气体放电灯离散性自熄成因及对策

摘 要：本文从理论和实践角度分析了气体放电灯离散性自熄的原因，并提出了解决方法。

关键词：中期超功率 高压超功率 制造离散性 电压离散性

据不完全统计，我国城市道路建设以每年30万公里的速度飞速发展，市场前景乐观。虽不泛专业人士在不断开发新型光源，终因各种问题，目前城市道路照明仍以气体放电灯特别是高压钠灯为主。高压钠灯的使用寿命一般为10000~12000小时，且对电网质量要求较高。电网电压的不稳定、各盏路灯性能离散性及外供电电压的不一致性，将导致光源的离散性自熄，增加路灯管理处的运行维护成本。

一、气体放电灯灯源离散性自熄原因

自熄：指在正常供电条件，灯管点亮后又自然熄灭的现象。

高压钠灯的基本工作电路如图一所示。
 

图一 传统高压钠灯电路

它是由镇流器，触发器和灯源组成。镇流器和不同功率的光源配合使用。在电路中起扼流作用。镇流器的电感量与导线的匝数、气隙的长度、铁芯的面积有关。一旦制成即为一个常数。高压钠灯随着使用时间的增加，灯管衰老，灯管的等效阻抗增大，在相同供电条件下，电路工作电流下降，灯管管电压上升。当灯电流下降到小于点亮灯所需的维持电流时，灯就自熄。灯电流、灯管电压与灯使用时间关系如下：

灯电流、电压与使用时间关系表

光源在不同的使用时段，即使在相同的条件下实际发光功率也不同。光源使用时间与光源实际发光功率关系测试电路及测试数据如下，测试条件是保持供电电压为220V,电路器材采用GE400W成套钠灯器材，研究光源不同使用时间电路参数变化情况。其中U1为电源输入电压、I1电路输入电流，P1为电路输入功率（含镇流器损耗），COSφ1为末加补偿电容时电路的功率因数。U2、为灯管两端的压降，I2为灯管电流，P2为灯管取用功率，COSφ2为灯管功率因数，UL为镇流器两端电压。
 

图二 电路参数测试电路图

光源使用初期，光源的等效阻抗为18.35Ω，功率因数角为29.4o其输出功率并不大，实际功率为额定功率90%左右。

光源使用中期，其输出功率已超过额定值，光源的等效阻抗为37.88Ω，功率因数角为33.6o,输出功率已超过额定值，峰值功率会超过额定值10%左右。 超功率使用会加速光源老化。

光源使用末期， 光源的等效阻抗上升为47.60Ω，功率因数角为37.7o.实际功率为额定功率90%左右。

从功率特性曲线分析，在光源的生命周期内，即使供电电压很标准，也有超功率运行现象发生，超功率使用会加速光源老化。

光源的使用寿命指标是在额定使用条件下定义的，其使用条件Ue+3%V~Ue-5%V,寿命指标为：10000-12000小时。我国照明电压标称值为220V,正常工作电压范围为220±10%;即从198V-242V,而符合高压钠灯使用条件的电压值为209V~226V.这种偏离使用条件的电压加速光源的老化，以至达不到光源的额定使用寿命。

供电电压对光源功率影响的实测电路和测试数据如下；测试电路同图二。

     分析数据可知，220V时光源功率为400W,245V时P2功率为511W,超出额定功率27.75%.针对我国国情，下半夜供电电压超出240V的现象很普遍，供电电源偏高使光源功率急剧增加，加速灯管的老化，大大缩短了光源的使用寿命。

一只路灯控制柜往往要控制上百盏路灯，控制距离一公里甚至更长。考虑到线路压降，控制柜的出线电压会高于额定值。一般首末端电压差会达到15V左右。如果补偿不到位，线路电流增大，压差会更大，各盏灯的供电电压就各不相等，光源的老化程度不一，导致离散性自熄。为保证亮灯率。必须隔三差五更换光源。给路灯管理带来诸多不便。

综上所述，影响光源使用寿命的主要原因是过高的电源电压导致光源超功率运行；光源离散性自熄的主要原因是：光源的离散性和使用中期的超功率运行、供电电压的不稳定、离散的供电电压。

如果能做到衰老一致，那么自装灯之日起，到光源使用寿命终期，一次性更换即可。可大大减少路灯管理处的运行维护成本。

二、气体放电灯离散性自熄解决策略

从技术角度讲，要做到解决高压钠灯离散性自熄问题并不困难，主要是要限制超功率运行，主要技术手段是自动恒功率。智能路灯电路如图三所示。
 

图三 智能路灯原理图

电路由：补偿电容器；变功率镇流器；功率采样控制器；触发器；光源组成。

智能路灯的核心为变功率镇流器。它由三组线圈组成：W1为激励线圈，用以建立磁场；W2为正弦线圈，用于调整输出电压。在空间分布上与W1垂直，改变W2与W1的空间角度，可使其端电压与激励电压同频同相或同频反相，以保证输出电压为纯正弦波。W3作为扼流用，替代原电路中的镇流器，W3与W1空间垂直分布，主磁通正交，脉振磁场相互抵偿，磁路互不影响。

三、智能路灯工作原理

1、智能路灯等效电路如下：
 

图四 智能路灯等效电路图

2、工作原理：补偿电容、触发器、光源同传统灯具电器相同。

功率采样传感器（霍尔传感器）把当时光源取用功率信号送控制器，与人为预设置在控制器中的应输出功率比较，控制器控制变功率镇流器中W2线圈与W1线圈的相对位置，使电路的工作在预设的功率上。当因外供电压变化使光源功率变化时，功率传感器采样到的信号就偏离设置功率，通过控制器改变W2与W1的相对位置，改变了输出电压，使光源取用的功率调整到设定值上；当负载变化时，有相同的调整过程。当需要不同照度时，可根据要求预先设置，智能路灯会自动工作在人为的功率特性曲线上。对于因制造离散性造成的提前衰老，可以通过适当提高供电电压来弥补。

从电路结构上分析，即使调整系统失效，电路仍然保持接通，只不过是在原电路中增加了W2线圈的5mH电感量，不会响电路的正常照明。

四、智能路灯的主要特点：

1）可以使每盏灯工作在人为特性上，一致性好。

2）避免高压侵害，确保或延长光源使用寿命。

3）最佳节能

4）克服离散性熄灯现象，统一更换光源，运维成本低。

5）专供变压器利用率高。（因照明全程无超功率应用现象发生，原设计裕量可充分利用）