基于无气隙电抗器的路灯降压节电器

摘　要：本文阐述了照明系统电压偏高的原因和危害，介绍了自行设计的基于无气隙电抗器的路灯降压节电器的工作原理、设计参数和现场测试数据。
关键词：无气隙电抗器 降压节电 延长灯泡寿命

　　在电力供电供应输送过程中，为了避免送电过程中供电线路的损耗，会以较高的电压传送以确保用电设备达到额定电压。因此用户实际的承受电压会高于照明器具或设备的额定电压。由于供电系统供电高峰期用电量较大，造成末端用户电压较低，为保证用电高峰动力系统能正常工作，变压器输出电压设计值要高于电器额定值。照明电压偏高将给用电设备的正常工作带来诸多不利影响，主要有：直接影响灯泡和其它电器使用寿命（图1）；使灯泡和镇流器的耗电明显升高；使镇流器发热严重，长时间工作将直接影响其使用寿命，针对这种情况并结合路灯行业的特点研制成功了基于无气隙电抗器的路灯降压节电器其平均节电效果达15%以上，并可以有效地延长灯泡及其镇流器的使用寿命。
　　1 节电器工作原理
　　本节电器是利用深夜以后的路灯电压明显升高的工作特点，通过由过电压继电器，长延时电子定时器作为检测与控制部分，利用串联在主电路上的无气隙电抗器、交流接触器，实现自动降低路灯干线的输出电压值，以达到节电和延长电光源使用寿命和抑制高次谐波的目的。图1为电源电压变化对400瓦高压钠灯光电参数的影响曲线。

　　实际的路灯干线中，尤其是在深夜11点钟之后线路电压都普遍上升，绝大部分的路灯线路电压都要达到230-240V，有些甚至超过250V。由于深夜道路上的车辆和行人已很少，故此时光通量的增加已无实际意义，此时若能对路灯实施降压运行无论对电能节约还是对延长灯泡的寿命都是有益的。从节电方面来看，我们仍以400W钠灯为例，经现场测试，当灯泡在240V电压下运行时其功耗为570W左右，当电压降至210V时的功耗为374W（其中包含了钠灯镇流器的功耗），可以得到30%以上的节电效果，即使将电压从240V降至220V仍可节电20%以上。根据我们多次反复实验，从节电、照度和灯泡工作稳定性（无论是钠灯还是汞灯，当其工作电压低于180V以下时便会出现自熄现象）等方面来考虑，电压降至210V左右为宜。
　　2 线路设计
　　路灯节电器的线路原理图如图3所示（该线路是为了与路灯管理处现有的路灯开关箱配套设计的），该线路具有如下功能：
　　(1)从傍晚开灯时起（如晚上7：00开灯），至深夜11：00间能保证路灯一直处于全压运行状态，以确保路面的光照度（在城市路灯线路中，开灯与次日早晨的关灯均由路灯管理部门统一发出开关灯指令并由各干线上的路灯开关箱自动执行）。
　　(2)在深夜11：00点之后，当路灯超过230V以上时，节电装置能将降压电抗器自动串入干线中，实现降压节电运行，时至次日早晨关灯为止。
　　(3)降压运行时，若因某种原因而使路灯干线的电压低于230V时节电装置能将降压电抗器自动退出，使路灯恢复到全压运行状态，保证路灯的稳定运行，待电压又超过230V之后，再实施自动降压节电运行。为了避免因电压波动而引起过压继电器的频繁动作，应使此继电器留有适当的回差。其回差以7～10V为宜，并设计有延时间隔为30s左右的延时电器。

　　图2中，C、C1分别为交流接触器的吸合线圈和主触头，DK为无气隙电抗器，SJ、SJ1分别为延时继电器及其输出触点，当时间处在预置的延时范围之内时，触点SJ1一直保持接通状态，延时时间连续可调，一般为4～7小时之间。YJ、YJ1分别为过压继电器及输出触点，当线路电压在其阀值以下时，其触点YJ1一直保持接通状态，其阀值可连续整定，一般为230V左右，其回差为7～10V。
　　该装置是这样进行工作的，当夜幕降临时，由路灯管理部门发出统一的开灯信号，节电装置的1～1′端与电源接通，SJ延时继电器进入工作状态，由于时间处在延时时间内，其触点SJ1处于接通状态，故交流接触器C1吸合将电抗器线圈短接，使路灯处于全压运行状态，工作5小时左右已进入深夜，此时定时器已达到预置的动作时间，其触点SJ1由接通转为断开，若此时的线路电压不足230V，则由于过电压继电器YJ尚未动作，其触点YJ1仍处于接通状态，故路灯仍在全压运行；若此时的路灯线路电压已超过230V，则过电压继电器的触点YJ1将由接通转为断开，致使接触器C1的释放，让电抗器自动串入主电路，故路灯处于降压运行状态（图2中，1～1′端为节电装置的进线端，2～2′端为装置的出线端，直接与数十盏路灯相接），时至次日凌晨六点左右。若降压运行期间由于某种原因使线路电压低于过压继电器的整定值，其触点YJ1将由断开状态为接通，接触器重新吸合，路灯又进入全压工作状态。
　　为了进一步提高节电效果，可单独由过压继电器YJ来直接控制接触器通断，以控制降压电抗器的退出或串入，不受时间限制。
　　在该节电装置中，降压电抗器设计的好坏直接影响节电效果。为了使节电装置有较强的通用性，我们采用了多抽头电抗器绕组，给用户调整选择的余地；为了充分利用铁芯和缩小体积及降低运行噪音我们采用了无气隙磁路系统并选用了C形铁芯，其中规格为100A的单相节电器采用尺寸是32×64×100（mm）的无气隙C形铁芯，并采用0.7×80（mm）铜箔绕制电抗器线圈。考虑到现场的安装、维修的方便，我们将电抗器和接触器与延时器和过压继电器分开设置，同时让延时器和过压继电器在结构上相互独立，并采用了容易拆装和可靠的专用接插件联结和固定，以便于现场测试调整和更换。
　　该节电器是以工作电流的大小来分类，目前主要有10～25A，25～50A，50～75A和75～100A，100～150A几种规格，并有单相和三相两种型号。
　　3 节电效果
　　我们从2003年元旦起该装置的样机安装在本市的路灯线路上试运行，主要目的是为了掌握实际节电效果和装置的可靠性。从试用中的节电效果来看，在现场测得的其降压运行期间的节电率一般在20%以上，整夜的平均节电率在15%以上，运行故障率在5%以下，并能有效地抑制路灯线路中的高次谐波。目前已有数十台安装在本市路灯线路上工作。
　　下表为我们将节电器安装在本事路灯管理处所属的6号开关箱内试用所记录的部分数据情况：

　　参考文献：
　　[1]刘跃群．光源电器原理和应用技术[M]．北京：化学工业出版社，2003．
　　[2]王全保．实用电子变压器材料器件生产手册[M]．沈阳：辽宁科技出版社，2003．
　　[3]沈鸿．电机工程手册：第6卷[M]．北京：机械工业出版社，1986．