高强度气体放电灯镇流器的优缺点分析及改良应用

高强度气体放电灯镇流器的优、缺点分析及改良应用上海时代之光照明电器检测有限公司李妹、董金宝一、 前言随着照明电器方面新技术的发展，各种新的照明电器产品不断地涌现，照明用LED技术迅速进步更是给传统的照明电器的使用带来了挑战。

综合审视现有技术下的各种照明电器，可以看出，在很多照明场合，采用高强度气体放电灯与镇流器配合的方式仍具有广阔的应用前景。

但随产品标准的更新及各使用场合要求的提高，应分析此类产品的优、缺点，对现有技术和使用方式进行必要的改良，以使这类产品在保证符合新标准和使用功能要求的前提下，保持良好的性能/价格比。

二、高强度气体放电灯电子镇流器优、缺点及应用HID（高强度气体放电灯）电子镇流器，尤其是配合CDM（陶瓷管芯金卤灯）的35W---150W规格，基本采用高频（40 KHz—100KHz）或者低频（200Hz—400Hz）的方波。

1、HID（高强度气体放电灯）电子镇流器明显的优点：⑴这一小功率段的电子镇流器与电感镇流器比，自身功耗小。

⑵无频闪，由于陶瓷管芯金卤灯的高光效（90—100lm/w）和高显色性（>80）,所以特别适用于运动场合和摄影、摄像场合的照明。

⑶大部分HID电子镇流器因为其输入电路都采用占空比可调式IC，这不仅解决了功率因数和谐波问题，而且可以调光。

但是普通的石英管芯金卤灯在功率调低时，由于电弧管内的压力下降，造成其光输出中UV 波段的成分明显增加并且极易发生UV成分的超标，所以一般不适宜调光。

⑷因为大多数高强度气体放电灯所需要的维持正常工作的电压都比较高，所以在100V—120V的电网中电感镇流器只能采用超前顶峰式（CWA），超前顶峰式电感镇流器的最明显缺点是自身的功耗特别大。

各种规格的HID（高强度气体放电灯）电子镇流器在此类场合代替超前顶峰式（CWA）有明显的节能优势。

2、HID（高强度气体放电灯）电子镇流器缺点：⑴与传统的HID电感镇流器相比，野外抗雷电感应干扰(EMS)的能力差，在比较强的雷电过后，容易发生损坏。

⑵镇流器功率大时由于内部的元器件工作于接近极限状态，所以比较容易损坏，寿命略短，性能价格比不高。

⑶由于电感镇流器随着功率的增大，其自身功耗占系统总功耗的比例会明显减小，所以电子镇流器功率大时，其自身功耗小的优点不明显,在400W以上时，这一优点明显消失。

另外，分别用高频和工频点同一个HID灯，用高精度仪表测量两个状态的灯功率，当两个状态的灯功率相同时，采用高频点灯的光输出要比采用工频点灯的光输出低2%-4%,虽然目前对这一现象的机理尚不很清楚,但是已经证明对大于400W的HID电子镇流器,整体的能效水平低于同功率的电感镇流器,这也是大于400W的HID电子镇流器基本通不过节能认证的主要原因。

三、高强度气体放电灯电感镇流器优、缺点及应用目前电网改造后，电源电压低于额定值的现象已很少，大多是在用电低谷时电压太高，而目前的采用HID的照明电器尤其是道路照明，由于内部电感镇流器的（磁饱和）非线形特性，对配置比较好的电感镇流器的灯具，当电压上升到1.1Un时，灯具系统功率上升到1.33倍，当电压上升到1.15Un时，灯具系统功率将上升到1.45～1.55倍。

因为电压的上升使镇流器磁心趋向饱和，镇流器的功耗以大于电压增长倍数的平方率的速度上升。

这些功耗都转化成了对灯具安全形成威胁的热能，而非我们所希望的光能。

同时磁心趋向饱和使镇流器限流特性下降，输出到灯的功率骤增，灯处于内部超气压超功率的状态，高压钠灯、金卤灯一般超功率极限是1.3倍，超功率严重时高压钠灯内芯陶瓷管将破裂、损坏。

石英灯芯的金卤灯因内芯温度太高气压太大，内芯被“吹大”，外壳被“烤”变形。

另外灯具内过高的温度往往使补偿电容过热，寿命缩短（漏油等），灯具密封圈老化，发生严重漏水，产生安全性事故。

根据上述分析。

目前对HID照明系统节电的主要方法有：（a）降压法（兼有自动稳压功能）对于上述电网电压上升引起的危害，人们自然会想到采用降压的方法来达到合理照明的目的，当电压降到合适的程度，既可以保证合理的照明，也可以保证电器的合理寿命（灯和电器寿命的延长也是节能）。

但是从电感镇流器点灯的电源电压Ui、灯电压U l、灯电流I l三者波形图1可以看出：在50Hz的交流电网中，灯电流每秒有100次过零，过零时灯都有一个再启动电压（又称重复着火电压）的需求（图1中灯电压尖峰），如电网电压低不能满足这一要求时，灯将发生熄弧。

而采用降压法从图中可以看到，降压过程电源电压就是由U i1向U i2方向调整，如果Ui调得过低，在灯电流过零时，电网电压稍有波动就会出现，不能满足灯重复着火的电压U l（图1中尖峰电压）的需求，此时灯会熄弧。

如灯熄弧，触发器将开始工作，但由于灯内气压高（太热），所需触发电压≥5万伏，一般的触发器得空触发5～15分钟，等灯凉后才能再次启动。

如果长期如此，则承受高触发压的灯头、灯座和镇流器将加速损坏。

可见采用降压法来保证道路照明的镇流器和光源不出现超功率运行还勉强可行，但对于一个地区供电起始端和末端差较大的场合已不能正常采用，对于要求后半夜能实现灯功率减半的要求，降压法是根本不能实现的。

图1 电源电压Ui 、灯电压Ul 、灯电流Il 三者波形图（b ） 限流法用限流法（可以是专门设计集中串入电抗器）可以提供较高的灯电流过零后的再启动电压，更能保证灯的正常工作，尤其是在灯使用寿命后期，灯电压上升，灯电流过零后再启动电压需求也上升时，此方法的优点更多，采用集中串感抗的方法（可用多级串感抗自动衡流法）可使每组灯的平均有效值电压达到设计值，但灯电流过零后再启动的瞬时电压将提高，更有利于灯的稳定工作。

尤其在后半夜照明功率减半的场合，采用集中多级串感抗的方法能在不更改原来的灯具以及配电线路的情况下能实现照明功率减半，并且能稳定地工作。

近年来，已研制出其阻抗可无级变化的串入电抗器，这一产品采用控制串入电抗器的局部磁饱和程度来实现其阻抗的无级变化，且可实现编程序的自动化控制，它能做到HID 灯及镇流器回路在通电启动的短时间内，限制过大的启动电流对电网的冲击，当灯处于稳定工作后，可按 U i1U i2I lU l设定的程序进行调功率的控制，其最大的灯功率调整率可达100%～30%，在这一范围内灯都能保持稳定的工作。

相比多级串入电抗器的方式，这一方法具有更多的灵活性和更好的节电性。

通过检测还发现，串入的无级调阻抗的调整器自身具有一定的功耗，但由于它的串入使流过原镇流器的电流也相应减小，所以使原镇流器的功耗也随之有所下降，在整个调节范围内串入的调整器产生的附加功耗始终小于原镇流器减少的功耗，所以从系统效率来讲，也是较好的。

采用自动的控制技术能做到配电以及控制室的无人值守，这无疑减少了劳动力成本。

但是仅仅采用自动定时的控制技术，在目前看来是落后的，因为天气的复杂性（例如大雾、沙尘暴等）以及人们的庆典活动（例如大年三十、国家首脑来访等）都将影响开灯时间、调功率程度、关灯的时间等，所以采用遥控技术无疑是减少了劳动力成本，减少劳动强度以及实现调控及时性的最佳方案。

上述两种方案采用现在的通讯技术，都可以实现人性化的按需调功率，从而达到既能保证安全运行，又能最大化地实现节电的目的。

四、整流效应的异常保护要求GB7000.1-2007标准的一个重大变化是，根据IEC60325放电灯（荧光灯除外）安全要求标准中，提到的高压钠灯（除1000W外）寿终时也会发生整流效应，所以在设计整流效应异常保护要求时，应包括采用高压钠灯和大部分金卤灯灯具。

GB7000.1-2007版已经在2009年1月1日正式实施，这意味着灯具3C证书的换证。

其中高压钠灯（除1000W以外）和大部分金卤灯都属于寿终时易产生整流效应的，所以都要进行整流异态的试验。

可能一些试验人员认为，只要镇流器内加上可恢复式热保护器就能解决这一问题。

对于二端式触发器这种方法是可行的，但是对于三端串联式触发器的电路，这种方法基本是无效的。

目前改良后的使用三端串联式触发器的电路如图2，这种电路是在最近几年内发展起来的。

这一电路的触发器有三个端子，这种电路的最大特点是触发器的高压线圈是串联在镇流器与灯的回路中的，由于镇流器与触发器的连接点的电位与电源电压属于同一数量级，而触发器内的高压绕组L2输出高压脉冲电压的端子只和灯连接，从图2中可以看出触发器产生高压脉冲时，这一脉冲电压只施加在灯上，而不会施加到镇流器上，从而保证了镇流器在灯发生热启动或灯损坏时不会承受长时间的高压脉冲的重复冲击，尤其在触发器输出脉冲较高（10000V以上时）和脉冲能量较大的场合，这一电路能明显减小对镇流器的抗电强度的要求。

但是，事物总是一分为二的，这一类电路在给照明电器使用者带来上述优点的同时，也同时产生了明显的、甚至是致命的缺点。

从图2电路中不难看到，当灯被触发启动后，灯的工作电流一直流过此类触发器的高压线圈，所以高压线圈的绕组线径应取得比较大，这样才能在灯功率比较大且连续工作时，保持触发器的温升不至于超过tc值，这对体积相对较小的触发器在制造工艺中增加了一定的困难。

这一电路隐含着另一个重大缺陷，从图2中可看出，在灯工作时，触发器的高压绕组L2始终有镇流器输出给灯的电流流过，当高强度气体放电灯寿终发生“整流效应”时，由于流过灯的电流正负半周发生明显的不对称，使灯电流中含有直流分量，这一直流分量使镇流器内磁通发生饱和，镇流器阻抗急剧下降，导致回路电流猛增。

在目前的国家灯具标准和国际IEC灯具标准中针对这一现象规定用2--3倍的电流来检验系统在整流效应状态时的安全性，高压钠灯和部分金卤灯整流效应检测线路见图3。

针对这一情况，目前最常用的方法是在镇流器内串联一只可恢复的热保护器，当2--3倍的电流流过镇流器时，镇流器绕组温度上升，当绕组温度上升到接近限定值时，镇流器内的热保护器动作，切断电路，从而保护了镇流器。

这一方法对保护镇流器是很有效的，但是由于触发器受体积和制造成本影响，其热承受能力和热惯性远小于镇流器，所以在发生整流效应异常状态时，在镇流器内温度尚未达到可恢复的热保护器的动作温度前，触发器往往先发生冒烟、着火的现象，这不仅导致灯具产品异常状态耐久性试验的不合格，还会引起火警。

注意：GB7000.1-2007的12.5中说明, 光源产生整流效应时, 灯具产品中试验的部件包括镇流器、变压器或者启动装置，（见GB7000.1-2007的12.5.1 e）。

对于三端串联式触发器内的高压变压器的绕组，在异常状态时应该符合表12.3中按IEC60085系统A、E、B、F或H的分级的对应限温要求。

对于三端串联式触发器在异常状态时更不能发生冒烟、着火现象（见0.3章）。

在三端串联式触发器两个上引出端子内的任何一端加装可恢复的热保护器能可靠通过整流异态的试验，但是，这是专利技术（专利号：ZL 2007 2 0067205.7）。