城市夜景照明工程试运行电流异常浅析及对策

发布时间：2022-10-05 10:08 热度：

摘要：随着城市建设的发展，越来越多的城市通过夜景照明工程来塑造城市夜间形象，增加城市魅力，丰富人们夜间生活，让人们更加享受到国家改革发展的成果。本文通过一个夜景照明工程实例，初步分析了施工过程中线路运行电流偏离设计增大的原因，并总结了解决问题的方案。该夜景照明工程通过一年多的安全运行，证明了这个方案是可行的。
关键词：城市夜景照明；电流异常；浅析；对策
笔者有机会参加了一个夜景照明工程的施工监理，现就本工程的监理过程中碰到的问题谈点个人见解，望斧正。
一、工程概况
衡阳市湘江风光带夜景照明工程主要包括市区湘江两岸堤岸和建筑物、两座横跨湘江的大桥以及石鼓书院、来雁塔、东洲岛等景点的夜景照明。照明总负荷近800KW。采用独立的配电柜分别对每段、每个景点进行控制。照明配电柜采用TN-S保护接地系统，三相配电，电压380/220V，频率50HZ，由四台专用变压器和二十多块专用电表箱供电。照明回路采用交联聚乙烯绝缘电力电缆，穿管敷设。采用三相电缆A/B/C分相联接灯具的方式。控制方式包括总控室设置计算机编程无线控制、手机发送专用代码控制、现场手动控制等三种方式实现对灯具的开启、关闭。灯具类型主要包括金卤投光灯、草坪灯、金卤地埋灯、LED投光灯、LED轮廓灯、LED点光源、高杆飞雁灯、空中玫瑰灯等。金卤灯具的功率因数补偿要求达到0.9。
二、电流增大的问题
工程施工过程中，进行了试运行。在试运行时，我们对配电柜进线主线路和各回路的电流进行了测试，发现了大部分配电柜的的线路电流超过了计算电流，在有金卤灯光源集中的配电柜尤其严重，主线路运行电流甚至是计算电流的两倍多。这样就使得主电缆严重发热，空气开关跳闸。因为电缆和空气开关的规格是根据计算电流选择的，实际运行电流超过了电缆允许载流量和空气开关电流脱扣器整定电流。
为便于对问题的分析，笔者选取了其中较典型的湘江东岸堤岸部分配电柜电流测试数据，列表如下（见表1）。
 
 
 
表1               湘江东岸堤岸部分配电柜设计值与实测值的比较
                   
（注：设计取K_X=1)
符号说明： P_JS—— 总计算负荷               I_JS——总计算电流
            COSφ1——设计功率因素         U_S——设计供电电压
            Pe—— 安装负荷                 I_a、 I_b、 I_c——实测主进线各相电流
            Ue—— 实测进线相电压    
 I_max/ I_JS—— 实测最大相电流与总计算电流的比值
湘江东岸堤岸的照明有多台配电柜。其光源大部分是金卤灯。如设计文件AL-DF1的配电柜系统图（见图1），金卤灯投关灯150W的有73套，150W的金卤灯照树投关灯50套，备用回路中考虑了1.85KW裕量。

 
三、电流增大故障原因分析
1、电流大小的确定
根据配电设计手册知道，对于三相配电，电流计算公式为：
I＝     （公式1）
式中：I——表示电流       P——表示功率
    U——表示电压      COSφ——表示功率因素
根据公式1知道，电流的大小与功率成正比、与电压、功率因数成反比。再分析表1的数据，设计的计算功率、电压与实际的安装功率、供电电压差别不大，几乎可忽略。那么唯一影响电流大小原因就剩功率因数了。也就是说，设计时取的功率因素是COSφ1=0.85（见图1），那么实际的功率因素COSφ2应该小于0.85。 根据表1比值并结合公式1，COSφ1应该是COSφ2的2倍，即实际的功率因素COSφ2约为0.4左右。
2、电气照明系统中功率因素
在交流电路中，电流与电压之间的相位差（φ）的余弦叫功率因素，用符号COSφ表示，在数值上，功率因数是有功功率与视在功率的比值。即COSφ=P/S。视在功率包括有功功率和无功功率。有功功率是指直接做功的功率，如使电灯发亮、电动机转动等。无功功率是储存在电路中但不直接做功的那部分功率。当COSφ=1时，用功功率与视在功率相等，没有无功损耗。所以，当功率因数越高即COSφ越接近1时，有功功率所占的比例就高，无功功率所占的比例就越小。
本工程设计采用了大量的金卤灯。金卤灯是光源发展中的第三代光源，它具有发光效率高、光色好、寿命长、结构紧凑、性能稳定等特点而得到了广泛应用。是实施绿色照明过程的重要内容之一。金卤灯其工作原理是采用交流电源工作、在汞和稀有金属的卤化物混合蒸汽中产生电弧放电发光。它属于高效气体放电光源。由于它在电路中采用电感式镇流器，在电路中除电感式镇流器自身功率损耗较大外（约为10%），更使得功率因数COSφ在0.3~0.5之间。使得每个灯具消耗较大功率，流入灯具的电流增加。因此，如果想要将每个灯具工作电流降低，必须提高功率因数COSφ，即对单个灯具进行电容补偿。如一个400瓦的金卤灯未做电容补偿时其工作电流为3.40安，加电容补偿后其工作电流变为2.1安。由此可见，单灯补偿后的电流比补偿前的电流减少38%多。当单灯工作电流减少后，各回路电流减少，同样整个系统电流也降低了。因此，提高功率因数可以降低系统工作电流。
四、高功率因素的方法
1、提高电气系统的功率因素一般有集中补偿电容和单灯补偿电容两种方式。
（1）集中补偿是在照明配电箱处集中装设低压大量三相无功补偿电容器。其优点是安装简单、运行可靠、维修率低，缺点是只对电网起无功补偿作用，但对补偿柜后面至灯具这段线路未起补偿作用，无功损耗依旧存在，功率因数不能提高，不能降低各回路的运行电流。
（2）单灯补偿是对每盏气体放电灯进行电容补偿。这种方式是将补偿电容器安装灯具内，其优点是提高了功率因数，减少了无功损耗，降低了单灯输入电流，同样降低了整个线路运行电流。缺点是安装比较麻烦。
我们根据本工程的实际情况，考虑能有效降低线路电流，采用了单灯补偿电容方式。
2、具体解决措施
根据以上分析，我们采用单灯补偿，即对每个放电灯加装CBB系列的电容器，将电容器并联在原灯具控制回路中（见图2单灯补偿电容方式的接线图）。根据不同规格的灯具安装电容器（具体电容规格见表2金卤灯单灯电容补偿电容器容量及电流对比表）。当单灯电流降下来之后，我们又重新测量了线路系统电流。测量结果显示主进线运行电流完全降下来了，其数值非常接近设计值（见表3补偿后系统实际电流与设计比较表）。符合电缆安全载流量和空气开关电流脱扣器整定电流，电缆不再发热、开关不再非正常跳闸。经对整个系统检查，包括主电缆、各回路电缆、断路器、灯具等全部工作正常。据此并结合其它分项、分部工程质量情况，我们认为该工程已经完全满足了设计要求。最终经相关部门的严格验收，认为该工程符合设计和规范要求，工程验收合格。
图2单灯补偿电容方式的接线图

 
 
 
 
表2     金卤灯单灯电容补偿电容器容量及补偿前后电流对比表
 
      表3       补偿前后线路系统主线路工作电流对照表                               
五、结束语
本夜景照明工程至今已安全运行一年多了，经过了高温季节，整个系统一直运行正常。
在照明配电系统中，采用单灯设置补偿电容器，可以提高功率因数。降低单灯工作电流。同时相应的提高了系统功率因数，降低系统运行电流。这样一来，可以选择合适的配电装置和电缆，节省了建设成本。照明系统提高功率因数后，消除了无功损耗，降低线路电流，而且更加节能，降低了运行成本。
一般而言，用于城市路灯照明和景观照明的气体放电类灯具象高压钠灯、金卤灯在未装设补偿电容器时其功率因数在0.3~0.5之间。而现在国家标准和设计都要求功率因数不低于0.9（见《建筑照明设计标准》、《城市夜景照明设计规范》）。设计文件按照功率因数0.85~0.9来计算电流并选择配电装置和电缆（线）的，如果安装了无电容补偿的气体放电灯具，整个的系统的电流将成倍增加，那么整个配电系统包括电缆（线）将不堪重负，将会出现严重质量和安全事故。
因此，气体类灯具生产厂家应将电容补偿器安装在灯具内。另外，维护单位发现单灯补偿电容出现故障时，也应立即更换电容。
主要参考文献：

1. 芮静康  现代工业与民用供配电设计手册  水利水电出版社 2004
2. 北京建都设计研究院   湘江风光带夜景照明工程设计文件  2008
3. 朱庆元  低压配电简化计算   水利电力出版社    1989