基于城市路灯照明供配电控制设计研究

付超

（太原市政工程勘测设计院有限公司， 山西 太原 030001）

经济的发展， 使得城市建设我规模逐渐扩大， 城市交通事业发展迅速， 其中道路照明基础设施的建设对交通安全具有重要影响， 既可以为民众晚间的出行安全提供保障， 又可以起到一定的城市美化作用。 照明系统的运行质量以及稳定性与其供配电控制设计有关， 供配电控制设计是路灯照明设施建设的核心， 在照明设计建设中起着至关重要的作用， 需要电力部门或企业加强对照明供配电控制设计的研究。

1 城市路灯照明供配电控制设计重点

1.1 供配电控制设计方案

我国的城市化建设事业正处于上升期， 城市交通照明基础设施的建设是重要的项目工程， 照明设施的建设可为城市交通的安全性提供保障。 在城市路灯照明系统设计中， 供配电的控制设计十分重要， 直接影响着照明系统的运行质量， 需要政府相关部门以及电力企业注重照明供配电方案的设计， 并依据城市道路交通通行的实际情况， 适时调整照明供配电设计方案， 使其系统线路设计不断获得优化， 有助于为照明系统运行的稳定性以及可靠性提供保障。 此外， 在供配电方案设计中应注重节能降耗设计， 灯具均使用LED节能灯， 既有助于减少路灯照明使用电能的消耗量， 又有助于降低供配电线路的设计成本。

1.2 供配电线路控制设计

1.2.1 线路铺设设计

城市路灯照明的供配电线路较长， 电流值普遍较小， 选择电缆材料时， 依据其载流量完成照明供配电线路铺设设计， 设计时需要注意线路压降问题， 依据实际情况， 设计人员可将电缆截面适当扩大， 以此解决压降问题。 按照国家规定， 城市路灯照明系统中最末端的灯具电压值需小于5%， 此时电缆截面扩大会确保路灯负荷供电充足， 致使压降减小， 既有助于降低供配电线路损耗， 又可确保照明系统运行的安全性。

1.2.2 配电系统控制

传统的城市路灯照明系统是由人工操作控制， 其具有效率与精准度偏低的缺陷， 信息化科技时代， 城市路灯照明系统的控制设计应注重先进科学技术的引进与应用， 注重发展自动化控制模式。 例如照明供配电控制设计， 可使用电气自动化技术、 计算机技术以及PLC技术等， 创建覆盖范围较广的供配电自动化管控系统， 并借助传感器、 数据采集装置以及监控装置等设备， 有助于实现数据信息采集的自动化， 便于控制人员对各类信息的统一管理。 此外， 顺序控制工作模式的应用， 可与电力系统相互连通， 实现供配电系统的自动管控， 有助于供配电系统工作效能的提升。图1 为配电系统及照明系统装置。

图1 配电系统及照明系统装置

1.2.3 计算负荷总量

城市路灯照明供配电线路的负荷总量可用P表示， 其计算环节较为基础， 是其他设备正常运行的关键。 计算公式为。

其中， P指道路照明用电负荷， P指交通信号灯用电负荷， P与P取值不定， 主要与线路实际运行情况有关； P至景观用电负荷， P指广告牌用电负荷，P与P取值与线路远景规划设计有关。

1.3 供配电接地系统设计

对于部分城市道路交通而言， 日常车辆以及人流量通行量较大， 照明供配电线路的铺设需要注重安全性以及稳定性问题， 采取相应措施避免出现供配电接地故障， 危害人民群众生命安全。 照明供配电设计过程中， 应注重接地系统的设计， 可通过使用TT系统对PE线进行连接， 道路两旁所有照明设施均需要与接地装置相连， 镀锌角钢是常用的接地极， 而路灯灯杆可作为接闪器， 道路内钢筋可作为引下线， 最后连接接地装置， 表示供配电接地系统设计完毕， 其电阻值应小于10Ω。

2 城市路灯照明供配电控制设计内容

2.1 线路接地保护设计

2.1.1 零序电流

当路灯照明供配电线路的三项负荷相平衡时， 零序电流为零， 不平衡时， 零序电流非零。 如若三项中有一相发生接地故障， 则会导致三项负荷失衡， 此时需要使用零序电流对线路接地故障进行处理。 零序电流主要包括TN-S 系统， 在TN-S 系统中， 若线路一相出现接地故障， 其产生的电流可用I表示， 计算公式如下（2）。 如果TN-S 系统能够识别不平衡电流， 则可实现对接地故障的保护。

2.1.2 过电流

在城市路灯照明系统设计中， 供配电控制设计难度较大， 设计过程中容易出现接地故障， 需要设计人员利用接地故障保护设计进行处理， 以此为路灯照明系统的正常运行提供保障。 设计过程中断路器的使用， 可在不增设其他设备的基础上解决接地故障， 如若是针对于电路保护设计， 则需要使用灵敏度较高的断路器。 在TN-S 系统中， 如若因接地故障而引起电压下降， 工作人员需要快速切断接地保护器连接线路， 使其电流值乘积小于50， 该范围不会对人身安全造成危害。

2.2 线路无功补偿设计

2.2.1 补偿方式

城市路灯照明供配电控制设计， 设计人员需要优先将线路电压发生的损失计算出来， 依据计算结果，为满足末端电压要求， 设计人员需要考虑城市道路未来20 年的运行计划， 无功补偿法因设计与使用成本偏低， 所以被广泛应用于城市路灯照明系统设计当中。 气体放电灯是城市路灯照明常用材料， 虽然功率因数小， 但电能及电压损失较大， 无功补偿法可将照明灯的功率因数进行调整， 使其在国家规定的0.85以上， 常用的补偿法分为集中补偿和分散补偿， 其中分散补偿应用效果较好。

2.2.2 补偿计算

路灯照明供配电的无功补偿电容量可用Q表示，计算公式如下（3）， 城市路灯照明无功补偿之前的单灯功率为0.45， 补偿之后的单灯功率为0.9。 公式中P指有功计算负荷，与2 分别为补偿前后电功率因数。

3 城市路灯照明供配电控制设计案例

3.1 项目工程概况

武汉市是湖北的省会城市， 其交通的便捷性以及安全性直接关系着湖北省的经济发展， 尤其实在城市路灯照明方面。 四环线沌口长江公路大桥是武汉市四环线项目的主要施工工程， 其主要连接了四环线吴家山至沌口以及龚家铺至中州段， 是四环线项目工程整体跨越长江的关键性施工路段。 该公路大桥走向为自西北向东南， 全长8.599km， 公路大桥起点与四环线西段终点的K94 +159.8 相连接， 全程上夸长江、 汉洪高速、 青菱湖以及武金堤， 途径沌南洲以及先生湾等地区， 沿途与汉洪高速、 武嘉高速以及青郑高速等相链接， 图2 为武汉市公路大桥路灯照明。

图2 武汉市公路大桥路灯照明

3.2 交通分布组成

在交通量方面， 依据对公路大桥车辆通行情况的分析， 武汉市四环线沌口长江公路大桥是重要的货运快速道路， 具有复合交通功能， 主要连接于各新城组群， 能够缓解三环线及过江通道的交通压力。 该工程交通量的路段区间可分为两部分， 一部分是徐家堡互通至石咀互通， 该路段交通总量为46446pcu/d， 另一部分是石咀互通至龚家铺互通， 该路段交通总量为1822pcu/d， 整条公路大桥交通量为45669pcu/d。在交通结构方面， 客车通行量占比较大， 其次是货车通行量。 通行较为频繁的车辆均属于货运型， 其中小货车的通行量占比较低。 为此， 公路工程总体设计的重点是在不增加工程量的基础上， 对公路大桥全线通行速度以及使用安全进行计算与评估， 有助于确保公路大桥车辆通行的安全性。 图3 为武汉市公路大桥。

图3 武汉市公路大桥

3.3 供配电的方案

3.3.1 设计原则及系统特点

一方面， 设计原则。 首先， 为响应国家经济发展政策， 依据“五新理念”， 对沌口长江大桥的供电系统进行安全施工与检测， 确保公路大桥路灯照明系统运行稳定。 其次， 依据国内外高速公路跨江大桥照明供配电线路设计标准， 调整与优化路灯照明供配电设计方案， 并通过先进技术及设备的应用提升供电系统安装的便捷秀以及简单性， 有助于减少设备维修次数。 最后， 做好各项预防工作， 并为日后供电线路及设备的扩容做准备。 另一方面， 系统特点。 （1） 该项目用电线路铺设较长且电负荷较为分散， 相关设备均处于无人值守的室外环境， 需要派遣专人负责每日供配电系统的关闭与开启。 该工程的路灯照明供配电系统设计与民用或工业的供配电系统设计不同， 公路大桥供配电设备配置容量更大、 电负荷更为分散， 且供配电设备的环境温度变化较大， 铺设空间狭小。

3.3.2 配置要求与负荷分级

首先是配电要求， 1） 安装于主桥外场的供配电设备， 需要具备空间尺寸小以及安装简单、 便捷的特点， 且设备的运行必须具备较高的安全性以及防盗性， 日常运行可避免设备维修； 2） 公路大桥的施工使用寿命在常规条件下需要超过100 年， 而供配电相关设备的使用年限最长不超过20 年。 为此， 政府电力部门或者是电力企业应该优选安装与更换便捷且运行高效、 可靠的供配电设备。 其次是负荷分级， 依据城市路灯照明供配电设计标准， 武汉市四环线沌口长江公路大桥的电负荷主要分为三级： 一级负荷设备，包括监控、 通信、 航空障碍灯、 收费航标灯以及消防用电等； 二级主要包括营养站房的生活水泵、 箱梁内部照明、 检修动力、 食堂用电、 道路照明以及桥塔内部照明等； 三级主要包括监控用电及沿途办公用电与景观照明等。

3.3.3 电力监控与节能设计

一方面， 电力监控设计。 在徐家堡至石咀互通路段的总配电设计中， 电气设备与站内通信管理机构的连接方式为星性， 其共同构成了485 现场总线监控之网， 子网依据设备相对集中的南北塔可被分为两个，每个子网都会与主干通信网络进行连接， 连接通常需要使用光纤或屏蔽双绞线。 除此之外， 电力监控系统具有监控高、 低压回路以及变压器运行情况的作用， 在徐家堡与石咀互通路段， 电力监控设计具有回路“四遥” 功能。 另一方面， 节能措施。 该公路大桥全程使用的供配电系统均为10kV中压传输模式， 该模式具有降低大容量低电压供电线路损失的作用， 项目全程使用的20 套变压器均属于低耗型的非晶合金节能型变压器， 有助于供配电电力损耗的减少。 与此同时， 节能设计需要注重负荷分配与三相平衡， 照明灯具选用LED节能灯， 随后缩短低压供配电线路长度， 科学设计电缆线路铺设路径， 可实现线路损耗降低的节能目标。

3.3.4 供配电方案实施效果

湖北省武汉市四环线沌口长江公路大桥， 在2017年12 月28 日正式通车使用， 该项目工程施工周期长达一年多， 其路灯照明供配电控制设计科学、 合理，且符合武汉市车辆通行需求， 能够在夜间为民众的行车安全提供保障。 自四环线沌口长江公路大桥通车使用日起， 公路大桥路灯照明设施无任何运行故障， 全桥供配电系统及照明设备均运行正常， 无论是在电闪雷鸣的降雨天气， 还是大风天气， 均未出现供配电线路断路、 短路以及接地、 雷击故障等。 照明供配电系统及相关设备运行正常， 不会受恶劣天气影响， 在一定程度上降低了公路大桥安全事故发生的概率， 工程项目建设获得了政府、 建设企业以及人民群众的一致好评。

4 结语

城市道路交通照明是人民群众出行安全的基础保障， 在一定程度上能够减少城市交通安全事故发生的几率。 因此， 路灯照明供配电的设计必须具备安全、稳定以及可靠的特点， 其控制方案设计需要严格按照国家规定， 并优先对照明基础设施建设现场进行实地勘察， 依据相关勘察数据科学设计照明供配电线路。城市路灯照明供配电控制设计的重点在于供配电控制方案与线路， 设计内容主要包括线路接地保护设计与线路无功补偿设计等。