住宅室内人工照明光环境调查与分析

调查研究了北京、上海和重庆三城市具有代表性的150户住宅内各功能用房的照度、色温、显色指数、节能情况,了解了被调查住户住宅光环境质量现状以及住户对照明光环境的心理需求。并将此次调研结果与1998年相关部门的调查结果及国家现行照明规范进行了对比。全面地分析了我国10年来住宅照明光环境的发展状况,为研究宜居的住宅照明光环境奠定了基础。     

新兴中小城市夜间光环境现状的分析研究

本文对中小城市尤其是新兴中小城市的照明现状进行了分析研究。以辽宁省彰武县这一新兴中小城市为例,根据《城市道路照明设计标准》中对道路照明若干指标的要求,实际测量进行统计。使用了主观感受、实地物理测量、调查问卷的方式调查其夜间室外照明情况现状。研究结果表明,目前中小城市道路照明中存在着照度不足、均匀度不够、环境比不能满足要求等问题,光环境的改善有较大的提升空间。     

基于视觉舒适度的商场照明问题分析

商场具有商品展示和休闲娱乐等多种功能需求,对光环境舒适度的要求很高。本文针对北京地区大型商场照明进行调研,选取照度、一般显色指数、相关色温等物理量进行实测,同时进行视觉舒适度主观评价。通过对调研数据的对比分析,研究在商场环境中照明指标与舒适度的量化关系,提出光环境舒适度方面存在的关键问题,为后续商场光环境舒适度评价指标体系的建立提供参考。     

住宅照明需求、满意度与认知度调查研究

为了研究住宅建筑照明的现状,通过问卷调查、统计分析等方法,侧重从主观评价的角度进行了调查研究,得出了主要参与者的构成,及其对于住宅照明的需求、满意度与认知度,结果表明：受访者的认知度偏低,而需求、满意度较高,得分高低与照明决策者、实施者和预算等因素之间存在相关关系;采用因子分析法等对住宅照明要求进行分类、排序,发现最受重视的需求是功能性,并且对功能性和美观性层面的认知度高于其他层面。研究结果为后续的研究提供了基础,并对住宅照明设计有一定的参考意义。     

图书馆电子阅览室阅读舒适性照明的多目标优化方法

VDT(Visual Display Terminal)设备已经成为现阶段主流的阅读载体,以图书馆电子阅览室为典型使用空间,照明环境VDT阅读舒适性研究的重要性和紧迫性开始凸显。本文以VDT阅读舒适性为目标,提出图书馆电子阅览室照明的多目标优化方法。优化模型以照度、相关色温、反射系数和VDT屏幕亮度4个影响要素为决策变量,归纳设定为“光源”与“非光源”2个阅读舒适性分目标。针对因主观评价实验数据量有限及影响因素众多且关系复杂所导致的难以获取函数关系式的问题,提出运用插值法、图像法,并借助MATLAB平台,进行多目标优化分析。验证结果表明：1)插值法丰富了主观评价实验数据,解决了因主观评价实验环境有限、光参数设置与被试人数数据量不足的问题;2)建立了阅读舒适性关于任意2个决策变量的双决策变量函数,且能够利用图像法,借助MATLAB平台,将该函数关系图像化,解决了多目标优化过程中复杂函数关系难以表达的问题;3)解析得到4个决策变量的“最优”值,即照度510 lx、相关色温4700 K、反射系数0.11、VDT屏幕亮度180 cd/m²,该方法适用于图书馆电子阅览室照明...     

深圳市商业区光污染现状调查及防治措施研究——以东门步行街为例

对深圳市东门步行街开展了光污染现状调查,主要监测了垂直照度、眩光值GR、LED显示屏和广告标识的亮度等指标,研究结果表明:深圳市东门步行街垂直照度的监测值为19.4~380.2 lx,有82.5%的监测值超过《城市照明夜景技术规范》(DB50/T234-2006)中50 lx的限值规定;眩光指数GR为31~73,其中有25%的监测值超过50,会对人造成一定的眩光干扰;LED显示屏的最大亮度为130~3078 cd/m^(2),广告标识的平均亮度为188~3044 cd/m^(2),依据相关国家标准,超标率分别为33.3%和61.3%,说明东门步行街光污染严重。针对东门商圈光环境现状和污染特征,提出了防治措施。     

特约主编寄语

社会经济活动对能源消费的快速增长以及人们对能源供给安全和生活环境恶化的日益关切,要求电网能在有限的线路走廊内实现远距离、大容量、低损耗、高效率的电力传输,并要求不同电网能互联以提高电力系统抵御风险的能力,改善供电可靠性。同时,随着太阳能、风能等可再生能源在电能结构中所占的比例不断增加,电网需要在不影响电能质量水平的情况下有效吸纳这些间歇性的电能资源。高压直流输电技术（HVDC）为上述问题提供了优异的解决方案,并在过去十年间得到了迅猛的发展与应用。此外,自20世纪90年代以来,迅速发展且日臻成熟的基于电压源换流技术（voltage sourced converter, VSC）,即柔性直流输电技术(HVDC Flexible,国外亦称“轻型直流输电技术”）,与传统的直流输电技术相比,更具特殊的技术优势：如有功和无功功率独立控制、毋须电网提供短路电流支持换相、两站点无需通信以及潮流反送时毋须反转极性等,在各种可再生能源接入（如海上风电）、海洋孤岛平台（岛屿、海上平台）供电和未来大城市商业住宅中心增容供电以及异步交流电网互联等领域展现了广阔的应用前景。

高压直流电缆,尤其是交联聚乙烯（XLPE）挤出绝缘高压直流电缆,作为直流输电系统的关键设备之一,因其体积小、重量轻、传输容量大、绝缘性能优异、对环境影响小等优点,相关的技术研发和应用备受关注。

虽然直流电缆的结构与交流电缆相比并无二致,但其技术问题与挑战远远超过交流电缆。首先,在交流应用场合,电场分布由绝缘结构中各处的电容决定,而绝缘材料的电容率（介电常数）在电气工程应用中所涉及的温度和电场范围几乎是常数,因此同轴电缆绝缘中的电场分布只由电缆的几何结构和尺寸决定,且不受运行负荷和环境的影响;而在直流电缆绝缘中,电场分布取决于绝缘的直流电阻分布,也即绝缘层特定位置的电阻率,而绝缘材料的电阻率又是所处位置温度和电场强度的函数,这种由温度梯度、电场分布到材料性能再到电场分布的多物理场耦合关系,使得直流电缆绝缘中的电场设计与选取变得异常复杂和困难。其次,伴随聚合物材料优良绝缘性能而来的矛盾是在直流电压作用下材料中空间电荷的聚集与迁移,绝缘结构中的空间电荷将改变局部电场的分布,极端情况的电场增加可能引起局部绝缘的加速老化甚至击穿。最后,相较于交流系统,人们对聚合物材料在直流电压下的绝缘特性、老化特性、绝缘缺陷的产生与发展直至绝缘失效机理的研究十分欠缺,以至于目前在世界范围内依然缺少科学且有效的直流电缆试验考核与评价手段,而作为快速增长的电网资产以及考虑直流电缆未来将大量运用于海底输电和联网,如何保证安全可靠的敷设施工和现场试验,以避免未来巨大的运行维护与检修成本,也是电网建设与运行管理者必须进行的技术准备。

在国内,由于早期直流电缆市场前景不甚清晰、电缆制造企业研发投入不足,我国挤出绝缘高压直流电缆的研究和应用远远落后于日本和欧美国家。在直流电缆绝缘材料及屏蔽材料的国产化、直流电缆结构设计理论及制造工艺的优化、终端及接头的材料选型与制造、科学有效试验检测方法的建立以及直流绝缘老化和电缆系统可靠性的评价手段等领域依然有大量的工作需要开展。

鉴于此,《南方电网技术》编辑部适时地编辑出版了此期围绕挤出绝缘直流电缆技术的专刊,以便从事直流电缆材料技术、制造技术、试验技术以及运行维护技术研究的同事宣传与交流自己的工作成果,也为我国挤出绝缘直流电缆技术的发展与应用研究起到“抛砖引玉”的作用。得到国内同行鼎力支持与帮助,本专刊共计收录15篇论文,内容覆盖直流电缆的技术发展现状与挑战、国内直流电缆的制造与应用以及直流电缆绝缘材料、试验及运行维护的各个方面：

1） 国产直流电缆制造与应用：“中国交联聚乙烯绝缘高压直流电缆发展的三级跳: 从160 kV到200 kV再到320 kV”文章系统介绍了国内过去3年间在3个电压等级XLPE绝缘直流电缆的研发与应用情况,对未来研发更高电压等级（如±500 kV）的直流电缆和工程应用都有很好的参考价值;

2） 直流电缆绝缘与屏蔽材料技术：“高压直流电缆交联聚乙烯绝缘材料及半导电屏蔽材料热性能及机械性能分析”和“直流电缆屏蔽料对XLPE绝缘空间电荷的影响”等文章初步比较研究了国产直流电缆绝缘与屏蔽料同几种进口材料的物理热、机械性能以及空间电荷特性,解释了引起国产与进口材料物理热机械性能差异的原因;“添加纳米MgO对交联聚乙烯中直流接地电树枝的影响”文章介绍了XLPE和XLPE/MgO纳米添加材料在重复施加直流电压和短路过程中电树枝的生长特性,用PEA方法测量了两种材料中空间电荷的聚集特性的差异,用XLPE/MgO纳米材料中形成同性电荷的事实解释了纳米颗粒阻止了电极尖端中性电荷的注入,进而阻止延缓了电树发展的机理;

3） 空间电荷测量技术：针对直流电缆绝缘中空间电荷的测量问题,“基于脉冲电声法的同轴塑料电缆空间电荷测量技术的研究进展”和“全尺寸直流电缆脉冲电声法（PEA）空间电荷测量系统设计及声信号衰减与色散补偿”等文章分别介绍了同轴结构中空间电荷的测量技术,重点介绍了厚试样中采用脉冲电声法（PEA）时声波信号的衰减与色散修正方法,这是全尺寸电缆绝缘中空间电荷测量时保证足够的测量灵敏度和空间分辨率并以此计算评价空间电荷对直流电缆绝缘中电场分布及可靠性影响所必须的技术手段;

4） 直流电缆系统过电压与绝缘配合：虽然任何电介质材料的直流绝缘强度都远远高于交流绝缘强度,但在直流电缆系统中,尤其是架空线与电缆复合输电线路中（如南澳柔性直流工程）,直流电缆绝缘仍旧要承受来自系统故障及雷击所引起的暂态过电压,“柔性直流系统挤出绝缘电缆暂态过电压仿真”文章以南澳柔性直流输电示范工程为研究背景,仿真研究了不同故障类型,包括交流单相接地、两相短路、桥臂电抗器接地条件下直流电缆系统的暂态特性,为未来直流电缆绝缘设计和系统绝缘配合提供了很好的借鉴;

5） 直流电缆终端与接头技术：如同交流电缆的终端接头附件,直流电缆终端与接头也包含不同介电性能的绝缘材料和界面,使其结构设计和空间电荷控制更加困难,“硅橡胶电导特性对XLPE绝缘高压直流电缆中间接头内电场分布的影响”和“正交电场下XLPE/SIR介质界面空间电荷的特性”等文章分别介绍了运用电导非线性硅橡胶（SiR）材料改善直流电缆接头应力锥处电场分布的研究和正交电场下XLPE/SiR界面空间电荷特性的研究,这些积极的研究尝试将为优化设计与制造直流电缆终端与接头附件提供有用的参考;

6） 电缆绝缘老化评估技术：电应力是导致绝缘介质在长期运行条件下产生老化直至绝缘失效的主要因素,大量的XLPE材料在交流电压或直流电压下的电老化试验研究表明两种电压下的材料老化速度存在较大的差异,其结果直接决定着直流电缆绝缘寿命的设计与运行老化评估,“高压XLPE电缆绝缘V t特性研究方法”文章介绍了介质的击穿电压V和击穿时间t的关系,也即V t特性曲线,并用于描述XLPE电缆绝缘的电老化寿命模型,分析了国内外高压交、直流XLPE电缆绝缘V t特性的研究方法及相关结果;

7） 直流电缆系统试验与运维技术：针对直流电缆试验技术、直流电压下局部放电产生与测量技术的研究与发展,“挤出绝缘高压直流电缆系统试验技术规范综述及建议”系统分析了交直流电缆试验技术的差异,结合目前被广泛采用的CIGRE TB 496推荐试验方法,对如何提高直流电缆试验的有效性与科学性提出了具有启发意义的建议;而“直流局部放电检测技术综述”系统完整地综述了直流电压下局部放电缺陷的产生发展机理以及测量技术,介绍了国内外在这一研究领域的研究现状,为国内同行开展相同领域的工作描述了清晰的技术路线;作为对直流电缆系统长期可靠性考核评价方法的完善,有关热流场仿真计算的“直流电缆负荷循环系统中温控介质轴向温度分布仿真研究”文章为在直流电缆预鉴定试样中准确控制绝缘层问题梯度分布提供了有用的参考。

在近几年电网企业柔性直流输电示范工程需求的强力推动下,我国在XLPE绝缘直流电缆的制造、试验和工程应用方面有所突破,并实现了从±160 kV到±200 kV 再到±320 kV电压等级所谓“三级跳”式的发展,在科研方面也取得了许多重大成果,本刊所发表的仅是部分的最新成果。但是专刊文章所涉及的研究内容均是全面提高直流电缆制造与安全运行技术必须关注的,完全有理由相信,这一专刊的出版将为推动国内在这一领域的研究起到积极的作用。

最后,衷心感谢论文作者的大力支持,感谢论文审稿专家、《南方电网技术》编辑部为本专刊顺利出版所付出的辛勤劳动。

傅明利

2015年10月4日于南方电网科学研究院

     

居住区道路照明安全感知评价及模拟优化

居住区的道路照明具有十分重要的作用,夜间照明能够为行人提供感知安全、障碍检测、识别他人的身份或意图等作用。本文通过对大连三个建设年代较早的开放式多层居住区的调研,采用实地测量与主观评价相结合的方法,探索此类小区的居民安全感及照度水平之间的相关性,分析居民感知安全的照明环境与现有环境之间的差异。调研发现,此类居住区多存在照度不均匀、眩光严重及照明能源浪费等问题,造成安全性评价较差。对各个方向的照度与安全性评价的相关性分析发现,水平方向照度对安全感的影响最大。根据研究结果得出了居住区照度水平的推荐值,并对安全性评价较差的路段进行了照明模拟优化。     

老年人居室天然光环境研究

本文从当胶迫切的老龄化问题入手,在对老年人居室天然光环境进行研究的基础上,对不同条件下室内计算点照度和照度均匀性加以计算,提出了老年人居室适宜的照度标准,并就室内天然光环境的设计提出了一些可行的建议。     

跨河桥梁夜景照明设计浅析——滏阳河衡水市区段跨河桥梁夜景照明设计

跨河桥梁成为目前城市道路交通的重要组成部分,桥梁照明既要满足道路照明所需要的照度和均匀度,同时桥梁本身的美观形体在灯光组合中被赋予特定的内涵和艺术品位。本文在跨河桥梁的照明设计原则基础上,以滏阳河衡水市区段跨河桥梁夜景照明设计为案例,阐述了滏阳河桥梁整体的照明设计理念,重点分析了如何运用LED及其相关照明手段去实现最初的照明理念,照明设计依托了衡水市自身的自然人文地域特色,营造出舒适愉悦的夜间氛围。     

室内大面积照明的节能控制研究

针对目前国内高校教室和阅览室等室内大面积照明场所电能浪费较严重的现象,提出了一种节能控制的新方法,根据室内的光照度和人数情况对灯具进行自动控制,实现"按需亮灯"来达到节能目的。阐述了室内大面积照明节能控制装置的工作原理和设计方案,包括硬件电路和软件编程等。测试结果表明,研制的节能控制装置在室内大面积照明节能方面具有很好的发展前景,并能取得明显的经济效益。     

基于Downhill-Simplex算法的客舱照明优化设计方法研究

优化设计方法在照明设计中得到了广泛和深入的研究。针对民用飞机客舱照明设计方案,研究了Downhill-Simplex优化算法在客舱照明设计中的应用,编写了照明优化设计程序,通过客舱工作面照度均匀度优化设计实例对优化设计程序进行了验证。其中优化前客舱工作面照度均匀度为0．5,通过优化客舱工作面照度均匀度达到了0．8,表明优化算法是可靠的。本优化设计方法可用于飞机内外部照明、道路照明和投影设备等非成像光学设计领域。     

LED光源反射器特征参数对被照面照度的影响

在普通LED照明应用中,常采用多颗LED光源加装抛物线型反射器来满足照明要求。本文以9颗LED光源为例,探讨抛物线型反射器特征参数对被照面照度的影响。模拟结果表明：反射器长度不变,焦距越小,光能聚集效果越好;反射器口径不变,随着焦距的增大,被照面照度分布由光斑逐渐变为光环,中心照度逐渐降低;反射器焦距不变,随着口径的减小,被照面中心区域的照度几乎不变,但两侧的照度略有下降。在反射器口径面加装磨砂透光板后,被照面聚光区域的照度下降明显,但是被照面照度分布更加均匀;按环形排列方式增加LED光源的数目仅增大被照面的照度。     

白光LED用于公路隧道照明的设计分析（上）

白光LED作为一种新型固体光源,已经逐渐用于道路照明。一般公路隧道照明设计要考虑众多因素,除了要达到一些道路照明中要求的指标如照度、均匀度等外,还要考虑隧道不同分区之间照明的不同。在白天和夜晚,由于隧道进出口照明与外界光有差异,也由于眼睛对光的适应问题,而需要提供不同的照明方式。本文考虑到白天自然光对隧道照明的影响,对于使用LED照明时,白天和夜晚的隧道照明分别进行设计。基于软件模型,分别设计隧道各个区域的照明,给出隧道照明良好的设计方案,并且对最终隧道照明的内部段进行了中间视觉下的修正。结果说明目前条件下白光LED应用于隧道照明已可达到较好的效果。     

天津市交通广场照明调查分析及评价研究

本文对天津市两个主要交通广场的照明进行了详细的调查和评价研究。调查中采用了数码相机采集不同广场照明的图片,并将图片利用天津大学建筑技术研究所自行开发研制的亮度分析软件进行处理,得到广场照明的亮度数据;通过手持式照度计采集广场的照度数据,并通过问卷调查采集广场上的人们对交通广场照明的看法和建议,提出了与交通广场照明相关的一些参数和建议,为交通广场的照明设计提供一定的参考依据。     

不同背景亮度和色温下垂直照度与辨识度关系的实验研究

要提升室内照明的质量,保证“LED照明建筑一体化”的设计水平,照明设计和评价应由单一的水平方向向整体空间需求转变。EN12464—2019针对室内的空间照度进行了规定,提出了柱面照度、墙面照度、顶棚照度的要求,但是目前我国标准对于室内照明场所垂直方向的照度没有明确的规定。为研究垂直照度的合理取值,本文开展了垂直照度与辨识度的实验研究。实验结果表明,达到可识别的程度时所需的垂直照度与背景照明的色温和亮度有着密切的关系,通过分析得到了不同色温条件下垂直照度与背景亮度的关系曲线。     

基于LED的自由曲面反射器设计软件研究

针对LED自由曲面反射器设计,建立了光学设计模型。根据光学设计模型,编写了自由曲面反射器设计软件。利用圆形照度均匀分布和矩形照度均匀分布自由曲面反射器设计实例对软件算法进行了验证,其中圆形被照面的照度均匀度达到了0.92,矩形被照面横向照度均匀度达到了0.9,纵向照度均匀度达到了0.8。软件计算时间少于1s,算法是高效可靠的。本软件可用于道路照明、投影设备、重点照明和汽车前照灯等非成像光学设计领域。