气体放电光源并联无功补偿分析

摘要：介绍了气体放电光源的工作特性和应用并联无功补偿电容器来提高灯功率因数的常用方法，分析了在现有电网条件下采用并联电容器进行无功补偿时所带来的问题，提出了几点应对的措施。

　1　概述

　　随着经济的不断快速发展，照明已从夜间最基本的道路照亮功能演变为城市美化、亮化的重要角色。照明光源的总耗电量以及单个光源所消耗的功率在不断地增大，使得社会总的照明用电量也在逐步地增加。气体放电光源作为绿色、高效的节能光源在城市的亮化、美化、营造氛围等方面已经获得了广泛的应用。然而，气体放电光源的功率因数很低，为了改善照明线路的功率因数和减少线路的有功功率损耗，在应用时需要采用并联电容器进行无功补偿，而由此带来的相关问题就需要加以认真分析和研究的。

　　2    常用的气体放电光源

　　气体放电光源属于第二、第三代光源。常用的气体放电光源主要分为荧光灯和高强度气体放电灯(HID)两大类。它们共同特点是：启动时都要配置合适的启动器(触发器)来获得足够高的瞬时启动电压;在正常工作时需要用镇流器(电感式，电子式)限制流过光源的电流在允许的范围内;

　　2.1荧光灯

　　荧光灯是一种高效节能型低压汞光源，主要是应用于高度≤ 6m 的室内外场合，应用的时间长、效果好、范围广。现代荧光灯的光效和光色较以往的普通荧光灯(如T12 直管型)有了大的提高，特别是采用三基色荧光粉的荧光灯(如T8 直管型)的发光效率、使用寿命以及显色指数Ra 等都有了很大的提高(效率> 80lm/W，寿命>8000 h，Ra>85)。随着灯管内壁荧光粉的配比不同，可以制成多种色温和光色的荧光灯。

　　2.2　高强度气体放电光源(HID)已经获得了广泛应用的高强度气体放电光源主要有高压钠灯和金卤灯，特别是在大功率照明、室内外大空间等场合的应用更具有相当的优势。

　　2.2.1高压钠灯

　　高压钠灯的内部填充了汞和惰性气体，是目前发光效率最高的照明电光源，缺点是显色性较差。其中的放电物质是金属钠。工作时，灯的输出中不含有紫外线成分，光线为金黄色，光效可高达150 lm/W，且不易诱虫、寿命长(28 500 h)，可以广泛地应用于对显色性要求不太高的室外广场、隧道、交通道路等的照明，是一种应该优先选择的高效照明电光源。

　　2.2.2金卤灯

　　金属卤素灯属于第三代光源，是一种综合性能优良的照明光源。其工作原理是在高压汞灯中加入了金属卤化物作为放电物质而构成。金属卤素灯具有高的光效(50~90 lm/W)、优良的显色性Ra(65~95)，启动时间为4~5 min, 再启动时间为10~15min，但在室外使用时容易诱虫。可以广泛地应用于对显色性要求高、空间范围大以及需要高质量照明的室内外场合。

　　3.无功补偿及存在的问题

　　3.1　气体放电光源的无功补偿

　　采用电感镇流器的气体放电光源的系统功率因数很低(cosФ ≈ 0.4)，为了解决其由于自身的工作特性所造成的供电电路功率因数低、线路损耗大等问题，常见的电工技术资料上都提出需要采用并联交流电容器方式来作为提高线路的功率因数的无功补偿手段。

　　常规的并联无功补偿主要有以下方式。

　　3.1.1单灯补偿

　　单灯补偿是在每一盏灯的内部并联容量合适的交流电容器，以达到提高单灯功率因数的目的。优点是：可以按照每个灯来配置电容器、不占用其他的空间、安装方便灵活，能减少照明配电线路上的电压损耗;缺点是：当有灯故障而失效时，如果光源的电源熔丝没有熔断，就有可能造成过补偿而使线路上电压过高，影响其它光源的使用。当然，如果采用附加的电子线路来检测光源的工作状态，故障时可以自动切除补偿电容器的方式，将会使总体的造价升高。

　　3.1.2集中补偿

　　灯集中补偿主要是针对在同一线路上使用的多个气体放电灯，采用在线路的总线上并联容量合适的交流电容器来提高线路的功率因数。优点是：安装集中、占地少、施工方便;缺点是：不能减少同一线路上的电压损耗。当有数个灯失效时，由于过补偿可能造成供电线路上电压过高，影响其它灯的使用安全和使用寿命，最好采用具有自动投切控制的单相补偿电容器组，但是在造价上将会提高。

　　3.1.3混合补偿

　　混合补偿主要是综合了单灯补偿及集中补偿的各自优点。

　　优点是：对于灯供电线路长、功率大的照明具有好的效果。主要采取的方式是：对于供电线路和小功率灯则在变电所灯供电的出线端设一定容量的集中无功补偿，对于灯功率大的单个灯具进行现场就近补偿。这样就能够既补偿了灯的无功消耗，又补偿了灯供电线路的无功，因而可以获得良好的节电效果。

　3.1.4　补偿容量的计算

　　由《电工手册》可知：

　　①单光源补偿电容器的容量(设：补偿后的功率因数≥ 0.9)计算公式为：

　　C=P(tgφ 1 -tgφ 2 )/(2πfU210-3)=P(tgφ 1 -tgφ 2 )/(314U210-3)

　　(式中：C—补偿电容值μF， U—光源电压V)②集中补偿电容器的容量计算为：QC =P(tgφ1 -tgφ2 )

　　(式中：QC —电容器的无功功率kvar， P—光源功率kW(含镇流器损耗)，tgφ1—补偿前光源功率因数所对应的正切值， tgφ2—补偿后光源功率因数所对应的正切值)

　　3.2　在高次谐波条件下的功率因数

　　上述电工手册上给出的通过并联无功补偿电容器可以使得灯的功率因数达到0.9 以上是基于传统的正弦波电路而言的，是在线路中没有高次谐波的情况下的结论。实际的线路中都含有一定的高次谐波，因此具有现代意义的功率因数定义为：PF=P/S=U1I1cosφ /(U1Irms)= (I1/ Irms)cosφ =γcosφ( 式中：I1—输入基波电流有效值，Irms—输入电流有效值，γ=I1/ Irms——电流失真系数)由上述的定义可见，功率因数为输入电流失真系数γ 与相移因数cosφ 的乘积。在气体放电灯中，并联电容补偿后由于大量的高次谐波电流的存在，电流失真系数γ 远远小于1，因此在谐波条件下无功补偿后的功率因数远小于0.9，具体可参见表1 中的测试数据。

　　3.3　补偿后灯的实际参数变化

　　为了直观地考察灯在补偿前后的参数变化，对常用的某品牌电感式36W(T8 型)直管荧光灯及电感式70 W 金卤灯光源的电压、电流波形及电参数进行了测试。

　　气体放电光源在采用并联交流电容无功补偿后原先的工作状态发生较大的改变：

　　①输入电压、电流灯的输入电压几乎没有发生改变，灯电流波形中的平滑度减小，工频波形上叠加的高次谐波幅值严重加大，整个波形畸变加剧;

　　②输入的有功、无功功率灯输入的有功功率没有改变，输入的无功功率有了较大的减少(几乎达到了原来的一半)，原因是并联的无功补偿电容提供了部分的无功功率;

　　③功率因数灯的功率因数有了较大的提高，并联补偿电容后灯的功率因数几乎提高了一倍;

　　④高次谐波灯电路中的电流高次谐波(主要是三次)被严重的放大。对于采用三相供电的照明线路来说，在常规的设计上中线的截面相对于相线来说取值要低一级甚至为相线的二分之一，因此三次谐波电流的同向叠加，将造成中线的电流严重超标，导致中线发热严重，甚至由此而引发火灾事故。高次谐波电流的严重放大还影响到补偿电容器工作的安全，容易造成电容器的过负载、损耗加大、发热严重、涨肚、寿命锐减等一系列问题。

3.4　几点应对的措施

　　3.4.1　照明线路设计和施工时，中线截面的取值与相线等同，特殊情况下甚至可以考虑加大一级;

　　3.4.2　若不分灯使用的实际情况而一味地安装无功补偿电容器会造成线路中谐波电流的严重放大，干扰加剧，因此可以认为：对于采用将气体放电灯与其它负荷混合供电的情况，应该实际测量灯在工作时供电线路的电流谐波含量是否超标，考察其是否对其它敏感性负荷的正常工作造成影响。如果没有影响可以不装电容器;如果造成了影响，就要采取在灯的供电线路上加装谐波滤波器和无功补偿器，或者将灯负载移动到其他的线路上的方法。

　　3.4.3　对于新建、改造等条件允许的场合，可以采用将灯负荷单独使用一台变压器供电，与其他的用电负荷分开的方法，以减小灯使用时产生的高次谐波的干扰。

　　4　结语

　　对于气体放电光源采用直接并联电容进行无功补偿是一种常规的做法，但是由于现代的电网中大量的变流设备的广泛使用，造成灯线路中的高次谐波的大量存在，使得单纯的并联补偿电容器的做法存在着较为严重的问题，因此针对在现有的条件下，减小气体放电灯谐波的危害以及灯谐波对其它敏感负载的干扰问题，就需要采取相适应的有效措施，并且将谐波治理与无功补偿结合起来才能取得满意的效果。