直流配電在道路照明改造中的應(yīng)用

1.概述城市道路照明作為城市照明的主體，為整個(gè)照明行業(yè)的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)，就城市道路照明而言，伴隨著我國(guó)城市建設(shè)尤其是城市道路建設(shè)的快節(jié)奏和高增長(zhǎng)，其發(fā)展速度一直居高不下。近年來(lái)，我國(guó)城市照明行業(yè)正經(jīng)歷著前所未有的的發(fā)展態(tài)勢(shì)，主要得益于我國(guó)城市照明行業(yè)逐年加大的投資力度以及人們對(duì)各行業(yè)照明需求的不斷增加。同時(shí)，由于LED照明技術(shù)的各項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，其在道路照明領(lǐng)域也取得了快速的發(fā)展。隨著5G技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和普及，城市照明的智能化控制成為可能，也將為整個(gè)城市照明以及人們的生活帶來(lái)極大的便利。2.目前道路照明交流系統(tǒng)現(xiàn)狀及不足我國(guó)目前大部分道路照明均采用交流系統(tǒng)，10KV交流電源經(jīng)路燈專用變壓器降壓為0.4kV交流電源，路燈控制柜里的交流配電元件將相電壓為220V，線電壓為380V的三相交流電通過(guò)電纜輸送給路燈燈具。對(duì)于現(xiàn)今道路照明交流配電系統(tǒng)中所選用的光源來(lái)講，大體分為傳統(tǒng)光源（高壓鈉燈）和LED光源兩種。其中傳統(tǒng)光源在交流配電系統(tǒng)中本身效率偏低，燈具內(nèi)含有的電感鎮(zhèn)鎮(zhèn)流器具有的體積大、功耗低、頻閃高等缺點(diǎn)，嚴(yán)重制約了傳統(tǒng)光源作為市政路燈的主要載體，目前傳統(tǒng)光源已經(jīng)步入了道路照明發(fā)展的末期階段。而隨著目前發(fā)光二極管技術(shù)的日趨成熟，LED光源量產(chǎn)幾何級(jí)增加，價(jià)格大幅度下降，LED光源在市政道路照明的使用越發(fā)普遍，以至于可以預(yù)見(jiàn)未來(lái)LED光源完全替代傳統(tǒng)光源。但LED光源在現(xiàn)有交流配電系統(tǒng)中，卻有著非常致命的缺點(diǎn)，便是其AC/DC驅(qū)動(dòng)電源壽命偏低，由于驅(qū)動(dòng)電源與LED芯片共同布置在燈具狹小的空間內(nèi)，為達(dá)到必要的防潮防水要求，必須將電源進(jìn)行密封。但同時(shí)也帶來(lái)散熱困難的問(wèn)題。在夏季LED芯片工作時(shí)的溫度可以達(dá)到70多度，LED電源的內(nèi)部電器在這種高溫環(huán)境下工作，其壽命大幅下降，實(shí)際使用壽命往往只有數(shù)千到一萬(wàn)小時(shí)，與LED光源的壽命50000～100000小時(shí)遠(yuǎn)不相稱。目前道路照明系統(tǒng)中應(yīng)用的知名品牌的LED燈具的故障基本上有80～90%是由于驅(qū)動(dòng)電源的損壞，驅(qū)動(dòng)電源成為交流配電系統(tǒng)中LED燈具的壽命瓶頸，亟需解決此類問(wèn)題。單燈控制技術(shù)和路燈調(diào)光技術(shù)也是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，交流配電系統(tǒng)中通過(guò)在每桿路燈上安裝單燈控制器或調(diào)光控制器來(lái)達(dá)到照明系統(tǒng)靈活調(diào)控，減少過(guò)度照明和無(wú)效照明造成的電能浪費(fèi)。但是從節(jié)能的角度和系統(tǒng)維護(hù)經(jīng)濟(jì)性的角度來(lái)說(shuō)，這不是最優(yōu)選擇，單燈控制器或調(diào)光控制器的加入，增加了照明系統(tǒng)的復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)維護(hù)成本，而且單燈控制器和調(diào)光控制器本身也要消耗電能。

3.道路照明系統(tǒng)直流配電模式及其優(yōu)勢(shì)10KV交流電源經(jīng)路燈用變壓器降壓為0.4kV交流電源，經(jīng)交流配電元件將相電壓為220V，線電壓為380V的三相交流電送入AC/DC恒壓源模塊，AC/DC恒壓源模塊輸出直流電源經(jīng)直流配電元件由電纜輸送給路燈燈具，路燈燈具包含DC/DC恒流驅(qū)動(dòng)電源與光源；DC/DC恒流源將電纜輸送的直流恒壓電源轉(zhuǎn)換成合適的直流恒流電源驅(qū)動(dòng)光源。直流配電模式將分散的驅(qū)動(dòng)電源從燈具轉(zhuǎn)移到地面，集中到地面的變壓器或開關(guān)箱內(nèi)統(tǒng)一處理，這樣便解決了在各個(gè)路燈燈具內(nèi)的驅(qū)動(dòng)電源無(wú)法散熱的問(wèn)題。集中在地面的直流變壓器不僅轉(zhuǎn)換效率提高，而且溫度可控，同時(shí)也便于維修。對(duì)于光源，LED光源無(wú)論從壽命、能耗、顯色指數(shù)等均強(qiáng)于傳統(tǒng)光源，LED燈本身構(gòu)造更適合直接接入直流配電系統(tǒng)，減少中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，并且直流配電系統(tǒng)中LED燈具內(nèi)DC/DC驅(qū)動(dòng)電源不含有整流濾波和功率因數(shù)校正（PFC）單元，輸入直流恒壓電源波動(dòng)很小，燈具上驅(qū)動(dòng)電源的壽命能夠大幅度延長(zhǎng)。路燈控制柜內(nèi)AC/DC恒壓模塊可以直接選用技術(shù)較為成熟的高頻智能開關(guān)電源模塊，高頻智能開關(guān)電源模塊被廣泛應(yīng)用在電力系統(tǒng)直流屏和通訊電源領(lǐng)域，目前高頻開關(guān)電源模塊的制造技術(shù)比較成熟，模塊效率可以達(dá)到93%以上，平均無(wú)故障使用壽命達(dá)到100000小時(shí)以上；多個(gè)模塊可并聯(lián)使用，擴(kuò)展輸出功率，以滿足不同負(fù)荷。路燈一旦實(shí)現(xiàn)低壓直流供電模式也會(huì)給路燈用電安全提供保障,交流配電系統(tǒng)中頻率為50Hz，此頻率會(huì)造成心室纖維顫動(dòng)，對(duì)人生安全造成極大威脅。交流安全電壓為不超過(guò)50V，安全電流不超過(guò)10mA。而直流配電系統(tǒng)為無(wú)波紋直流，其安全電壓為不超過(guò)120V（符合IEC標(biāo)準(zhǔn)安全電壓），安全電流不超過(guò)50mA。綜合交流系統(tǒng)與直流的安全比較，道路照明系統(tǒng)中采用直流供電會(huì)比交流供電在安全性上有了質(zhì)的飛躍，更能保證道路行人的人身安全。

道路照明直流配電系統(tǒng)示意圖

4.對(duì)已建成道路照明交流系統(tǒng)的直流改造4.1目前道路照明基本配置標(biāo)準(zhǔn)雙向4車道（8車道），桿高18米，間距約60米，單側(cè)挑臂，每基燈桿配2*400W高壓鈉燈一套（2*250WLED燈），供電電纜選用YJV22-0.6/1kV

4x25+1x16mm2，供電傳輸一般距離800米。雙向3車道（6車道），桿高14米，間距約42米，單側(cè)挑臂，每基燈桿配400W高壓鈉燈一套（250WLED燈），供電電纜選用YJV22-0.6/1kV

4x25+1x16mm2，供電傳輸一般距離800米。雙向2車道（4車道），桿高12米，間距約30米，單側(cè)挑臂，每基燈桿配150W高壓鈉燈一套（100WLED燈），供電電纜選用YJV22-0.6/1kV

4x25+1x16mm2，供電傳輸一般距離800米。4.2配電電壓根據(jù)道路照明直流系統(tǒng)安全電壓不超過(guò)120V，現(xiàn)將改造直流配電系統(tǒng)電壓設(shè)置為DC120V，電源通過(guò)直流智能集中供電柜整流、濾波輸出120V低壓直流供電，保證道路行人及維修人員的人身安全。4.3線纜電纜對(duì)現(xiàn)有路燈可最大限度利用現(xiàn)有設(shè)備，通過(guò)原有電纜YJV22-0.6/1kV4x25+1x16mm2向LED路燈供電，對(duì)現(xiàn)有的三相均布路燈的某一相路燈進(jìn)行換線調(diào)級(jí)即可，從三相四線（三相五線）調(diào)整為兩對(duì)兩級(jí)兩線，，正負(fù)極交叉布局，避免單線故障全路段滅燈，每回路負(fù)荷可減少一半，再加上模塊冗余雙備份，系統(tǒng)更可靠。4.4直流供電半徑直流電壓損失公式：△U=2R0IL

△U%=△U/UnX100=2R0/10Un2×PL上兩式中△U%-線路電壓損失百分?jǐn)?shù)；△U-電壓損失,kV；Un-額定損失,kV；I-線路電流,A；P-設(shè)備有用功率,kW；L-導(dǎo)線長(zhǎng)度,km；R0–單位長(zhǎng)度有效電阻，Ω,km；根據(jù)以上公式獲得，雙向4車道（8車道），雙向3車道（6車道），雙向2車道（4車道）,道路照明選用LED燈直流配電系統(tǒng)在800m傳輸距離下電壓損失分別為9.0%,6.3%,3.5%。均在10%以內(nèi)，符合相關(guān)照明燈具規(guī)范要求。4.5供電電源原有路燈變電站li'利舊，將原有路燈控制柜拆除，采用直流智能集中供電柜替換，如原項(xiàng)目未有路燈控制柜，控制設(shè)備與箱變合建在一體，則新增直流智能集中供電柜即可。集中AC/DC恒壓源模塊統(tǒng)一設(shè)置在直流智能集中供電柜，直流智能集供電柜還配置PLC智能管控平臺(tái)，多級(jí)供電防護(hù)，帶防雷、配電監(jiān)控、數(shù)字電表、4G通訊、直流絕緣監(jiān)測(cè)、直流漏電保護(hù)等各類監(jiān)測(cè)、控制、通訊設(shè)備，形成了全面、完整、智能的軟硬平臺(tái)。直流智能集中供電柜不僅可提供直流電源，還可集中控制路燈回路，燈具管控更為靈活，可選單燈調(diào)光和回路調(diào)光，并且可0%~100%無(wú)極調(diào)光，可簡(jiǎn)單、有效管控?zé)艟咦兩珳亍．?dāng)采用回路調(diào)光設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)需單燈控制器。

直流智能集中供電柜內(nèi)部原理框圖4.6燈具

對(duì)于原LED燈具比較簡(jiǎn)單，只需將燈具內(nèi)驅(qū)動(dòng)電源AC~DC更換為DC~DC，無(wú)需更換其他設(shè)備，燈具便可直接接入改造直流系統(tǒng)中。對(duì)于現(xiàn)狀路燈燈具為傳統(tǒng)光源時(shí)，直接更換原有燈具，將路燈燈具更換為L(zhǎng)ED光源配DC~DC驅(qū)動(dòng)電源的燈具接入改造直流系統(tǒng)中，也較為簡(jiǎn)單。

5.結(jié)論將路燈交流配電系統(tǒng)改為直流配電系統(tǒng)，較好解決了目前路燈燈具使用壽命較短問(wèn)題。提高燈具整燈光效效率同時(shí)集中降壓整流，降低系統(tǒng)