海上油气田开发工程仪电讯系统设计指南第九章照明信号灯.docx
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海上油气田开发工程仪电讯系统设计指南第九章照明信号灯
第四篇海上油气田开发工程仪电讯系统设计
第九章照明和信号灯系统的设计
第一节照明和信号灯系统设计的目的，内容和基本概念
第二节电光源和照明灯具的种类及选择要领
第三节照度计算与测量
第四节照明系统的设计
第五节直升飞机甲板信号灯的设计
第六节不同设计阶段对照明和信号灯系统设计的要求和内容
第九章照明和信号灯系统的设计
第一节照明和信号灯系统设计的目的，内容和基本概念
一.概述
海上油气田开发工程设施上的电气照明和信号灯设计是电力系统设计的一部分，它的主要功能和作用是：
∙保证夜间或采光不足甚至无采光的情况下，为海上油气田开发工程设施上的正常生产和海上作业人员的正常生活提供良好的照明条件，也就是通常所说的正常照明系统的功能。
正常照明系统的电源是由主发电机供电的正常电力系统提供。
∙为了保证人员的安全和应急状态（既：
主电源失电的情况）下的行动安全，要求的照度不一定很高，但是，在关键的部位和逃生通道不能存在黑暗的死角，也就是通常所说的应急照明系统的功能。
在正常工况下，应急照明系统的电源通过母联开关由正常电力系统提供。
正常电力系统发生故障或由于某种原因中断的话，由应急发电机或蓄电池提供电力。
∙为确保直升飞机在海上结构物的安全起降，应设置充足的照明设施和符合规范要求的信号识别装置。
照明和信号等系统的设计是否合理，将直接关系到海上油气田生产的安全，作业质量，生产效率，海上操作人员的生活质量和劳动卫生有关，同时与操作人员的人身安全和机械设备的安全运行有关。
电气照明和信号系统设计的主要工作和内容是：
∙选择合适的电光源；
∙选择合适的照明灯具；
∙根据海上油气田结构物的总体布置情况，按照规范的要求为工作场所和生活区域布置照明光点（即：
照明灯具）和属具。
绘制照明系统的布置图；
∙确定各光点的电气功率，并进行必要的照度计算和校核；
∙根据海上油气田电站的供电电源，确定海上油气田电气照明的供电方式。
绘制照明系统单线图；
∙确定照明网络和配电方式，并进行必要的电压降校核；
∙根据规范的要求，进行直升飞机甲板进行边界（识别）信号灯的设计。
二.名词解释
1.光源
由于物质分子运动的结果，所有物体都发射电磁辐射，这种辐射是不同波长的混合，称之为热辐射。
光是物质的一种形态，是一种波长比无线电波短，比X射线长的电磁波，所有的电磁波都具有辐射能。
在电磁波的辐射谱中，光谱的大致范围包括：
1）红外线，当物体温度达到3000C时，这些波中最强波的波长是5000X10-9m（5000nm）。
在温度为8000C时，物体发射少量的可见辐射能而成为自发光，并呈“赤热”状态。
但绝大部分发射能量仍属红外线，波长为780nm~1mm。
2）可见光，当温度到了30000C（为白炽灯丝的温度）时，辐射能包含足够的400nm到700nm间的“可见光”波长，此时物体近于“白热”状态，可见光的波长为380~780nm。
可见光也称之为光源。
3）紫外线，波长为1~380nm。
可见光又分为：
红（640~780nm），橙（600~640nm），黄（570~600nm），绿（490~570nm），青（490~570nm），蓝（430~450nm）和紫（380~430nm）等七种单色光。
人眼对各种波长的可见光，具有不同的敏感性。
实验证明，正常人眼对于波长为555nm的黄绿色光最为敏感，也就是说这种黄绿色光的辐射能引起人眼的最大视觉。
因此波长越偏离555nm的光辐射，可见度越低。
可见电磁波（即能引起视觉的电磁波），其波长在0.00004cm到0.00007cm范围内，由于其波长很短，因而使用小的长度单位来表示。
常用的小单位有三种：
微米（1m），纳米（1nm）和埃米（1
）。
1m=10-6m=10-4cm
1nm=10-9m=10-7cm
1
=10-10m=10-8cm
在过去的文献中，纳米（Nanometer）有时叫做豪微米（Millimicron）。
在光学领域中多使用纳米（nm）为单位。
2.光通量（）
光源在单位时间内，向周围空间辐射出的使人眼产生光感的辐射能，称为光通量（光量），并用符号表示。
单位为流明（lm）。
电光源每消耗1（W）功率所发出的流明数，又称光效（lm/W）。
3.光强
光源向周围空间某一方向单位立体角内辐射的光通量，称为光源在该方向上的光强度。
它表示了光源发光的强弱。
用公式表示为：
（公式4-9-1-1）
式中：
I——光强，单位为坎德拉（cd），也称烛光；
——光源在立体角内所辐射出的总光通量，单位用流明（lm）；
——光源发光范围的立体角，单位用球面度（sr）表示，即：
=s/r2，r为球的半径（m），s是立体角相对应的球表面积（m2）。
4.照度（E）
受物体单位面积上接受的光通量称为照度。
当光通量均匀地照射到某平面S上时，该平面的照度为：
（公式4-9-1-2）
式中：
E——照度，单位为勒克司（lx）；
——均匀投射到物体表面的光通量（lm）；
S——受照表面积（m2）。
5.亮度（L）
人眼对明暗的感觉不是直接决定于受照物体（间接发光体）的照度，而是决定于物体在眼睛视网膜上形成的照度。
所以亮度的物理意义，可理解为发光体在视线方向单位投影面上的发光强度。
如图4-9-1-1所示。
设发光体表面法线方向的光强为I，而人眼视线与发光体表面法线成角，因此视线方向的光强I=I*cos，而视线方向的投影面S=S*cos，由此得发光体在视线方向亮度为：
（公式4-9-1-3）
式中：
L——亮度，单位为尼特（nt）；
I——光强（cd）；
S——面积（m2）。
由上式推导看出，实际上发光体的亮度值与视线方向无关。
图4-9-1-1亮度定义的示意图
6.物体的光照性能
图4-9-1-2示出了当光通量投射到物体上时，分为三部分，即：
反射光通量，透过光通量和吸收光通量。
图4-9-1-2光通量投射在物体上的情况
—投射总光通；js—反射光通；xs—吸收光通；ts—透射光通。
为表征物的光照性能，引入了以下三个系数，即：
反射系数=js/（公式4-9-1-4）
吸收系数=xs/（公式4-9-1-5）
透射系数=ts/（公式4-9-1-6）
且：
++=1（公式4-9-1-7）
因为大多数物体之所以为我们看见，是因为它们把光线反射到我们的眼内，叫做漫反射，即：
光线向各个方向反射。
所以，在照明设计中，反射系数是一个重要的参数。
7.光源的显色性能
同一颜色的物体在具有不同光谱的光源的照射下，能显出不同的颜色。
光源对被照物体颜色显现的性质，叫做光源的显色性。
并用显色指数表示光源显色性能的好坏。
光源的颜色指数是指某光源照射下物体的颜色，与日光照射下该物体颜色相符合的程度，并将日光的显色指数定为100。
因此，物体颜色失真越小，光源的显色指数越高。
第二节电光源和照明灯具的种类及选择要领
利用电能发光的光源称为电光源。
电光源按发光原理分为：
热辐射光源，如：
白炽灯，卤钨灯等。
气体放电光源，如：
荧光灯，高压汞灯和高压钠灯两大类。
一.热辐射光源
最常用的热辐射类的电光源主要有：
白炽灯，卤钨灯，下面将分别介绍光源的工作原理和它们的特点。
1.白炽灯
白炽灯的结构简单价格便宜，使用方便，适用于频繁点燃的场所；白炽灯还有良好的调光性能，更适合作信号照明。
但是由于白炽灯是利用电流通过白炽体（钨丝）产生热量，使白炽体升高温至白炽状态而发光。
白炽灯的缺点是：
在高温下钨丝容易蒸发变细，因此使用寿命较短，白炽灯的发光效率低，抗振性能差。
因此白炽灯通常用在比较容易更换和避免振动的地方。
白炽灯可以是真空泡，但通常为了抑制钨的蒸发，一般在灯内充入氩，氮等惰性气体。
普通白炽灯由灯丝，支架，引线，泡壳和灯头组成。
灯头一般用黄铜或镀锌铁皮压制成，分为螺口和插口式两种，海上油气田上一般采用螺口式。
海上油气田上的白炽灯要求具有耐振动，耐潮湿的性能。
白炽灯在海上油气田的照明中使用的最广泛，其技术数据如表4-9-2-1所示：
表4-9-2-1普通白炽灯泡的主要技术数据
额定电压（V）
220
额定功率（kW）
15
25
40
60
75
100
150
200
300
500
1000
光通量（lm）
110
220
350
630
850
1250
2090
2920
4610
8300
8600
平均寿命（h）
1000
2.卤钨灯
在钨丝灯的密闭灯管内充入适量的卤族元素（如：
碘，溴等）和惰性气体，灯管发光时，被蒸发出的钨蒸汽在相对温度较低的管壁附近与卤素化合成卤化钨。
卤化钨再向管心扩散，在高温下又分解成卤素和钨，一部分钨又重新回到钨丝上，有效地抑制了钨的蒸发，这样就相对提高了灯的寿命和光效。
卤化灯的特点是灯管直到寿命终止时，光通量也只下降2%~5%，但是卤钨灯管耐振性差，安装水平要求高。
二.气体放电光源
常用的气体放电光源的照明灯具很多，下面主要介绍荧光灯，荧光高压汞灯，高压纳灯和金属卤化物等几种海上油气田中最常用的照明光源。
1.荧光灯
荧光灯是一种管状发光体，两端有钨丝电极，管内充有低压汞蒸汽及少量惰性气体，管子内壁涂有荧光粉。
当灯丝通电预热后，起辉器断开镇流器，产生反电势使灯管两电极间被击穿放电，汞原子在电离过程中被激发出紫外线照射到荧光粉就发出可见光。
荧光灯要求供电电压的波动范围为10%。
如果供电电压过高或过低的话都会影响荧光灯的使用寿命。
荧光灯管除直管形外，还可做成环形和U形等。
管壁涂以不同成分的荧光粉可得到不同的光色，通常分为日光色，冷白色及暖白色。
荧光灯具有负电压-电流特性，为了限制放电时的工作电流，保证工作稳定，需要串联一个镇流器，同时还可以提高瞬间起动电压，有时还需要使用起辉器。
目前海上油气田开发工程设施上使用的荧光灯的起动方式，通常使用起辉器起动和手动起动两种方式，如图4-9-2-1和图4-9-2-2所示，前者主要适用于篷顶灯，壁灯和舱顶灯等，后者一般用按钮，所以也叫按钮式，主要适用于台灯和床头灯。
图4-9-2-1荧光灯起辉器起动方式
图4-9-2-2荧光灯手动起动方式
交流供电的荧光灯的功率因数较低，通常为0.5（滞后）左右，为了得到超前的功率因数，可以串入一个电容，如图4-9-2-3所示。
图4-9-2-3串联补偿电容线路
为改善功率因数，可在线路中并联一个电容，如图4-9-2-4所示，这样功率因数可提高到0.85~0.9（滞后）。
图4-9-2-4并联补偿电容线路
对于滞后回路，接入电容的大小，可由公式4-9-2-1决定：
（公式4-9-2-1）
式中：
C——电容，（f）；
f——电源频率（Hz）；
U——电源电压（V）；
1——功率因数改善前的滞后角；
2——功率因数改善后的滞后角；
W——灯管的总功率（kW）。
为了改善功率因数，并减少霎光效应所引起的闪烁现象，采用双管制接法，功率因数几乎可提高到0.95~1，见图4-9-2-5。
图4-9-2-5双管制的接线图
以上是荧光灯的基本工作线路，实际上荧光灯还有快速起动，冷阴极瞬时起动等多种起动方式及防止电波干扰的实用工作线路。
2.荧光高压汞灯
荧光高压汞灯分普通荧光高压汞灯，反射型荧光高压汞灯和自镇流荧光汞灯。
该类灯的外玻璃壳内壁均涂有荧光粉，它能将壳体内的石英玻璃汞蒸汽放电管辐射的紫外线转变为可见光，以改善光色，提高光效。
反射型荧光高压汞灯外玻璃壳内壁上部镀有铝反射层，具有定向反射性能，可用做卸货甲板，生产和井口作业区的照明用。
荧光高压汞灯的结构图见4-9-2-6。
图4-9-2-6荧光高压汞灯结构图
在石英放电管内充有高压蒸汽和少量惰性气体，玻璃外壳涂有荧光粉。
辅助电极相当于起辉器，电阻起限流作用。
工作原理类似日光灯，也需要与镇流器配合使用。
荧光高压汞灯是一种光效高，功率大的照明光源。
荧光高压汞灯的工作电路如图4-9-2-7所示。
图4-9-2-7荧光高压汞灯的电路图
在电源接通后，先在引燃电极E3和主电极E1之间产生辉光放电，然后过渡到主电极E1和E2之间产生弧光放电。
R的作用是限制辉光放电电流。
灯点燃的初始阶段电流较大，待4~8分钟后，放电趋向稳定，即进入正常工作状态。
若电源中断，灯即熄灭。
灯内汞蒸汽压力很高，在灯未冷却时相应的点燃电压也很高，所以当电源再接通电源时，灯也不能立即点燃。
通常需要间隔5~10分钟，待灯管冷却，灯内汞蒸汽凝结后才能再起动。
定货时，需要特别注意的是：
荧光高压汞灯必须与相应规格的镇流器配套使用。
3.高压钠灯
高压钠灯是在放电管内除汞及惰性气体外，加入过量的纳。
由于纳在可见光范围内比汞具有较高的辐射效率，高压纳灯的发光效率约为高压汞灯的两倍，显色性也比高压汞灯好，因此高压钠灯更具发展优势。
高压钠灯是利用高压钠蒸汽发光，光呈淡黄色，其工作电路如图4-9-2-8所示。
图4-9-2-8高压钠灯电路图
灯在冷却时，双金属片闭合。
当灯接通电源，电流经加热线圈b和双金属片时，双金属片受热后由闭合状态断开，此时镇流器L产生高压脉冲使灯点燃。
灯点燃后，放电的热量使双金属片保持断开状态。
高压钠灯由点亮到稳定工作约需要4~8分钟。
高压钠灯应与镇流器配套使用。
当电源中断，灯熄灭后，即使立即恢复供电，灯也不能立即点燃。
约经10~20分钟，待双金属片冷却并闭合时，才能再次起动。
4.金属卤化物灯
金属卤化物灯简称金卤灯，与高压汞灯的主要差别是放电管内除汞及惰性气体外，还含有一种或多种金属卤化物，如：
碘化纳，碘化铟等。
由于各种金属原子被激发放电，使光效和显色性大大提高。
金属卤化物灯的尺寸小，功率大，尤其是抗电压波动的稳定性比荧光高压汞灯高。
金属卤化物灯的发光原理是：
在高压汞灯内添加某些金属卤化物，靠金属卤化物的循环作用，不断向电弧提供相应的金属蒸汽，金属原子在电弧中受电弧激发而辐射该金属所具有的特征光谱线。
选择适当的金属卤化物，并控制它们的比例可制成不同光色的金属卤化物灯。
金属卤化物灯的工作线路与高压汞灯相似。
三.常用电光源的主要技术指标的比较
现将常用光源的各项技术指标进行综合比较，列在表4-9-2-2，供设计人员在进行照明系统的光源选型时参考。
表4-9-2-2常用光源的主要技术特性的比较
名称
白炽灯
荧光灯
荧光高压汞灯
高压纳灯
金属卤化物灯
技术特性
额定功率（W）
15~1000
6~200
50~1000
250~400
250~3500
发光效率（lm/W）
7~19
25~67
30~50
90~100
60~80
使用寿命（h）
1000
2000~3000
2500~5300
3000
2000
显色指数（%）
95~99
70~80
30~40
20~25
65~85
起动稳定时间
瞬时
1~33
4~8分钟
4~8分钟
4~8分钟
再起动时的时间
瞬时
瞬时
5~10分钟
10~20分钟
0~15分钟
功率因数
1
0.33~0.7
0.44~0.67
0.44
0.4~0.9
电压波动不宜大于
±5%
±5%
±5%
±5%
优缺点
频闪效应
无
有
有
有
有
电压变化对光通量的影响
大
较大
较大
大
较大
温度变化对光通量的影响
小
大
较小
较小
较小
耐震性能
较差
较好
好
好
好
附件的配置
无
镇流器,起动器
镇流器
镇流器
镇流器,触发器
适用场所
广泛适用于各种室内,外场所
广泛适用于各种室内,外场所
适用于室外的卸货甲板和作业区域
同左。
不易用于封闭式的灯具（温升高）中
适用于室外的卸货甲板和作业区域
四.照明灯具及其选择
照明灯具是一种控制一个或多个光源的出射光分布的装置，它由光源，即：
灯泡（或灯管），灯具（这里主要指灯罩）和所有固定和保护这些灯泡以及把灯泡（或灯管）连接到供电电路所必须的零部件。
灯具的主要作用是：
固定光源；将光源的光线按照需要的方向进行分布，保护光源不受外力损伤。
配光是灯具的重要特性，它显示了光源在空间各个方向的光强分布，是衡量灯具性能好坏的重要指标。
灯具的配光曲线对照度计算和灯具的选择起着重要的作用，灯具制造厂应随灯具资料提供配光曲线供业主参考。
1.照明灯具的基本特征参数
1）配光曲线
裸露的灯泡所发出的光线是向四周发射的，为了充分的利用光能，加装灯罩后可使光线重新分配，称为配光。
为了表示光源加装灯罩后，光强在各个方向的分布情况而绘制在对称轴平面上的曲线，称为光强分部曲线，也叫配光曲线。
图4-9-2-9所示是绘制在极坐标上的配光曲线。
图4-9-2-9配光曲线
（a）配光曲线示意图；（b）配照型灯具的配光曲线
1—均照型；2—广照型；3—配照型；4—深照型
为了便于比较照明灯具的配光特性，通常按光源为1000流明的光通量的假想光源来绘制光强分布曲线。
2）保护角
保护角是以衡量灯罩保护人眼不受光源（灯丝）耀眼，即：
避免直接眩光的一个指标。
。
一般照明灯具的保护角为灯丝的水平线与灯丝炽热体最外点和灯罩边界线的联线之间的夹角，图4-9-2-10所示。
图4-9-2-10照明灯具的保护角
线光源照明灯具通常以横断面保护角说明其避免直射眩光的范围。
3）照明灯具的效率
在灯罩重新分配光源的光通量时，将有一部分被灯罩吸收，引起光通量的损失。
所以，灯具辐射的光通量1与光源辐射出的光通量2之比，称为灯具的效率，即：
（公式4-9-2-2）
照明灯具的效率是评价其技术经济效果优劣的一个指标。
它的大小决定于灯具的材料，形状和灯丝的位置等。
照明灯具的效率一般为0.5~0.9。
2.照明灯具的类型
由于海上油气田开发工程设施上的环境条件比陆地上恶劣，因而对海上油气田开发工程设施上的灯具的结构和型式有着更高的要求。
在选择照明灯具时，应从环境条件，照明设计的要求和经济性等综合因素来考虑，才能使照明设计即满足使用者的生产和生活的需求，又达到规范和标准的安全规定。
灯具有多种分类法，可按配光特性和结构特性（或防护特性）进行分类。
1）按灯具的配光特性分类
按灯具的配光特性分类，有两种分类法：
一种是国际照明委员会（CIE）提出的分类法，另一种是传统的分类法。
（1）CIE分类法。
根据灯具向上和向下投射光通量的百分比，将灯具分为以下五种类型：
a）直接照明型——灯具向下投射的光通量占总光通量的90%~100%，而向上投射的光通量极少。
b）半直接照明型——灯具向下投射的光通量占总光通量的60%~90%，而向上投射的光通量只有10%~40%。
c）均匀漫射型——灯具向下投射的光通量与向上投射的光通量差不多相等，各为40%~60%之间。
d）半间接照明型——向上投射的光通量占总光通量的60%~90%，灯具向下投射的光通量只有10%~40%。
e）间接照明型——向上投射的光通量占总光通量的90%~100%，灯具向下投射的光通量极少。
（2）传统分类法。
根据灯具的配光曲线形状，将灯具分为以下五种类型（见图4-9-2-9）：
a）正弦分布型——发光强度是角度的正弦函数，并且在=900时发光强度最大。
b）广照型——最大发光强度分布在较大的角度上，可在较大的面积上形成均匀的强度。
c）漫射型——各个角度的发光强度基本一致。
d）配照型——发光强度是角度的余弦函数，并且在=00时发光强度最大。
e）深照型——光通量和最大发光强度值集中在00~300的狭小范围内。
2）按灯具的防护特性进行分类：
海上油气田开发工程设施上使用的灯具应该按照国际电工技术委员会IEC制定的对潮气和尘埃穿透的防范程度的分类法分类。
海上油气田开发工程设施上的常用的灯具的防护型式主要是：
（1）开启式。
这类灯具内的电光源可以与外界介质自由接触，仅用于临时或移动照明。
（2）防护式。
这类灯具内的电光源可以直接与外界用透光罩隔开，可用于较干燥的舱室。
比如：
生活区的居住舱室，休息室，餐厅，娱乐室，主配电间，应急配电间，变压器间，报房和中控室等。
（3）防溅式。
这类灯具可防止水滴从垂直角度浸入，可用于飞溅的场所。
如：
露天甲板和走道等。
（4）保水式。
这种型式灯具的灯罩和外壳之间的接合处有密封填料，而且在电缆进线处装有填料函，使其内部电光源与外界很好地隔开。
这种灯具可用于不仅有水飞溅，而且可能有凝水的场所，例如：
浴室，厕所，机泵舱和油泵舱等。
在露天甲板和外走道也推荐使用这种灯具。
（5）防爆式。
这种灯具的结构能保证在任何条件下，不会因为灯具的点燃或断开，造成引爆或引燃。
各种防爆灯具可用于相应的危险区内。
例如：
井口作业区，油罐区，天燃气处理设施和原油外输设施等区域。
在进行照明灯具的选型时，照明灯具安装的位置和场所除了应根据灯具的防护形式和防护等级来选择以外，还应该严格遵守，并对照“海上固定（移动式）平台入级与建造规范”中电气设备的防护等级的最低要求和危险区的划分的要求来选择合适的照明灯具。
3.照明灯具的悬挂高度
照明灯具不能悬挂过高。
如悬挂过高，就会降低工作面上的照度。
如果满足了照度要求，势必增大光源的功率和价格，不经济。
除此之外，对照明灯具的运行和维修（更换灯泡）带来不便。
照明灯具也不能悬挂过低，尤其是室内的照明灯具。
如悬挂过低，一方面容易被人碰撞，造成不安全隐患；另一方面会产生眩光，降低人的视力。
按照GB50034-92规定，一般照明灯具的最低悬挂高度如表4-9-2-3所示。
表中所列灯具的遮光角（即：
保护角）的含义，如图4-9-2-10所示，表征了灯具的光线被灯罩遮盖的程度，也表征了灯具对人眼直射眩光的范围。
表4-9-2-3一般照明灯具的悬挂高度
光源种类
灯具型式
灯具遮光角
光源功率/W
最低悬挂高度
白炽灯
有反射罩
100~300
100
2.5
150~200
3.0
300~500
3.5
乳白玻璃漫射罩
—
100
2.0
150~200
2.5
300~500
3.0
荧光灯
无反射罩
—
40
2.0
40
3.0
有反射罩
—
40
2.0
40
2.0
荧光高压汞灯
有反射罩
100~300
125
3.5
125~250
5.0
400
6.0
有反射罩带栅格
300
125
3.0
125~250
4.0
400
5.0
金属卤化物灯和高压纳灯
有反射罩
100~300
150
4.5
150~250
5.5
250~400
6.5
400
7.0
有反射罩带栅格
300
150
4.0
150~250
4.5
250~400
5.5
400
6.5
第三节照度计算与测量
为了创造良好的工作条
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