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10变电站LED灯具应用研究
专题报告第10册
变电站LED灯具应用研究
摘要
随着全球能源日益枯竭，节约能源是我们未来面临的重要问题，变电站在电力系统中担任着转换电能的角色，本身也是消耗电能的用户端，变电站的设计必须考虑节能减排。
照明系统作为变电站内的生产辅助系统，是变电站安全稳定运行的重要保障。
推行终端节电技术节约电能，是改善电力负荷紧张状况的重要途径。
变电站照明系统向“绿色”、“健康”、“智能”、“高效”的方向发展是必然趋势。
为了提高光效、降低能耗和改善环境，本文根据绿色照明的设计原则和布置方式，针对杭州沙南220kV变电站进行照明设备选型，并与传统照明设备进行对比分析。
对于室外场地，由于沙南220kV变是无人值守全户内变电站，无需配置照明。
对于室内场所，如35kV高压配电室和辅房，沙南变需配置60盏LED顶灯。
本文对比分析了传统照明灯具双管荧光灯和LED顶灯的优缺点，并在全寿命周期（10年）内进行经济性分析。
结果表明，采用LED代替传统光源，可以有效减少能耗，尽管其一次投资较大，但从全寿命周期成本分析，LED更经济，可使照明系统更加节能、环保。
综上所述，220kV沙南变应运用LED绿色照明。
随着LED技术日渐成熟，其经济优越性和节能环保性将更加明显，市场运用前景广阔。
1引言
2变电站照明系统的现状
2.1变电站照明系统的特点
2.2变电站照明系统存在的问题
2.3照明常用光源
3绿色照明原则
3.1概述
3.2照明光源选择原则
3.3照明灯具选择原则
4本工程设备选型
4.1室内场所照明
4.1.1设计原则
4.1.2设备选型
4.1.3优缺点分析
4.1.4全寿命周期经济比较
5结论
1引言
变电站作为发电、输电、配电之间的枢纽环节，是电力系统网格中的重要节点，是电力系统运行的重要组成部分。
我国是一个用电大国，变电站数量众多，照明系统作为变电站内的生产辅助系统，重要而不可或缺，是变电站安全稳定运行的重要保障。
变电站照明负荷是变电站站用电负荷的重要组成部分，高效节能的照明系统在满足照明要求的前提下，消耗的电能更少，管理维护的成本费用更低，更符合电力企业“降耗增效”的理念。
此外，变电站照明系统的功能和照明效果，对变电站内工作人员的工作效率和身心健康也有着直接的影响，是电力企业安全风险体系建设中职业与环境健康管理的重要内容，完善的照明给变电站内工作人员提供了良好的工作环境，减少人员工作失误的可能性，降低工作安全风险，体现现代电力企业对员工的人文关怀。
节约能源、保护全球环境是人类共同的追求，我国“十三五”规划纲要也提出要加快建设资源节约型、环境友好型社会，提高生态文明水平，实现节能减排日标，但是我国目前电力供应不足和用电效率低的状况依然比较严峻。
推行终端节电技术节约电能，是改善电力负荷紧张状况的主要途径。
2变电站照明系统的现状
2.1变电站照明系统的特点
变电站内的照明系统涉及不同场所的照明需求，与民用建筑设施和普通生产场所相比，有其自身的特点和要求：
（1）变电站照明系统应能满足工作人员日间维护和二十四小时内任意时段设备倒闸操作、事故处理、设备抢修的需求，且部分区域要求照明时间较长；
（2）部分变电站所处地理位置比较偏解，在高电压形成的电场环境中照明器具在潮浸、海风等环境条件的综合作用下损坏率偏高，而照明灯具安装位置往往需要高压带电设备停止供电才能满足安全距离条件、保证维护人员人身安全，导致维护困难，因此要求灯具有较高的可靠性；
（3）对于平时无人值班的变电站，人员、车辆活动相对较少，对照明照度的要求比较低，综合考虑变电站保安等因素，照明系统应有控制上的灵活性，保证必要照明照度的同时实现照明用电的节能；
（4）变电站监控操作、继电保护、通信测量等工作场所要求的照明条件较高，照明系统应能满足较为精细工作的照明条件要求。
2.2变电站照明系统存在的问题
国家电网基建[2011]58号《国家电网公可2011年新建变电站设计补充规定》中要求：
照明应选用配光合理、效率高的节能环保灯具，以降低能耗，但现阶段70%的变电站采用的是普通照明，即采用能耗高、寿命短、照明质量低的灯具。
据专业测量结果，部分灯具半年之后的亮度降至70%，一年之后降至50%，导致变电站内的灯具完好率低于98%，此时维护和更换工作量大、成本高，与变电站无人值守相违背。
每年的耗电量也增加了变电站的运行成本，因此迫切需要采取符合现阶段变电站照明需求的设计方案，降低运行成本。
现阶段变电站照明存在的主要问题包括：
（1）没有做好节能工作，根据国家电网公司“两型一化”通用设计要求，变电站内宜选用节能型灯具；
（2）光源光衰减显著。
据专业测量结果，部分灯具半年之后的亮度降至70%，1年之后降至50%；
（3）灯泡寿命短，时常故障，导致变电站内亮灯率低于98%。
后期维护和更换工作量大、成本高，与变电站无人值守相违背；
（4）非专业灯具影响变电站的巡视检修工作。
部分灯具，尤其是支架和透明件夹扣，使用两三年就锈迹斑斑，甚至五六年急需改造更换，耗时耗力，影响变电站美观；
（5）光源显色性差，灯具选型不合适，造成光线不均匀，使得有些地方亮度过高、非常刺眼，而有些地方照度明显不足，存在照明死角；
（6）室内事故照明多采用普通照明灯具、蓄电池组直流供电，性能不稳定，应对突发事故的可靠性差。
2.3照明常用光源
光源是把电能转化成光的元件，是实现照明的核心环节，光源效率的高低在很大程度上决定了整个照明系统效率的高低。
高效光源是节能的首要因素，必须重视各种光源的特点和优点，区分适用场合。
照明设计当中光源的选择主要考虑以下几个要素：
光效、显色指数、色温、光源寿命、启动点燃时间和再启动时间等关键特性指标，以及价格和安装场所等。
目前常用光源有白炽灯、卤钨灯、荧光灯、金属卤化物灯、高压钠灯、高频无极灯、低频无极灯、LED（发光二极管）等。
下表是部分常用光源的基本技术参数。
表1常用光源基本技术参数
光源种类
光效（lm/w）
显色指数（Ra）
色温（K）
平均寿命（h）
普通白炽灯
15
100
2800
1000
卤钨灯
25
100
3000
2000-5000
普通荧光灯
70
70
全系列
10000
三基色荧光灯
93
80-98
全系列
15000
紧凑型荧光灯
60
85
全系列
8000
金属卤化物灯
75-95
65-92
全系列
6000-20000
高压钠灯
100-120
23/60/85
1950/2200/2500
24000
低频无极灯
70-85
85
3000-4000
80000-100000
LED灯
80-139
85
3000-6500
30000-100000
不同光源的适用场所条件以及在变电站内适用的场所详见表2。
表2变电站内各种光源适用条件及场所
光源
种类
适用场所条件
变电站内
适用场所
白炽灯
a需要事故现明的场所
b需防止电磁干扰的场所
c因光源频闪而影响视觉效果的场所
d开关灯的频繁的场所
e照度不高，照明时间较短的场所
一般事故照明
荧光灯
a悬挂高度较低（6m及以下），要求照度较高的场所
b识别颜色要求较高的场所
c人员长期停留的场所
主控制室，通信机房及各类办公场所，开关室
金属卤化物等
悬挂高度较高（6m以上），要求照度高、光色较好的场所
屋内、屋外配电装置、站内道路
高压钠灯
悬挂高度较高（6m以上），要求照度高、对光色无特殊要求的场所
屋内、屋外配电装置、站内道路
LED
a需要事故明的场所
b需防止电磁干状的场所
c因光源频闪而影响视觉效果的场所
一般照明
3绿色照明原则
3.1概念
“绿色照明”是指通过科学的照明设计，采用效率高、寿命长、安全和性能稳定的照明电器产品（电光源、灯用电器附件、灯具、配线器材以及调光控制和控光器件），改善和提高人们工作、学习、生活的条件和质量，从而创造一个高效、舒适、安全、经济、有益环境并能充分体现现代文明的照明环境。
推广绿色照明工程应该把照明节能和照明质量统一起来，通过提高照明工程设计水平，采用高效节能照明产品等手段达到照明节能的目的。
3.2照明光源选择原则
变电站照明要求灯具亮度高、光线均匀、无眩光；照明场地无死角，方便对设备的检修；光源寿命长、安装维护方便；出现紧急故障时应能应急照明，排除险情。
根据变电站工作现场环境的特点、要求，并结合绿色照明的概念，总结出变电站绿色照明设计时应遵循的基本原则如下：
（1）根据工作场所照度要求、工作需求以及照明种类的不同，选用高光效、长寿命的光源；
（2）在满足作业区域、岗位照明要求的前提下，选用防眩光、无光污染的照明器具；
（3）开展精细化照明设计，增加灯具使用灵活性，减少灯具数量；
（4）选择结构安全可章、配光高效合理的灯具，注重配套电器的节能高效；
（5）提高超明灯具的免维护性能，降低后期护和更换灯具的人力与物力成本。
3.3照明灯具选择原则
灯具是除光源外的第二要素。
根据国际照明委员会（CIE）的定义，灯具是透光、分配和改变光源光分布的器具，包括了除光源外其他用于固定和保护光源的全部零部件及与电源相连接所必须的线路附件。
一般而言，灯具的主要功能就是固定光源、满足环境和生产工作的配光需要、合理分配光源辐射的光通量，并限制眩光等。
在选择灯具时，除考虑环境的光线分布和限制眩光的要求以外，不同灯具的效率也是不可忽视的因素之一。
灯具的选择需注意以下几个方面：
（1）注意使用安全：
防触电，防火，特殊场合还要求防爆以及其他环境条件引发的危险。
（2）限制眩光：
可采用灯具的遮光角来限制一定角度内的直射眩光。
（3）提高能效：
选用效率高、配光和场所条件相适宜，以及光通维持率高的灯具。
（4）合理考虑功能性、装饰性以及经济性。
照明灯具附件，主要是指镇流器。
镇流器是耗能器件之一，同时对照明质量和电能质量有较大影响，因此应选择运行可靠、自身耗能低、使用寿命长、噪声低、频闪小、谐波含量小、电磁兼容性符合标准要求以及性价比较高的镇流器。
4本工程设备选型
为满足变电站设备检修的照度需求，需在各个生产房间及户外场地布置足够数量的灯具。
河南沙南（梁庄）220kV变电站的照明集中于10kV高压配电室、辅房和室外高压场地。
4.1室内场所照明
4.1.1设计原则
220kV沙南变的室内场所照明集中在配电室和辅房。
其中，针对高压配电室，由于高压室建筑布局、室内高压设备布置形式多样，照明系统的设计应当根据室内高压柜及其他带电设备的分布情况，兼顾以下几个方面：
（1）由于使用场所的特殊性，高压室内的照明设计应当充分考虑照明设备与高压带电设备之间的安全距离，更换灯具时保证满足与不停电设备的安全距离。
（2）在保证足够照度的情况下，注意防止眩光的出现，高压室内照明灯具的安装高度一般不应低于2m。
（3）在带电场所安装的灯具，应当考虑维护的便利，高压室内的照明灯具的安装高度一般不宜高于2.4m。
（4）在发生事故时能够瞬间启动。
金属卤化物灯光效高、显色性好，但它的缺点之一就是启动困难，启动后亮度是逐渐增加，所以为了防止在事故导致站用电短时消失再恢复时，高压室照明不能立即启用，应在高压室配置能够瞬间启动、即开即亮的灯具。
4.1.2设备选型
220kV沙南变中，室内场所布置60吊杆式LED顶灯，其额定电压为220V，额定功率为36W，光源色温在5000-7500K之间，光源光通量为3750lm；外形尺寸为1194x60x70mm，重量约2.7Kg。
其外形图如图4所示。
图4LED顶灯外形图
其特点如下：
（1）节能：
减少照明总能耗，实现节能减排目标，降低经营成本。
采用高质量LED光源，比荧光灯节能50%以上；光源处于透明件圆弧中心配光设计，提高透光率。
（2）可靠性高、免维护：
减少灯具故障后对正常生产的影响，降低维护成本。
LED光源寿命长达100000小时以上，实现灯具免维护。
配置5万小时LED电子驱动，可靠性更高，寿命更长。
设计了优良的散热结构，提高灯具整体可靠性和寿命，降低维护成本。
采用可调节式安装结构附件，根据槽钢间距可移动式固定安装，方便灯具安装。
（3）人性化设计：
LED光源配以光学级防眩透光材料，光照均匀度高、一致性好、舒适度高，便于提高工作质量和工作效率。
专业串联式接线方式设计（同时可选配延长线）方便接线，缩短灯具安装周期、消除不规范接线存在的安全事故隐患。
其实际安装使用照片如图5所示。
图5吸顶式LED顶灯实际安装照片
4.1.3优缺点分析
LED（LightEmittingDiode）即发光二极管，是一种直接把电能转化为光的固态半导体器件，它是现阶段光效发展最快的新型固体光源。
相对于传统光源，LED主要有以下几方面的优点：
（1）发光效率较高。
LED照明设备采用超低功耗的发光二级管（单管0.03W-0.06W）作为发光源，直流驱动，电光功率转换接近100%，相同照明效果比传统光源节能80%以上。
随着光电综合转换技术的提高，其效率提高空间较大。
目前市场上LED的发光效率多在80～100lm/W，高于节能型荧光灯。
由于LED光源可以直接把电能转化为光能，光谱大部分为可见光，因此理论发光效能较高，可超过200lm/W，远高于高压气体放电灯。
现在市面上好的LED日光灯管光效可以达到130以上，是荧光灯光效的两倍左右。
也就是说，18W的LED日光灯，可以当36W的荧光灯。
而从实际照明效果看，130lm/W的18W的LED灯，可以当48W的荧光灯。
（2）可定向照明。
光源为定向输出，通过适当的二次配光设计，可以实现定向照明，其利用系数可达0.8～0.9，但此特性也更容易产生眩光，在设计时要特别注意照明灯具的布置。
目前二次配光设计的发展有望能较好地解决这一问题。
（3）对人体危害小。
LED光源没有频闪；没有红外和紫外的成分，没有辐射污染，显色性高并且具有很强的发光方向性；调光性能好，色温变化时不会产生视觉误差；冷光源发热量低，可以安全触摸。
这些都是白炽灯和荧光灯达不到的。
它既能提供令人舒适的光照空间，又能很好地满足人的生理健康需求，是保护视力并且环保的健康光源。
（4）使用寿命长。
LED光源称为长寿灯，意为永不熄灭的灯。
固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点，使用寿命可达6万到10万小时，比传统光源寿命长10倍以上。
（4）环保。
与传统的金卤灯和荧光灯管相比，LED照明灯具不含汞等重金属元素，废弃物可回收，对环境没有污染。
传统的日光灯中含有大量的水银蒸汽，如果破碎水银蒸汽则会挥发到大气中。
LED日光灯公认为21世纪的绿色照明。
（5）光源安全性好。
由于LED体积小且为环氧树脂包裹结构，抗震性及抗冲击性好，不易破碎。
LED光谱中不含红外线，温升较小，单颗大功率LED工作电压低，可以安全触摸。
（6）显色性较好，启动时间短。
白色LED光源显色指数可以达到75～80，且响应时间非常快，在微秒级别。
照明组合方式灵活，可控性好。
由于LED发光器件是电流型控制器件，其光电转化速度很小，在额定参数范围内，只要提供不同的电流，就可以瞬间得到不同的亮度，可控性很好。
尽管LED在很多性能方面优于传统照明光源，但它也存在着一些不足，目前影响应用的主要问题集中在散热、光衰、光色、眩光、价格等方面：
（1）散热问题。
LED消耗的电能中只有15%-25%转换成光能，尤其LED是点状发光源，其工作过程中所发出的热能也聚集在极小的区域内，如果这些热能无法及时的转移出去，严重时将会导致芯片损坏，进而直接影响到LED灯具的寿命与照明效果。
对于大功率的LED灯具来说，在使用过程当中产生的热能更多，散热的问题也就更为突出和迫切。
目前，LED照明光源散热技术是研究热点。
（2）光衰问题。
虽然当前很多产品标注发光寿命为100000h以上，但在实际应用中不见得有这么长的寿命，原因就在于LED存在光衰问题，一般认为LED发光亮度降到原来亮度的30%以下，就可认定其已不可用。
引起光衰的原因通常有：
（1）温度过高引起。
LED的工作温度一般控制在65℃以下，当LED工作温度达到85℃时，光通量将下降，发生红移（波长变长），超过90℃则有烧毁的危险；
（2）LED芯片本身的光减和荧光粉引致的光衰；（3）灯具构件封装中绝缘胶、荧光胶水引起的光衰。
LED的工作高温会导致荧光胶水和绝缘胶的性能降低，影响灯具输出；（4）LED支架对光衰的影响。
LED支架可以由不同金属制成，金属的热导率不一样，导热性能好的支架能更快的给灯具降温，较少对光衰的影响。
（3）光色问题。
LED发出的光还不能替代自然光，自然光具有很强的黄色光谱成份，给人一种温暖的感觉。
而LED发出的白光当中含有较多的蓝光成份，在这种光的照明下人们会感觉到不自然。
为消除这个问题，应当尽量减少LED中的蓝光成份，并尽量降低其色温。
（4）眩光问题。
LED的光源特性，决定了光源有着亮度过高以及眩光的问题发生。
LED灯具不同于其他传统灯具的一个显著特点就是亮度高、光线具有很强的方向性，这就容易造成局部照度过高，从而产生不适型眩光，这是LED自身机理所造成的特有问题，也是LED灯具在推广使用过程中所需要克服的障碍之一。
LED照明目前一般采用散射和反射的方法来缓解该问题。
（5）价格问题。
目前，同等照度的LED灯具价格仍是传统灯具价格的2倍左右，这仍是推广和普及一大的障碍。
与传统光源相比，LED更符合高效优质光源的要求，而且在高效节能、环保、安全和舒适这4个方面都有突出的表现，更有利于实现绿色照明，而且随着LED照明技术的发展，其光效可大大提高，因此，其应用前景是很不错的。
4.1.4全寿命周期经济比较
传统灯具中采用双管荧光灯作为室内场所的照明设备。
基于220kV沙南变的室内照明，以10年为全寿命周期，对比双管荧光灯和LED顶灯的经济性，如表3所示。
表3双管荧光灯和LED顶灯技术经济对比表
类别
传统灯具
照明方案
LED灯具
照明方案
说明
光源
双管荧光灯
LED灯
布置于35kV高压配电室
安装灯具数量
60
60
灯具数量相同，但更节能
单台功率/W
2×40
36
LED灯功率低
总功率/W
4800
2160
总功率越低，越省电
年耗电量/kWh
1752
788.4
无人值守站，每天开启按1h计算
10年电费/元
11388
5124.6
按变电站运行10年，0.65元/kWh计算计算
灯具初始费用/元
12000
27000
灯具初期投资,双管荧光灯200元，LED灯450元。
（包含人工费等）
10年光源维护费/元
120*50*4=24000
0
荧光灯每两年更换一次灯管，共120根灯管，单价50元。
（包含人工费等）
总费用/元
47388
32124.6
全寿命周期内，LED灯具照明方案比传统灯具照明方案节约费用15263.4元
根据表3所示，基于220kV沙南变室内照明，传统灯具的总功率为4800W，LED灯具的总功率为2160W。
因此，LED灯具的能耗仅为传统灯具的45%，节能效果明显。
全寿命周期成本是指产品从研制、生产到经济寿命期内使用的整个期间的成本，即从用户提出需要某种产品开始研制起，到满足用户使用需要为止的整个时期的产品成本，包括制造成本和使用成本。
制造成本是指产品在研制和生产阶段上所发生的费用，包括产品的科研、试验、设计、试制及生产的费用。
使用成本是指产品投入使用后所发生的费用，包括产品使用过程中的能源消耗、维修费用和管理费用。
产品设计和研制阶段上的成本是否节约，对产品投产后将发生很大的影响。
因此，在进行产品设计、研制时要求技术先进、经济合理。
产品全寿命周期成本的高低与产品的功能水平具有内在的联系。
由表3可以看出，基于220kV沙南变室内照明，由于LED照明灯具的节能特性，LED照明方案比传统灯具照明方案年节约电能963.6kWh，在10年全寿命周期内节约电费6263.4元；由于LED照明灯具具有寿命长、免维护的特性，在10年全寿命周期内，LED照明方案比传统灯具照明方案节约维护材料费用24000元。
综合各项因素，在10年全寿命周期内，LED灯具照明方案比传统灯具照明方案节约费用15263.4元。
5结论
节约能源、保护环境是人类共同的追求。
照明系统作为变电站内的生产辅助系统，重要且不可或缺，是变电站安全、稳定运行的重要保障。
但目前变电站照明工程主要存在节能工作不到位、光源光衰减显著、灯泡寿命短、故障率高等问题，对变电站的安全运行及节能造成影响。
随着新技术的不断开发及进步，由于新型节能灯具的应用，变电站照明系统向“绿色”、“健康”、“智能”、“高效”方向发展是必然趋势。
对变电站照明系统进行“绿色”设计，对变电站照明系统进行优化升级，不但能够改善站内照明条件，还能带来明显的经济效应。
为了提高光效、降低能耗和改善环境，本文根据绿色照明的设计原则和布置方式，针对河南沙南（梁庄）220kV变电站进行照明设备选型，并与传统照明设备进行对比分析。
对于室外高压场地，由于220kV沙南变是无人值守变电站，无需配置草坪灯等。
对于室内场所，如10kV高压配电室和辅房，沙南变需配置60盏LED顶灯。
本文对比分析了传统照明灯具双管荧光灯和LED顶灯的优缺点，结合变电站工程实际情况做出普通灯具与LDE灯具的全寿命周期（10年）内对比结果表明，采用LED代替传统光源，可以有效减少能耗，尽管其一次投资较大，但从全寿命周期成本分析，LED更经济，可使照明系统更加节能、环保，LED的内在特征决定了它是最理想的光源去代替传统的光源，它的经济耐用不易损坏的特性特别适合无人值班变电站的应用。
综上所述，220kV沙南变应运用LED绿色照明。
随着LED技术日渐成熟，其经济优越性和节能环保性将更加明显，市场运用前景广阔。
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