直流配电在道路照明改造中的应用

知识点：直流照明系统

1.概述

城市道路照明作为城市照明的主体，为整个照明行业的发展做出了巨大贡献，就城市道路照明而言，伴随着我国城市建设尤其是城市道路建设的快节奏和高增长，其发展速度一直居高不下。

近年来，我国城市照明行业正经历着前所未有的的发展态势，主要得益于我国城市照明行业逐年加大的投资力度以及人们对各行业照明需求的不断增加。同时，由于LED照明技术的各项优势，其在道路照明领域也取得了快速的发展。随着5G技术及物联网技术的发展和普及，城市照明的智能化控制成为可能，也将为整个城市照明以及人们的生活带来极大的便利。

2.目前道路照明交流系统现状及不足

我国目前大部分道路照明均采用交流系统，10KV交流电源经路灯专用变压器降压为0.4kV交流电源，路灯控制柜里的交流配电元件将相电压为220V，线电压为380V的三相交流电通过电缆输送给路灯灯具。

对于现今道路照明交流配电系统中所选用的光源来讲，大体分为传统光源（高压钠灯）和LED光源两种。其中传统光源在交流配电系统中本身效率偏低，灯具内含有的电感镇镇流器具有的体积大、功耗低、频闪高等缺点，严重制约了传统光源作为市政路灯的主要载体，目前传统光源已经步入了道路照明发展的末期阶段。而随着目前发光二极管技术的日趋成熟，LED光源量产几何级增加，价格大幅度下降，LED光源在市政道路照明的使用越发普遍，以至于可以预见未来LED光源完全替代传统光源。但LED光源在现有交流配电系统中，却有着非常致命的缺点，便是其AC/DC驱动电源寿命偏低，由于驱动电源与LED芯片共同布置在灯具狭小的空间内，为达到必要的防潮防水要求，必须将电源进行密封。但同时也带来散热困难的问题。在夏季LED芯片工作时的温度可以达到70多度，LED电源的内部电器在这种高温环境下工作，其寿命大幅下降，实际使用寿命往往只有数千到一万小时，与LED光源的寿命50000～100000小时远不相称。目前道路照明系统中应用的知名品牌的LED灯具的故障基本上有80～90%是由于驱动电源的损坏，驱动电源成为交流配电系统中LED灯具的寿命瓶颈，亟需解决此类问题。

单灯控制技术和路灯调光技术也是当前研究的热点，交流配电系统中通过在每杆路灯上安装单灯控制器或调光控制器来达到照明系统灵活调控，减少过度照明和无效照明造成的电能浪费。但是从节能的角度和系统维护经济性的角度来说，这不是最优选择，单灯控制器或调光控制器的加入，增加了照明系统的复杂度，提高了系统维护成本，而且单灯控制器和调光控制器本身也要消耗电能。

 

3.道路照明系统直流配电模式及其优势

10KV交流电源经路灯用变压器降压为0.4kV交流电源，经交流配电元件将相电压为220V，线电压为380V的三相交流电送入AC/DC恒压源模块，AC/DC恒压源模块输出直流电源经直流配电元件由电缆输送给路灯灯具，路灯灯具包含DC/DC恒流驱动电源与光源；DC/DC恒流源将电缆输送的直流恒压电源转换成合适的直流恒流电源驱动光源。

直流配电模式将分散的驱动电源从灯具转移到地面，集中到地面的变压器或开关箱内统一处理，这样便解决了在各个路灯灯具内的驱动电源无法散热的问题。集中在地面的直流变压器不仅转换效率提高，而且温度可控，同时也便于维修。

对于光源，LED光源无论从寿命、能耗、显色指数等均强于传统光源， LED灯本身构造更适合直接接入直流配电系统，减少中间转换环节，并且直流配电系统中 LED灯具内DC/DC驱动电源不含有整流滤波和功率因数校正（PFC）单元，输入直流恒压电源波动很小，灯具上驱动电源的寿命能够大幅度延长。

路灯控制柜内AC/DC恒压模块可以直接选用技术较为成熟的高频智能开关电源模块，高频智能开关电源模块被广泛应用在电力系统直流屏和通讯电源领域，目前高频开关电源模块的制造技术比较成熟，模块效率可以达到93%以上，平均无故障使用寿命达到100000小时以上；多个模块可并联使用，扩展输出功率，以满足不同负荷。

路灯一旦实现低压直流供电模式也会给路灯用电安全提供保障,交流配电系统中频率为50Hz，此频率会造成心室纤维颤动，对人身安全造成极大威胁。交流安全电压为不超过50V，安全电流不超过10mA。而直流配电系统为无波纹直流，其安全电压为不超过120V（符合IEC 标准安全电压），安全电流不超过50mA。综合交流系统与直流的安全比较，道路照明系统中采用直流供电会比交流供电在安全性上有了质的飞跃，更能保证道路行人的人身安全。

 

道路照明直流配电系统示意图

 

4. 对已建成道路照明交流系统的直流改造

4.1 目前道路照明基本配置标准

双向4车道（8车道），杆高18米，间距约60米，单侧挑臂，每基灯杆配2*400W高压钠灯一套（2*250W LED灯），供电电缆选用YJV22-0.6/1kV  4x25+1x16mm2，供电传输一般距离800米。

双向3车道（6车道），杆高14米，间距约42米，单侧挑臂，每基灯杆配400W高压钠灯一套（250W LED灯），供电电缆选用YJV22-0.6/1kV  4x25+1x16mm2，供电传输一般距离800米。

双向2车道（4车道），杆高12米，间距约30米，单侧挑臂，每基灯杆配150W高压钠灯一套（100W LED灯），供电电缆选用YJV22-0.6/1kV  4x25+1x16mm2，供电传输一般距离800米。

4.2 配电电压

根据道路照明直流系统安全电压不超过120V，现将改造直流配电系统电压设置为DC 120V，电源通过直流智能集中供电柜整流、滤波输出120V低压直流供电，保证道路行人及维修人员的人身安全。

4.3 线缆电缆

对现有路灯可最大限度利用现有设备，通过原有电缆YJV22-0.6/1kV 4x25+1x16mm2向LED路灯供电，对现有的三相均布路灯的某一相路灯进行换线调级即可，从三相四线（三相五线）调整为两对两级两线，，正负极交叉布局，避免单线故障全路段灭灯，每回路负荷可减少一半，再加上模块冗余双备份，系统更可靠。

4.4 直流供电半径

直流电压损失公式：

△U=2R0 IL    

△U%=△U/UnX100=2R0/10Un2×PL

上两式中

△U%-线路电压损失百分数；

△U-电压损失,kV；

Un-额定损失,kV；

I-线路电流,A；

P-设备有用功率,kW；

L-导线长度,km；

R0 –单位长度有效电阻，Ω,km；

根据以上公式获得，双向4车道（8车道），双向3车道（6车道），双向2车道（4车道）,道路照明选用LED灯直流配电系统在800m传输距离下电压损失分别为9.0%, 6.3%, 3.5%。均在10%以内，符合相关照明灯具规范要求。

4.5 供电电源

原有路灯变电站li'利旧，将原有路灯控制柜拆除，采用直流智能集中供电柜替换，如原项目未有路灯控制柜，控制设备与箱变合建在一体，则新增直流智能集中供电柜即可。

集中AC/DC恒压源模块统一设置在直流智能集中供电柜，直流智能集供电柜还配置PLC智能管控平台，多级供电防护，带防雷、配电监控、数字电表、4G通讯、直流绝缘监测、直流漏电保护等各类监测、控制、通讯设备，形成了全面、完整、智能的软硬平台。

直流智能集中供电柜不仅可提供直流电源，还可集中控制路灯回路，灯具管控更为灵活，可选单灯调光和回路调光，并且可0%~100%无极调光，可简单、有效管控灯具变色温。当采用回路调光设计时无需单灯控制器。

 

直流智能集中供电柜内部原理框图

4.6 灯具

   对于原LED灯具比较简单，只需将灯具内驱动电源AC~DC更换为DC~DC，无需更换其他设备，灯具便可直接接入改造直流系统中。

对于现状路灯灯具为传统光源时，直接更换原有灯具，将路灯灯具更换为LED光源配DC~DC驱动电源的灯具接入改造直流系统中，也较为简单。

 

5. 结论

将路灯交流配电系统改为直流配电系统，较好解决了目前路灯灯具使用寿命较短问题。提高灯具整灯光效效率同时集中降压整流，降低系统能耗，降低路灯设施运行中的安全风险 (在我国50V以下交流电为安全电压，直流电压在实际使用中安全性高于交流电)。集中处理驱动电源，将故障点从高高的路灯上迁移到地面，不仅维修方便而且造价大幅降低。并且改造过程中，原有输电线缆、灯杆等利旧，大大降低了改造成本。总而言之，该技术具有良好的社会、经济和环保效益，今后必将成为道路照明的主流发展趋势。

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