无极荧光灯在不同环境中的应用

陆恒

(河北宝石节能照明科技有限责任公司，石家庄050035)

随着经济的发展，能源紧张问题已日益突出，而传统发电方式造成严重的环境污染已经影响到人类的生存与发展。因此，节约能源成为当前社会面临的迫切课题，针对于我国人口基数大的特点，从照明领域进行节电是一个可以立竿见影的措施。在光源使用上，无极荧光灯和半导体光源(LED)并列为21世纪第四代新光源。经过近几年的推广，无极荧光灯的技术水平得到了逐步提高，并且根据不同环境的特点，也发现了在每个领域内无极荧光灯的使用优势，特别是满足节电的同时能通过完善的照明方案达到一样的照明效果，与传统白炽灯、高压钠灯、金卤灯相比，不仅表现出了高光效、低耗电、长寿命、低光衰的特点，而且结合目前的太阳能、风能等新能源成为社会关注度最高的节能照明光源。

1 无极荧光灯

1.1 无极荧光灯的工作原理［1］

无极荧光灯是综合功率电子学、等离子体学、磁性料学等理论开发出来的高新技术照明产品。其工作原理为:电子镇流器产生高频能量，通过耦合器线圈在放电腔中感应交变磁场，反过来又诱发电场，使灯泡内的气体雪崩电离形成等离子体，电子在电场中被加速后，与汞原子碰撞，使汞原子激发到高能极上，激发的汞原子从较高能极上返回基态时，发出紫外光子，紫外光子激发泡壳内壁的荧光粉，产生可见光，如图1所示。

1.2 无极荧光灯的产品特点

(1) 超长寿命:传统光源的灯丝和电极溅射是限制其寿命的关键因素，无极荧光灯内没有灯丝和电极，采用高频电磁感应耦合方式激励发光，工作寿命长达6万小时以上(如图2所示)。

图1 频率为2.65MHz的无极荧光灯

图2 频率为210kHz的无极荧光灯［2］

(2) 高效节能:系统发光效率为65～80 lm/W，中间视觉的视光效110～130 lm/W，且功率因数高达0.98以上，减少了无功消耗。

(3) 交直流工作:满足太阳能照明工作要求，可直接采用直流供电，不需逆变器。

(4) 绿色环保:采用固态汞齐、无铅玻璃、无铅焊锡，且99%以上的材料可以回收利用，符合世界环保要求。

(5) 高显色性:显色指数大于80，光色柔和，呈现物体的自然颜色。

(6) 色温可选:从2700～6500K，且有多款彩色灯泡可选。

(7) 无频闪:不产生频闪效应危害，保护视力。

(8) 光衰小:2000h光通维持率为92%，20000h光通维持率为80%，60000h光通维持率75%。

(9) 瞬时启动和再启动:即开即亮，频繁开关次数可达20万次以上。

(10) 工作温度范围大:采用汞齐技术，无需预热，在－40～50℃范围内，均可正常启动和工作。

(11) 防震、防爆性能好:因为灯泡内没有灯丝和电极，耐震性能好且点灯位置任意，灯泡点燃时表面温度低，适合防爆场所。

1.3 无极荧光灯与其他光源参数对比

1.3.1 节能

无极荧光灯与其他光源相比的节能效果见表1。

表1 无极荧光灯的节能效果

1.3.2高显色性

在相同照度下，采用显色性好的光源，视亮度(主观亮度)较高;采用显色性差的光源，视亮度(主观亮度)较低。若采用显色性较差的光源时，应相应地提高照度水平，以提高视亮度。

表2 几种常用光源的显色指数

采用无极荧光灯照明时，良好的显色性可以使同样照度测试值情况下的视亮度提高，达到照明环境中工作高效、眼睛舒适的效果。

1.3.3 无频闪

频闪是光源工作时亮度随电流变化而产生的波动。在“闪烁”的光源下工作和学习，视觉系统会试图不断调节，做到保证视网膜上光照度的稳定性和成像的清晰性，引起头痛和降低工作效率，极易导致人的视觉疲劳。而且电光源的频闪频率与运动(旋转)物体的速度(转速)成整倍数关系时，就会产生静止、倒转、运动(旋转)速度缓慢以及这3种状态周期性重复的错误视觉，引发工作事故。

经科学计算，交流－直流－交流变换频率达到40kHz以上(CE认证规定40kHz)时，在人的视觉中会形成平滑稳定效应，不再产生频闪效应危害。表3中为各种光源的波动深度。无极荧光灯以高频工作，消除了照明因素对视力健康的危害，是教室和办公照明的最佳选择，也是工矿企业、商业的安全照明光源。

表3 不同光源的波动深度

1.3.4 低光衰、长寿命

图3为无极荧光灯燃点60000h内的光通维持率曲线。

图3 无极荧光灯的光通维持率曲线

无极荧光灯属于低温工作，因此光衰小，但高压钠灯、金卤灯的工作气体是多种金属蒸汽，工作温度很高，金属蒸汽损耗大，光衰大。金卤灯在寿命中期(8000h)的发光效率小于新灯泡的76%，而无极荧光灯8000h的光通维持率为86%，因此在设计时至少要比无极荧光灯多增加10%的灯具。灯丝和电极是影响传统光源寿命的关键，由于无极荧光灯内没有灯丝和电极，无极荧光灯可以说是没有寿命终点。但是考虑到荧光粉的光衰，光通维持率达到75%时，寿命试验灯泡已点燃7年，共计61320h。

1.3.5 瞬时启动

无极荧光灯能够瞬时启动和再启动，频繁开关次数可达20万次，适用于频繁开关以及应急照明。

1.4 无极荧光灯与LED灯比较

无极荧光灯属弧光放电，LED灯为固体(半导体)发光，因此在发光原理上无极荧光灯即占有了光衰小的优势，同样使用在道路照明时无极荧光灯更具有长寿命的优势，它们同为绿色光源的新秀，有着多项相似的特点，但在应用领域上各有偏重，LED灯目前主要用于景观装饰、楼体亮化、字幕广告等照明，并且在显示领域地位明显，通过使用单体功率小的单光源组合，有效的规避了散热问题，同时利用LED灯方向性极强的特点，在深井照明，远程探照等方面优势明显;而无极荧光灯主要以车间工作及户外公共区域的功能性照明为主，因为光源整体体积较大，因此配光相对均匀，适合设计为均匀性很高的工作场所，例如在工矿领域具有很明显的优势。今后这两种最新技术的绿色照明电光源将会在各自发光机理的基础上继续发展，逐步取代大部分传统照明电光源。

2 各个领域的应用

2.1 道路照明的应用

2.1.1 无极荧光灯用于夜景照明的优势

光谱光视效率是用来评价人眼对不同波长光灵敏度的量，不同波长、相同能量的光在人眼中产生光感觉的灵敏度不同。明视觉时人眼灵敏度的最大波长在555nm，暗视觉时人眼灵敏度的最大波长在507nm，即实际人眼看到的光通量除与光源本身的光能量有关外，还与不同视觉条件下的光谱光视效率有关。随着周围环境亮度由明视觉向暗视觉转变，整个光谱光视效率曲线向短波方向推移，即蓝绿色光的人眼敏感度增强。无极荧光灯为紫外线激发三基色荧光粉发光，有连续较强的蓝绿光，符合中间视觉环境下人眼对照明的光谱要求。

在夜晚行驶时，驾驶员察觉危险性越早越好，反应时间越短越好，司机对微小障碍物的反应时间与光源的光谱组成也有关。无极荧光灯因为光谱中含蓝绿光成分较多，接近自然光，因此司乘人员的反应时间比高压钠灯短，同时无极荧光灯常用的色温5000不同于高压钠灯的暖色调，在让驾驶者保持积极清醒的同时，也更易于适应，即在夜晚道路照明中，无极荧光灯是一种新型的安全系数较高的绿色光源。对一种电光源特性优劣的评价必须全面、综合考虑，不能只突出单项指标，光效、寿命、显色性、光衰等基本指标都要同时顾及。目前能全部兼顾以上各项指标要求的电光源只有无极荧光灯。

2.1.2 道路照明的优势［3］

配光优势:目前道路最常用的光源是高压钠灯，而2.65MHz的无极荧光灯配光曲线与其极为近似，因此灯杆的设置距离没有变化，在旧工程改造中，光源更换过程不会有施工障碍，而单体功率变小则可以使新工程的电缆布线施工无需额外支出。

均匀度优势:在《CJJ 45—2006城市道路照明设计标准》中规定均匀度的最小值是0.4，而使用210kHz无极荧光灯时，因为光源矩形较大的特点，通常在节能50%的前提下还可以提高均匀度维持在0.6～0.7之间。

结构优势:无极荧光灯属于大体积光源，因此发光面积较大，而高压钠灯的发光体积较小，因此在灯杆的设置高度上一方面考虑配光曲线的辐射角度，另一方面也要考虑对驾驶者视线的干扰，实际使用中，无极荧光灯不仅不会干扰驾驶者的视线，同时在整条路上的引导作用远远强于高压钠灯。

节电优势:目前在道路的T型路口和十字路口经常采用的照明是高杆灯进行悬挂8个，或者更多的投光灯进行照明，经测试发现，此部分照明对驾驶者的帮助很小，只是起到了对中心区域一个简单的烘托作用，因此在转角处设置无极荧光灯可以替换掉一部分高杆灯上的照明器，采用的结构是双灯头，分别叉开在每个道路上，这样整体算下来相当于一个道路方向上的165W路灯可以替换掉高杆灯上至少一盏400W的投光灯。

设计优势:初期设计要考虑现有高压钠灯的理论寿命是14000小时，相比于无极荧光灯的60000小时实际寿命差距太大，因此在初期的设计方案中高压钠灯要为之后的高光衰提前做好准备，往往是一级道路平均照度水平达到30 lx就可以，而用高压钠灯则要设计达到50 lx，二级道路平均照度20 lx就达标，则要设计到35 lx甚至更高，用无极荧光灯时20000小时光通量损失不到20%，因此在设计初始阶段刚好超过标准就能保证在接下来的3年里一直处于达标的水平，这无疑进行了更实质的节电节能。

2.2 工矿照明的应用

目前工厂里存在两种照明环境:一种是密闭的操作环境，另一种是开放的加工环境。前者的环境特点决定在以前只能使用节能灯，因为金卤灯的表面温度高达300℃，一方面出于安全的考虑，一方面出于降低空调动力成本的考虑，但在实际使用过程中发现，现有节能灯的厂家就是一味的要求功率增大，实际配套的灯具根本没做改进，整体照明器根本不协调，巨大体积的光源与反射罩不匹配，虽然光源很亮但是相当大一部分的光损失在反射罩里，没有反射出来;后者因为开放经常采用功率高达1000W或者更高的金卤灯进行整个区域的泛光照明，而金卤灯的发光特点如图4所示，在以柱状光源为核心的区域向外辐射，这种特点的配光基本适合于对广场起到泛光照明的作用，在工厂企业里面，没有兼顾到“节能减排”政策下企业对照明节约用电的压力，以及工厂里面有工人工作的时候需要功能性照明的特点，整体来看使用此种照明方式，根本不能满足人的需求。

图4 金卤灯光源部分散射出光方向示意图

使用dialux进行场景模拟，原在6米高区域的400平方米内使用2盏1000W的金卤灯进行广泛照明，现如今更换为BSWJ135PA5000光源进行照明，使用四盏就已经超过原有的照明水平，不仅整体照明均匀度更好，同时相比于原来节电73%，如果均匀布灯采用九盏工矿灯，那么整个400平米的区域内平均照度到达100 lx以上。

2.3 隧道照明的应用［4］

在铁路、高速公路类场合中，以前使用的是数量过多的高压钠灯配合部分金卤灯进行照明，这样做的主要原因是考虑到白天隧道的入口处亮度要求较高，而夜间，尤其是后半夜的时候要求较低要关闭部分光源，这样一方面节省了电力，另一方面循环休息为保证光源能够长寿命的使用下去，尤其是在夜晚的时候分批次点亮，更能够有效的延长高压钠灯的使用寿命。而目前经过论证和试用，设计院通常将无极荧光灯设计到隧道环境，这通常是考虑到维修更换不方便的因素，而且要充分发挥无极荧光灯瞬时点亮的特点，在以往的隧道照明中，使用的最低功率的高压钠灯是150W，在出入口处为达到要求使用数量更多，功率更高的高压钠灯，而且在使用过程中要顾虑到高压钠灯、金卤灯通电后持续几分钟才能完全亮起来的特性，只能保持隧道的照明出于常开的状态。而使用无极荧光灯情况则可以大大改观:

第一、直接在500米外设置探测装置，当发现车辆经过时及时点亮，持续几分钟点亮后如果没有后续车辆经过就可以自动熄灭，这在白天无疑节约了很大一笔电力支出。

第二、入口出口处分线缆、分回路进行照明，例如以晚上需要点亮的光源做一个回路，其余做成另外一个回路，白天的时候两个回路同时与探测头连接，当检测到有车辆通过时及时进行两个回路的同时点亮，达到白天隧道照明需要的亮度，到晚上后仅保留满足夜晚照明的回路与探测器连接。

第三、灯具的改进，目前使用最多的隧道灯具是根据金卤灯的发光特点进行设计的灯具，见图5，为保证灯具与无极荧光灯的发光特点匹配，新型隧道灯具在此基础上进行了改良，如图6所示，新型灯具的特点是定向制作，其配光曲线如图7，此灯具为最高出光率并专用于隧道入口段和出口段的灯具。

图5 传统隧道灯具

图6 新型隧道灯具

图7 集中配光曲线

3 结论

无极荧光灯作为新型光源，技术已经成熟，水平也已经提高到一定程度，目前使用无极荧光灯还具有一次性投资少、无长期运行费用、长寿命、免维护等特点，同等工程时降低了电缆型号，及节约了用电，也为客户节约了能源，免除了电费和维护费用，使公共照明更方便、安全、环保和节能。在国家大力推行“节能减排”政策的背景下，无极荧光灯具有无可比拟的节电优势，只要配置合理，势必成为将来照明节能的先锋。

［1］谢立山．高频无极灯原理和发展前景及在实际工程中的应用．维普资讯网

［2］蔡东蛟，叶宇煌．环形无极灯的特性分析和试制．光源与照明之光源研究．福州大学信息科学与技术学院(350014)

［3］沈季平，倪兴达．高强度气体放电光源的近期进展．高强度气体放电光源的近期发展

［4］涂耘，王小军，周健．福建公路隧道洞外亮度L20(S)研究．公路交通技术，2007，9，(重庆交通科研设计院400067)