浅析城市道路照明设计的若干问题

胡 云 武

[悉地(苏州)勘察设计顾问有限公司, 江苏 苏州 215000]

0 引 言

城市道路照明在设计过程中需要考量的关键指标较多。一条道路照明设计是否合理,亮度的指标是否满足规范要求尤其重要,路灯箱变位置和容量的问题不容忽视,路灯杆发生漏电伤人事件也时有发生,尤其雨天发生的情况比较频繁,路灯安全性跟不同接地系统也有一定的相关性。

1 照明指标

根据国际照明委员会(CIE)建议,汽车行驶过程中,驾驶员前方60～160 m地面亮度对驾驶员的行驶安全很重要,CIE机动车道路照明标准值中对照度指标却没有要求,根据CJJ 45—2015《城市道路照明设计标准》[1]第3.3.1条,国内道路照明标准值如表1所示。

表1 国内道路照明标准值

由表1可见,考核指标除了地面亮度外还有地面照度指标要求,有些设计人员在设计过程中只注重地面照度指标,通过利用系数法来计算,以为平均照度值达标,亮度指标也满足要求,其主要原因是没有弄清楚亮度与照度之间的关系,亮度指标除了与光源、路宽、布灯间距相关外,还与地面材质、灯具角度、配光曲线都是息息相关的,反映的是一个综合性指标。

某城市快速路项目,沥青混凝土路面,双向6车道,双悬挑路灯双侧对称布置于侧分带内,路灯安装间距35 m,机动车道侧路灯功率200 W,采用LED光源,悬挑1.5 m,仰角5°,色温3 000 K,安装高度12 m。路灯布置横断面图如图1所示。

图1 路灯布置横断面图

该项目是城市主干道,车流量大,经过前期调研和业主沟通,按照高照明标准值设计。相同功率不同配光参数灯具比较如表2所示。通过DIALux软件模拟计算比较可知,甲灯具各项指标均满足规范要求,乙灯具虽然在平均照度等多项指标满足规范要求,但是在关键的平均亮度指标上没有达到规范要求的高标准值要求,而且在平均亮度指标模拟值上甲、乙灯具平均亮度值相差10%左右。由此可知,甲、乙灯具分别安装在同一道路上,驾驶员在行驶过程中体验感会有一定差别。

表2 相同功率不同配光参数灯具比较

经过方案比选后,该工程中机动车道路照明采用甲灯具。目前,该项目已经通车,路灯夜间实际效果如图2所示,画面有部分失真,实际道路亮度比照片要亮一些,各项指标均满足规范要求,也得到业主的认可。

图2 路灯夜间实际效果

如果将甲灯具安装在与案例相同路幅宽度和机动车道数,但是不同路面材质的道路上,呈现出来的各项照明指标效果会如何呢？甲灯具安装在不同路面材质参数比较如表3所示。

表3 甲灯具安装在不同路面材质参数比较

通过DIALux软件模拟计算比较可知,从R1～R4四种不同道路等级上,亮度差异明显,最低平均亮度与最高平均亮度相差居然到达32%。

在实际项目设计过程中,设计师需对具体项目的道路等级和地面材质情况了解清楚,选择合适配光曲线的灯具,通过软件模拟计算可以达到精细化设计的要求。按照一路一方案理念,在满足规范基础上,尽量选择功率低、光效高的灯具,不仅可以节约电能,而且也变相实现节能减排。

2 路灯电源

2.1 箱变位置

城市道路路灯项目供电电源采用箱变供电方式比较普遍,箱变是集高压室、变压器室、低压配电室一体式的,具有施工和安装方便,造价低的特点。有时设计人员对箱变位置的设置重视程度不够,不管道路长短与否,每条道路均设置箱变,或者按照供电半径0.8～1.0 km将箱变设置在所谓的负荷中心处。如琴川大道(泰山路～龙腾路)工程,道路全长1.8 km左右,同时与汇龙路和金达路道路相交,三条道路均需设置路灯。如果按照每条道路均设置箱变,则需要设置3座箱变。通过前期了解该项目是新建道路,道路两侧无已建箱变,综合考虑后在汇龙路与琴川大道东南角设置一座250 kVA箱变,同时将2条相交道路,500 m长的汇龙路和380 m长的金达路一并纳入该箱变的供电范围,一座箱变管辖3条道路路灯供电,在箱变建设投资上大大降低。

为了避免被动,建议项目设计初期,设计人员去项目现场踏勘,大概了解有哪些地方可以作为电源接入点,有了供电方案之后,尽快请业主去供电公司申请用电咨询的方案,然后确定箱变位置。

2.2 箱变容量

最理想的方案是路灯箱变仅供路灯使用,只需要在路灯计算负荷基础上,变压器容量按照负载率70%左右考虑,可以大大降低箱变安装容量,而且白天不需要点亮路灯,可以延长箱变的使用寿命。其他道路沿线市政配套小用电设备自行解决用电,如从道路两侧企事业单位的变电所或单独新建专变解决电源。现实情况是箱变容量除了考虑路灯用电外,往往还需要统筹考虑景观照明、交通监控和信号灯、治安监控、公交站等其他市政配套小用电设备的用电需求,设计过程中需要与不同的专业沟通协调好各自的用电需求。如果是多家单位负责设计,需要及时跟业主反馈,请业主进行协调。近几年智慧交通发展也很迅速,5G微基站也需要用电量,常规与路灯合杆建设,箱变容量在实际设计过程中建议适当预留一些容量。各用电单位共用箱变的弊端是白天其他市政小用电设备用电需求小,箱变会发生“大马拉小车”现象,不仅增加箱变的运行能耗,而且还会影响箱变的使用寿命。尤其是当接入箱变的负荷较多时,晚上又可能发生箱变超负荷运行的情况,发生与白天相反的“小马拉大车”现象。除此之后,由于接入负荷多,箱变发生的故障率也相应会增加,当市政交通监控和信号灯中断供电,也容易造成交通拥堵现象的发生。

3 接地系统

根据CJJ 45—2015《城市道路照明设计标准》第6.1.8条,路灯接地系统可以采用TN系统或者TT系统。

TN系统特点如下。

(1) TN-S接地系统示意图如图3所示。

图3 TN-S接地系统示意图

当f2处发生金属性接地故障,相线和保护线阻抗小,故障电流Id2相对比较大,配电箱出线回路的MCCB断路器能否作为接地故障保护呢?根据路灯配电距离长短,选用的电缆规格,通过计算来判断是否可以满足规范要求。由分析可知,仅仅依靠MCCB断路器作为接地故障保护安全上没有保障。

(2) 当在雨天情况下路灯杆处电缆接头f1处绝缘层破损,发生非金属性接地故障时,雨天人体阻抗下降,按照潮湿场所人体触碰的安全电压应该不大于25 V,RA1接地电阻会比RAn大很多,Id1接地故障电流比Id2小很多,此时配电箱出线回路的MCCB断路器很可能拒动。

(3) 室外路灯回路较长,通长敷设的PE线在每盏路灯处均需要断开,并与路灯接地装置可靠焊接。如果中间某盏路灯处PE线一旦断线,断线之后路灯系统将变为TT系统,发生接地故障时MCCB断路器将不会动作。

(4) TN系统电源进线和每个出线回路均与PE线相连,不管是电源侧还是配出回路处,只要是一处漏电,全线漏电,存在沿PE线传导来别处故障电压的风险,故障范围比较大。

综上所述,采用TN系统时,为了能够满足上述情况下人身安全,建议在配电箱每个出线处均采用RCBO断路器,发生接地故障时,可以减少不必要的人身伤亡事故。

TT系统特点如下:

(1) TT接地系统示意图如图4所示。

图4 TT接地系统示意图

当f2处发生金属性接地故障时,TT系统按照潮湿环境进行校验,只要故障处接触电压满足RAnId2≤25 V。如该配电回路按照1 km计算,采用YJV-4×25+1×16电缆,每盏LED灯泄漏电流按照0.1 mA[2]考虑,路灯杆引上线按照BV-4 mm2考虑,路灯安装高度12 m,安装间距30 m,每个路灯配电回路接33盏路灯,电线电缆泄漏电流值如表4所示。由于室外道路照明是三相配电,相邻路灯按照L1、L2、L3接线,每相带的路灯盏数基本一致,路灯杆引上线和灯具泄漏电流矢量和均基本抵消,每个路灯配电回路正常泄漏电流=主干电缆泄漏电流+路灯杆引上线泄漏电流+灯具泄漏电流=29 mA。配电箱内照明配电回路选择300 mA、0.3 s断路器,满足大于线路和设备正常泄漏电流值4倍的要求,正常情况下RCBO断路器不会误动作。

表4 电线电缆泄漏电流值

因Id2=0.3 A,故RAn≤83.33 Ω,由此可知,只要故障处接地电阻小于83 Ω,就可以满足接触电压不大于25 V的要求,但是根据规范CJJ 89—2012《城市道路照明工程施工及验收规程》[3]第7.2.7条,TT系统接地电阻不应大于4 Ω,为了满足该条规范要求,需要另外增加水平接地极和垂直接地极。

(2) 室外路灯回路较长,通长敷设的N线在每盏路灯处均需要断开,通过接线端子箱再与下一盏灯具相连。路灯常规都是采用三相配电的方案,L1、L2、L3间隔配电,三相回路基本平衡,N线电压往往比相线电压低很多。如果中间某盏路灯f1处N线与大地不慎重复接地,出线回路RCBO断路器也可能不动作,该接地故障电压可能长期潜伏在回路上。此时f2处发生2次接地故障时,故障电流一部分将沿着Id1返还,如果RA1接地电阻很小,当Id3接地故障电流小于断路器动作电流时,RCBO断路器就不会动作,此时f2处的故障电压就一直存在,人体触碰就发生触电风险。

(3) 城市道路除了地面道路往往还有高架道路,地面过河处也会有桥梁,这些场所就不能按照规范TT系统每盏灯具单独打接地极的要求[4]。

综上所述,发生接地故障时,TT系统故障电压仅存在于故障点处,故障范围小,同时不需要全线敷设PE线,可以节省造价,这些都是TT系统优点。TT系统也有使用局限性,并不是所有场所都可以采用TT系统,N线和相线同时发生接地故障时,RCBO断路器有可能不动作。

局部TT系统特点如下:

(1) 每个回路PE线与配电箱PE排不连通,从第一盏灯具开始引出PE线通长敷设,局部TT接地系统示意图如图5所示。当f2处发生金属性接地故障,与TT系统类似,故障电流通过接地电阻返回至配电箱,不过该系统从第一盏灯具至最后一盏灯具PE线都是贯通的,即使有其他路灯接地电阻大于规范要求或者无法打接地装置的场所,整体接地电阻将远小于一盏路灯的接地电阻,RCBO断路器的灵敏度还是很高的。

图5 局部TT接地系统示意图

(2) 局部TT系统也和TT系统类似,室外路灯回路较长时,如果中间某盏路灯f1处N线与大地不慎重复接地,出线回路RCBO断路器也可能不动作,该接地故障电压可能长期潜伏在该回路上。此时f2处发生2次接地故障时,该系统将变为TN系统,RCBO断路器能可靠动作 。

综上所述,局部TT系统也会一处漏电,本回路漏电,故障范围比TN-S系统小,比TT系统大。TT系统无法满足的场所,局部TT系统均可以满足要求。N线和相线同时发生接地故障时,变为类似于TN系统,断路器也能可靠动作。局部TT系统兼有TT系统和TN-S系统的特点。

4 结 语

(1) 在实际项目设计过程中,根据不同的路面材质和道路类型,选择合适配光曲线的灯具,通过软件模拟计算可以达到精细化设计的要求,复核各项指标是否满足规范要求。

(2) 箱变位置需统筹考虑周边道路,箱变是作为路灯专变用还是和其他市政配套用电一起作为公变用,需提前与业主沟通好。

(3) 无论是TN系统还是TT系统,都有其优缺点,可以根据实际情况采用哪种接地系统。