淺談城市道路照明的配電和控制設(shè)計

王 敏

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海200092）

0 前言

隨著城市的快速發(fā)展，城市內(nèi)部、城市之間的道路網(wǎng)也在日益延伸和擴展。近幾年來市政行業(yè)中的道路工程不斷從一線城市、沿海城市向周邊城市延伸，各大城市內(nèi)部的道路也不斷擴展以適應(yīng)日益繁忙的城市交通。在加快城市本身的發(fā)展同時也帶動了周邊城市的發(fā)展。城市道路工程中的道路照明也尤其令人關(guān)注，既要滿足功能要求，又能作為城市景觀的點綴，還要能滿足國家節(jié)能減排的要求，這對道路照明的設(shè)計要求和設(shè)計難度都有較大提高。為此國家建設(shè)部在2006年年底改編了《城市道路照明設(shè)計標準》，于2007年7月1日正式實施。同時隨著國家各種標準規(guī)范與IEC的不斷接軌，新的理念也不斷地在實際工程中得到應(yīng)用，因此本文主要想討論近年來道路照明設(shè)計中應(yīng)該注意的幾個問題。

1 道路照明配電系統(tǒng)的接地形式

由于道路照明負荷是線性的非終端負荷，負荷電壓等級低（220VAC），配電距離較長（可超過1 km），因此為了保證較小線路損耗、配電距離可以更長，一般多采用380 V作為主干線路的配電電壓，引至每套燈具后斷開主干線路，取某相的相電壓引入燈具，整條線路設(shè)計時盡可能做到三相負荷平衡和三相的壓降值接近。根據(jù)新規(guī)范6.1.9條款，道路照明配電系統(tǒng)的接地形式宜采用TN-S制或TT制，兩種接地制式各有利弊。按規(guī)范條文說明的解釋，采用TT制必須采用漏電保護裝置，而TN-S制沒有此要求。目前道路照明設(shè)計采用TN-S制的配電系統(tǒng)往往不設(shè)漏電保護，配電回路斷路器也僅考慮瞬時過電流脫扣器。單相接地故障保護往往并不計算故障電流，也不復核保護電器的動作可靠性，這是不合理的，尤其在道路照明這種比較特殊的供配電系統(tǒng)中顯得更不合理。采用TH-S制時，應(yīng)該進行單相接地故障電流的計算，然后確定是否可以用斷路器的瞬時過電流脫扣器兼作單相接地保護。下面將以圖1所示為例作說明。

TN-S接地制式中，當發(fā)生單相接地故障時，故障電流是沿相線L和保護線PE回路流回電源側(cè)的，此時的單相接地電流計算公式：

Id=（公式中的分子應(yīng)為kV系統(tǒng)中即為

式中：Zphp——系線路的相保阻抗。

圖1中假定故障線路為0.6 km長的25 mm2電纜，PE與相線同截面的，當線路末端發(fā)生單相接地故障時，故障電流計算：

從圖1可看到PE的主要作用是在單相接地故障時提供故障電流返回電源側(cè)，以供保護電器動作用，因此PE線的截面除了要考慮一定機械強度外，還要能夠承擔單相接地故障電流的載流量，這也是道路照明線路采用5芯同截面設(shè)計的原因。

單相接地的故障電流切除有斷路器和熔斷器兩種，采用熔斷器保護時，根據(jù)熔斷器容量的不同，故障電流切除的靈敏度也各不相同，范圍在4.5～7倍。即道路照明配電回路中采用16 A熔體電流的熔斷器兼作單相接地故障保護時，要使熔斷器可靠動作的單相接地故障電流必須大于等于5 Ih，即80 A。采用斷路器作為單相接地保護電器時，其靈敏度要求為不小于1.3倍，但是斷路器切斷單相接地故障的脫扣器為瞬動或短延時，這意味著，假設(shè)配電回路采用整定電流值為16 A斷路器，其瞬動脫扣器是10 Ih，即為160 A，那么故障電流必須大于等于160×1.3=208（A）時才能保證可靠跳閘。若是圖1所示的僅600 m的單相接地計算電流就不足以保證斷路器的瞬動脫扣器可靠跳閘。

怎么解決呢？關(guān)鍵在于增加故障電流，如放大導線截面，縮短電纜配電長度等等，也可以采用帶短延時脫扣器的斷路器，短延時脫扣器的瞬動倍數(shù)在1.5～5 Ih之間可調(diào)，也就是動作電流減小很多，還有就是采用帶漏電保護的斷路器，帶漏電保護的斷路器價格非常昂貴。由于道路照明多采用電纜埋地敷設(shè)，因此正常情況下的線路及設(shè)備本身就具有一定漏電流。根據(jù)設(shè)計手冊，25 mm2截面的電纜，每km的漏電流為70 mA。根據(jù)工程經(jīng)驗，這個數(shù)據(jù)在潮濕天氣會更大。因此設(shè)計采用帶漏電流保護的斷路器時需要避開正常的漏電流，否則斷路器極易誤動作。由于道路照明發(fā)生單相接地故障多為間接接觸，因此無需按照防止直接接觸帶電體的30 mA要求整定漏電電流，可適當放大。

從以上論述可見，道路照明的配電系統(tǒng)采用TN-S制也應(yīng)進行單相接地故障電流的計算，并復核保護電器的動作靈敏度，確保發(fā)生單相接地故障時保護電器可靠動作。

2 節(jié)能要求

新規(guī)范與原規(guī)范的最主要區(qū)別是增加了節(jié)能的要求，具體體現(xiàn)在7.1.2條款中。該條款為強制性條文，規(guī)定了不同道路等級和照度標準的道路單位面積的最高耗能，在滿足照度、均勻度等標準的條件下，單位面積的耗能不得大于規(guī)范規(guī)定數(shù)值，該功耗還包括燈具鎮(zhèn)流器的功耗。從新規(guī)范中可以看到對道路照明設(shè)計的節(jié)能要求大大提高了。按照這個要求，設(shè)計必須采用高光效的燈源、燈具，低損耗的鎮(zhèn)流器?；谶@個要求，燈桿的間距和高度設(shè)計隨意性也沒有那么大了，基本上照度和均勻度剛剛符合要求的數(shù)值才能滿足7.1.2條款中的強制性條文要求。

3 路燈控制方法

除了燈源、燈具、燈桿的設(shè)計以外，路燈的控制也是節(jié)能的一項極為重要的舉措。城市道路照明的一個特點是半夜或者后半夜以后很多道路車流量和人流量降低，因此可以適當降低半夜或后半夜的照度達到節(jié)能的目的，這也是設(shè)計中常說的半夜燈控制要求。目前國內(nèi)各地均有不同做法，一些大城市交通繁忙，車輛錯時運行，晚上流量也不低，因此沒有半夜燈要求。也有很多中小城市或者大城市中的工業(yè)區(qū)、大型小區(qū)等晚間的車流量很少，因此都可以按半夜燈控制要求來運行，可在晚間節(jié)省20%～50%的電能。

國內(nèi)道路照明工程中電源一般為電業(yè)部門設(shè)置10/0.4 kV箱式變或地埋變，引出若干回路至路燈控制箱（也稱路燈監(jiān)控箱）從路燈控制箱進線電源樁頭開始及其以后所有設(shè)備屬于路燈所管理，之前屬于供電局管理，電費計量點一般不設(shè)在箱變內(nèi)。道路監(jiān)控、景觀照明等其它道路相關(guān)用電負荷若要從道路箱變?nèi)‰?，往往需要設(shè)置單獨電費計量點。路燈的開關(guān)控制一般是根據(jù)室外光線的明暗和時間變化進行自動控制的，控制裝置設(shè)置在路燈控制箱內(nèi)，均為就地自控，若需要遙控，則可通過增加控制器接口來實現(xiàn)控制中心的遙控。實現(xiàn)半夜燈的控制要求，可通過很多方法，目前各地城市都有各自的習慣要求和做法，可以采用新型設(shè)備，可以在配電系統(tǒng)設(shè)計時實現(xiàn)，筆者在此介紹幾種常用的方法。

3.1 采用調(diào)壓的方式

在照明配電回路中采用變壓器，開關(guān)燈時可通過逐步調(diào)壓的方法使啟動電流和關(guān)燈電流較小，這個方式在開關(guān)燈時就能適當降低能耗。當半夜需要調(diào)低照度時，可采用調(diào)低變壓器輸出電壓的方式，適當降低燈具的光照度來實現(xiàn)，由于目前道路照明采用的多是氣體發(fā)光燈，對電壓要求較高，電壓降過大末端的燈具會熄滅，因此其調(diào)節(jié)的幅度不大，一般約在20%。優(yōu)點是沿線每套燈具的光照度同時下降，照明的均勻度變化不大，駕駛員的眼睛容易適應(yīng)。這個方式在歐美國家使用較多，因此該類控制器的進口產(chǎn)品種類較多。

3.2 采用新型鎮(zhèn)流器

為了滿足全球大形勢下的各個國家的節(jié)能減排要求，飛利浦等照明光源公司紛紛推出一種新型的氣體發(fā)光燈鎮(zhèn)流器，其輸出功率是可變的，考慮到節(jié)能的效率和產(chǎn)品的投資增加，目前鎮(zhèn)流器多為150 W/250 W/400 W三檔可調(diào)輸出，當半夜需要調(diào)低照度時，可自動在設(shè)定時間段內(nèi)，調(diào)整輸出功率，當從正常輸出的400 W調(diào)整為250 W或150 W輸出時，燈具的光通量下降，照度也相應(yīng)變低。采用這種鎮(zhèn)流器的節(jié)能效率也是較明顯的，可達到40%～50%，均勻度變化也不大。缺點是投資較大，而且對于小功率照明的路燈，由于產(chǎn)品一次投入大，節(jié)能率相對低，收回投資年限長，因此還沒有推出對應(yīng)的產(chǎn)品。

有的地方為了節(jié)省投資并實現(xiàn)半夜燈控制，也有在1套燈具內(nèi)裝設(shè)兩套光源，半夜車流少時，可關(guān)閉其中1套。這樣做的優(yōu)點是半夜燈時道路均勻度不降低，缺點是光源數(shù)量翻倍，維修工作量增加，且小功率照明的道路不適用。

3.3 采用單相雙回路設(shè)計配電系統(tǒng)（見圖2）

每個回路采用四芯同截面電纜，為單相雙回路送電，共用N線和PE線，三個回路分別為A1+A2+N+PE、B1+B2+N+PE、C1+C2+N+PE，每回路不同回路的線芯間隔接至每套燈具。A1～C1引自全夜母線，A2～C2引自半夜母線。

圖2 道路照明控制柜帶半夜燈控制的單相雙回路配電系統(tǒng)圖

當全夜燈時，全夜母線和半夜母線接觸器均合閘，A1～C1母線和A2～C2母線均有電，當?shù)竭_設(shè)定時間和光線時，半夜母線接觸器分閘，A2～C2 母線失電，三個回路中的 A2、B2、C2 相線所接的燈具即時關(guān)閉，這樣半夜時可間隔關(guān)閉一半路燈。

設(shè)計時需要注意以下幾點，首先是三相的平衡，無論是全夜母線還是半夜母線，或者是再上一級進線處，三相負荷盡可能設(shè)置平衡；其次是壓降計算時要考慮單相雙回路供電時，中性線上的電流是兩個單相的疊加，壓降更大。缺點是電流較大，配電距離短，壓降大。優(yōu)點是不增加設(shè)備投資的條件下，利用單根電纜可實現(xiàn)半夜燈控制。

3.4 采用兩相供電設(shè)計配電系統(tǒng)（見圖3）

這個配電系統(tǒng)與單相雙回路相比，只是每回路中兩根相線的相位不同，其它接線形式、控制方式等完全一樣。全夜母線為A1～C1，半夜母線為A2～C2， 三 個配 電 回路 分 別 為 A1+B2+N+PE、B1+C2+N+PE、C1+A2+N+PE。

圖3 道路照明控制柜帶半夜燈控制的兩相供電配電系統(tǒng)圖

該配電系統(tǒng)的運行模式半夜燈也是間隔關(guān)閉。與單相雙回路的區(qū)別在于回路電流較小，線路損耗較低，線路壓降小，同樣條件下可采用較小截面的配電電纜，相比之下該配電系統(tǒng)更為節(jié)能。設(shè)計時要注意，在半夜燈運行模式下，其配電是單相回路供電，因此該系統(tǒng)的壓降計算更為復雜，對設(shè)計要求較高。優(yōu)點與單相雙回路相同。缺點是全夜燈運行模式下，電纜處于缺相運行狀態(tài)，中性線的絕緣應(yīng)與相線相同。

3.5 采用三相供電的半夜燈控制配電系統(tǒng)（見圖4）

圖4中三相5芯電纜作為配電線路。

全夜燈模式運行時，與沒有半夜燈控制的常規(guī)道路照明配電模式完全一樣。當?shù)竭_設(shè)定時間進入半夜燈模式時，切除每條配電回路的其中一相電源，這樣沿線燈具間隔兩盞關(guān)閉一盞。優(yōu)點是全夜燈運行模式下，相比兩相配電系統(tǒng)，三相配電系統(tǒng)的回路電流更小，線路損耗更低，線路壓降更??；同樣也能采用一根電纜滿足間隔關(guān)燈的控制要求。缺點是無論全夜燈還是半夜燈運行模式下，電纜均處于缺相運行狀態(tài)，中性線的絕緣應(yīng)與相線相同。

圖4 道路照明控制柜帶半夜燈控制的三相供電配電系統(tǒng)圖

3.6 新光源和照明控制系統(tǒng)

在國外，以及國內(nèi)的小部分小區(qū)，采用了這樣一種控制方式進行節(jié)能，若是說之前的幾種方式都是粗線條的控制模式，這種方式就是非常精細的控制。下面介紹一下其基本理念。

在車流和人流較少的區(qū)域里，路燈的控制完全由往來的人流或車流控制，在道路上設(shè)置監(jiān)測點，當監(jiān)測到人或車經(jīng)過時，路燈會在人或車的到來前逐盞點亮，并在人或車經(jīng)過后依次關(guān)閉。這種控制方式最大的優(yōu)點是最為節(jié)能。這在以前是無法完成的，因為對光源提出了較高的要求，能頻繁開啟和瞬間燃亮，常規(guī)的高壓鈉燈不具備這種要求，隨著LED光源、無極燈、節(jié)能燈等光源產(chǎn)品的發(fā)展，目前的光源已經(jīng)可以實現(xiàn)這種設(shè)想。

在城市道路照明中，這種控制方式也可以采用更加“模糊”的控制，可以監(jiān)測車流量和人流量，根據(jù)流量變化來調(diào)節(jié)燈具功率的輸出，以適應(yīng)不同道路模式下的照度要求。

4 結(jié)語

本文對近年來城市道路照明設(shè)計中的若干應(yīng)注意的問題發(fā)表筆者的一些看法，僅供同行參考。相信在不久的將來，隨著光源、燈具、鎮(zhèn)流器等設(shè)備的發(fā)展，新型的路燈控制系統(tǒng)可以使城市道路照明的設(shè)計更加節(jié)能。

[1]CJJ45，城市道路照明設(shè)計標準[S].

[2]GB50054，低壓配電設(shè)計規(guī)范[S].