城市道路照明电气节能设计研究

窦文华

(兰州有色冶金设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730000)

0 前 言

随着社会经济的迅速发展，城市基础设施得以不断完善。城市道路照明是城市基础设施的一个重要组成部分，不仅为亮化城市、美化环境发挥积极作用，还为交通安全、社会治安提供了有力保障，同时在提升城市档次、提高城市形象、改善城市环境上发挥了极其重要的作用。舒适安全的城市道路需要良好的照明作保证，良好的道路照明对提高城市交通安全至关重要。城市道路照明电气节能设计的合理性对交通诱导性、道路利用率和人们居住舒适性的提高产生重要意义。虽然我国已经颁布了城市道路照明电气设计方面的最新标准和技术规范，但是当前的城市道路照明系统不够完善，设计人员在设计过程中仍然会面临节能安全的问题。解决城市道路照明电气设计的节能问题，优化资源配置，降低维修成本，将进一步促进城市建设向前发展。

1 城市道路照明现状概述

随着城市化进程的快速推进，城市道路照明引起了人们的高度重视和广泛关注。近年来，城市道路照明取得了迅速发展，主要体现在城市道路照明建设与城市规划紧密结合、智能化路灯管理两个方面。设计人员在城市道路照明设计过程中按照城市规划部署和城市功能分区设计道路照明；利用计算机技术合理地控制路灯的起灭时间，提高了道路照明的控制方法和管理措施。虽然城市道路照明发展迅速成绩斐然，但也存在一些不足。我国大部分城市在深夜时，路上的行人和车辆明显减少，然而道路两侧的照明灯一直亮着，无法根据人流量和车流量大小智能控制照明亮度，造成了电能资源的浪费和路灯使用寿命的缩短，阻碍了城市的可持续发展。

2 城市道路照明电气设计

2.1 电线路和管道的供配

一般照明线路通常采用三相四线的供电方式，为保证三相负荷平衡，各个灯杆按照A、B、C的顺序轮流接线。设计人员在道路设计过程中，还需要充分考虑其他公用设施的负载、电力管线的环境因素以及道路工程的其他地下管线。

2.2 接地方式的选择

道路照明配电接地的保护方式通常采用TN-S系统和TT系统。工程中多采用TT系统。

1)TN-S系统把N线和接地PE线严格，在TN-S系统中，PE线和N线均是从变压器中性点一点接地引出，系统运行时， PE线没有电流通过，N线有不平衡电流通过，PE线对地没有电压，所有电气设备金属外壳保护接地接在PE线上。TN-S系统有以下缺点。

缺点一：TN-S系统有导致电击的可能。电气设备(照明灯具等)的外露导电部分通过PE线接到变压器中性点之后接地，当该变压器其他部分对地直接连接，或者发生之类故障时，保护电器不能断开，故障电流流经大地到变压器接地极并回到中性点，致使中性点的电位升高，而此电位经PE线传导至照明灯具等外露导电部分，此电位就有可能超过规定的安全电压限值(室外路灯安全电压限值按AC25V考虑)。由于故障电流很小，所以使保护电器无法动作，从而导致安全事故的发生。

缺点二：TN-S配电系统线路保护的灵敏性难以满足要求。道路照明负载比较分散，配电线路比较长，所以配电线路末端发生接地故障时，其故障电流较小，难以使线路保护断路器动作，不能及时切断故障电路，从而导致安全事故的发生。

2)TT系统是将电气设备金属外壳直接接地的保护系统，也被称为保护接地系统。TT系统多用于没有等电位联结作用的户外配电系统。TT系统进行道路路灯配电时，将灯具可导电外壳与独立的接地极相连接。TT系统有以下优点。

优点一：TT系统保护动作灵敏，接地故障电流比TN-S系统更小，选用带剩余电流动作保护的断路器进行保护，开关容易动作，更能保证安全。

优点二：TT系统不设PE线，对AC380V配电线路，选用四芯电缆，比TN-S系统少了一根线。

优点三：TT系统要求路灯金属灯杆做接地，TN-S系统要求重复接地。由于TT系统的接地电阻要求不高，并不会比TN-S系统多设置人工接地极。

3 电气节能设计原则

3.1 实用性

实用性原则是指在电气节能设计时，首先需要满足常规的用电要求，其次考虑节电，否则会直接影响设备的常规管理，导致节电工程没有任何意义。

3.2 经济性

经济性原则是指在做一些投入过大的项目的电气节能设计时，需要充分考虑各个方面，使用先进的节电设备减少能耗和运营费用，以保证项目资金在短时间内收回。

3.3 节能环保

节能环保原则是指在总体设计方案中，需要采用科学合理的计量方法全面考虑节能环保问题，在经济许可条件下，选择最节省的装置，以最低的投入达到最佳的节电效益。

4 城市道路照明电气节能设计的常见问题

4.1 先进技术缺乏

在城镇化进程中，城市道路照明系统直接影响市民的日常生活和城市的经济发展。我国城市道路照明电气设计过程中引入的照明技术有待进一步改进。先进的照明技术的缺乏、城市道路照明控制系统智能化程度的欠缺和太阳能发电工艺技术的不完整等，导致节能设计方案无法满足节能环保的标准。

4.2 设计标准掌握程度不深入

1)设计人员根据城市的性质和道路的实际情况科学设定照明节能标准。

2)按照道路的交通功能、使用频率和服务功能对城市道路进行科学分类。

3)全面分析道路周边的地形情况，合理布置城市道路中的灯具。部分城市照明工程存在不合规设计，设计人员在实际设计过程中没有充分掌握设计标准，导致道路电气的节能设计工作没有有效落实，没有达到节能降耗的目的。

4.3 路灯高低和间距设计不合理

城市道路照明通过电气设计安置照明灯具，在城市道路中营造良好的视觉环境，对行人和车辆准确判别前方路面状况、路况条件、障碍物以及其他行人车辆提供重要保障。然而在部分工程项目中，因设计人员对工程建意图缺乏正确认识，或者为了控制工程造价成本而降低路灯高度、增大相邻灯具间距，影响了城市路面的灯光效果以及行人和车辆的夜间出行。

4.4 路灯眩光问题

部分城市道路照明的电气设计缺乏科学性，配备了不合理的灯具功率、路灯高度和间距及其照度水平，导致路面灯光控制系统的灯源亮度与周围环境亮度之间出现了很大偏差，路灯出现炫光现象，致使驾驶员在夜间行驶过程中无法在较短时间内准确判断周围的环境，有时会引发交通事故。

4.5 节能设计意识缺乏

城市道路照明作为城市基础设施之一，为保持交通道路的照明任务，通常情况下，路灯从傍晚持续亮到次日凌晨。目前，城市道路的照明系统无法满足各个地域的路灯照明需求，造成电能浪费问题的凸显，灯具使用寿命的缩短，加之设计人员普遍缺乏节能设计意识，导致严重的资源浪费。因此，相关设计人员应不断提高城市道路照明电气的节能设计水平。

5 城市道路照明电气节能设计的优化措施

5.1 确定光照标准

实施城市道路照明电气节能优化措施，必须符合我国的照明标准，降低耗电量。在城市道路照明电气设计过程中需要依据道路类型(快速路和主干路、次干路、支路)，根据路面亮度和路面宽度，确定光照标准。

5.2 确定道路照明水平

照明设计能够直接影响城市道路照明系统功能的好坏，在城市道路照明电气节能设计过程中需要确定合理的道路照明水平。

5.2.1 照度水平的选择

近年来，城市道路从以往的二车道逐渐拓宽到四车道、六车道和八车道。城市道路的拓宽和立交桥的广泛使用，已对城市道路照明设计提出了更高要求。目前，设计人员主要根据《城市道路照明设计标准》(CJJ 45—2015)和《城市道路设计规范》(CJJ 377—2012(2016年版))设计城市道路的照明。在一些大中城市的主干道路和快速道路的照明电气节能设计过程中，照度水平应选择原设计标准(20lx-30lx)平均照度的1.5～2.5倍。

5.2.2 照明灯具的选择

不同类型的灯具具有不同的照明特性，灯具选择的合理与否会影响眩光现象的产生。因此，设计人员在城市道路照明电气节能设计过程中，应根据道路类型合理选择照明灯具。设计人员在设计过程中应结合项目情况，合理设计道路照明的间距、高度和仰角等。在灯具间距和架设高度都合理的情况下，一般选择大功率的照明灯具，大功率照明灯具可以提高照明灯具的使用效果、减少资源浪费、降低成本。在节能环保的大背景下，LED光源灯具、高压钠灯和金卤灯在应用过程中有着明显优势。

5.3 镇流器的选择

镇流器的作用主要是控制节能灯和白炽灯等放电过程的电流强度。目前常见的镇流器包括电子镇流器和电感镇流器，电感镇流器又分为节能型电感镇流器和常规型电感镇流器。电子镇流器的能耗低，但是价格贵，性能不够成熟，在城市道路照明电气节能设计中应用较少。电感镇流器的性价高、使用年限长、生产工艺成熟，在电气节能设计中应用广泛。城市道路照明系统的功率约为200～450 W，节能型电感镇流器和常规型电感镇流器的功耗为灯具总功耗的11%和18%，设计人员在具体设计中，应选择高性能的镇流器。

5.4 光源降压-稳定-调光技术的使用

光源降压-稳压-调光技术是一项在不影响行人和车辆安全出行的情况下，优化城市道路照明效果、减少能源浪费、延长灯具使用寿命的智能化技术。设计人员在城市道路照明电气节能设计过程中，应根据城市道路的实际状况运用该技术达到节能效果：在前半夜行人和车辆较多时保持较高的照明亮度，在后半夜行人和车辆较少时自动调节照明亮度，节约大量电能，实现智能化的节能效果。

5.5 照明灯具维护系数的提高

照明装置所具的保护效率，直接关系着整个城市道路的照明电气节能效率，一旦具有较高的维护系数，就可以取得显著的灯具节电效益。要想提高照明装置的维护系数，就要注重于选用环保型节能型建筑材料，比如可以使用聚丙烯材料和聚碳材质等做成的透明灯伞，由于聚丙烯材质能够对抗紫外线，而聚碳材质则能够对抗冲击，所以使用透明灯罩具有较大的通透性，并且眩光也较少，因此能够显著减弱光源损失率。

由于长期的点燃灯光，也会直接危害到灯光源的光通量，另外，由于各种污染也可能会造成照明灯具反光体表面被破坏，使得整体的光度值因此而下降，所以工作人员就需要加强力度养护光照灯具材料，才能适当地改善灯光保护系数，比如在处理照明灯具反光体表面的过程中，由于铝反射膜的节能效率比较差，所以在一般都市路面灯光体系中无法使用该种材质，但是可以使用玻璃铝层延长光照灯具材料的整体应用时间。

照明灯具的维护效果会直接影响城市道路照明电气节能设计的效果，通常维护系数越高，改善道路照明的节能效果越显著。目前，通过改善灯具制作材料和灯具维护工作两个方面来提升道路照明灯具的维护系数。在灯具制作材料方面，一般选择具有环保节能功能的材料，例如透明灯罩的制作可以选择抗紫外线强的聚丙烯材料和抗冲击力强的聚碳材料。在灯具维护方面，灯具长时间的开启会影响灯具光通量的减弱，加之各种污染物和腐蚀物会导致灯具的反射器破损、亮度值减小，因此相关人员应加大灯具的维护工作，采取维护措施以延长灯具的使用寿面。经研究发现，铝反射器膜的节能效果不理想，选用玻璃铝膜能有效改善灯具的节能效果和延长使用寿命。

5.6 无线监控路灯控制系统

在传统的管理过程中，一般都是以人工巡查方式开展路灯的故障巡检工作，在新时代背景下，这种传统的施工手段已经无法满足路灯监控的需求，使得整个城市化建设质量无法达到预期标准，无论是在监控效果、控制质量还是节能水平方面都存在较为严重的问题。为了避免类似的情况出现，相关部门在进行工程建设的过程中，要加强对无线技术的应用，明确信息化手段的价值与意义，构建较为完善的无线监控路灯控制系统，以此来为人们的出行安全提供积极有效的保障。

无线监控路灯控制系统是以无线技术为主，通过远程遥控以及信息管理的方式完成数据的统计处理，并根据实施情况完成动态化管控，以此来确保城市道路照明系统的效率与质量能够满足预期标准。与传统的管理手段相比，无线电的应用手段能够极大程度上实现对道路的控制与管理，明确分控制站的监控需求，高测量精度与管理水平，并利用动态化特征完成对照明系统的远距离管控，根据智能终端的数据分析来进行灯光系统的有效管理，并针对故障问题提出具有针对性的处理手段，以此来满足节能环保的战略需求。

比如说，在冬季与夏季，由于昼夜的时间段不同，无线监控路灯控制系统便会根据环境光亮的情况进行光度的调节，在白天关闭，夜幕降临时再开启，这样不但能够降低能耗，同时还能够对人们的生活质量产生积极有效的促进作用。

6 结 语

贯彻城市照明照度标准和节能保准，科学合理地设计路面光照水准、照明亮度水平，控制照明光线，有效节省照明灯具，以及使用恰当的控制方式，都是城市道路照明节电的重要方式。但必须认识到，城市道路照明节电是一个系统工程，除节电设计外，还必须进行制度的建设、有效的维护和长期的监管，而这离不开国家的法律政策及地方的行政措施的大力支持，以实现科学照明、智能照明、绿色照明。

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