绿色照明中电源与光源的探讨

 

        随着绿色照明工程的进展，在原来强调“环保、节能”的基础上，如今要再加上一条“舒适”的要求，作为电光源本身，除了提高光效和显色性外，还要降低灯的频闪度。新型光源采用怎样的灯用电路？灯用电路又如何提高照明质量和减少对电源及环境的污染？本文就人们在工作中和生活上遇到的问题及众所关心的热点进行探讨。

 

        世界各地电网基本上都采用交流供电方式，线性的用电设备不会改变电源的特性，但是大量非线性的用电电器的出现，使电源正弦波的波形、功率因数、中性线电流等发生很大变化，以至整个电网的质量下降。这些用电设备造成负面影响正引起有关部门和专业人员的重视。

 

        电光源的发展与电源的供电方式和输电技术有着密切的关系，目前广泛使用的白炽灯、荧光灯、中小功率的高强度气体放电灯一般都是单相交流电供电的，这对电站和电网存在许多不利的因素。

 

        2.1照明负载或其他单相负载使三相电造成不平衡

三相电源分相单独供电，电路简单，但这样的供电方式会使流过三相电的电流产生不平衡，这种不平衡的状态会引起电网的失调和中线电位升高，严重时可能影响其他用电设备的正常的运行。

 

        2.2电抗性负载引起电路功率因数的下降

        由于受到电抗的作用，发电机发出的交流电流与交流电压的相位角不再为零，即发电机发出的电能不能完全被用电器吸收，只有一部分吸收后转变成有用功，而相当一部分电能量形式同发电机之间往返变换而释放不出来。电感性负载或电容进行功率因数的补偿，这只能是宏观面上的调控。分到用户端，若局部地区A相为感性负载；B相呈容性负载；C相近空载，这虽然是一种极端的状态，但此情况也时有发生。遇到这种状况，该段电网的工作效率就会下降。当功率因数过低时，发电和变电设备送出的有功功率会明显减小，而输出的无功功率的比例则增大，使电力供电设备得不到充分利用，功率因数过低，通过电力输送线的电流会增加，在线路上将引起较大的电压降落和功率损耗，不仅造成电能巨大浪费，而且会影响用电器的正常工作。低功率因数的电子镇流器会产生很大的环流，不仅对光通量没有贡献，而且会在供电导线中产生热量，导线过热加速绝缘层的损坏，甚至引起建筑物的火灾事故。

 

        2.3灯的谐波电流与电源的中线电流

        按低压用户电气装置规程第六十条规定：“三相四线制中性线的载流量应为相线载流量的50%及以上”。考虑工程费用，布线时中性线的载流量一般取50%~80%，只有在大城市里才能取到100%，尽管如此，随着电脑、彩电、开关电源、电子镇流器等非线性负载的日益增多，遇有大量高谐波含量的用电设备时，中线的这“100%”的载流量仍是远远不够的。由于电流波形一般为奇函数，设三相为：

 

        以上傅立叶表达式可以看出，当谐波次数为3的奇数倍时,中线将流过相当于相线谐波电流三倍的分量,当3、9、21等次谐波在中线叠加而产生异常电流时，畸变了的电流会引起多种事故的发生。电子镇流器输入端的电源电流谐波含量过高，如果是单独一个使用，其危害性或许并不一定能够明显地表现出来,但千家万户密集使用，所产生的谐波电流会对电力系统造成严重损害,影响到整个电力系统的电气环境，包括电力系统本身和广大用户。过量的电流谐波会使发电机和电动机产生功率损耗，引起发热。对无功补偿电容器组，会引起谐振或工作电流剧增，从而导致电力电容器因过负载或过电压而损坏。谐波电流还会增加变压器和电网的附加损耗，对继电保护、自动控制装置和计算机控制系统产生干扰或造成误动作，对计量检测仪器引入较大的测量误差。电流谐波含量过高的电子镇流器在电网的某一密集安装使用，会使三相四线制供电系统的中线电流急剧增加，远远高于相电流，引起中线超负荷，并很容易导致电子镇流器成批损坏。

 

        2.4灯用电路的电磁干扰对电源和环境的污染

        目前电磁干扰的范围和内容不仅仅局限于高频连续波的辐射与传导干扰，人们更多的要是考虑各种各样的磁脉冲(EMP)的干扰。电磁干扰所造成的电磁污染，于水污染和空气污染被称为当今人类社会人类的三大污染源。电磁干扰以辐射和传导两种方式传播。能量通过磁场或电磁耦合，或以干扰源与受扰设备间的电磁波形式传播，称为辐射干扰，譬如开了灯，无线电中波段的广播节目干扰、电视接受机的图象质量受影响、助听器的耳机里增加了噪音、家用电器的遥控装置失灵……。能量通过电源线、数据线、公共地线等传送或接受，称为传导干扰，传导干扰有差模和共模两种类型。差模干扰在系统两电源线(相线与中线)间产生干扰电压，而与地线无关，差模电流从一电源线流出，由另一电源线返回；共模干扰在每一电源线与地之间产生干扰电压，共模电流从干扰源通过分布电容入地，沿地线传播，再经过每一电源线返回。有的电子节能灯，一个一个的分散使用时工作可靠，当多个集中地安装大型灯具上时故障就上升了，这钟现象除了受电流谐波的影响之外，还受电磁干扰中的传导干扰的侵害，灯与灯之间电源线并联连接，线与线之间通过传导，当干扰脉冲的峰值与电源正弦波的峰值同相叠加之时就是造成电子节能灯的损坏之机，电磁干扰脉冲加于其他灯的电源线上，进入电子镇流器的输入端，会引起灯用电路的损坏。这种电源→光源之间的串扰，引起电子节能灯之间的“相互残杀”是我们不希望发生的事件，为避免这种现象的发生，就需要从每一只灯做起，要求能达到对电源及环境无干扰。

 

        一般中小功率的照明电器都是50Hz单相交流供电的，反应到光源上会产生光的闪烁现象，灯的频闪对视觉环境也是一种污染，工厂里如果有机件运动的地方容易引起事故。

 

        在我国，室内照明的水平总体上还是比较落后的，照明光源的构成仍然不够合理，光源的闪烁问题也较为突出。光源闪烁对人的视觉系统有刺激作用，使人的眼部肌肉疲劳，产生头痛，错觉等，长期在闪烁的光线下工作还会影响到人的视力。英国剑桥大学医学研究中心的啊诺德·威尔金博士认为，目前广泛使用的荧光灯是引起偏头痛的主要原因，虽然人们看不见光源的闪烁，但是这种确实存在的闪烁在不断地影响我们的眼睛和视觉神经。

 

        国际照明委员会维也纳总部J·schanda教授指出：“眼科医生渐渐地关心的是光源和显示终端闪烁之间的闪烁频率和拍频频率”。欧洲委员会(European Commission)发布了一项90/270/EC指南，并强制雇主为使用显示屏工作的员工提供更好的电器。

 

        光源的频闪除了灯的本身特性以外，主要由电源及灯用电路决定。光源闪烁强度的表达式为:

 

        波动深度=(闪烁峰值-闪烁各值)/闪烁峰值X100%

 

        当灯光的波动深度大于25%时，人们观察物体的运动会产生频闪现象，当物体运动的频率是光源闪烁频率的整倍数时，运动物体看上去好象静止一样，此时容易造成事故。

 

        在50Hz的交流电源上，几种单灯的波动深度值：白炽灯大于10%。高压汞灯大于60%，电感镇流荧光灯大于50%，25Hz电子镇流荧光灯大于20%，而80KHz以上电子镇流荧光灯、三相交流荧光灯、直流驱动荧光灯的波动深度均低于5%。

 

        从光源本身特性来看，白炽灯的频闪度与灯的额定功率、灯丝形状、充气种类，泡壳结构有关。功率大的灯泡工作时的频闪度低于功率小的灯泡，多螺旋形灯丝的频闪度低于单螺旋灯丝，充入高原子量气体的灯泡的频闪略低于充有低原子量气体的灯泡，反射型灯泡的频闪略低于普通梨形灯泡。荧光灯的频闪则与荧光材料、灯管形状、管内气体、灯用电路有关。普通卤粉管的频闪低于高效卤粉管，稀土荧光粉的频闪度低于卤磷酸钙，紧凑型的灯管频闪低于直管型荧光灯，充入低原子量气体的灯管频闪低于高原子量气体的管子。

 

        由电源输入角度看，在白炽灯的电源输入端采用桥式全波整流加低滤波电路可以消除光源频闪度。例如，手电筒的结构是小电珠(白炽灯为光源)与干电池(直流电源供电)的组合，它的频闪度趋向于零。

 

        为使气体放电灯实现无频闪，可用直接驱动电路、三相供电方式、超高频闪的电子镇流器作灯的适配器，尤其是荧光灯，可以借助于荧光灯材料的余辉作用，达到“无频闪”的目的。我们做了几项实验，结果如下：

 

        单相直流电路，平滑的波形作为荧光灯的驱动器，使荧光管能够发出象自然光一样的连续而平稳的光，灯的频闪度接近零。

 

        电子镇流器的工作频率自25KHz提高到50KHz时，的工作频率提升到80KHz时，荧光灯的频闪下降至约为3%。

 

        三相电驱动三相灯管，灯用电路结构简单，根据电工学上“对称三相交流电的总瞬时功率是恒定的”这一原理，以对称三相交流电源供给三相气体放电管的数学表达式为：

 

        电路中的电压Va=Vm cosωt,

 

        Vb=Vm cos(ωt-120°)

 

        Vc=Vm cos(ωt+120°)

 

        Vab=√3Vm cos(ωt+30°)

 

        Vbc=√3Vm cos(ωt-90°)

 

        Vca=√3Vm cos(ωt+150°)

 

        灯的工作电流 I1=Vab/(jωL1+Rl1+Rl2+jωL2)

 

        I2=Vbc/(jωL2+Rl2+Rl3+jωL3)

 

        I3=Vca/(jωL3+Rl3+Rl1+jωL1)

 

        式中Rl是等效负载电阻。

        然而，采用三相供电方式的电源在实际工作中电网负载的不平衡，破坏了三相电源的对称性，但经多次测试，三相荧光灯的频闪仍小于5%，基本上达到无频闪的目的。

        创造舒适的照明环境，不仅有利于人体的健康，而且有利于工作效率的提高。国际照明委员会的一份调查资料表明，工厂照明条件改善后，劳动生产效率上升2%~10%，损耗降低4~8%，产品质量提高10~20%，交通运输事故减少5~10%。我们要用好现用的供电设备，设法提高光源的质量，使照明工程沿着环保、节能、舒适的方向发展。