由茂名市海洋大道照明工程设计谈城市道路照明设计方法

2019-04-08杨洋

工程建设与设计 2019年6期

杨洋

（北京市市政专业设计院股份公司，北京100037）

1 引言

城市道路照明系统能够为驾驶员和行人提供良好的视觉环境，具有保证行车安全、减少交通事故、美化城市景观的作用。随着节能减排这一概念的提出，照明节能在道路照明设计中的重要性也日益提高。本文通过对广东省茂名市海洋大道照明工程设计的分析总结，阐述城市道路照明的设计方法。

2 道路照明指标计算

城市道路照明中，评价机动车交通道路照明质量的主要指标有路面平均亮度、路面亮度总均匀度和纵向均匀度（或路面照度均匀度）、眩光限制、环境比SR和诱导性。CJJ 45—2015《城市道路照明设计标准》[1]（以下简称《标准》）中对不同等级的道路其各项指标的数值均有明确要求，标准值见表1。

表1 CJJ 45—2015表3.3.1机动车交通道路照明标准值

在道路照明设计中，设计者往往根据道路的横断面形式以及《标准》中表5.1.3关于灯具的配光类型、布置方式与灯具的安装高度、间距的关系之规定确定灯具布置方式，在灯杆布置方案确定后，进行平均照度的计算[2]。平均照度计算采用利用系数法，计算公式为：

式中，φ为光源的总光通量，lm；U为利用系数；K为维护系数；W为道路宽度，m；S为路灯安装间距，m；N为与排列方式有关的数值，当道路一侧排列或交错排列时N=1，相对矩形排列时N=2。

海洋大道标准横断面机动车道宽24m。根据《标准》中表5.1.3之规定，本工程确定照明设计方案为选用12m路灯，灯杆间距36m，双侧对称布置，光源选用400W高压钠灯。将上述参数带入式（1），得

这一结果满足城市主干道平均照度高档值30lx的规定，往往至此设计者便认为此方案已满足规范要求。而对于平均亮度、均匀度、眩光限制阈值等参数由于计算复杂而被忽略，道路上对照度的感知是不同于亮度的，机动车道上的驾驶员是感知路面上的亮度，因此，机动车道路上评价用的指标应该是亮度，而不是照度。因此，对于《标准》要求的每个照明指标的计算都是必要的，为方便计算，可以利用照明设计软件进行道路照明设计模拟。

DIALux是一种免费的照明计算软件，通过DIALux可以构建道路模型，将灯具布置方式及具体灯具导入到模型中便可得到相应的道路照明计算结果。对本工程设计方案分别选取不同灯具利用DIALux进行模拟计算。计算结果如图1、图2所示。

图1 N RS001/400WN A V-T光源路灯等辉度图及灯具配光曲线

图中，U0为路面最小亮度与最大亮度的比值；U1为路面各车道的中心线上的最小亮度与最大亮度的比值的最小值；C0°～C180°和 C90°～C270°是坐标轴中的 2 个剖面；η 为灯具的效率。

通过计算结果可以看出，同样的灯具布置方式，选取不同灯具，产生的照明效果相差很大，因此，设计者不应拘泥《标准》中表5.1.2中截光型灯具S≤3H（H为灯具的安装高度）的规定，而是应通过模拟计算，选择最合适配光的灯型，实现最经济、最节能、最舒适的灯具布置方案。

图2 N RS007/400WN A V-T光源路灯等辉度图及灯具配光曲线

3 道路照明配电系统设计

3.1 道路照明接地形式的比较

道路照明具有照明设备设于户外、供电距离长，负荷分散等特点[3]。由于无法实施等电位接地，其供电安全性及可靠性尤为重要。

《标准》6.1.8条规定：“道路照明配电系统的接地形式应采用TT系统或TN-S系统，并应符合GB 50054—2011《低压配电设计规范》的相关规定。采用剩余电流保护时，还应满足GB/T1 3955—2017《剩余电流动作保护装置安装和运行》的相关规定。

采用TN-S系统时，通常做法为：采用5芯电缆、或4芯电缆和一根接地扁钢作PE线，将PE线与金属灯杆及构件、灯具外壳、灯杆基础内钢筋、人工接地极连接成一个整体。其特点是通过专用PE线将电气设备金属外壳连接，PE线上没有对地电压，安全可靠。

采用TT系统时，通常做法：采用4芯电缆，每根灯杆下打一根50mm×50mm×5mm、长L=2500mm的角钢接地极。其特点是电气设备金属外壳直接接地，减少触电危险性，对人员更安全。

近几年，针对这2种系统优劣的讨论也很多，许多道路照明设计人认为室外照明配电系统采用TT系统更好，甚至认为城市道路照明配电系统不应采用TN-S接地形式。笔者认为这2种形式各有特点，选择哪种接地形式应该根据工程具体情况具体分析，不能一概而论。

3.2 采用TT接地系统的问题

采用TT系统的优点主要有以下2方面：

1）TT系统的接地故障保护一般采用剩余电流动作保护器RCD，接地故障保护的灵敏性很高，从而保障了间接接触电击保护的有效性。

2）相对TN-S系统而言，照明配线采用4芯电缆，节省一根PE线，可以避免发生接地故障时，中性点对地电位升高，保护性传导故障电压而造成的间接触电事故。

一般情况下，TT系统对配电系统有更好的保护灵敏性和安全性，但道路照明为室外环境，TT系统使用RCD作接地故障保护，其保护灵敏度过高，容易误动作，影响正常使用。正常情况下照明线路（YJV电缆）的泄漏电流约为70mA/km，根据剩余电流动作整定值应等于或大于正常泄漏电流的2.5～4倍的关系，1km线路剩余电流动作保护整定值取100～500mA较合适。然而室外条件下，雨水、污染、温差对线路和设备的泄漏电流均有较大的影响。在实际工程应用时往往由于环境因素造成灯具、线路泄漏电流的变化造成保护电器误动作，导致可靠性降低，这势必会造成安全隐患。例如，笔者在北京某工程上曾采用TT系统，RCD整定值100mA，但由于雨季时频繁误动作，导致管理部门最终取消了剩余电流保护功能，使供电的安全性大打折扣。由于该工程所在地茂名市是我国南部海滨城市，当地雨季较长，雨量较大，从工程实际应用可靠性角度出发，该工程接地保护采用TN-S系统[4]。

3.3 TN-S接地系统的改善措施

该工程在使用TN-S系统时，针对其自身存在的缺点进行了适当的改进。当采用TN-S系统时，工程普遍做法是仅将PE线与灯杆金属部分相连，从而忽略了每根灯杆的重复接地，但是每根灯杆的重复接地对TN-S系统的改进是非常重要的。

在TN-S系统中，由于接地保护干线的存在，一旦发生相线对地故障，在保护电器动作之前，保护干线会带上故障电压，并传导到设备外壳，容易发生触电危险。如图3所示，保护线路上的故障电压为Uf，接地故障电流为Id，TN系统中所有与电源系统接地并联的接地极的接地电阻总和为Rb，Uf=IdRb。为避免电击危险，IEC标准规定需要满足以下要求：

式中，Re为不与PEN线或PE线相连接的装置外导电部分与大地间的最小接触电阻；U0为相线对地标称电压。

以U0=220V代入式（2）和式（3），可得：

图3 TN-S系统接地故障示意图

由于Re不是确定的值，因此，Rb也不是确定的值，但Rb的取值应尽可能的小。可采用减低电源侧接地电阻，同时在保护线上重复接地的方法，如图4所示（此时将R1设为电源接地电阻），相当于电源系统并联接地极。同时让接地极的接地电阻Rn≤R1，根据图5等值电路所示，保护线的总接地电阻为：

式中，R1为系统电源接地电阻；Rn为保护线的总接地电阻。

因R2～Rn≤R1，所以

n越大，即重复接地越多，则Rb≪Re，从而满足式（4）和式（5）。

图4 TN-S系统重复接地示意图

因此，该工程采用TN-S系统，具体做法为采用5芯电缆供电，将PE线与金属灯杆及构件、灯具外壳、灯杆基础内钢筋、人工接地极连接成一个整体的同时，每根灯杆下打一根50mm×50mm×5mm、长度L=2500mm的角钢接地极。

3.4 TN-S系统保护电器的选择

根据GB 50054—2011《低压配电设计规范》[5]第5.2.9条，当发生接地故障时，保护电器切断故障电路的时间≤5s。道路照明线路一般较长，线路末端发生接地故障、单相短路时，其故障电流比较小，因此，对于道路照明配电线路、保护电器选择，要满足保护电器的动作灵敏度要求，需要进行末端单相接地短路电流的校验。

图5 TN-S系统重复接地等值电路示意图

该工程采用断路器作为线路短路、过负荷保护器件，根据《工业与民用配电设计手册》第三版[6]（以下简称《手册》）中规定：

式中，Iset1为断路器长延时过电流脱扣器整定电流，A；IC为照明线路计算电流，A；Iset3为断路器瞬时过电流脱扣器整定电流，A；Krel3为断路器瞬时过电流脱扣器可靠系数，此系数取决于电光源启动状况，本工程光源选用高压钠灯，系数取值4～7；Idmin为照明线路预期短路电流中最小短路电流，A。在TN-S系统中，Idmin为线路末端单相短路电流。

同时满足式（6）～式（8），即认为此断路器整定值能够满足配电线路的短路保护、过负荷保护、接地故障保护的要求。

现针对采用TN-S系统的常用设计参数进行通用分析。

电缆选用交联聚乙烯电缆YJV型，截面分别设为YJV-5×16mm2、YJV-4×25mm2+1×16mm2、YJV-5×25mm2、YJV-4×35mm2+1×16mm2、YJV-5×35mm2。

断路器长延时过电流脱扣器整定值Iset1取50A、40A、32A、25A，取Krel3为5，断路器瞬时过电流脱扣器整定值为250A、200A、160A、125A。

配电线路长度分别取400m、500m、600m、700m、800m。

根据《手册》表4-32提供的计算方法（短路点阻抗计算时忽略系统、变压器、母线等元件阻抗），分别计算上述电缆线路参数在不同配电长度上的末端接地故障电流Idmin，计算结果如表1所示。

表1 不同截面电缆不同配电线路长度下的末端接地故障电流A

由表1中计算结果可知，若线路超过800m，基本不能满足保护要求。若配电回路长度增加，则需要增大电缆截面。为保证工程经济性、同时降低施工难度，电缆最好控制35mm2以下，配电回路控制在约500m为宜，本工程电缆选择YJV-5×25mm2，配电长度 500m，断路器Iset1取 25A、Iset3取 125A。

根据《手册》中表4-25可知，相线截面大于16mm2的电缆，为满足保护要求，增大PE线截面比增加相线截面更有效。如 5×25mm2的单位长度阻抗小于 5×35mm2+1×16mm2，其故障电流计算值反而更大。

3.5 道路照明节能

3.5.1 我国道路节能现状

随着我国经济的日益增长，能源日趋紧张，城市道路照明的能耗问题日益突出，因此，照明节能的意义重大。我国现在道路照明设计往往追求高指标、高照度标准、比较重视对灯杆、灯具造型的设计，而忽视灯具的配光性能、照明计算，导致道路照明质量不高、能源浪费现象严重。我国传统的道路照明一般采用定时器控制、后半夜隔灯关闭，这种方法不能即时调整开/关灯时间，造成能源浪费。而且隔灯关闭容易造成道路照明不均匀，造成安全隐患。

3.5.2 道路照明节能措施

道路照明节能是一项系统工程，首先照明设计应满足《标准》中表3.3.1照明标准值和表7.1.2功率密度值的规定，通过照明软件模拟计算选出最佳布置方案，减少灯具数量，选用的光源及镇流器的性能指标应符合国家现行有关能效标准规定的节能评价值要求。对于高压钠灯等带电感镇流器的灯具，装设低压无功补偿电容器，提高负载功率因数，从而减小无功电流，达到降低线路损耗和变压器损耗的目的，同时提高供电变压器的利用率。道路照明用电有其特殊的特点，一方面在晚上零点后城市用电负荷减少，电网电压逐渐升高，照明设施能耗增大，灯具寿命减小。另一方面夜间路面上人车数量稀少，对道路照明的需求也相应减少，采用先进的智能光源降压－稳压－调光技术更为有效，在夜间降低道路照明功率，适当降低路面亮度水平，这样能够在保证道路照明质量的同时，减少能耗，增加光源寿命。

该工程采用天文时钟控制器和智能照明控制系统相结合进行照明控制。天文时钟控制器可以根据所在道路的经纬度自动设置每天开关灯时间，同时与光照控制相结合，再预置时间区段内根据光照度确定路灯的开/关，即能在阴雨天自动延长照明时间，也能在晴好天气自动缩短照明时间。通过合理的开关灯控制，既满足道路照明的需求，又避免了路灯的无谓开启，节约了能源。智能照明控制系统通过对主路光源在后半夜进行减压、调光控制，减小能耗、提高光源寿命。通过以下计算得到采用调压控制后，最高可实现节电约20%。

按纯电阻负载考虑P=U2/R（P为功率；U为电压；R为电阻），取调压前电压为U1、调压后电压为U2；

节电率 η1＝（P1-P2）/P1=1-（U2/U1）2；

当U2=0.95U1时，η1＝9.75%；

当U2=0.9U1时，η1＝19%。