Как приходит энергия в город
Большая часть поступающей в город электрической энергии вырабатывается генераторами на электростанциях, расположенных за пределами города. Внутри города она производится на теплоэлектроцентралях (ТЭЦ), работающих на природном газе и мазуте. Генераторы вырабатывают напряжения от 6 до 20 кВ. Для передачи энергии на небольшие расстояния внутри города (где потери относительно невелики) этого достаточно, а для передачи от загородной электростанции — нет. Она вся будет «съедена» сопротивлением проводов линий передач. Поэтому при передаче энергии от ГЭС напряжение повышают до 110—500 кВ. Делают это на трансформаторных подстанциях (ТП), которые располагаются рядом со станцией. Уровень, до которого следует повышать напряжение, пропорционален передаваемой энергии и расстоянию передачи. Преобразованная таким образом электроэнергия передаётся по воздушным (ВЛ) и кабельным (КЛ) линиям электропередачи (ЛЭП). В Москве, например, 1100 км воздушных и около 800 км кабельных линий.
На другой (приёмной) стороне ЛЭП создаётся система районных и местных трансформаторных понижающих подстанций, обеспечивающих поэтапное снижение напряжения до требуемого уровня. Сначала с 110—500 до 6—20 кВ, затем до общепринятого 0,38 кВ. Такая схема позволяет обойтись оборудованием меньших размеров. Электроэнергия для освещения распределяется по конкретным адресам города с помощью распределительных устройств (РУ). Это общая схема доставки электроэнергии в город, в том числе и для его освещения.
Воздушные линии имеют ряд преимуществ перед КЛ. Это, прежде всего, меньшая стоимость, большая ремонтопригодность, простота в обслуживании. С другой стороны, ВЛ имеют так называемую зону «отчуждения» — довольно обширный участок земли, проходящий под проводами, где запрещено проводить строительство, земляные и другие работы. Повреждаемость кабельных линий, уложенных в землю, на порядок ниже. Например, кабели в специальном коллекторе не боятся ни стихийных бедствий, ни землетрясений, ни порывов ветра, ни наводнений, ни обледенения. Воздушные же линии подвержены воздействию стихий. Так, 29 декабря минувшего года из-за обледенения произошли многочисленные обрывы проводов и падение опор ЛЭП в Москве и Московской области. Были случаи, когда хулиганы набрасывали на провода различные предметы, вызывающие короткое замыкание на изоляторах. Это опасно и для оборудования, и для людей, развлекающихся подобным образом.
Площадь поперечного сечения (специалисты его называют просто «сечение») проводов воздушных и жил кабельных линий электропередачи определяет пропускную способность ЛЭП. Чем больше сечение провода (кабеля), тем больше энергии по нему можно передать, а значит, бóльшую мощность доставить потребителю. При проектировании сечение рассчитывают с учётом рабочих и аварийных режимов. Например, сечение проводов воздушных линий, по которым подводится энергия в Москву, колеблется от 95 до 400 мм2.
Для повышения надёжности доставки энергии к потребителям практикуется резервирование оборудования. Об этом много писали и говорили, многое и делается в этой области. В Москве разработана и внедряется схема резервирования на уровне высокого напряжения 110—220 кВ. К питающим центрам подводится не одна линия, а несколько. Это означает, что к трансформаторным подстанциям на приёмной стороне проложены как воздушные линии, так и дублирующая кабельная линия. На подстанциях стали применять новые трёхтрансформаторные схемы построения. Если раньше для повышения надёжности использовался один дублирующий трансформатор, то теперь их два. В случае выхода из строя основного прибора это в несколько раз повышает вероятность срабатывания хотя бы одного трансформатора из двух резервных. Всё это позволяет обеспечить электроэнергией потребителей практически в любой ситуации.
Освещение города
Напряжение 6—20 кВ для городских нужд понижают до 0,38 кВ на местных городских трансформаторных подстанциях. Местные ТП в Москве — небольшие одноэтажные здания без окон, на железных дверях которых написано, например, ТП № 10 6/0,38 кВ. Это означает, что перед нами местная трансформаторная подстанция № 10, преобразующая входное напряжение 6 кВ в трёхфазное напряжение 380/220 В — стандартное напряжение, поставляемое на объекты бытового и коммунального хозяйства города (в том числе и городского освещения).
Главное назначение местных ТП — обеспечение жизнедеятельности предприятий, ЖКХ города и частных домовладений. Частично их используют и для энергоснабжения сетей наружного освещения. Использование отдельной подстанции единственно для электроснабжения сетей наружного освещения, как правило, нецелесообразно. Например, в Москве это оправдано только в центральной части города при организации освещения больших площадей, парков и улиц. Существующие трансформаторные подстанции, предназначенные для нужд городского освещения, как правило, имеют значительный запас неиспользованной мощности, за счёт которого обеспечивают энергией другие объекты городского коммунального хозяйства.
После трансформаторной подстанции электрическая энергия поступает на специальные устройства распределения (РУ) — это электрические устройства для приёма электроэнергии от ТП и распределения её по отдельным электрическим линиям (группам). В состав РУ входят: разъединители, трансформаторы тока, измерительные приборы, сборные силовые шины, оборудование коммутации нагрузки, электрические защитные устройства. Оборудование обычно размещают совместно с трансформаторной подстанцией, хотя иногда это делают и в отдельных электрощитовых помещениях, электрошкафах наружной установки, доступ в которые посторонним категорически запрещён.
В отличие от ТП, которые созданы, как правило, по однотипным схемам, распределительные устройства, применяемые в установках наружного освещения, имеют конструктивные особенности. Для них важна возможность подключения различного количества светильников в одной группе. Это позволяет отключать часть светильников в каждой линии, не отключая линию целиком (изменение режима освещения «вечер — ночь»). Например, вечером хорошо видно, что горят все светильники вдоль дороги, а в ночное время горит только каждый третий. Некоторые объекты не подлежат переводу на «ночной режим». Это остановки общественного транспорта, станции метро, пешеходные переходы, перекрёстки дорог, подъезды к больницам, внутренние дворовые территории и т.п.
В качестве материала токопроводящих жил для доставки электроэнергии от распределительных устройств до фонарей в городе для электрических линий 380 В используется электротехническая медь или алюминий. Медные проводники обладают примерно в полтора раза меньшим удельным сопротивлением, чем алюминиевые (0,0175 Ом · мм2/м у меди против 0,028 Ом · мм2/м у алюминия). Однако медь значительно тяжелее (8,9 · 103 кг/м3 у меди против 2,7 · 103 кг/м3 у алюминия) и существенно превосходит алюминий по стоимости. Учитывая это, в основной массе для устройства сетей городского наружного освещения применяют проводники с алюминиевыми жилами.
В последнее время при прокладке воздушных линий электропередач начали применять самонесущие изолированные провода (СИП). Жилы таких проводов (или одна из них, обычно нулевая, большего диаметра, несущая для всей связки) делаются достаточно прочными, чтобы удержать собственный вес при подвеске сети в пролёте опор. СИП долговечны, работоспособны в агрессивных климатических и химических условиях, обладают высокой стойкостью к механическим повреждениям. Технология монтажа самонесущих проводов значительно снижает трудоёмкость и сроки сооружения линии электропередачи. При превышении допустимых механических нагрузок линии (снег, ветер, обледенение, повреждение опоры ЛЭП) разрушается специальное ослабленное звено крепёжной арматуры и обрыва линии или разрушения опор не происходит. Применение СИП при реконструкции линии позволяет гарантировать стабильное и качественное электроснабжение наружного освещения.
Для управления включением наружного освещения в городе используется комплекс диспетчерских постов. Команду на включение освещения выдаёт диспетчерский пульт, и по специально выделенным линиям городской телефонной сети она поступает на силовые распределительные пункты, оборудованные телемеханическими устройствами. Они предназначены для приёма и обработки сигнала с пульта, а также для сбора информации о состоянии электроустановки и передачи её на диспетчерский пульт. С телемеханического устройства управляющий сигнал поступает на силовые коммутационные аппараты (контакторы), которые подают напряжение в сеть наружного освещения. Далее включение сетей происходит по каскаду, то есть от включённых участков сети, посредством специальных кабелей управления, напряжение поступает на коммутационные аппараты других распределительных пунктов, происходит их включение и так далее по цепочке. Каскадность достигается путём включения последующей линии освещения предыдущей (рис. 1). Этим достигается постепенность подключения мощностной нагрузки на подстанциях.
Некоторые каскадные цепи выполняются закольцованными, то есть информационный сигнал с последнего включённого РУ передаётся на головной управляющий пункт и поступает в систему телемеханической связи. При закольцованной схеме после включения освещения на пульте у оператора появляется сообщение об исполнении команды по всей цепи каскада или отображается донесение, что в цепи каскада произошло нарушение.
В тех случаях, когда недоступно дистанционное управление с диспетчерского поста, используется программное или фотометрическое управление.
Программное управление применяется для освещения магистралей, эстакад, мостов, площадей, улиц и т.д. Устройство программного управления представляет собой микропроцессор с кварцевыми часами, в прошивке которого заложено время включения и отключения освещения на каждые сутки года. В системе с фотометрическим управлением работают датчики естественной освещённости. Такую схему применяют для включения и отключения освещения локальных объектов: отдельных дворов, небольших скверов, пешеходных дорожек в малонаселённых районах.
Особенность электросетей наружного освещения — это подверженность воздействию внешних факторов, обусловленных жизнедеятельностью города. Основная их масса расположена вдоль проезжих частей улиц и магистралей. Наезд автомобиля на опору приводит к повреждению электропроводки и нарушению электроснабжения значительных участков освещаемой территории. Близость зелёных насаждений в ненастную ветреную погоду зачастую также может вызывать нарушения в работе сетей. Поэтому в перспективах развития наружного освещения заложено использование системы автоматического ввода резерва, обеспечивающей незамедлительный переход на запасной вариант электроснабжения при прекращении питания от основного источника энергии.
Совершенствование идёт постоянно. Сейчас, например, внедряется система автоматического контроля учёта потребления электроэнергии. Она позволяет собрать воедино информацию обо всех потребителях электроэнергии для городского освещения и обработать её по специальной методике расчёта. А в ближайшем будущем ожидается появление осветительных приборов со встроенными индивидуальными микрочипами. Это даст возможность проводить компьютерную диагностику каждого светильника в отдельности дистанционно с диспетчерского пульта и получать информацию о техническом состоянии каждого прибора. При такой модернизации мобильная группа ремонтников сможет устранять неисправности конкретного светильника без включения в дневное время всей группы.
Освещение вчера, сегодня, завтра
Напряжение от распределительных щитков в РУ поступает по кабелю, проложенному в земле, или по воздушной линии к источникам света, установленным в уличных светильниках. Именно источники света (ИС) являются основными звеньями в осветительных установках наружного освещения. Остановимся на них подробнее.
До середины 50-х годов прошлого столетия единственным электрическим источником света в уличных светильниках была лампа накаливания (ЛН). Она имеет простую и надёжную конструкцию. Это экологически чистый источник света с приятным для восприятия человеком тёплым светом (цветовая температура лампы накаливания Тцв = 2000 К), практически без пульсации и с высокими цветопередающими качествами. До настоящего времени ЛН являются основными источниками в жилом секторе, где потребление в масштабе страны составляет более 25% от всей электроэнергии, выделяемой на нужды освещения. Однако они имеют существенные недостатки, основные из которых малый показатель энергоэффективности — световая отдача (см. табл. 1) и малый срок службы.
Кардинальных сдвигов не произошло и с изобретением более экономичных кварцевых галогенных ламп накаливания типа КГ. Ограниченное применение они получили при наружном освещении открытых строительных площадок, карьеров и частично в архитектурном освещении. С гораздо большим успехом галогенные лампы используются в автомобильных фарах и освещении офисных зданий, хотя и здесь наметились тенденции к их вытеснению более современными ИС на основе светодиодов.
С появлением в 1960-х годах газоразрядных ртутных ламп высокого давления типа ДРЛ, у которых световая отдача в 3—4 раза выше, чем у ламп накаливания, а срок службы достигает 16 000 часов, произошёл достаточно закономерный переход наружного освещения городов на более совершенный источник света.
Принцип действия ДРЛ основан на преобразовании ультрафиолетового излучения ртутного разряда высокого давления в кварцевой горелке в видимое излучение в люминофорном слое, нанесённом на внутреннюю поверхность колбы лампы. Рабочий режим ртутных ламп обеспечивается электромагнитным пускорегулирующим аппаратом (ПРА). До сих пор ДРЛ используются для освещения улиц и дорог с малой интенсивностью движения, а лампы малой мощности с исправленной цветопередачей освещают парки, скверы, детские площадки в жилых кварталах.
В 1980-х годах началось серийное производство более совершенного газоразрядного источника света — натриевой лампы высокого давления типа ДНаТ, у которой показатели эффективности в 2 раза выше, чем у ДРЛ. Разряд в такой лампе происходит в керамической горелке, наполненной парами натрия и ртути, поэтому в излучении ДНаТ доминируют расширенная жёлтая область видимого спектра и менее интенсивные сине-зелёные линии спектра. Пусковые и рабочие режимы лампы обеспечивают пускорегулирующие аппараты и импульсные зажигающие устройства (ИЗУ). Жёлто-белый оттенок излучения и низкий индекс цветопередачи (Ra = 25%) в значительной степени ограничивают её область применения.
Тем не менее благодаря высокой энергоэффективности натриевых ламп большая часть дорог и магистральных шоссе с высокой и средней интенсивностью движения автотранспорта освещается светильниками с лампами ДНаТ.
Наряду с ДНаТ появились металлогалогенные лампы высокого давления типа ДРИ, где разряд происходит в кварцевой или керамической горелке в парах ртути с излучающими добавками в виде йодидов различных металлов: диспрозия, скандия + натрия или натрия + талия + индия. Йодиды редких металлов позволяют не только повысить световую отдачу лампы до 100 лм/Вт, но и улучшить индекс цветопередачи до Rа = 90%.
Лампы ДРИ нашли широкое применение в архитектурном и спортивном освещении, рекомендуются для уличного освещения в центральных и исторических районах городов, а также в парковых зонах.
В энергосбережении при использовании газоразрядных ламп высокого давления наметился переход в схемах питания этих источников света на электронные ПРА (см. «Наука и жизнь» № 7, 2010 г., статья «Зачем лампе интеллект?»). Такая замена позволит на 10—12% увеличить эффективность комплекта лампа + ПРА.
Несмотря на очевидные достижения в развитии газоразрядных источников света, прогнозы на ближайшую перспективу в области светотехники, в том числе и в наружном освещении, будут базироваться на разработках в области твердотельных светоизлучающих диодов (СИД).
Непрерывный, чуть ли не экспоненциальный (рис. 3), рост световой отдачи СИД, увеличение единичной мощности и освоение выпуска блоков из нескольких светодиодов могут в самое ближайшее время изменить ситуацию с энерго-сбережением в светотехнике, в том числе и в осветительных установках.
Бурное развитие производства СИД и их широкое внедрение обусловлены их несомненными достоинствами:
- исключительно высокая надёжность;
- большой срок службы;
- малые габариты;
- высокая устойчивость к механическим нагрузкам;
- способность работать в широком диапазоне температур;
- экологичность, связанная с отсутствием ртути и других вредных веществ;
- электрическая безопасность;
- отсутствие пульсации светового потока.
Для рационального использования светового потока источника необходим световой прибор, в который этот источник устанавливается. Таких приборов разработано и выпускается множество. В их конструкциях реализованы специальные светотехнические требования, требования по безопасности, надёжности и экономичности, монтажно-эксплуатационные характеристики, требования по технической эстетике. Световые приборы наружного освещения являются не только функциональными изделиями, обеспечивающими безопасность дорожного движения на автомагистралях и в пешеходных зонах, но и архитектурными элементами.
Светильники должны обеспечивать нормированные уровни яркости и равномерности освещённости дорожного покрытия или пешеходных зон. При необходимости жёстко ограничивается слепящее действие на водителей и пешеходов (схемы освещения дорог см. табл. 3).
Светораспределение светильника принято описывать кривыми силами света (КСС). В общем случае под КСС понимается геометрическое место (тело) концов радиус-векторов, выходящих из светового центра, длина которых пропорциональна силе света прибора в соответствующем направлении (рис. 4). Наиболее полное представление о светораспределении прибора даёт семейство КСС, образующееся при сечении фотометрического тела вертикальными (меридиальными) и горизонтальными (экваториальными) плоскостями.
На рис. 5 показана КСС, полученная в результате сечения фотометрического тела светильника наружного освещения двумя взаимно-перпендикулярными меридиальными плоскостями, линия пересечения которых совпадает с оптической осью светового прибора.
В табл. 2 представлены некоторые образцы световых приборов наружного освещения, наиболее употребляемые оптические схемы с изображением хода лучей источника света и качественные графики кривых силы света.
Конструктивно светильники наружного освещения состоят из металлического или пластмассового корпуса, внутри которого устанавливают патрон, лампу, пуско-регулирующий аппарат, импульсно-зажигающее устройство и оптические элементы, перераспределяющие световой поток лампы. Рассеиватель из прозрачного термо- и ударопрочного стекла или поликарбоната защищает источник света от механических воздействий и влияния окружающей среды. Для получения эффективных кривых силы света в световом приборе применяют зеркальные отражатели из листового или отформованного альзакированного (полированного) алюминия.
Кпд световых приборов с зеркальной оптической системой составляет 70—75%. Кпд садово-парковых светильников с опаловым рассеивателем или экранирующей решеткой — не более 60%.
Появление светоизлучающих диодов открывает новые возможности при конструировании световых приборов нового поколения. Оптическая система такого прибора состоит из множества СИД, снабжённых миниатюрными преломляющими призмами, совместная работа которых позволяет формировать требуемую КСС. При этом полезное использование светового потока СИД относительно рабочей поверхности, в нашем случае дорожного полотна, на 20—25% выше, чем у традиционных светильников с газоразрядными лампами. Кпд светового прибора со светодиодами составляет 90—95%. Отсюда становится понятным, насколько эффективнее их будущее применение.
Два обстоятельства пока что тормозят широкое их внедрение в наружном освещении: высокая стоимость (в 3—5 раз выше, чем их аналоги с ДНаТ) и недостаточно высокая световая отдача самих светодиодов, составляющая на сегодняшний день 120 лм/Вт (требуется 140—150 лм/Вт).
Однако ближайшие прогнозы (см. рис. 3) показывают, что через 3—5 лет даже светильники с натриевыми лампами высокого давления не смогут составлять конкуренцию приборам с СИД.
