第9章 電氣照明

第九章電氣照明

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9.1電氣照明概念§9.2常用電光源和燈具§9.3照度計算§9.4照明供電§

9.1電氣照明概述

9.1.1照明技術的有關概念光是一種能量，它通過輻射方式從一個物體傳播到另一個物體。光的本質是一種電磁波，它在電磁波的極其寬廣的波長范圍內僅占很小一部分。通常把可見光、紫外線和紅外線統(tǒng)稱為光，而人眼所能感覺到的光僅是可見光?？梢姽獾牟ㄩL范圍在380～780nm(1nm=10-9m)之間。波長不同的可見光，引起人眼的顏色感覺不同。波長為640～780nm，感覺為紅色；600～640nm，為橙色；550～600nm，為黃色；480～550nm，為綠色；450～480nm，為藍色；380～450nm，為紫色。除可見光外，紫外線的波長為1～380nm，紅外線的波長為780nm～1mm。1．光通量按人眼對光的感覺量為基準來衡量光源在單位時間內向周圍空間輻射并使人眼產生光感的能量，稱為光通量。光通量用符號表示，其單位為流明lm。2．發(fā)光強度光源在某一個特定方向上的單位立體角內(單位球面度內)所發(fā)出的光通量稱為光源在該方向上的發(fā)光強度。它是用來反映發(fā)光強弱程度的一個物理量，用符號I表示，其單位為cd(坎德拉)，其算式為

3．亮度亮度是一個單元表面在某一方向上的光強密度。即使兩個光源的發(fā)光強度完全相同，它們在視覺上引起的明亮程度也不同。例如，電功率相同的兩個白熾燈，一只是普通燈泡，另一只是磨砂燈泡，顯然后者看起來不及前者亮。這是因為磨砂燈泡表面凹凸不平、發(fā)光面積較大的緣故。光源的亮度用L表示，它的單位為坎德拉每平方米(cd/m2)。4．照度為了研究物體被照明的程度，工程上常用照度這個物理量。物體的照度不僅與它表面的光通量有關，而且與物體的表面積有關。通常是用照射在物體表面單位面積上的光通量來度量物體的照度，用符號E表示，其單位為或稱勒克斯(lx)，其算式為

5．顯色性當某種光源的光照射到物體上時，該物體的色彩與陽光照射時的色彩是不完全一樣的，有一定的失真度。將光源呈現(xiàn)被照物體顏色的性能稱為顯色性。光的色度對工作環(huán)境氣氛的影響也很大。光源顯色性可用“顯色指數(Ra)”來評價。光源的顯色指數越高，其顯色性越好。一般顯色性取80～100為優(yōu)，50～79為一般，當小于50時為差。如辦公室要求顯色指數(Ra)在75～85之間；展覽館、繪畫館的顯色指數(Ra)應大于90。6．色溫光源發(fā)出的光與黑體(能吸收全部光源的物體)加熱到某一溫度所發(fā)出光的顏色相同(對氣體放電光源為相似)時，稱該溫度為光源的顏色溫度，簡稱色溫。色溫以絕對溫度表示，光源中含有短波藍紫色光多，色溫就高；含有長波紅橙色光多，色溫就低。色溫的單位為開爾文，用K表示。7．色表色表指光源顏色給人的直觀感覺，照明光源的顏色質量取決于光源的表觀顏色及其顯色性能。室內照明光源的顏色，可根據相關色溫分為3類，即有冷色(相關色溫大于5300K)、暖色(相關色溫小于3300K)、中間色(相關色溫為3300～5300K)。8．光效光源所發(fā)出的光通量和該光源所消耗的電功率的比值稱為發(fā)光效率，簡稱光效，用符號表示，單位是lm/W。

9．眩光眩光是照明質量的重要特征。視場中有極高的亮度或強烈的亮度對比時，將造成視覺降低和人眼睛不舒適甚至有痛感，并引起視覺上的疲勞，這種現(xiàn)象稱為眩光。眩光分為直射眩光和反射眩光兩種。(1) 直射眩光是在觀察方向上或在附近存在亮的發(fā)光體所引起的眩光。(2) 反射眩光是在觀察方向上或在附近由亮的發(fā)光體鏡面反射所引起的眩光。為限制或避免眩光的影響，進行電氣照明設計時應考慮燈具的形式和布燈的位置。9.1.2照明方式和種類照建筑物的功能和對照度的要求，照明方式可分成以下3種。(1) 一般照明。一般照明用于要求照度基本均勻的室內某些場所或場所的某部分照明。對于工作位置密度很大而對光照方向又無特殊要求或工藝上不適宜裝設局部照明裝置的場所，宜單獨使用一般照明。(2) 局部照明。局部照明僅局限于固定或移動工作部位的照明。對于局部地點需要較高照度并對照射方向有要求時宜采用局部照明，例如，繪畫館、展覽館等展柜的照明，車間內車床的照明等。(3) 混合照明?；旌险彰魇且话阏彰骱途植空彰鞴餐M成的照明。它適合于對工作位置需要較高照度并對照射方向有特殊要求的場所?；旌险彰鞯膬?yōu)點是能在工作平面、垂直面或傾斜表面上，以及工作的內腔里獲得高的照度和提高光色?；旌险彰髦幸话阏彰鞯恼斩炔粦陀?0lx。例如，繪畫館大廳為一般照明，墻壁上的油畫等采用局部照明。按照明的用途，照明方式可分為以下幾種。(1) 正常照明。正常工作時使用的照明稱為正常照明。(2) 應急照明。在正常照明因故障熄滅后，可供事故情況下繼續(xù)工作或安全通行、安全疏散的照明稱為應急照明。(3) 警衛(wèi)照明。警衛(wèi)照明是根據警衛(wèi)任務需要而設置的照明。(4) 值班照明。在非工作時間內，供值班人員使用的照明稱為值班照明。(5) 障礙照明。裝設在障礙物上作為障礙標志用的照明稱為障礙照明。如航標燈等。(6) 裝飾照明。裝飾照明是為美化、裝飾或烘托某一特定空間環(huán)境而設置的照明。(7) 藝術照明。藝術照明是通過運用不同的燈具、不同的投光角度和不同的光色，制造出一種特定的空間氣氛的照明?！?/p>

9.2常用電光源和燈具

9.2.1常用電光源根據光的產生原理，電光源可以分為兩大類，即熱輻射發(fā)光光源和氣體放電發(fā)光光源。1．光源的分類1) 熱輻射發(fā)光光源熱輻射發(fā)光光源是利用電流將燈絲加熱產生熱輻射發(fā)光的一種光源。例如，白熾燈和鹵鎢燈，它們都是以鎢絲作為輻射體，通電后達到白熾程度時產生熱輻射。目前白熾燈仍是重要的照明光源。2) 氣體放電發(fā)光光源氣體放電發(fā)光光源是利用電流通過燈管中氣體而產生放電發(fā)光的一種光源，常用的氣體放電發(fā)光光源有熒光燈、氮燈、鈉燈、熒光高壓汞燈和金屬鹵化物燈等。氣體放電發(fā)光光源具有發(fā)光效率高、使用壽命長等特點。氣體放電發(fā)光光源一般應與相應的附件配套才能接入電源使用。氣體放電光源按放電的形式分為弧光放電燈和輝光放電燈。2．電光源1) 白熾燈白熾燈屬于熱輻射發(fā)光光源，白熾燈泡是由鎢絲、玻璃泡、燈頭、支架和填充氣體等構成。白熾燈具有結構簡單、便宜、方便、便于調光、能瞬間點燃、無頻閃等優(yōu)點，是常用的電光源。其工作原理是：用金屬鎢拉制的燈絲點亮時溫度高達3000℃，熾熱的燈絲便產生了光輻射，使白熾燈發(fā)出了明亮的光芒。2) 鹵鎢燈鹵鎢燈屬于熱輻射光源，由鎢絲、充入鹵素的玻璃泡和燈頭等構成。鹵鎢燈有雙端、單端和雙泡殼之分。鹵鎢燈的工作原理如下，當充入鹵素物質的燈泡通電工作時，從燈絲蒸發(fā)出來的鎢在燈泡壁區(qū)域內與鹵素化合，形成一種揮發(fā)性的鹵鎢化合物。鹵鎢化合物在燈泡中產生擴散運動，當擴散到較熱的燈絲周圍區(qū)域時，鹵鎢化合物分解成鹵素和鎢，釋放出來的鎢沉積在燈絲上，而鹵素再繼續(xù)擴散到其溫度較低的燈泡壁區(qū)域與鎢化合，形成鹵鎢循環(huán)。由于鹵鎢循環(huán)有效地抑制了鎢的蒸發(fā)，所以可以延長鹵鎢燈的使用壽命，同時可以進一步提高燈絲溫度，獲得較高的光效，并減小使用過程中光通量的衰減3) 熒光燈熒光燈是低氣壓汞蒸氣弧光放電燈，也被稱為第二代光源。與白熾燈相比，具有光效高、壽命長、光色和顯色性都比較好的特點，因此在大部分場合取代了白熾燈。(1) 熒光燈的結構。熒光燈主要由燈管和電極組成。燈管內壁涂有熒光粉，將燈管內抽真空后加入一定量的汞、氬、氪、氖等氣體。熒光燈的附件有啟輝器和鎮(zhèn)流器。啟輝器(俗稱跳泡)的主要元件是一個由兩種膨脹系數不同的金屬材料壓制而成的雙金屬片(冷態(tài)觸頭常開)和一個固定觸頭。啟輝器的主要作用是在燈管剛接電路時，啟輝器雙金屬片閉合，有電流通過燈絲，對燈絲進行預熱；雙金屬片斷開的瞬間，鎮(zhèn)流器產生高壓脈沖，兩電極之間氣體被擊穿，產生氣體放電。鎮(zhèn)流器是一個有鐵芯的線圈，其主要作用就是啟動時在啟輝器的作用下產生高壓脈沖，在工作時用于平衡燈管電壓。近年來，電子鎮(zhèn)流器得到廣泛應用。與電感鎮(zhèn)流器相比，電子鎮(zhèn)流器具有如下優(yōu)點：①能夠提高燈的光效；②光無閃爍；③能瞬時啟動且無啟輝器；④調光性能好；⑤功率因數高；⑥溫升小；⑦無噪聲；⑧體積??；⑨質量輕。隨著供電電源頻率的變化，熒光燈發(fā)出的光線會有閃爍感。對于特殊工作場所(高速旋轉的設備環(huán)境)，頻閃效應可能發(fā)生人身和設備安全事故。因此，對照明要求較高的場所應采取必要的補償措施，如在大面積照明場所以及在雙管、三管燈具中采用分相供電，即可明顯地消除頻閃效應。(2) 熒光燈的工作原理。當熒光燈接通電源時，啟輝器內的雙金屬片產生輝光放電，玻璃泡內的溫度驟然升高，同時雙金屬片因放電被加熱膨脹而發(fā)生變形，當雙金屬片與固定觸點接觸時，電路被接通。在由鎮(zhèn)流器、燈絲、啟輝器觸點組成的電路中有電流通過，燈管兩端的鎢絲電極因通過電流而被加熱，溫度約為800～1000℃時，在燈絲上施放出大量的電子。由于輝光放電停止，所以啟輝器雙金屬片的溫度很快下降，雙金屬片與固定觸點斷開(斷開電路)，斷開電路的瞬間，在鎮(zhèn)流器線圈中瞬間產生很高的自感電動勢加在燈管上，使燈管兩個電極之間產生弧光放電，燈管點燃。汞蒸氣輻射出紫外線，在紫外線的照射下，燈管內壁的熒光粉被激發(fā)而發(fā)出可見光。(3) 熒光燈的特性。熒光燈光效高，壽命長，光譜接近日光(常稱日光燈)，顯色性好。它的表溫低，表面亮度低，眩光影響小。熒光燈的顏色分為暖白色、白色、冷白色、日光色和彩色。熒光燈的缺點是功率因數低，發(fā)光效率與環(huán)境溫度和電源頻率有關，而且有頻閃效應，附件多，有噪聲，不宜頻繁開關。(4) 熒光燈的應用。熒光燈具有良好的顯色性和發(fā)光效率，因此熒光燈被廣泛用于圖書館照明、教室照明、隧道照明、地鐵照明、商店照明、辦公室照明及其他對顯色性要求較高的照明場所。異型熒光燈(環(huán)形、U形、緊湊型等)、反射式熒光燈、彩色熒光燈常用于室內裝飾照明。4) 高壓鈉燈高壓鈉燈是利用高壓鈉蒸氣放電發(fā)光的一種高強度氣體放電光源，廣泛應用于對顯色性要求不高的場所。高壓鈉燈的特點是體積小，功率密度高，亮度高，紫外線輻射少，壽命長，屬于節(jié)能型電光源，但光色偏黃，透霧性能好。5) 金屬鹵化物燈金屬鹵化物燈具有更好的光色性，接近自然光，是目前比較理想的電光源。金屬鹵化物燈是第三代電光源。金屬鹵化物燈都具有功率大、壽命長的特點，可用于高大廳堂、體育場館、廠礦及露天場所的照明。9.2.2燈具特性及選擇與布置1．燈具的特性1) 燈具的作用燈具即控照器，一般用金屬、玻璃或塑料制成，主要用于重新分配光源發(fā)出的光通量、限制光源的眩光作用、減少和防止光源的污染、保護光源免遭機械破壞、安裝和固定光源，并與光源相配合，起到一定的裝飾作用?？卣掌鞯牟牧习凑湛卣掌鞯墓鈱W性質可分為反射型、折射型和透射型等多種類型。在正式場合，均應安裝控照器。2) 燈具的配光特性表示燈具在空間各個方向上的發(fā)光強度空間分布特性的曲線稱為燈具配光曲線。發(fā)光強度的空間分布特性常用3種表示方法，分別是極坐標法、直角坐標法和等光強曲線圖。極坐標配光曲線通過光源中心的測光平面，測出燈具在不同角度的光強值。以燈具中心為極坐標原點，從某一給定方向起，把燈具在各個方向的發(fā)光強度用矢量表示，連接矢量頂端的連線即為燈具配光的極坐標曲線。為了便于對各種照明燈具的光分布特性進行比較，統(tǒng)一規(guī)定以光通量為1000的假想光源來提供光強分布數據。因此，實際發(fā)光強度應當是該燈具測光參數提供的光強值乘以光源實際光通量與1000之比，即

3) 燈具的保護角燈具的保護角是指從光源發(fā)光體(燈絲)和燈具出口邊緣的一點的連線與通過光源中心的水平線之間的夾角。燈具的保護角實質上是反映燈具遮擋光源直射光的范圍，因此又稱遮光角，如圖示。照明燈具的保護角的大小是根據眩光作用的強弱而確定的。一般說來，燈具的保護角范圍應在15°～30°之間。在規(guī)定燈具的最低懸掛高度下，保護角把光源在強眩光視線角度區(qū)內隱藏起來，從而避免了直射眩光，它是評價照明質量和視覺舒適感的一個重要參數。4) 照明燈具效率照明燈具效率定義為在規(guī)定條件下，照明燈具發(fā)出的光通量與燈具內的全部光源所發(fā)出的總光通量之比。照明燈具效率用表示，即

燈具效率表明燈具對光源發(fā)光效率的利用程度，燈具效率越高，利用的光源光通量就越大。在選擇燈具時，根據照明場所的情況和要求，應盡可能選用效率較高的燈具。如果燈具效率在0.5以下，說明光源發(fā)出的光通量有一部分被燈具吸收。燈具效率一般在0.8以上。2．燈具的分類1) 直射型燈具光直接從燈具上方射出，頂部的反光材料不透明，通常由金屬、搪瓷、鉛和鍍銀鏡面等材料制成。直射型燈具效率高，光線集中，方向性強，但容易產生較重的陰影，而且頂部幾乎沒有光線。2) 半直射型燈具這類燈具采用下面敞口的半透明罩或者上方留有較大的通風、透光空隙，它能將大部分的光線照射到工作面上，光通量的利用率較高，又可使空間環(huán)境得到適當的亮度。餐桌上方用的玻璃方形(圓形、菱形)罩吊燈多屬這類燈具，它用半透明材料制成下面開口的式樣。3) 漫射型燈具它是采用漫射透光材料制成封閉式的燈罩，如乳白玻璃球形燈就屬于漫射型燈具的一種，光線均勻柔和。這類燈具向上、向下的光通量幾乎相同，將光線均勻地投向四面八方，但是光的損失較多，光效較低。4) 半間接型燈具這類燈具上半部用透明材料或上半部敞口、下半部用漫射透光材料制成，客廳的裝飾燈多采用這種。由于大部分光線投向頂棚，增強了室內反射光的效果，使光線更為柔和宜人。但這類燈具的燈罩很容易積灰塵和死蚊蟲，難作清潔。5) 間接型燈具這類燈具90%以上的光通量都向上投射，經頂棚反射到室內，可以達到全部頂棚成為一個照明光源的效果，室內光線均勻柔和，能最大限度地減弱陰影和眩光。但這類燈具的光通量利用率低，不經濟，一般用于強調藝術性或對陰影、眩光有較高限制的場合，如劇場、美術館和醫(yī)院。這種燈具不宜單獨使用，往往和其他形式的燈具配合使用。3．燈具的選擇燈具的選擇應首先滿足使用功能和照明質量的要求，同時便于安裝與維護，并且長期運行費用低。應優(yōu)先采用高效節(jié)能電光源和高效燈具。所以燈具的選擇基本原則如下。(1) 合適的配光特性，如光強分布、燈具表面亮度、保護角等。(2) 符合使用場所的環(huán)境條件。(3) 符合防觸電保護要求。(4) 經濟性好。(5) 外形與建筑風格相協(xié)調。4．燈具的布置1) 燈具布置的要求燈具的布置就是確定燈在房間內的空間位置。燈具的布置對照明質量有著重要的影響，光投方向、工作面上的照度及照度的均勻性、眩光、陰影等都直接與照明燈具的布置有關。燈具的布置是否合理還影響著光效以及照明裝置的維修和安全。2) 燈具的平面布置和懸掛高度(1) 燈具的平面布置。照明燈具的平面布置分為均勻布置和選擇布置兩種。均勻布置通常將同類型燈具按等分面積的形式布置成單一的幾何圖形，如直線型、矩形、菱形、角型、滿天星型等，適用于要求整個工作面有均勻照度的場所。選擇布置根據工作場所對燈光的不同要求，選擇布燈的方式和位置，這種布置能夠選擇最有利的光照方向和最大限度地避免工作面上的陰影。(2) 燈具的懸掛高度。燈具的懸掛高度主要是考慮防止眩光，且注意防止碰撞和觸電危險。為了防止眩光，保證照明質量，照明燈具距地面的最低懸掛高度見表9.3。從電器的安全要求考慮，一般室內照明燈具的高度不小于2.4m，當低于這個高度時，應選用有封閉燈罩或帶保護網的照明器。另外，燈具的安裝高度還應保證人體活動所需的空間高度?！?/p>

9.3照度計算

9.3.1照度標準在選擇照度時，照度標準值應按0.5、l、3、5、10、15、20、30、50、75、100、150、200、300、500、750、1000、1500、2000、3000、5000(lx)分級。9.3.2照度計算方法照明計算的目的是使空間獲得符合視覺要求的亮度分配，使工作面上達到適宜的亮度標準。照明計算的實質是進行亮度的計算。因亮度計算相當困難，故一般直接計算與亮度成正比的照度值，間接反映亮度值，以使計算簡化。因而所謂照明計算，實際是做照度計算。利用系數（用u表示）是指照明光源投射到工作面上的光通量與全部光源發(fā)出的光通量之比。他可用來表征光源的光通量有效利用的程度。利用系數的計算公式為

u=Φe/（nΦ）式中，Φe為投射到工作面上的總光通量；Φ為每盞燈發(fā)出的光通量；n為燈的個數利用系數值的大小與很多因素有關，燈具的懸掛高度越高、光效越高，則利用系數越高；房間的面積越大，形狀越接近正方形，墻壁顏色越淺，則利用系數就越高。利用系數的值可按墻壁和頂棚的反射系數ρ及房間的受照空間特征RCR來確定（查有關設計手冊，表8-4給出了GC1-A、B-1型配照燈的利用系數，供參考）。ρ值可直接查表8-5，RCR的值可按下式計算：式中，hRC為室空間高度（指燈具開口平面到工作面的空間高度，如圖8-14所示）；l為房間長度；b為房間寬度。當已知房間的長寬、室空間高度、燈型及光通量時，可按下式計算平均照度：式中，u為利用系數；n為燈的個數；Φ為每盞燈的光通量；S為受照工作面面積（矩形房間即為長寬乘積）。由于燈具在使用期間，光源本身的光效要逐漸降低、燈具也要陳舊臟污、被照場所的墻壁和頂棚也有污損的可能，從而使工作面上的光通量有所減少，因此在計算工作面上的實際平均照度時，應計入一個小于1的燈具減光系數K，即工作面的實際平均照度為：9.4照明供電9.4.1照明供電方式的選擇我國照明一般采用380/220V三相四線制中性點直接接地的交流網絡供電。照明的供電方式與照明工作場所的重要程度、負荷等級等因素有關。1.正常照明場所(1) 正常照明場所一般采用動力與照明負荷共用的電力變壓器供電，二次側電壓為380/220V。(2) 當車間的動力采用變壓器-干線式供電，而對外又無電壓聯(lián)絡線路時，照明電源宜接在變壓器低壓側總開關之前；當車間變電所低壓側采用放射式供電時，照明電源一般接在低壓配電屏的照明專用線上；當對外有低壓聯(lián)絡線路時，照明電源宜接在變壓器低壓側總開關之后。(3) 動力與照明合用一條供電線路可用于公共和一般的住宅建筑。在多數情況下可用于電力負荷比較穩(wěn)定的生產廠房、輔助建筑以及遠離變電所的建筑物和構筑物。但應在電源進線處將動力、照明線路分開。2.較重要工作場所較重要的照明負荷一般都在單臺變壓器的高壓側設兩回路電源供電。當工作場所的照明由一個以上單變壓器變電所供電時，工作和應急照明應由不同的變電所供電。變電所之間應裝設低壓聯(lián)絡線，以備某一變壓器出現(xiàn)故