浅谈城市道路照明的配电和控制设计

王 敏

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海200092）

0 前言

随着城市的快速发展，城市内部、城市之间的道路网也在日益延伸和扩展。近几年来市政行业中的道路工程不断从一线城市、沿海城市向周边城市延伸，各大城市内部的道路也不断扩展以适应日益繁忙的城市交通。在加快城市本身的发展同时也带动了周边城市的发展。城市道路工程中的道路照明也尤其令人关注，既要满足功能要求，又能作为城市景观的点缀，还要能满足国家节能减排的要求，这对道路照明的设计要求和设计难度都有较大提高。为此国家建设部在2006年年底改编了《城市道路照明设计标准》，于2007年7月1日正式实施。同时随着国家各种标准规范与IEC的不断接轨，新的理念也不断地在实际工程中得到应用，因此本文主要想讨论近年来道路照明设计中应该注意的几个问题。

1 道路照明配电系统的接地形式

由于道路照明负荷是线性的非终端负荷，负荷电压等级低（220VAC），配电距离较长（可超过1 km），因此为了保证较小线路损耗、配电距离可以更长，一般多采用380 V作为主干线路的配电电压，引至每套灯具后断开主干线路，取某相的相电压引入灯具，整条线路设计时尽可能做到三相负荷平衡和三相的压降值接近。根据新规范6.1.9条款，道路照明配电系统的接地形式宜采用TN-S制或TT制，两种接地制式各有利弊。按规范条文说明的解释，采用TT制必须采用漏电保护装置，而TN-S制没有此要求。目前道路照明设计采用TN-S制的配电系统往往不设漏电保护，配电回路断路器也仅考虑瞬时过电流脱扣器。单相接地故障保护往往并不计算故障电流，也不复核保护电器的动作可靠性，这是不合理的，尤其在道路照明这种比较特殊的供配电系统中显得更不合理。采用TH-S制时，应该进行单相接地故障电流的计算，然后确定是否可以用断路器的瞬时过电流脱扣器兼作单相接地保护。下面将以图1所示为例作说明。

TN-S接地制式中，当发生单相接地故障时，故障电流是沿相线L和保护线PE回路流回电源侧的，此时的单相接地电流计算公式：

Id=（公式中的分子应为kV系统中即为

式中：Zphp——系线路的相保阻抗。

图1中假定故障线路为0.6 km长的25 mm2电缆，PE与相线同截面的，当线路末端发生单相接地故障时，故障电流计算：

从图1可看到PE的主要作用是在单相接地故障时提供故障电流返回电源侧，以供保护电器动作用，因此PE线的截面除了要考虑一定机械强度外，还要能够承担单相接地故障电流的载流量，这也是道路照明线路采用5芯同截面设计的原因。

单相接地的故障电流切除有断路器和熔断器两种，采用熔断器保护时，根据熔断器容量的不同，故障电流切除的灵敏度也各不相同，范围在4.5～7倍。即道路照明配电回路中采用16 A熔体电流的熔断器兼作单相接地故障保护时，要使熔断器可靠动作的单相接地故障电流必须大于等于5 Ih，即80 A。采用断路器作为单相接地保护电器时，其灵敏度要求为不小于1.3倍，但是断路器切断单相接地故障的脱扣器为瞬动或短延时，这意味着，假设配电回路采用整定电流值为16 A断路器，其瞬动脱扣器是10 Ih，即为160 A，那么故障电流必须大于等于160×1.3=208（A）时才能保证可靠跳闸。若是图1所示的仅600 m的单相接地计算电流就不足以保证断路器的瞬动脱扣器可靠跳闸。

怎么解决呢？关键在于增加故障电流，如放大导线截面，缩短电缆配电长度等等，也可以采用带短延时脱扣器的断路器，短延时脱扣器的瞬动倍数在1.5～5 Ih之间可调，也就是动作电流减小很多，还有就是采用带漏电保护的断路器，带漏电保护的断路器价格非常昂贵。由于道路照明多采用电缆埋地敷设，因此正常情况下的线路及设备本身就具有一定漏电流。根据设计手册，25 mm2截面的电缆，每km的漏电流为70 mA。根据工程经验，这个数据在潮湿天气会更大。因此设计采用带漏电流保护的断路器时需要避开正常的漏电流，否则断路器极易误动作。由于道路照明发生单相接地故障多为间接接触，因此无需按照防止直接接触带电体的30 mA要求整定漏电电流，可适当放大。

从以上论述可见，道路照明的配电系统采用TN-S制也应进行单相接地故障电流的计算，并复核保护电器的动作灵敏度，确保发生单相接地故障时保护电器可靠动作。

2 节能要求

新规范与原规范的最主要区别是增加了节能的要求，具体体现在7.1.2条款中。该条款为强制性条文，规定了不同道路等级和照度标准的道路单位面积的最高耗能，在满足照度、均匀度等标准的条件下，单位面积的耗能不得大于规范规定数值，该功耗还包括灯具镇流器的功耗。从新规范中可以看到对道路照明设计的节能要求大大提高了。按照这个要求，设计必须采用高光效的灯源、灯具，低损耗的镇流器。基于这个要求，灯杆的间距和高度设计随意性也没有那么大了，基本上照度和均匀度刚刚符合要求的数值才能满足7.1.2条款中的强制性条文要求。

3 路灯控制方法

除了灯源、灯具、灯杆的设计以外，路灯的控制也是节能的一项极为重要的举措。城市道路照明的一个特点是半夜或者后半夜以后很多道路车流量和人流量降低，因此可以适当降低半夜或后半夜的照度达到节能的目的，这也是设计中常说的半夜灯控制要求。目前国内各地均有不同做法，一些大城市交通繁忙，车辆错时运行，晚上流量也不低，因此没有半夜灯要求。也有很多中小城市或者大城市中的工业区、大型小区等晚间的车流量很少，因此都可以按半夜灯控制要求来运行，可在晚间节省20%～50%的电能。

国内道路照明工程中电源一般为电业部门设置10/0.4 kV箱式变或地埋变，引出若干回路至路灯控制箱（也称路灯监控箱）从路灯控制箱进线电源桩头开始及其以后所有设备属于路灯所管理，之前属于供电局管理，电费计量点一般不设在箱变内。道路监控、景观照明等其它道路相关用电负荷若要从道路箱变取电，往往需要设置单独电费计量点。路灯的开关控制一般是根据室外光线的明暗和时间变化进行自动控制的，控制装置设置在路灯控制箱内，均为就地自控，若需要遥控，则可通过增加控制器接口来实现控制中心的遥控。实现半夜灯的控制要求，可通过很多方法，目前各地城市都有各自的习惯要求和做法，可以采用新型设备，可以在配电系统设计时实现，笔者在此介绍几种常用的方法。

3.1 采用调压的方式

在照明配电回路中采用变压器，开关灯时可通过逐步调压的方法使启动电流和关灯电流较小，这个方式在开关灯时就能适当降低能耗。当半夜需要调低照度时，可采用调低变压器输出电压的方式，适当降低灯具的光照度来实现，由于目前道路照明采用的多是气体发光灯，对电压要求较高，电压降过大末端的灯具会熄灭，因此其调节的幅度不大，一般约在20%。优点是沿线每套灯具的光照度同时下降，照明的均匀度变化不大，驾驶员的眼睛容易适应。这个方式在欧美国家使用较多，因此该类控制器的进口产品种类较多。

3.2 采用新型镇流器

为了满足全球大形势下的各个国家的节能减排要求，飞利浦等照明光源公司纷纷推出一种新型的气体发光灯镇流器，其输出功率是可变的，考虑到节能的效率和产品的投资增加，目前镇流器多为150 W/250 W/400 W三档可调输出，当半夜需要调低照度时，可自动在设定时间段内，调整输出功率，当从正常输出的400 W调整为250 W或150 W输出时，灯具的光通量下降，照度也相应变低。采用这种镇流器的节能效率也是较明显的，可达到40%～50%，均匀度变化也不大。缺点是投资较大，而且对于小功率照明的路灯，由于产品一次投入大，节能率相对低，收回投资年限长，因此还没有推出对应的产品。

有的地方为了节省投资并实现半夜灯控制，也有在1套灯具内装设两套光源，半夜车流少时，可关闭其中1套。这样做的优点是半夜灯时道路均匀度不降低，缺点是光源数量翻倍，维修工作量增加，且小功率照明的道路不适用。

3.3 采用单相双回路设计配电系统（见图2）

每个回路采用四芯同截面电缆，为单相双回路送电，共用N线和PE线，三个回路分别为A1+A2+N+PE、B1+B2+N+PE、C1+C2+N+PE，每回路不同回路的线芯间隔接至每套灯具。A1～C1引自全夜母线，A2～C2引自半夜母线。

图2 道路照明控制柜带半夜灯控制的单相双回路配电系统图

当全夜灯时，全夜母线和半夜母线接触器均合闸，A1～C1母线和A2～C2母线均有电，当到达设定时间和光线时，半夜母线接触器分闸，A2～C2 母线失电，三个回路中的 A2、B2、C2 相线所接的灯具即时关闭，这样半夜时可间隔关闭一半路灯。

设计时需要注意以下几点，首先是三相的平衡，无论是全夜母线还是半夜母线，或者是再上一级进线处，三相负荷尽可能设置平衡；其次是压降计算时要考虑单相双回路供电时，中性线上的电流是两个单相的叠加，压降更大。缺点是电流较大，配电距离短，压降大。优点是不增加设备投资的条件下，利用单根电缆可实现半夜灯控制。

3.4 采用两相供电设计配电系统（见图3）

这个配电系统与单相双回路相比，只是每回路中两根相线的相位不同，其它接线形式、控制方式等完全一样。全夜母线为A1～C1，半夜母线为A2～C2， 三 个配 电 回路 分 别 为 A1+B2+N+PE、B1+C2+N+PE、C1+A2+N+PE。

图3 道路照明控制柜带半夜灯控制的两相供电配电系统图

该配电系统的运行模式半夜灯也是间隔关闭。与单相双回路的区别在于回路电流较小，线路损耗较低，线路压降小，同样条件下可采用较小截面的配电电缆，相比之下该配电系统更为节能。设计时要注意，在半夜灯运行模式下，其配电是单相回路供电，因此该系统的压降计算更为复杂，对设计要求较高。优点与单相双回路相同。缺点是全夜灯运行模式下，电缆处于缺相运行状态，中性线的绝缘应与相线相同。

3.5 采用三相供电的半夜灯控制配电系统（见图4）

图4中三相5芯电缆作为配电线路。

全夜灯模式运行时，与没有半夜灯控制的常规道路照明配电模式完全一样。当到达设定时间进入半夜灯模式时，切除每条配电回路的其中一相电源，这样沿线灯具间隔两盏关闭一盏。优点是全夜灯运行模式下，相比两相配电系统，三相配电系统的回路电流更小，线路损耗更低，线路压降更小；同样也能采用一根电缆满足间隔关灯的控制要求。缺点是无论全夜灯还是半夜灯运行模式下，电缆均处于缺相运行状态，中性线的绝缘应与相线相同。

图4 道路照明控制柜带半夜灯控制的三相供电配电系统图

3.6 新光源和照明控制系统

在国外，以及国内的小部分小区，采用了这样一种控制方式进行节能，若是说之前的几种方式都是粗线条的控制模式，这种方式就是非常精细的控制。下面介绍一下其基本理念。

在车流和人流较少的区域里，路灯的控制完全由往来的人流或车流控制，在道路上设置监测点，当监测到人或车经过时，路灯会在人或车的到来前逐盏点亮，并在人或车经过后依次关闭。这种控制方式最大的优点是最为节能。这在以前是无法完成的，因为对光源提出了较高的要求，能频繁开启和瞬间燃亮，常规的高压钠灯不具备这种要求，随着LED光源、无极灯、节能灯等光源产品的发展，目前的光源已经可以实现这种设想。

在城市道路照明中，这种控制方式也可以采用更加“模糊”的控制，可以监测车流量和人流量，根据流量变化来调节灯具功率的输出，以适应不同道路模式下的照度要求。

4 结语

本文对近年来城市道路照明设计中的若干应注意的问题发表笔者的一些看法，仅供同行参考。相信在不久的将来，随着光源、灯具、镇流器等设备的发展，新型的路灯控制系统可以使城市道路照明的设计更加节能。

[1]CJJ45，城市道路照明设计标准[S].

[2]GB50054，低压配电设计规范[S].