道路照明用电光源

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。
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)。

  道路照明常用电光源(国产)的主要特性比较,如表 1-1 所示。
电光源名称          白炽灯   高压汞灯   高压钠灯      低压钠灯     金属卤化物灯
额定功率范围(W)  10~1000    50~400    35~1000        18~180       400~1000
光效(lm/W)          6.5~19    30~50      60~120         100~175        60~80
平均寿命(h)         1000    2500~5000   16000~24000    2000~3000      2000
一般显色指数 Ra     95~99     30~40      20~25          65~85
启动标定时间(min)   瞬时     4~8          4~8          7~15           4~8
再启动时间(min)     瞬时     5~10         10~20         5 以上        10~15
功率因数 cosφ      1.0    0.45~0.62    0.30~0.44       0.06         0.40~0.61
频闪效应           不明显     明显         明显         明显          明显
表面亮度             大       较大         较大         不大             大
电压变化对光通的影响  大     较大          大           大            较大 
环境温度对光通的影响  小      大            较小         小            较大
耐震性能              较差    好             好         较好             好
所需附件             无      镇流器          镇流器     镇流器      触发器、镇流器
 
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。
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。
4、1000W钠铊铟灯目前需用触发器启动
 
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,辅助
电极上串有一个 40~60k? 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. 
                            
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。

三、使用注意事项
(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,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。
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。
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
cosφ  sinφ  tg φ    Φ    cosφ   sinφ  tgφ    φ
1        0     0        0    0.72  0.6937  0.9635  43?57′
0.99  0.1409  0.1425  8?06′  0.71  0.7042  0.9918  44?46′
0.98  0.1990  0.2013  11?29′  0.70  0.7140  0.020  45?34′
0.97  0.2430  0.2505  14?04′  0.69  0.7238  1.049  46?22′
0.96  0.2800  0.2917  16?16′  0.68  0.7330  1.078  47?09′
0.95  0.3123  0.3287  18?12′  0.67  0.7424  1.108  47?56′
0.94  0.3412  0.3630  19?57′  0.66  0.7512  1.138  48?42′
0.93  0.3676  0.3953  21?34′  0.65  0.7599  1.169  49?27′
0.92  0.3919  0.4360  23?04′  0.64  0.7684  1.201  50?12′
0.91  0.4146  0.4556  24?30′  0.63  0.7766  1.233  50?57′
0.90  0.4360  0.4844  25?51′  0.62  0.7845  1.265  51?41′
0.89  0.4560  0.5124  27?08′  0.61  0.7924  1.299  52?25′
0.88  0.4759  0.5398  28?21′  0.60  0.8000  1.334  53°08′
0.87  0.4929  0.5668  29?32′  0.59  0.8075  1.368  53°51′
0.86  0.5103  0.5934  30?41′  0.58  0.8145  1.403  54°33′
0.85  0.5267  0.6197  31°47′  0.57  0.8216  1.441  55°15′
0.84  0.5426  0.6459  32°52′  0.56  0.8285  1.479  55?57′
0.83  0.5578  0.6720  33°54′  0.55  0.8352  1.520  56°38′
0.82  0.5724  0.6980  34°55′  0.54  0.8417  1.559  57°19′
0.81  0.5864  0.7240  35°54′  0.53  0.8480  1.600  58°00′
0.80  0.6000  0.7500  36°52′  0.52  0.8541  1.643  58°40′
0.79  0.6131  0.7761  37°49′  0.51  0.8602  1.686  59°20′
0.78  0.6257  0.8023  38°44′  0.50  0.8660  1.732  60°00′
0.77  0.6380  0.8286  39°39′  0.45  0.8930  1.984  63°15′
0.76  0.6499  0.8551  40°32′  0.40  0.9164  2.290  66°25′
0.75  0.6614  0.8819  41°25′  0.35  0.0367  2.677  69°31′
0.74  0.6726  0.9089  42°16′  0.30  0.9539  3.180  72°32′
0.73  0.6834  0.9362  43°07′  0.25  0.9680  3.867  75°31′
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
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
光源 额定功 灯泡 无电容器补偿  有电容器补偿
种类  率(W)  管压 电流(A)  功率因 视在功 补偿电容 电流(A)  功率因 视在功
(V)  启动 工作 数 cosφ 率 器电容值 启动 工作 数 cosφ 率(VA)
电流  电流  (VA) (μF)  电流  电流
高压 80  108  1.3  0.90  0.45  198  10  0.58  0.46  0.89  101
汞灯  125  128  1.8  1.10  0.57  242  10  1.0  0.70  0.91  154
250  130  3.3  2.15  0.57  462  20.3  2.33  1.53  0.88  336
400  135  5.7  3.27  0.62  720  30  4.0  2.10  0.98  462
高压 150                                                  
钠灯  250  16  3.5  2.85  0.43  627  30  1.8  1.45  0.85  319
400  107  5.6  4.50  0.42  990  50  2.5  2.25  0.84  495
(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、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 。

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