存量设施智慧化改造下路灯低压直流配电系统研究

2021-08-15骆芳芳

照明工程学报 2021年3期

骆芳芳

(南京市路灯管理处，江苏南京 210013)

引言

以5G为代表的“新基建”在2020年被写入政府工作报告中，旨在为经济发展新基建发展提供新动力。其中，5G作为新基建的重要领域，为新型智慧城市的建设提供了关键的技术支撑作用。智慧城市的构建需要以大数据为基础，通过“全域感知体系”，实现万物互联，从而满足人类日益增长的美好生活的需要。路灯杆作为城市的公共基础设施，具有分布广、高密度、可挂高资源的先天优势，是全域感知设备的优良载体。因此，智慧城市的建设要求必然赋能传统灯杆的智慧化升级为新型城市基础设施。以智慧灯杆为依托，构建泛在的、“毛细血管级”的、层次多元化的城市物联感知体系，集约了城市公共资源，大大提高了灯杆的应用价值，并有力支撑了城市的智慧应用[1-3]。

《江苏省城市照明智慧灯杆建设指南》指出，智慧灯杆上除了LED照明设施，常用的挂载设备还包含视频摄像机、交通监控、环境传感器、5G基站、LED显示屏、无线WIFI等。这些智慧设备大都采用直流供电的形式。并且，智慧灯杆宜为直流供电的挂载设备提供5 V、12 V、24 V和48 V电源接口[4]；若采用交流供电，智慧灯杆的供电接口需要众多AC/DC整流器才能接入电网。这不仅增加了接口电路的复杂性，而且降低了系统供电效率。近年来，随着电力电子技术的逐步成熟，考虑到以5G基站为代表的路灯终端负荷直流化趋势，河北雄安新区、深圳南山科技园等已经开始探索直流供电在智慧灯杆上的应用研究，但大多集中在新建道路领域。

为了规范道路管线的管理，我国多地颁发了城市道路管理条例。条例明确规定，城市道路交付使用后5年内、大修的城市道路竣工后3年内不得挖掘。因此，基于投资成本和建设周期的考虑，建成区存量路灯设施的智慧化改造将是智慧灯杆建设的重要组成部分。本文基于存量路灯设施智慧化改造的应用场景，以LED照明设施和以5G基站为代表的智慧设备负荷作为智慧灯杆的典型研究对象，从电击防护安全性和负荷距两个角度分析了直流配电电压的选取原则，对不同接地方式下系统的安全性能进行量化分析，最终提出了存量设施智慧化改造下路灯低压直流配电系统供电方案，为路灯新老基建过渡提供理论及技术支撑。

1 低压直流配电电压的确定原则

1.1 低压直流配电系统电击防护性能分析

城市的灯杆设施运行于露天环境中。在高温和下雨的恶劣天气下，灯杆设施的用电安全性降低，如电缆的绝缘层老化被击穿、灯杆内线路受潮使得灯杆金属部分带电等。而作为近人尺度的城市街道基础设施，灯杆设施供电系统的安全性不容忽视。电气安全是未来低压直流供电技术向智慧灯杆设施领域推广的重要前提。因此，下面将针对潮湿环境下低压直流配电系统用电防护性能分析。

1.1.1 人体直流电击效应

人体对电击产生的生理效根据严重程度可分为电流惊吓反应、强烈的不自觉的肌肉反应和心室纤维性颤动。这些生理反应由流过人体的电流产生，而且不同电流路径对人体产生心室颤动的危险性阈值不同[5]。考虑到人易用手触碰灯杆，并且电流从单手到双脚路径流过人体时引发心室颤动的危险性最大。本文以单手到双脚的电流路径为研究对象，分析直流配电系统的电击防护性能。

1.1.2 人体的阻抗

由欧姆定律可知，在电压大小一定的情况下，流过人体的电流与人体阻抗有关。影响人体阻抗的因素主要有电流路径、接触表面积、皮肤的干燥状况、接触电压、电流频率等。其中，人体与可导电物体接触面积越大，人体的阻抗值越小。在一定范围内，接触电压越高，人体阻抗越小。当接触电压小于200 V时，由于皮肤电容没有直流电流通路，人体的直流阻抗比交流阻抗要高；当接触电压大于200 V时，人体直流电阻与交流电阻接近[5]。鉴于灯杆设施处于室外，配电系统的电击防护性能应根据潮湿环境进行评价。文献[5]中列举了水湿润条件中、大的接触面积下，不同交流接触电压下手到手的人体总阻抗，而人体单手到双脚的阻抗值约为手到手的80%，人体交流的阻抗值可作为直流阻抗值作为保守性估计。因此，在水湿润条件中、大的接触表面积下，不超过50%被测对象的人体直流阻抗值的换算结果如表1所示。

表1 水湿润条件下，大的接触表面积，直流电流路径为单手到双脚的人体阻抗值

若对表1中接触电压UT为125～200 V以及225～400 V范围段的人体电阻Rb分别作两点间线性插值处理，则可以得到以下计算公式：

Rb=-1.6UT+1440,125

(1)

Rb=-1.2571UT+1262.9,225

(2)

1.1.3 交流和直流配电系统电击防护差异性对比

图1为交流和直流电流沿单手到双脚路径纵向向上流过人体的生理效应阈值。其中，在a曲线左侧，人体仅可能会感知电流，属于非常安全区域；在曲线a到曲线b范围，人体会存在惊吓反应，但通常无有害的电气生理效应，属于比较安全区域。在曲线b到曲线c1中，随着人体通过的电流增大，人体可能发生剧烈的不自主的肌肉反应，甚至导致心脏发生可逆性的功能性障碍，但一般不会造成器官破坏。此范围属于基本安全区域。当人体通过的电流在c1曲线右侧时，人体面临心室颤动的风险，其发生概率随着电流幅度和时间的增加而增大[6]。

图1 交流和直流电流沿单手到双脚路径流过人体的生理阈值Fig.1 Physiological thresholds for a.c.(50Hz) and d.c. flowing hand to feet through the human body

由图1可得到，交直流电流沿单手到双脚路径流过人体时，人体不同生理反应下长时间持续电流阈值对比如表2所示。

表2 交直流电流在各种人体生理反应下长时间持续电流阈值(直流电流为纵向向上电流)

由表2可知，直流电流过人体引起生理效应的阈值远远大于交流电流。当交流接触电压为220 V时，根据表1，取人体的阻抗为980 Ω(假设与接触电压为225 V时的人体总电阻相同)，则通过人体的电流为220 mA。对应于图1中实心曲线c1，当220 mA电流持续时间约为250 ms时，人体将面临心室颤动的风险。假设人体接触直流电流达到相同的触碰时间，则由图1可知，当人体通过的直流电流为250 mA时，人体可能会发生心室颤动，此时对应的人体接触电压为240 V。在直流系统中，纵向向下的电流引起人体室颤的阈值是纵向向上的电流的2倍[5]。因此，若直流电流纵向向下通过人体，则250 ms持续时间的直流电流对应的室颤电流阈值为500 mA。通过式(2)推算得到，此时人体的接触电压可达到385 V。因此，若要满足直流配电系统的电击防护性能高于现有的交流220 V交流系统，则直流系统的供电电压不宜超过385 V。

1.2 直流负荷距分析

与交流系统类似，配电电压等级越高，则系统的配送容量大，线路损耗小。负荷距可用来衡量直流配电系统的供电能力。它表示在满足线路末端压降的条件下，系统将单位功率输送的最远距离[7]。

线路单位距离直流电压降Δul可表示为：

Δul=2ΔIdc×rdc

(3)

式中， ΔIdc表示线路上某点通过的电流，rdc为单位长度的线路直流电阻。

考虑智慧灯杆上的挂载负荷具有分布均匀的特征，则线路上的电流与供电距离成线性关系，此时线路压降百分比Δu为：

Δu=Idc×rdc/Udc

(4)

因此，系统的直流负荷矩λ为：

(5)

式中，L表示供电距离，Udc、Idc分别表示直流系统的电源电压和回路电流。

目前室外工程中多采用铜导线作为供电线路。取温度为20 ℃的铜线电阻率为1.78×10-8Ω·m。依据《中低压直流配电导则》[8]推荐的低压直流电压等级，考虑10%的线路压降， 48 V、110 V、220 V、375 V电压等级下各标称截面积电缆线路直流负荷距如表3所示。

依据《江苏省城市照明智慧灯杆建设指南》，5G微基站的负荷功率范围为300～600 W，基站的覆盖半径为100～300 m；照明设备的负荷为100～350 W，而主干道路灯杆分布间距一般为35 m左右。以供电半径为600 m考虑，则照明负荷的功率约为6 kW，基站的负荷约为2.5 kW。对照表3可以得到，220 V及以上的电压等级可以分别满足智慧灯杆上5G基站和照明设备的负荷需求。

表3 48 V/110 V/220 V/375 V道路电缆直流线路负荷距(20℃)

2 低压直流配电系统接地方式的确定原则

在相同的电压等级下，直流配电系统接地形式的选择是影响接地故障电压的重要因素。根据电源点和用电设备的接地方式，低压直流供电系统可分为TN接地系统、IT接地系统和TT接地系统[9]。另外，低压直流系统的接线方式分为单极接线形式和双极接线形式，如图3所示。双极接线形式采用两组独立的变换器，具有较强的可靠性。由于智慧灯杆上挂载的基站负荷和照明负荷均为第三类供电负荷，考虑到造价成本，本文以结构简单的单极直流供电系统为研究对象，以心室颤动电流阈值为电击防护要求的安全标准，对发生碰壳短路故障时人体流过的电流进行分析，比较不同接地系统的电击安全防护性能。

图3 低压直流系统接线形式Fig.3 Wiring form of low voltage DC system

2.1 TN系统

在TN系统中，电源中性点直接接地，灯杆金属外壳通过PE线与电源系统的接地点相连。当灯杆外壳意外搭接系统正极线路时，系统发生了金属性短路故障，该等效电路图如图4所示。

图4 TN系统发生金属性短路故障电路示意图Fig.4 TN system with metallic fault

则故障电流为：

Id=Udc/(RL+RPE)

(6)

人体预期接触电压为：

(7)

人体流过的电流为：

(8)

其中，RG、RL、RPE、Rb分别表示电源侧接地电阻、正极线路电阻、PE线电阻和人体电阻。

根据《低压配电设计规范》[10]，RL

根据式(4)，TN系统的故障电流与线路的长度有关。在短供电半径下，TN系统产生很大的故障特征电流，因此可以利用断路器进行短路保护；当供电半径为较长时，在线路末端发生接地故障时，系统的故障电流较小，仅为一百多安培，不易满足短路保护灵敏度要求。因此，长供电距离下TN系统需要另外配备直流漏电保护装置以满足系统的安全性要求。在直流系统中，线路不存在分布式电容漏电流，可以避免正常线路的电容泄露电流导致漏电保护装置的误动作，提高漏电保护装置的灵敏度。

2.2 TT系统

在TT系统中，电源侧和灯杆分别采用直接接地的方式并且相互独立。其中电源侧的接地电阻RG不能大于4 Ω，用电设备接地电阻Rf不能大于10 Ω。同样的，当系统发生了金属性短路故障，故障示意图如图5所示。

则故障电流为：

Id=Udc/(RG+RL+Rf)

(9)

人体预期接触电压为：

(10)

人体流过的电流为：

(11)

图5 TT系统发生金属性短路故障电路示意图Fig.5 Schematic diagram of TT system with metallic fault

假设RG=4 Ω，Rf=10 Ω，以最不利情况进行分析，短路故障发生在靠近电源侧线路，此时忽略线路阻抗。当Udc为220 V时，人体预期接触电压Ub为157 V，可得到流过人体的电流约为130 mA，未达到心室颤动电流阈值，因此系统可以提供基本安全保障。当Udc为375 V时，人体预期接触电压为267 V，流过人体的电流约为287 mA>280 mA，此时人体将面临心室颤动的安全风险。

由(9)式可知，受接地电阻的限制，TT系统系统发生间接接地故障时的电流比较小，因此需要依赖直流漏电保护装置作为系统的间接防护措施，增强系统的安全性。

2.3 IT系统

在IT系统中，电源侧不接地或经高阻抗接地，灯杆设施间可采用共同的接地极(但与电源侧接地独立)或单独接地。当系统发生正极单极碰壳故障时，故障示意图与图5相同，故障电流、人体预期接触电压和接触电流的表达式同式(9)～式(11)。由于在IT系统中，RG的取值一般高达几万欧姆，因此当直流供电电压为220 V或375 V时，人体的接触电流不超过1 mA，远低于人体感应的阈值。因此IT系统具有极高的电击防护安全性，并可保证长时间的故障运行状态，提高了系统的供电可靠性。因此，本文推荐优先使用IT接地系统。另外，由式(9)可知，系统故障电流不超过几毫安，无论是断路器过流保护还是漏电保护装置均无法触发，因此IT系统必须通过绝缘监测装置来预警和排除隐患。

在IT系统中，当发生第二次接地故障时(如正负极均与金属外壳接触)，短路电流特征明显，此时应需要按照TT或TN系统的间接防护措施来切断故障回路。

3 存量路灯设施智慧化改造供配电网络设计

3.1 现有改造交流供电方案

现有街道道路照明系统供电电缆大都采用五芯铜芯或者铝合金电缆，并穿塑料管保护埋地敷设。由于多数建成区路灯设施仅考虑照明功能，因此存量路灯设施配套供电管道通常仅为1根。在不推倒重建的前提下，若存量路灯设施智慧化改造采用交流供电，则常用的供电方案是基站设施和照明设施共用一根电缆采用24 h常火交流供电，照明设施另外通过单灯控制器来控制灯具的开闭。若采用该交流供电方案，则将带来以下问题：一方面，智慧化的灯杆设施供电线路由原先的12 h带电变为24 h带供电，因此线路的安全性能有待提高。其次，由于照明设施和基站设施共用一根电缆，未相互独立，容易相互影响。另外，基站和LED灯具都属于单相负荷，线路中会存在三相不平衡的问题，将增加线路损耗以及降低电能质量。

3.2 直流供电方案

目前现有道路利用的供电电缆额定电压为600/1 000 V(相与地/相与相之间)，因此，电缆可承受最高600 V的直流电压。若采用220 V或者375 V直流供电电压，则无需对现有线缆进行更换。以常见的道路照明供电电缆五芯铜芯电缆为例，则直流供电网络可设计如图6所示。

图6 低压直流供电方案Fig.6 Low voltage DC power supply scheme

根据图6，在直流照明网络中，交流电网通过AC/DC变换器变成直流网络输出，并在每个灯杆处通过DC/DC变换器将电压变换到相应的电压水平给LED照明设施和5G基站供电。每种负荷作为单独模块各自对应一个DC/DC变流器，此种拓扑结构扩展具有较强的扩展能力和冗余能力。另外，由图6可看到，基站回路与照明回路相互独立，并且有一根电缆可作为备用电缆或者PE线使用。

该直流照明网络采用集中式的大功率AC/DC变换器，代替了原本LED灯具或者基站的小功率整流器，不仅提高了电能效率转换，而且减少了交直流的电能转换次数。另外，在相同的功率下，小功率的DC/DC换流器的效率总体比AC/DC整流器高[11]。因此，整体直流系统的供电效率可以显著提高。

相比于交流系统，直流系统无涡流损耗和集肤效应，不存在无功传输，因此直流供电系统的线路损耗比交流系统少。另外，直流配电方式无须加装无功补偿装置，提高了供电的经济性。通过采用相应的控制策略，直流供电系统可以提供稳定的直流电压，减少交流电源的电压波动带来的影响，提高了供电负荷的电能质量。

当不考虑电压降和功率损耗时，系统的供电容量由供电电流决定。当交直流系统采用相同的电缆时，以规格为YJV-5×35的电缆为例，其载流量为113A。在交流220 V供电系统中，考虑系统功率因数为0.9，则交流系统的供电容量可计算为：

Pac=3UacIac=67 kW

(12)

当直流供电电压为220 V,则系统的供电容量为：

Pac=3UdcIdc=50 kW

(13)

当直流供电电压为375 V,则系统的供电容量为：

Pac=2UdcIdc=85 kW

(15)

因此，若直流系统采用220 V电压等级，则直流系统的供电能力仅为现有交流供电系统的75%，而电压375 V电压等级的直流系统的供电能力则为交流系统的1.3倍。但若考虑现有灯杆上LED灯具的兼容性，存量路灯设施改造中建议采用220 V电压等级的直流供电系统作为过渡阶段。