市政路灯照明电气系统无功补偿技术分析

文／李学军 西宁市市政工程管理处 青海西宁 810000

引言：

近几年，随着节能和环境的不断发展，为了减少能耗，国内的城市路灯照明普遍采用了节能型的灯具。例如，新型的高压气体放电灯，其功率因数与相关规定相差甚远，一般为0.3～0.5，而电力行业则规定，低压侧的功率因数要高于0.9，高电压端的功率因数要高于0.95。因为电力的影响是不够的，所以为了保证电力供应，必须进行电力补偿。另外，由于发电量要通过远距离输送到用电地区，因此会造成很大的损耗，同时各种电器在运行时也会发生谐波，从而对电网的稳定造成一定的不利影响。采用市政路灯照明的电力系统补偿技术，能有效地降低电力系统的耗能、解决上述问题、改善电力供应品质、降低电力损耗。

1、补偿技术应用概述

利用电容器作为电源，将电能转化成热能和机械能，以达到改善电压品质、减少线路损耗的目的。在电力系统的转换中，不会产生任何的损失，故又称其为无功补偿。目前，补偿技术在电力自动化系统中得到了越来越多的应用，其主要目的是使电力设备的工作效率得到明显的改善。另外，该技术还能实现对电网的电压、电流等参数的控制与稳定。一般来说，负荷能力和线路损失是成正比的。为了实现电力自动化的快速发展，需要加强对城市路灯照明的电力补偿技术的研究和应用，以达到大幅度提高电力消耗的目的。采用城市路灯照明电力系统的补偿技术，将无功电源安装到电力自动化装置中，并能产生和控制无功，从而提高电力系统的电压品质，并使整个电力供应环境得到优化。

2、自动调压及无功补偿节能原理

电压是衡量电力品质的一个重要指标，电力装置的工作电压和额定电压之间的误差都是有限制的，功率等于电压和电流的乘积，通过降低用电装置的电压，可以降低电力消耗，从而达到节能的目的。在电力使用高峰期，由于电网电压过低，不但会造成照明不足，而且会缩短光源的使用寿命，而到了午夜，则会使电网电压升高，光源电压也会随之增加，这不但造成了大量的能量消耗，而且还会对光源造成严重的伤害。为解决这种极端不合理的用电问题，论文建议采用“自动调节”的方法，将光源置于适当的工作电压，以达到节能和保护光源的目的。在现代化的街巷施工中，采用分段调节的方式逐步显现出了它的特点。在路灯的使用中，高压钠灯要经过一段时间的预热，所以，很多节能系统都增加了软启动的功能，在高峰时段，为了节省电力，可以在高峰时段，在高峰时段，照明和照明都要保持在正常的电压范围之内，而到了晚上，人流越来越少，到了电力的低谷，电压就会升高，所以，可以适当地降低工作电压。到了午夜时分，人流量会越来越大，可以增加电压，提高照明效果，到了黎明时分，就会熄灭。其功能是：改善电力系统的功率因数、减少电力消耗、稳定电压、改善供电品质。由于路灯线路的有功损失AP=7 R, AP值与功率因数的平方成反比，故增加功率因数可以减少线路的有功损失。

3、电气补偿系统的应用优势

在城市路灯的照明系统中，采用补偿技术是一种十分有效的方法。这种方法既可以改善整个系统的稳定性，又可以减少电力传输时的损耗。而且，各种补偿方式，都有各自的优点和特色。在路灯的电力系统当中，最常用的就是一个小型的补偿器，这个补偿器可以安装在电力系统里面，而且这个补偿器的补偿范围很小，可以减少电力的损失。此外，补偿盒设备间的联接线路也比较简单，方便了以后的维护保养。这种技术在城市路灯的电力系统中被广泛的采用，不仅可以增强电力系统的整体稳定性，还可以大大的延长电力系统的使用寿命，减少电力的损失，从而解决当前的能源短缺问题，推动国家的能源安全稳定的发展。

4、市政路灯照明电气系统补偿影响

4.1 补偿方式

目前，市政路灯照明的电能系统仍然是以用户端作为运行出发点，只注重对路灯的功率因数进行补偿，并未考虑到全网的问题，也就是没有考虑到电网的能量消耗。仅仅是增加了一个补偿，就可以提高路灯系统的功率因数。这样做可以降低一些损失，但要想把损失降到最低，就需要从全局的角度来考虑最优的无功补偿技术，从而达到最大限度地提高投资效率。

4.2 谐波影响

虽然路灯的电力系统能够在一定程度上抵御谐波，但也会产生大量的谐波，当谐波的数量超过临界值时，电容器就会被加速。另外，由于无功电容会在某种程度上将谐波效应放大，使得电网的谐波将会对城市道路照明和电力系统产生严重的干扰，从而影响到补偿技术的推广。所以，在市政路灯照明用电系统进行无功补偿时，必须在发现有谐波干扰的情况下，加装滤波器。若不加以重视，并采取相应的相应措施，会造成相应的设备的损害，因此，在城市路灯照明的电气系统设计中要加以重视。

4.3 无功倒送

在市政路灯照明的电力系统中，最普遍的问题就是无功反向供电。无功反向供电不但会带来很大的电能损耗，还会给变压器等相关电器设备带来一定的损害，从而造成重大的经济损失。通常，在市政路灯照明的电力系统中，若采用接触器控制，应利用适当的照明系统进行无功补偿，若出现较大的无功倒退问题，可采取三相负荷的方法来进行补偿；但若采用可控硅来实现对补偿箱的控制，则可视具体情况而定。但在实际生产中，很多厂家只采用单相无功分析与取样，以降低成本。所以，在三相不对称负荷的情况下，无功反向问题就会产生。当采用固定电容进行无功补偿时，在负荷较小的情况下，也会出现无功倒置等问题。

5、自动调压及无功补偿节能装置功能设计

自动调压节流技术是针对现场实际情况，通过电压无级调压器对输出电压进行调整，使其达到最优的电压波动幅度，从而达到延长装置使用寿命的目的，这样就可以节省电能。该节能设备通过对低压母线上的电压和电流进行模拟，并对其进行调整，当路灯供电网络的电压出现波动时，系统会根据预设的电压值，输出一个固定的电压，保证路灯两端的电压不会随着电网的电压波动而发生波动，从而保证灯具的正常工作，不会因为电压的变化而出现电压不足或高电压引起的灯具损坏和能量浪费。针对街坊的电压特性及现场照明状况，采取分时段的方式进行电压控制，并设计了七个调压时段，即：

（1）18:30-18:40；照明设备的软启动时间.通过对开关进行开关的控制和无极调压器的调整，使路灯的电压由195 V逐渐升高至220 V，在一般情况下，该开关的启动时间为4-8分钟。

（2）18:40-18:50：加温和发光的高压钠灯。在软起动后，灯泡的电压达到了额定值，电压值为220 V，电压准确度为±2%。

（3）18:50-19:10：灯泡的最佳工作状态，可调节压力。对高压钠灯的工作参数进行了分析，得出了高压钠灯的最佳工作电压为200 V左右，在不降低照度、不影响照明设备的使用寿命的情况下，是最节能的工作电压。在这一阶段，控制系统根据所获得的电压值，对马达运动的调压碳刷进行降压，同时电压采集装置持续地反馈电压，构成了一个闭环的调压系统。该控制系统还能接受监控主机的控制指令，将不在系统设定的时间内进行调压，改为人工调节，使得输出电压逐渐降低，并在190～220 V之间随意设置。

（4）19:10-00:00：首个能量周期。当控制系统调整好电压至最佳工作电压后，路火开始进入一段节能期，电压控制精度保持在±2%。午夜时分。在交通流量大的同时，也是用电高峰时期，在这个时段，我们不能只注重节约能源，忽视照明。最好将电压保持在200 V左右。由于电力网的电压存在波动，因此，该系统将根据采集到的电压信号的输入和输出信号，自动地进行稳压。

（5）00:00-05:00：第二个节能时段.午夜过后，车辆和行人逐渐稀少，这段时间里，灯光不一定要很强，但也不能完全熄灭，为了节省电力，可以将照明度调低一些。干是可以按照最佳的节能思想设置第二个节能区。零点过后，系统启动了第二个节能方案，把输出电压降到了185 V以下，而不会对照明设备造成伤害。在此电压下，灯泡的工作亮度略有下降，但不会对灯泡造成损害，从而达到更高的节能效果。

（6）05:00-05:20凌晨，车辆流量逐步增加，应增加灯光亮度，并退出二次节能时段。然后，系统按照电压调整方案，将调压器的电压提升到了200 V，保证了照明设备在最大功率下工作，准确度为-2%。

（7）黎明：在这个时期，太阳渐渐升起，白天来临，不再需要灯光。系统通过室内的时钟和光感应信号来判断白天是不是已经亮了，再由断路器断开电源，断开灯具的输入端。到了这一步，整个压力调节方案完成。

6、系统实际运行状况

6.1 现场安装方案

根据对路灯线路的监测资料进行分析，发现不同的线路有不同的状况，可以分为两种：一种是线路长度大、负载大、尾端电压低、头、尾压差高，比如新黄路、山大路等；第二种是线路短，负载少，首尾压力损失低的情况，如工业南段；但不管怎么说，输出电压都很高，而且波动很大。在路灯节能改造中，应充分考虑到各照明设备的稳压，同时要降低前端照明设备的电压，同时要提高尾部照明设备的电压，使其亮度不变。根据两种不同的路灯类型，采用了不同的处理方法。对于线路长度大、负载大、末端电压低的线路，应在线路前端安装节能器，在线路2/3处增设增压器，并配以无功补偿电容器，使其能够进行升压，使其维持原来的电压或略高。对于线路短、负载少、首尾压降小的输电线路，在低压侧增设节能设备，并采用分相补偿电容，从而达到稳压、节能、解决电压跌落、闪变问题，提高灯具寿命。为节约能源设备的电气连接及使用方便，在箱变的左边设置了节能设备，并与箱变正面水平。

6.2 系统功能性能运行界面

该系统在路灯节能工程中进行了现场试验；按下按钮，就可以进入系统的操作界面，每一个安装位置都有一个节能设备的编号，点击这个按钮，就会出现一个节能设备的实时操作界面，在这个界面上，可以看到一个节能设备的运行状态，运行曲线，安装位置信息，实时电压，电流，有功，无功，功率因数等。

7、电气系统波长技术应用措施

7.1 单灯补偿技术

单灯补偿就是为单个灯泡提供独立的补偿电容，例如CBB60，它能很好地完成电容的补偿。采用这种单灯补偿技术，不但能保证照明效果，还能有效地减少与之相关联的输电线路的电压等级，改善路灯照明用电系统的功率因数。例如，400 W的高压钠灯，在采用补偿电容与CBB60灯泡相连前，其功率因子是0.46，工作电流是4.6 A。配置后设定的50微FCBB60串联补偿电容后，其功率因数达到0.91，工作电流2.29安。通过调节电容，可以看到，与安装之前相比，电流减少了将近一半，而功率因素则增加了一倍。另外，由于照明装置装有电容器，所以在电力系统中，配电线路和变压器的工作效率也有很大的提升。采用单灯补偿技术，不仅能够达到城市路灯照明电器的节能目的，还能有效地提高相关电器的利用率，延长其使用寿命，为城市路灯照明电器的安全运行提供了有力的保障。尽管单灯的补偿技术及在安装、后期维修等方面较为复杂，但它仍是市政路灯照明电气系统中的一项技术，值得大力推广和推广，对提高城市路灯照明的照明质量具有十分重要的意义。

7.2 集中补偿技术

集中式补偿技术是将三相低压电容器置于城市道路照明电力系统的供电控制装置中，以实现大容量的无功补偿。集中补偿技术具有施工简便、维修简便、整体造价低、补偿效果好、相关损失小等优点。集中补偿技术由于其结构简单、结构清晰、效果好等优点而被普遍采用。通过集中补偿，装置在安装完成并投入使用后，可以在较短的时间内收回投资，其中包括电源因素控制、设备检修、维修等。城市路灯的照明和电力系统采用集中补偿，既能提高设备的利用率，又能有效地节省能源，所以及时的集中补偿是一种十分有效的补偿手段。

7.3 两种补偿方式的综合分析

从上述结果可以看出，两者均能有效地改善市政路灯照明的电力系统的功率因数、节能效果、变压器及电线的使用率、改善道路照明用电品质。虽然采用了补偿技术，可以实现一定程度的节约能源，但仍然不能完全消除相关的电能损失，而且各种补偿技术的适用情况也不尽相同。因此，在实际使用时，要根据具体情况，选用最合适的补偿方式。集中补偿技术通常是针对已完工的市政路灯照明电力系统，在此条件下，集中补偿技术具有更高的施工效率和更低廉的后期维修费用。对于三相对称负荷的市政路灯照明系统，应选用三相补偿装置进行集中补偿；对于不对称三相负荷，必须采用混合补偿装置进行集中补偿。而单灯补偿技术一般都是在新建的市政路灯照明系统中使用，在此基础上，采用单灯补偿技术，既能快速有效地进行施工，又能得到较好的补偿。

7.4 市政路灯照明电气系统补偿技术的应用注意事项

（1）选择补偿电容；电容式无功补偿是一种高效的电容式无功补偿方法，但它受电容本身的影响。所以，要对补偿电容进行科学、合理的选择。但在实际应用中，由于气体放电光源自身的电流失真，影响了电源的效率。所以，一般情况下，理想的目标功率因数为0.8～0.9。

（2）配电系统中的无功补偿技术在电网中的应用：支路补偿技术是一种主要的补偿方式。其补偿原则是通过对支路无功进行均衡，以弥补支路损耗，从而降低支路对主干的影响，降低无功损失。配电网中的无功补偿技术是将部分电容器安装在线路上。对于较长的输电线路，采用分段布置的方式进行无功补偿，这是一种最适合的补偿线路长度和较低的自然功率因素。

（3）持续的革新与先进的技术运用：在城市路灯照明与电力系统的设计中，要不断地改进与运用先进的技术来改善其补偿效果。例如，可以将城市路灯照明电力系统作为自换相电流回路，采用静态产生（SVG）来对整个系统进行持续的动态补偿。另外，利用触发式可控硅（LTT）对市政路灯照明用电进行有效的补偿，既能有效地改善可控制性，又能确保电力系统的稳定性，减少故障的发生。

7.5 适当布置小补偿箱

在无功补偿中，要实现的一个重要目的就是解决交通运输中的能源消耗。而要减少电力系统的能量消耗，不仅要达到传输的要求，而且要尽可能地减少由电阻引起的能量转换为热能的问题。无功补偿之所以能够在照明系统中发挥节约能源的功能，其重要原因在于，它能够保持电力网络的稳定，降低电力传输在照明系统中的损耗。而且，无功补偿也有各自的优点。在实际应用中，常用的是几种小型的补偿箱。这种补偿盒的最大优势在于其安装十分简便，可以在某些补偿装置上直接进行。此外，采用小型补偿盒进行照明，可以缩短补偿距离，有利于节约能源。另外，安装起来也比较容易，维修起来也比较方便。无功补偿由于其自身的优点和特性，已经越来越多地被应用于照明领域，通过对无功补偿的运用，可以极大地提高我国城市照明系统的使用寿命，提高电力网络的稳定性，减少因电力传输而带来的各种损失。

7.6 电容器单灯的应用

目前我国城市照明系统的实际建设和应用，采用补偿技术对系统进行恰当的处理，可以分为两种。一种是通过特殊的结构来实现单光源的补偿，采用这种补偿技术，可以实现对单个灯具的节能。还有一种是三相和一相的电力灯，由于这种灯的功率较低，所以在城市的道路上，可以采用专用的路灯变压器，使其负载功率更合理。在这种条件下，三相和三相电容的合理配置，能够很好地弥补照明系统的不足，同时也能使照明系统得到最大程度的补偿。现在，很多地方都在采用电容器的方法，但在实际应用中，由于单光源的特性和抗压能力都很强，所以在照明方面的应用范围更广。在实施补偿技术时，要考虑到照明系统的实际状况和客观需要，选用适当的补偿技术，并根据具体的应用来确定最佳的节能效果。

结语：

综上所述，随着我国经济的快速发展，我国的能源消费日益增多，能耗问题日益凸显。随着能源问题越来越受到重视，人们纷纷采取各种节能手段，补偿技术便是其中之一，将补偿技术应用于城市照明系统，不仅可以降低照明系统的能耗，还可以提高电力网络的稳定性，因此，必须进一步加大对照明系统的节能研究，研发更多的补偿技术，使照明系统能够更好地发挥电力的功能，同时也可以使电力系统的运行更加稳定，为城市的发展做出更大的贡献。