Фото Дмитра Зикова.
Мал. 1. Каскадна схема включення мереж міського освітлення.
Мал. 2. Зовнішній вигляд найуживаніших джерел світла в зовнішньому освітленні.
Мал. 3. Прогнози вдосконалення джерел світла.
Мал. 4. Фотометричне тіло сил світла лампи розжарювання.
Мал. 5. світлорозподілом світлового приладу зовнішнього освітлення автодоріг.
Фото Дмитра Зикова.
Мал. 6. Варіанти опор зовнішнього освітлення.
Таблиця 1. Основні характеристики застосовуваних в зовнішньому освітленні джерел світла.
Таблиця 3. Рекомендовані схеми розташування світильників під час освітлення автомобільних доріг.
<
>
Як приходить енергія в місто
Велика частина надходить в місто електричної енергії виробляється генераторами на електростанціях, розташованих за межами міста. Усередині міста вона виробляється на теплоелектроцентралях (ТЕЦ), що працюють на природному газі і мазуті. Генератори виробляють напруги від 6 до 20 кВ. Для передачі енергії на невеликі відстані всередині міста (де втрати відносно невеликі) цього достатньо, а для передачі від заміської електростанції - немає. Вона вся буде «з'їдена» опором проводів ліній передач. Тому при передачі енергії від ГЕС напругу підвищують до 110-500 кВ. Роблять це на трансформаторних підстанціях (ТП), які розташовуються поруч зі станцією. Рівень, до якого слід підвищувати напругу, пропорційний енергії, що передається і відстані передачі. Перетворена таким чином електроенергія передається по повітряним (ПЛ) і кабельним (КЛ) лініях електропередачі (ЛЕП). У Москві, наприклад, 1100 км повітряних і близько 800 км кабельних ліній.
На інший (приймальні) стороні ЛЕП створюється система районних і місцевих трансформаторних понижуючих підстанцій, що забезпечують поетапне зниження напруги до необхідного рівня. Спочатку з 110-500 до 6-20 кВ, потім до загальноприйнятого 0,38 кВ. Така схема дозволяє обійтися обладнанням менших розмірів. Електроенергія для освітлення розподіляється за конкретними адресами міста за допомогою розподільних пристроїв (РУ). Це загальна схема доставки електроенергії в місто, в тому числі і для його висвітлення.
Повітряні лінії мають ряд переваг перед КЛ. Це, перш за все, менша вартість, велика ремонтопридатність, простота в обслуговуванні. З іншого боку, ВЛ мають так звану зону «відчуження» - досить велика ділянка землі, що проходить під проводами, де заборонено проводити будівництво, земляні та інші роботи. Пошкоджуваність кабельних ліній, покладених в землю, на порядок нижче. Наприклад, кабелі в спеціальному колекторі не бояться ні стихійних лих, ні землетрусів, ні поривів вітру, ні повеней, ні обмерзання. Повітряні же лінії схильні до дії стихій. Так, 29 грудня минулого року через обмерзання відбулися численні обриви проводів і падіння опор ЛЕП в Москві і Московській області. Були випадки, коли хулігани накидали на дроти різні предмети, що викликають коротке замикання на ізоляторах. Це небезпечно і для обладнання, і для людей, які розважаються подібним чином.
Площа поперечного перерізу (фахівці його називають просто «перетин») проводів повітряних і жив кабельних ліній електропередачі визначає пропускну здатність ЛЕП. Чим більше перетин проводу (кабелю), тим більше енергії по ньому можна передати, а значить, більшу потужність доставити споживачеві. При проектуванні перетин розраховують з урахуванням робочих і аварійних режимів. Наприклад, перетин проводів повітряних ліній, по яких підводиться енергія в Москву, коливається від 95 до 400 мм 2.
Для підвищення надійності доставки енергії до споживачів практикується резервування обладнання. Про це багато писали і говорили, багато і робиться в цій галузі. У Москві розроблена і впроваджується схема резервування на рівні високої напруги 110-220 кВ. До годує центрам підводиться не одна лінія, а кілька. Це означає, що до трансформаторних підстанцій на приймальній стороні прокладені як повітряні лінії, так і дублююча кабельна лінія. На підстанціях стали застосовувати нові трёхтрансформаторние схеми побудови. Якщо раніше для підвищення надійності використовувався один дублюючий трансформатор, то тепер їх два. У разі виходу з ладу основного приладу це в кілька разів підвищує ймовірність спрацювання хоча б одного трансформатора з двох резервних. Все це дозволяє забезпечити електроенергією споживачів практично в будь-якій ситуації.
освітлення міста
Напруга 6-20 кВ для міських потреб знижують до 0,38 кВ на місцевих міських трансформаторних підстанціях. Місцеві ТП в Москві - невеликі одноповерхові будівлі без вікон, на залізних дверях яких написано, наприклад, ТП № 10 6 / 0,38 кВ. Це означає, що перед нами місцева трансформаторна підстанція № 10, яка перетворює вхідну напругу 6 кВ в трифазне напругу 380/220 В - стандартна напруга, що поставляється на об'єкти побутового і комунального господарства міста (в тому числі і міського освітлення).
Головне призначення місцевих ТП - забезпечення життєдіяльності підприємств, житлово-комунального господарства міста та приватних домоволодінь. Частково їх використовують і для енергопостачання мереж зовнішнього освітлення. Використання окремої підстанції єдино для електропостачання мереж зовнішнього освітлення, як правило, недоцільно. Наприклад, в Москві це виправдано тільки в центральній частині міста при організації освітлення великих площ, парків і вулиць. Існуючі трансформаторні підстанції, призначені для потреб міського освітлення, як правило, мають значний запас невикористаної потужності, за рахунок якого забезпечують енергією інші об'єкти міського комунального господарства.
Після трансформаторної підстанції електрична енергія надходить на спеціальні пристрої розподілу (РУ) - це електричні пристрої для прийому електроенергії від ТП і розподілу її по окремим електричним лініях (групам). До складу РУ входять: роз'єднувачі, трансформатори струму, вимірювальні прилади, збірні силові шини, обладнання комутації навантаження, електричні захисні пристрої. Устаткування зазвичай розміщують спільно з трансформаторною підстанцією, хоча іноді це роблять і в окремих електрощитових приміщеннях, електрошафах зовнішньої установки, доступ до яких стороннім категорично заборонений.
На відміну від ТП, які створені, як правило, по однотипним схемами, розподільні пристрої, що застосовуються в установках зовнішнього освітлення, мають конструктивні особливості. Для них важлива можливість підключення різного кількості світильників в одній групі. Це дозволяє відключати частину світильників в кожній лінії, що не відключаючи лінію цілком (зміна режиму освітлення «вечір - ніч»). Наприклад, ввечері добре видно, що горять всі світильники уздовж дороги, а в нічний час горить тільки кожен третій. Деякі об'єкти не підлягають переведенню на «нічний режим». Це зупинки громадського транспорту, станції метро, пішохідні переходи, перехрестя доріг, під'їзди до лікарень, внутрішні дворові території і т.п.
Як матеріал струмопровідних жил для доставки електроенергії від розподільного пристрою до ліхтарів в місті для електричних ліній 380 В використовується електротехнічна мідь або алюміній. Мідні провідники мають приблизно в півтора рази меншим питомим опором, ніж алюмінієві (0,0175 Ом · мм2 / м у міді проти 0,028 Ом · мм2 / м у алюмінію). Однак мідь значно важче (8,9 · 103 кг / м3 у міді проти 2,7 · 103 кг / м3 у алюмінію) і істотно перевершує алюміній за вартістю. З огляду на це, в основній масі для пристрою мереж міського зовнішнього освітлення застосовують провідники з алюмінієвими жилами.
Останнім часом при прокладанні повітряних ліній електропередач почали застосовувати самонесучі ізольовані проводи (СІП). Жили таких проводів (або одна з них, зазвичай нульова, більшого діаметра, що несе для всієї зв'язки) робляться досить міцними, щоб утримати власну вагу при підвісці мережі в прольоті опор. СИП довговічні, працездатні в агресивних кліматичних і хімічних умовах, мають високу стійкість до механічних пошкоджень. Технологія монтажу самоутримних проводів значно знижує трудомісткість і терміни спорудження лінії електропередачі. При перевищенні допустимих механічних навантажень лінії (сніг, вітер, обмерзання, пошкодження опори ЛЕП) руйнується спеціальне ослаблене ланка кріпильної арматури і обриву лінії або руйнування опор не відбувається. Застосування СІП при реконструкції лінії дозволяє гарантувати стабільне і якісне електропостачання зовнішнього освітлення.
Для керування включенням зовнішнього освітлення в місті використовується комплекс диспетчерських постів. Команду на включення освітлення видає диспетчерський пульт, і по спеціально виділених лініях міської телефонної мережі вона надходить на силові розподільні пункти, обладнані телемеханічного пристроями. Вони призначені для прийому і обробки сигналу з пульта, а також для збору інформації про стан електроустановки та передачі її на диспетчерський пульт. З телемеханічного пристрої керуючий сигнал надходить на силові комутаційні апарати (контактори), які подають напругу в мережу зовнішнього освітлення. Далі включення мереж відбувається по каскаду, тобто від включених ділянок мережі, за допомогою спеціальних кабелів управління, напруга надходить на комутаційні апарати інших розподільних пунктів, відбувається їх включення і так далі по ланцюжку. Каскадність досягається шляхом включення наступної лінії освітлення попередньої (рис. 1). Цим досягається поступовість підключення мощностной навантаження на підстанціях.
Деякі каскадні ланцюга виконуються закільцьованими, тобто інформаційний сигнал з останнього включеного РУ передається на головний керуючий пункт і надходить в систему телемеханічної зв'язку. При закільцьованої схемою після включення освітлення на пульті у оператора з'являється повідомлення про виконання команди по всьому ланцюгу каскаду або відображається донесення, що в ланцюзі каскаду відбулося порушення.
У тих випадках, коли недоступно дистанційне керування з диспетчерського поста, використовується програмне або фотометрическое управління.
Програмне управління застосовується для освітлення магістралей, естакад, мостів, площ, вулиць і т.д. Пристрій програмного управління являє собою мікропроцесор з кварцовим годинником, в прошивці якого закладено час включення і відключення освітлення на кожну добу року. В системі з фотометричним управлінням працюють датчики природної освітленості. Таку схему застосовують для включення і відключення освітлення локальних об'єктів: окремих дворів, невеликих скверів, пішохідних доріжок в малонаселених районах.
Особливість електромереж зовнішнього освітлення - це схильність до впливу зовнішніх факторів, обумовлених життєдіяльністю міста. Основна їх маса розташована уздовж проїжджих частин вулиць і магістралей. Наїзд автомобіля на опору призводить до пошкодження електропроводки та порушення електропостачання значних ділянок освітлюваної території. Близькість зелених насаджень в погану вітряну погоду часто також може викликати порушення в роботі мереж. Тому в перспективах розвитку зовнішнього освітлення закладено використання системи автоматичного введення резерву, що забезпечує негайний перехід на запасний варіант електропостачання при припиненні живлення від основного джерела енергії.
Удосконалення йде постійно. Зараз, наприклад, впроваджується система автоматичного контролю обліку споживання електроенергії. Вона дозволяє зібрати воєдино інформацію про всі споживачах електроенергії для міського освітлення та обробити її за спеціальною методикою розрахунку. А в найближчому майбутньому очікується поява освітлювальних приладів з вбудованими індивідуальними мікрочіпами. Це дасть можливість проводити комп'ютерну діагностику кожного світильника в окремо дистанційно з диспетчерського пульта і отримувати інформацію про технічний стан кожного приладу. При такій модернізації мобільна група ремонтників зможе усувати несправності конкретного світильника без включення в денний час всієї групи.
Освітлення вчора, сьогодні, завтра
Напруга від розподільних щитків в РУ надходить по кабелю, прокладеному в землі, або по повітряної лінії до джерел світла, встановленим у вуличних світильниках. Саме джерела світла (ІС) є основними ланками в освітлювальних установках зовнішнього освітлення. Зупинимося на них докладніше.
До середини 50-х років минулого століття єдиним електричним джерелом світла в вуличних світильниках була лампа розжарювання (ЛН). Вона має просту і надійну конструкцію. Це екологічно чисте джерело світла з приємним для сприйняття людиною теплим світлом (колірна температура лампи розжарювання Тцв = 2000 К), практично без пульсації і з високими цветопередающімі якостями. До теперішнього часу ЛН є основними джерелами в житловому секторі, де споживання в масштабі країни становить понад 25% від усієї електроенергії, що виділяється на потреби освітлення. Однак вони мають суттєві недоліки, основні з яких малий показник енергоефективності - світлова віддача (див. Табл. 1) і малий термін служби.
Кардинальних зрушень не відбулося і з винаходом більш економічних кварцових галогенних ламп розжарювання типу КГ. Обмежене застосування вони отримали при зовнішньому освітленні відкритих будівельних майданчиків, кар'єрів і частково в архітектурному освітленні. Зі значно більшим успіхом галогенні лампи використовуються в автомобільних фарах і освітленні офісних будівель, хоча і тут намітилися тенденції до їх витіснення більш сучасними ІС на основі світлодіодів.
З появою в 1960-х роках газорозрядних ртутних ламп високого тиску типу ДРЛ, у яких світлова віддача в 3-4 рази вище, ніж у ламп розжарювання, а термін служби досягає 16 000 годин, стався досить закономірний перехід зовнішнього освітлення міст на більш досконалий джерело світла.
Принцип дії ДРЛ заснований на перетворенні ультрафіолетового випромінювання ртутного розряду високого тиску в кварцовою пальника в видиме випромінювання в люмінофорному шарі, нанесеному на внутрішню поверхню колби лампи. Робочий режим ртутних ламп забезпечується електромагнітним пускорегулюючим апаратом (ПРА). До сих пір ДРЛ використовуються для освітлення вулиць і доріг з малою інтенсивністю руху, а лампи малої потужності з виправленою передачею кольору висвітлюють парки, сквери, дитячі майданчики в житлових кварталах.
У 1980-х роках почалося серійне виробництво більш досконалого газоразрядного джерела світла - натрієвої лампи високого тиску типу ДНаТ, у якій показники ефективності в 2 рази вище, ніж у ДРЛ. Розряд в такий лампі відбувається в керамічної пальнику, наповненою парами натрію і ртуті, тому в випромінюванні ДНаТ домінують розширена жовта область видимого спектру і менш інтенсивні синьо-зелені лінії спектра. Пускові і робочі режими лампи забезпечують пускорегулюючі апарати і імпульсні запалюючі пристрої (ИЗУ). Жовто-білий відтінок випромінювання і низький індекс передачі кольору (Ra = 25%) в значній мірі обмежують її область застосування.
Проте завдяки високій енергоефективності натрієвих ламп більша частина доріг і магістральних шосе з високою і середньою інтенсивністю руху автотранспорту висвітлюється світильниками з лампами ДНаТ.
Поряд з ДНаТ з'явилися металогалогенні лампи високого тиску типу ДРІ, де розряд відбувається в кварцовою або керамічної пальнику в парах ртуті з випромінюючими добавками у вигляді йодидів різних металів: диспрозия, скандію + натрію або натрію + талія + індію. Йодиди рідкісних металів дозволяють не тільки підвищити світлову віддачу лампи до 100 лм / Вт, а й поліпшити індекс передачі кольору до R а = 90%.
Лампи ДРІ знайшли широке застосування в архітектурному та спортивному освітленні, рекомендуються для вуличного освітлення в центральних і історичних районах міст, а також в паркових зонах.
В енергозбереженні при використанні газорозрядних ламп високого тиску намітився перехід в схемах харчування цих джерел світла на електронні ПРА (див. «Наука і життя» № 7, 2010 р, стаття « Навіщо лампі інтелект? »). Така заміна дозволить на 10-12% збільшити ефективність комплекту лампа + ПРА.
Незважаючи на очевидні досягнення в розвитку газорозрядних джерел світла, прогнози на найближчу перспективу в області світлотехніки, в тому числі і в зовнішньому освітленні, будуть базуватися на розробках в області твердотільних світловипромінюючих діодів (СІД).
Безперервний, мало не експонентний (рис. 3), зростання світлової віддачі СІД, збільшення одиничної потужності і освоєння випуску блоків з декількох світлодіодів можуть в самий найближчий час змінити ситуацію з енерго-заощадженням у світлотехніку, в тому числі і в освітлювальних установках.
Бурхливий розвиток виробництва СІД і їх широке впровадження обумовлені їх незаперечними перевагами:
- виключно висока надійність;
- великий термін служби;
- малі габарити;
- висока стійкість до механічних навантажень;
- здатність працювати в широкому діапазоні температур;
- екологічність, пов'язана з відсутністю ртуті та інших шкідливих речовин;
- електрична безпеку;
- відсутність пульсації світлового потоку.
Для раціонального використання світлового потоку джерела необхідний світловий прилад, в який це джерело встановлюється. Таких приладів розроблено і випускається безліч. У їх конструкціях реалізовані спеціальні світлотехнічні вимоги, вимоги щодо безпеки, надійності і економічності, монтажно-експлуатаційні характеристики, вимоги з технічної естетики. Світлові прилади зовнішнього освітлення є не тільки функціональними виробами, що забезпечують безпеку дорожнього руху на автомагістралях і в пішохідних зонах, а й архітектурними елементами.
Світильники повинні забезпечувати нормовані рівні яскравості і рівномірності освітленості дорожнього покриття або пішохідних зон. При необхідності жорстко обмежується сліпуче дію на водіїв і пішоходів (схеми освітлення доріг см. Табл. 3).
Светораспределение світильника прийнято описувати кривими силами світла (КСС). У загальному випадку під КСС розуміється геометричне місце (тіло) решт радіус-векторів, що виходять з світлового центру, довжина яких пропорційна силі світла приладу у відповідному напрямку (рис. 4). Найбільш повне уявлення про світлорозподілом приладу дає сімейство КСС, що утворюється при перетині фотометричного тіла вертикальними (меридиального) і горизонтальними (екваторіальними) площинами.
На рис. 5 показана КСС, отримана в результаті перетину фотометричного тіла світильника зовнішнього освітлення двома взаємно-перпендикулярними меридиального площинами, лінія перетину яких збігається з оптичною віссю світлового приладу.
У табл. 2 представлені деякі зразки світлових приладів зовнішнього освітлення, найуживаніші оптичні схеми з зображенням ходу променів джерела світла і якісні графіки кривих сили світла.
Конструктивно світильники зовнішнього освітлення складаються з металевого або пластмасового корпусу, всередині якого встановлюють патрон, лампу, пуско-який регулює апарат, імпульсно-запалюючий пристрій і оптичні елементи, що перерозподіляють світловий потік лампи. Розсіювач з прозорого термо- і ударостійкого скла або полікарбонату захищає джерело світла від механічних впливів і впливу навколишнього середовища. Для отримання ефективних кривих сили світла в світловому приладі застосовують дзеркальні відбивачі з листового або відформованої альзакірованного (полірованого) алюмінію.
Ккд світлових приладів із дзеркальною оптичною системою становить 70-75%. Ккд садово-паркових світильників з опаловим розсіювачем або екранує гратами - не більше 60%.
Поява світловипромінювальних діодів відкриває нові можливості при конструюванні світлових приладів нового покоління. Оптична система такого приладу складається з безлічі СІД, забезпечених мініатюрними заломлюючими призмами, спільна робота яких дозволяє формувати необхідну КСС. При цьому корисне використання світлового потоку СІД щодо робочої поверхні, в нашому випадку дорожнього полотна, на 20-25% вище, ніж у традиційних світильників з газорозрядними лампами. Ккд світлового приладу зі світлодіодами становить 90-95%. Звідси стає зрозумілим, наскільки ефективніше їх майбутнє застосування.
Два обставини поки що гальмують широке їх впровадження в зовнішньому освітленні: висока вартість (в 3-5 разів вище, ніж їх аналоги з ДНаТ) і недостатньо висока світлова віддача самих світлодіодів, складова на сьогоднішній день 120 лм / Вт (потрібно 140-150 лм / Вт).
Однак найближчі прогнози (див. Рис. 3) показують, що через 3-5 років навіть світильники з натрієвими лампами високого тиску не зможуть складати конкуренцію приладів з СІД.