的安全措施,以确保人身安全。

二、无功补偿度的选择

在电气工程中希望电路的功率因数cosφ尽量接近于1。

但是,由于供电电流波形畸变的影响,补偿电容器的电容电流只能补偿灯电路电流波形的基波成份,而电容电流不能补偿或降低畸变电流波形中的谐波成份。所以一般补偿度选择在

tgφ=0.62(cosφ=0.85)为宜.

高压汞灯与高压钠灯有、无补偿电容器的电气参数,可参照表1-6.

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精选文库第六节气体放电灯然点时的异常现象

新生产的高压汞灯应在电源电压180V时能正常启动,而有的需在电压210V下方能启动.这些启动电压高低不一的原因是:

(1)电极的发射物质的一至性差.因为电极制成后,在真空烘烤过程中,各电极所处位置不同等原因造成.

表1-6 高压汞灯、高压钠灯有、无补偿参数表

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(2)内管中充气气压的不同.

(3)高压汞灯的主、副电极间距离不同及两主电极的相对位置不在同一直线上.

高压汞灯、高压钠灯经长时间燃点过程中,有个别的灯泡会出现忽着忽灭的现象.这种现象可分为2类:

(1)非周期性忽着忽灭.由于灯泡使用已久,灯泡的工作电压上升,并超过145V,在电源电压为220V时尚能勉

强维持其燃点,若电源电压稍有突然降低,灯泡自行熄灭;有个别的高压汞灯的忽着忽灭是因电源电压稍

低加上电源线上个别接头虚所致.非周期性忽着忽灭,常见于自镇流高压汞灯、高压汞灯和高压钠灯.

(2)周期性忽着忽灭.日常生活中可以见到即将寿终的日光灯会忽闪忽闪.也可以见到即将寿终的高压钠灯

泡,自触发始其工作电压从零逐渐上升到170V左右,,在电源电压无任何波动时也自行熄灭,待灯泡冷却

到一定程度后又重新点燃的现象.高压钠灯泡自触发到自行熄灭、冷却到再触发一个周期的时间基本相

等,从而周而复始的进行至灯泡不能再触发为止.内管上绕丝快速触发的高压钠灯再易出现这种现象.

用交流电点燃的气体放电灯,当每半周结束时熄灭,下半周又重新点燃.如果电源电压大幅度下降,重复点燃就变得困难,甚至不能重新点燃而造成熄灭.灯泡熄灭时的电源电压称为熄灭电压.熄灭电压和灯的工作电压、镇流方式以及工作位置等都有关系.经大量实践得出它们的关系如图1-12所示.从该图可见,灯在水平位置工作比垂直位置工作时容易熄弧;用电阻镇流(如自镇流高压汞灯)比用电感镇流容易熄弧.

第七节道路照明光源的选择

道路照明的电光源选用,首先应满足道路等级对照度(或亮度)的要求下,再满足高光效、长寿命,在一般道路或广场,不考虑显色指数与色温度.

从光效角度选用电光源,其排列顺序为低压钠灯、高压钠灯、高压汞灯、自镇流高压汞灯、白炽灯.从寿命角度选用电光源,其排列顺序为高压汞灯、高压钠灯、(外触发高压钠灯和内触发高压钠灯)、低压钠灯、自镇流高压汞灯、

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精选文库白炽灯.

气体放电灯中光效最高的是低压钠灯,它的光效150 lm/W,而高压钠灯只有50 lm/W,高压钠灯100 lm/W.可见,如用低压钠灯替代高压汞灯可节电66%.低压钠灯的适用场合很多,一般较宜用在郊区公路上,如ND18的灯泡能制成任意向点燃,并与阻抗式镇流器配合,在北京使用的平均寿命已达4000h以上,以取代目前大量使用的白炽灯泡,是很有前途的.

更为适用.自镇流高压汞灯因寿命短,光效低等缺点,不宜作道路照明光源,在各种场合应严格限制生产与使用.

第二章镇流器

第一节镇流器的作用

气体放电灯在燃点时,都处于弧光放电状态。面弧光放电状态一般呈负的伏安特性。负的伏安特性是当电路电流增加时,灯泡的工作电压反而降低,与电源电压之间产生一个差值?U,在这个差值?U的作用下,促使电流继续增加,这个过程反复下去,导致电流无限制增加,最后直以灯泡或电路的某一部分被电流烧坏为止。这一特性如图2-1的曲线a所示。

把灯与电阻(或电感)串联起来,就可以克服弧光放电因有的不稳定性。图示2—1中曲线a是弧光放电负的伏安特性;曲线b是电助理(或电感)的伏安特性:曲线c是a与b的叠加结果,具有正的伏安特性。所以一般在直线电路中用电阻做镇流器;在交流电路中用电感做镇流器。

镇流器与气体放电灯的特性相配合,将使气体放电灯的工作电流限制在某一数值附近,并保证电源电压在一定范围内变化时,仍能维持灯的稳定工作。

气体放电灯电路如图2-2所示,在电源电压一定时,电流I取决于镇流器和灯泡的性能。灯了便于说明问题,根据欧姆定律:在电压一定的时候,电流与阻抗成反比(26有一公式)

式中I——电路电流(A);U——电源电压(V);

Z——电路阻抗(?),它等于镇流器的阻抗Z L和灯泡的阻抗Z I,所以

Z=Z L+Z I (2-2)

将式(2-2)代入式(2-1)得(26页有一公式)

?——交流电频率,?=50Hz;μ——材料的导磁率(H/m);

N——镇流器绕组匝数(匝);?——镇流器绕组的横截面积(㎡)。

气体放电灯通过工作电流I后,在灯泡两端可以测量到工作电压U1=IZ1。U1与Z1成正比,即灯泡的工作电压越高,则灯泡的阻抗值越小,电路电流就越大。灯泡的工作电压与灯泡的阻抗值间的关系,可作解释如下:以高压汞灯为例,高压汞灯的工作电压是由放电管中充汞量的多少来决定的。充汞量越多,灯泡在燃点时汞蒸气压越高,也就是说在放电管中气化的汞的分子数越多,这时从阴极发射的电子在到达阳极的途中撞击到汞分子的次数越多,在单位时间内到达阳极的电子数就越少,电路电流就越小,则灯泡的阻抗就越大;反之,在放电管中的充汞量少,能汽化的汞分子少,从阴极发射出的电子到达阳极的电子数就越多,电路电流就越大,则灯泡的阻抗值就小。

其它气体放电灯,包括高压钠灯的情况都可作上述解释。

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精选文库综合上述,气体放电灯电路中的电流值,在电源电压一定时,取决于电路的阻抗值Z,也就是取决于灯泡的阻抗值和镇流器的阻抗值。在镇流器的阻抗一定时,灯泡的工作电压越高,则电路电流值就越小

第二节镇流器的种类

道路照明电源为50Hz交流电。为减小镇流器的有功损耗,提高照明电路的效率,采用电感镇流器。电感镇流器的种类有阻抗式镇流器、漏磁变压器镇流器和自耦变压器镇流器、与高压汞灯、高压钠灯配套的镇流器是阻抗式镇流器;与低压钠灯配套的镇流器目前还是漏磁变压器镇流器。它们的主要材料是硅钢片与漆包线。

一、阻抗式镇流器

阻抗式镇流器的铁芯是由两组硅钢片拼成。常用硅钢片的型式有П型、U型或E型。目前,大量镇流器是采用П型铁芯做的,少量的是采用U型铁芯做的。硅钢片的厚度为0.35mm或0.5mm两种。硅钢片上刷有绝缘漆,使彼此间绝缘,以减少铁芯中的涡流损耗。U型铁芯是用冷轧硅钢片卷成,并经定型后中间铣成对称的两段,最后再经退火处理而成的。绕组是绕在铁芯两臂上。铁芯在连接处留有磁隙,用于降低磁通饱和,调节阻抗值。

阻抗式镇流器适用于高压汞灯、高压钠灯。

二、漏磁变压器镇流器

从名称看,这种镇流器首先是一个变压器,如图2-3所示,一次绕组N1与二次绕组N2之比等于一次侧电压U1与二次侧电压U2之比。漏磁变压器镇流器在二次侧开路时,明显呈现为变压器效果。

在加上1-2、3-4这部分铁芯支路(漏磁支路)后,一次绕组N1内流过电流I1所产生的磁通Φ1的途径有:a —b—c—d,a—e—f—d;Φ1又增加a—b—1—2、a—e—4—3两条漏磁支路。这样如果在二次侧接有负载或短路时,因漏磁变压器镇流器本身有足够大的阻抗值,二次侧电流值也就不会太大。

为了满足不同灯的要求,对铁芯截面、绕组匝数、线径进行设计计算,并通过调整铁芯与磁隙长度来控制电流的大小。

如果把一次侧与二次侧某端相连,就成为自耦式漏磁镇流器。这种镇流器的二次侧电压一般在250~500V之间。

漏磁变压器镇流器适用气体放电灯,但由于这种镇流器的体积大,功率损耗也大,所以很少使用。

三、阻抗式镇流器的设计

1、镇流器工作电压UL

根据电源电压Un,灯泡的工作电压U1,当镇流器与高压汞灯配套时,镇流器上的工作电压UL为(29页在一公式)

式中Un——电源额定电压,Un=220V;

U1——对应于高压汞灯的工作电压(V)。

当镇流器与高压钠灯配套时,应将式(2-4)改为(30页有一公式)

如125W高压汞灯泡的工作电压查表1-2为U1=115V,则镇流器的工作电压UL为(30页有一公式)

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精选文库

1、芯截面

按经验公式计算铁芯截面积S=0.75√P (2-6)

式中S——铁芯截面积(c㎡); P——灯泡功率(W)。

例如125W高压汞灯用镇流器的铁芯截面积

S=0.75√125=8.4cm2

2、绕组匝数(30页有一公式)

式中N——绕组匝数(匝);

?——交流电频率,?=50Hz;

B——磁感应强度(T),一般取1~1.3T

例如125W高压汞灯用镇流器的B=1T,则(30页有一公式)

4、导线线径(30页有一公式)

式中D——导线直径(mm);

I——灯泡的工作电流(A);

J——铜线的电流密度,J=2.5A/mm2.

如125W高压汞灯的工作电流为1.25A,则镇流器用漆包线直径(不含漆皮厚度)为

(31页有一公式)

选D=0.8mm。由于气体放电灯的触发电流大,燃点时间长而且午夜后电源电压偏高的特点,在选择漆包线直径时宜适当放大其计算所得的直径值。

5、磁隙

当镇流器铁芯采用Π型或U型硅钢片时,磁路中有两个磁隙.由于空气的相对导磁率μ1=1,非而硅钢片的相对导磁率μ1为几百到几千,所以决定镇流器磁路的磁阻(类似导线的电阻)主要是磁线的长度.若磁路长度的安匝降落忽略不计,当磁感应强度B=1.0T时,每个磁隙的长度可近似按下式计算(31页有一公式)

式中δ------磁隙长度(mm); N------绕组匝数(匝);

I------通过绕组的电流(A).

如125W高压汞灯用镇流器的磁隙为(31页有一公式)

镇流器的电感值可按下式计算

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精选文库L=μ。SN2/δ (2-10)

式中L——电感值(H);N——绕组匝数(匝);

μ。——空气导磁率,μ。=4π×10ˉ1 H/m;

S——有效气隙面积(㎡);δ——磁隙长度(m)。

镇流器的阻抗值Z L≈X L=2π?L (Ω)

将式(2-11)可见,镇流器的阻抗值反比于磁隙长度,即当2π?μ。SN2一定时,减小δ值,就是增大镇流器的阻抗值Z L还达不到设计要求的值时,即可采取:①增加线圈的匝数N;②增大硅钢片的片数。在采用其中方法之一或两个方法同时采用时,即可使Z L达到所要求的数值。

第三节阻抗式镇流器的技术参数

1、技术参数

阻抗式镇流器在额定频率时的技术参数可参阅表2-1所列的数值。

2、阻抗值

当镇流器通过电流为工作电流时,其阻抗值应与表2-1中所列的数值相符。当通过电流为工作电流的50%~115%之间时,表2-1中的阻抗值可允许有±4%的偏差。

表2-1阻抗式镇流器在额定频率(50Hz)时的技术参数

照明行业标准

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精选文库①在cosφ=0.042时镇流器的功耗。

3、温升

当镇流器在其相当的工作电流下工作,环境温度在20°C~30°C之间时,绕组的稳定温升按电阻变化测定,其值谢绝超过绕组的最高工作温升;若没有注明最高温升时,应谢绝超过55°C为宜。

4、耐压试验

高压汞灯的镇流器工作电压小于250V者,试验电压用2000V(交流),试验时间为1min算通过。

高压钠灯用的镇流器工作电压小于250V者,试验电压用5000V(交流),试验时间为1min算通过。

5、绝缘电阻

测试绝缘电阻用的兆欧表,一般选择500V级的兆欧表。

冷态(温度为20±5°C,相对湿度为50%~70%)时,其绝缘电阻应不早于10MΩ。

热态(在室温下,镇流器通以额定工作电流加热至热态稳定)时,测其绝缘电阻应不小于5MΩ。

6、防磁性能

镇流器无论采用何种防磁手段,例如采用适宜的钢壳防磁,都要求镇流器在距其表面25处放置一厚度为1.25mm的普通软钢板,而且镇流器工作电流所对应的阻抗值,在放置普通软钢板前后的变化不应超过2%。

第四节镇流器的校验

对镇流器进行电气性能的测试是验收新产品的必要手续,必要时还应拆开镇流器检验内部结构,以保证安全和产品的经久耐用。

一、阻抗、触发电流的校验

镇流器校验接线图如图2-4所示。校验镇流器阻抗时,先调整调压器使电流表的指示值与被测镇流器的额定工作电流相等时,读取电压表的指示数值,然后按下式计算(35页有一公式)

式中Z——镇流器的阻抗值(Ω);U——电压值(V);

I——电流值(A)。

最后将计算值与表1-2中数值比较一下,验证是否相符。

校验镇流器的启动电流时,将电压值调整到220V,此时电流表的指示值,即是被测镇流器的启动电流值。观察此值是否与表1-2中的数值相符。

二、功率损耗的计算和功率因数的校验

一般电气设备的功率因数cosφr的校验,可用功率因数表来测量,其测量范围一般为

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精选文库+0.5~1.0-0.5,而镇流器的功率因数cosφ值的范围为0.04~0.08,所以不能用功率因数表来直接测到准确的数据。因此,镇流器的功率因数cosφ只能先测量镇流器有功损耗值,然后计算其功率因数cosφ值,并验证计算值与表1-2中的数值是否相符。镇流器功率损耗测试接线图如图2-5所示。

式中P——镇流器的功率损耗(W);U——镇流器的工作电压(V);

I——镇流器的工作电流(A);cos——镇流器的功率因数。

〔例2-1〕已知250W高压钠灯用的镇流器工作电流为3A,额定阻抗值60Ω,功率因数cosφ=0.06 。求这只镇流器的功率损耗值?

解已知I=3A,Z=60Ω,cosφ=0.06

U=IZ=3×60=180V

P=Uicosφ=180×3×0.06=32.4W

由于镇流器的功率损耗受许多因素制约,所以对某一只镇流器的功率损耗,必须以测量值为准,计算值仅作参考。

三、镇流器的温升试验

试验前,应将被测镇流器放置在测量室内8h以上,使镇流器本身的温度与周围空气温度差别不大于3°C。测量热态直流电阻和冷态直流电阻,然后将镇流器通过额定工作电流(交流)6h。在通电过程中,防止其它热源影响到镇流器的温升。在镇流器通电6h后继开电源,并立即用同一电桥测量其热态直流电阻。根据冷热电阻值之差,可按下式计算出被测镇流器的温升ΔT(37页有一公式)

式中ΔT——镇流器的温升(°C);

R1——镇流器放置在试验室内8h以上的冷态直流电阻(Ω);

R2——镇流器通以工作电流6h后的热态直流电阻(Ω);

t 1——试验开始时的室温(°C);

t 2——试验终止时的室温(°C)。

〔例2-2〕有一只250W高压钠灯用的镇流器,测其线圈的冷态直流电阻为1.775Ω,试验开始时的室温为20°C,通以3A的工作电流6h后,测量其热态直流电阻为2.1725Ω,试验终止时的室温为22°C。求镇流器的温升ΔT为多少?

解:已知R1=1.775Ω,R2=2.1725Ω,t 1=20°C,t 2=22°C。将数据代入式(2-14),得(38页有一公式)

第五节镇流器的特性曲线

电源电压随着电风负荷的变化而波动是正常现象,所以道路照明点燃着的光源和与其配套的镇流器的工作电流,也随着电源电压的波动而波动。电流值波动幅度在很大程度上是由镇流器的伏安特性决定。图2-6是两只不同启动电流值镇流器的伏安特性曲线。图2-7是对应于图2-6的阻安特性曲线。在图2-7中用的是250W高压钠灯用的镇流器,在I=3A时Z=60Ω。另外,1#镇流器的启动电流为3.7A,2#镇流器的启动电流为4.6A。

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精选文库从图2-6与图2=7中A、B、C三点来分析镇流器的阻抗及与其配套的灯泡的燃点情况。

A点:镇流器的工作电压为180V时,I1=I2=3A,Z1=Z2=60Ω,则分别与1#、2#镇流器配套的灯泡的功率P1=P2。对应A点的电源电压为220V。

B点:镇流器的工作电压为140V时,与1#镇流器配套的电路电流I1=2.3A,Z1=140/2.3=60.87Ω,灯泡的功率P1=2.3Ucosφ1;与2#镇流器配套的电路电流I2=2A,Z2=140/2=70Ω,灯泡的功率P2=2Ucosφ2。设cosφ1=cosφ2,则P1>P2,即与1#镇流器配套的灯泡功率大,则发出的光能量大于2#镇流器配套的灯泡发出的光通量。这种情况一般出现在电网高峰负荷的时候。

C点:镇流器的工作电压为220V时,与1#镇流器配套的电路电流I1=3.3A,Z1=200/3.3=60.6Ω,灯泡的功率P1=3.3Ucosφ1与2#镇流器配套的电路电流I2=3.9A,Z2=200/3.9=51.88Ω,灯泡的功率P2=3.9Ucosφ2。设cosφ1=cosφ2,则P1<P2,即与2#镇流器配套的灯泡功率大,则发出的光通量大于与1#镇流器配套的灯泡功发出光通量。这种情况一般是从每天的午夜开始,到第二天清晨。从测量的数据看,实则电网电压高于额定电压10%左右,持续时间长,这样与2#镇流器配套的灯泡,由于长时间过电流运行而缩短寿命,还多耗电能。与1#镇流器配套的灯泡,不但节约电能,而且还使灯泡寿命脉延长。

从图2-7的阻安特性曲线可以看出,1#镇流器的阻安特性是一条近似直线的曲线,流过这只镇流器的电流值从2.3A→3A→3.3A,对应这3个电流的镇流器阻抗值从60.87Ω→60Ω→60.6Ω。2#镇流器的电流值从2A→3A→3.9A,对应的阻抗值从70Ω→60Ω→51.28Ω。从以上数值可以证明,启动电流值近似等于1.23倍工作电流的镇流器,有良好稳注流性能,这种镇流器适用于外触发及直热式双金属片内触发的高压钠灯。一般作旁热式双金属片内启动用的镇流器,其启动电流值约(1.5~1.7)倍的工作电流,配用这种伏安特性的镇流器高压钠灯一般寿命较短,而且年度耗电量也大。

第六节.镇流器的功率因数

在电力工程中要求用电设备的功率因数cosφ尽量接近1,使用权发供电设备发挥出最大经济效益。而对电路中某些辅助电器设备或器件,则要求其功率因数cosφ或介质损失角正切值tgδ来体现。如气体放电灯用的镇流器是用功率因数cosφ表示;对移相电容器是用介质损失角tgδ表示。气体放电灯用的镇流器功率损耗占与其配套的灯泡功率一定的百分比。对于不同功率的镇流器的有功损耗占灯泡功率的百分比也不同。镇流器的功率因数值越大,测说明镇注器的功率越大;反之,则越小。

从低功率因数(csoφ=0.01~0.02)瓦特表测出的P值,是消耗在镇流器上的损耗总和,它包括绕组上的有功损耗(铜损)、铁芯上的有功损耗(铁损)及附加损耗等三部分。

铜损P=I2R (2-15)

式中P——绕组上的有功损耗(W);

I——流过镇流器的工作电流(A);

R——镇流器绕组的直流热态电阻(Ω)。

铁损:分为磁滞损耗与涡流损耗两部分。

磁滞损耗P h=K n?B m1.6×10的负四次方(W)(2-16)

涡流损耗Pe=Ke?2B2m×10的负四次方(W) (2-17)

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精选文库式中K h――磁滞系数;

Ke――涡流系数;

?――电源频率(Hz);

Bm――铁芯中的磁通密度(T).

在一般情况下,硅钢片的磁滞损耗与涡流损耗可用硅钢片的单位铁损来计算.国产热轧电工硅钢片的单位铁损,如表2-2所示.

附加损耗:它主要是铁芯中磁隙的漏磁通产生的损耗.一般只能通过测试才能知道.

表2-2国产电工硅钢片电磁性能

照明行业标准

注P(1/50)、P(1.5/50)、P(1.7/50)表示当用50Hz反复磁化和按正弦变化的磁感应强度为1、1.5、1.7T时,单位铁损(W/kg).

镇流器铜损与铁损之和的计算值与实侧值之间的关系,如表2-3所示.

从表2-3可以看出,镇流器功率损耗的计算值仅占实测值的60%~80%,其误差是发生在附加损耗上.附加损耗主要有:

表2-3 镇流器钢损与铁损之和的计算值与实测值之间的关系

注1、S、G厂的铁芯重量、硅钢片厚度等均以B厂为准。

2、B、S、G分别代表三生产厂家代号

由于镇流器磁隙δ的存在,磁路中的磁通从铁芯穿过磁隙时,一部分垂直穿过,另一部分则由磁隙外面绕行.磁-- 18

精选文库隙越大,绕行磁通在切割时,在导线内产生涡流即形成一部分损耗,这部分损耗与导线直径的4次方成正比。

绕行磁通在穿过硅钢片时,与硅钢片平面切割将产生很大的涡流,象镇流器这样平行叠片铁芯,其边缘附加损耗可达100W/Kg。绕行磁通还会在镇流器的外壳、安装带等金属材料上造成损耗。所心要适当控制磁隙长度,减少绕行磁通数量,来达到养活附加损耗的目的。故附加损耗没有计算在内,是造成计算值与实测值之间差距的主要原因。

第七节镇流器的寿命

目前,我国灯具厂生产的灯具内一般无安装镇流器的位置,所以镇压流器一般是悬挂在电杆上,造成其损坏的原因有:①外壳被腐蚀;②绕组在高温下烧坏或绝缘老化损坏。

镇流器在运行中所消耗的电能自然地变为热能而向周围的空气或填充物等介质中散发,其中有一小部分用来加热镇流器本身。当单位时间内所散出的热量和产生的热量相等时,镇流器则达到热稳定状态。此时镇流器各部分温度都将达到最高温度。对镇流器来说,它的绕组最高温度有规定值,一般用温升来表示。国际电工委员会推荐标准《高压汞蒸气灯用的镇流器》(出版物262号,1976年修订版)第三章12中表IV:在镇流器无温度标记者,在额定电压下温升为55°C。推荐标准还规定:在额定温升下镇流器的使用寿命为10年。该标准我国可参照。测量镇流器绕组的温升,必须用电阻法。而用电阻法测量的绕组温升,实际是绕组的平均温升。对于垂直安装的镇流器,绕组温度的最高点在绕组高度方向的70%~75%位置上,而沿辐向则位于绕组厚度的1/3处。镇流器在配用新产品气体放电灯时,因新灯的工作电压偏低,所以会造成镇流器略处于过负荷运行;如此时处于午夜至第二天清晨,电源电压长时间偏高,则镇流器过负荷就更为严重。而我国一般绕组的电流密度裕量极少,更宜将镇流器温升限制在55°C。

通过镇流器的外壳,将运行中镇流器所产生的热量散发出去,达到热平衡。镇流器外壳越大,散热面积则越大,镇流器稳定的温升就越低。运行一段时间后的镇流器,每秒所产生的热量与散出去的热量相等,其公式为P=KSτw (2-18)

式中P——镇流器的损耗(W);S——镇流器的散热面积(㎡);

τw———稳定于某一温度的温升(°C);K——散热系数。

从公式(2-18)可以看出,在P、S一定时,K越小,τw越大。所以镇流器的外壳不应用玻璃钢等制造。K除与外壳材料有关外,还与镇流器内的充填物的散热性能直接相关,所以,装在灯具内的我外壳镇流器的散热性能应优于有外壳的镇流器。在功耗P一定时,体积大(S大),温升略低。

长期在较高温度作用下的绝缘材料,会逐渐失去原有的机械性能,这种变化过程称绝缘老化。由于温升ΔT的作用,在时间t内足以使绝缘材料的机械强度下降到极限值。经实践证明,可以将函数t=?(T)写成下列形式t=Ce-a(T-55)(2-19)

式中C——时间常数,C=365天(镇流器的寿命规定10年):

T——实际温升(℃);

α——常数,α=0.088。α为八度法则:即温度每增加8℃,镇流器寿命就要减少一半。

如表2-3所示,G厂400W高压钠灯用镇流器的温升为97.5℃时的寿命为365×e-0.088×(97.5-55)=365×0.02375=87天。

当镇流器在仓库、体育馆内等防火要求严格场所使用时,更应严格控制其温升。内部宜用阻然的环氧树脂-- 19