由茂名市海洋大道照明工程設(shè)計(jì)談城市道路照明設(shè)計(jì)方法

楊洋

（北京市市政專業(yè)設(shè)計(jì)院股份公司，北京100037）

1 引言

城市道路照明系統(tǒng)能夠?yàn)轳{駛員和行人提供良好的視覺環(huán)境，具有保證行車安全、減少交通事故、美化城市景觀的作用。隨著節(jié)能減排這一概念的提出，照明節(jié)能在道路照明設(shè)計(jì)中的重要性也日益提高。本文通過對(duì)廣東省茂名市海洋大道照明工程設(shè)計(jì)的分析總結(jié)，闡述城市道路照明的設(shè)計(jì)方法。

2 道路照明指標(biāo)計(jì)算

城市道路照明中，評(píng)價(jià)機(jī)動(dòng)車交通道路照明質(zhì)量的主要指標(biāo)有路面平均亮度、路面亮度總均勻度和縱向均勻度（或路面照度均勻度）、眩光限制、環(huán)境比SR和誘導(dǎo)性。CJJ 45—2015《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[1]（以下簡(jiǎn)稱《標(biāo)準(zhǔn)》）中對(duì)不同等級(jí)的道路其各項(xiàng)指標(biāo)的數(shù)值均有明確要求，標(biāo)準(zhǔn)值見表1。

表1 CJJ 45—2015表3.3.1機(jī)動(dòng)車交通道路照明標(biāo)準(zhǔn)值

在道路照明設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者往往根據(jù)道路的橫斷面形式以及《標(biāo)準(zhǔn)》中表5.1.3關(guān)于燈具的配光類型、布置方式與燈具的安裝高度、間距的關(guān)系之規(guī)定確定燈具布置方式，在燈桿布置方案確定后，進(jìn)行平均照度的計(jì)算[2]。平均照度計(jì)算采用利用系數(shù)法，計(jì)算公式為：

式中，φ為光源的總光通量，lm；U為利用系數(shù)；K為維護(hù)系數(shù)；W為道路寬度，m；S為路燈安裝間距，m；N為與排列方式有關(guān)的數(shù)值，當(dāng)?shù)缆芬粋?cè)排列或交錯(cuò)排列時(shí)N=1，相對(duì)矩形排列時(shí)N=2。

海洋大道標(biāo)準(zhǔn)橫斷面機(jī)動(dòng)車道寬24m。根據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)》中表5.1.3之規(guī)定，本工程確定照明設(shè)計(jì)方案為選用12m路燈，燈桿間距36m，雙側(cè)對(duì)稱布置，光源選用400W高壓鈉燈。將上述參數(shù)帶入式（1），得

這一結(jié)果滿足城市主干道平均照度高檔值30lx的規(guī)定，往往至此設(shè)計(jì)者便認(rèn)為此方案已滿足規(guī)范要求。而對(duì)于平均亮度、均勻度、眩光限制閾值等參數(shù)由于計(jì)算復(fù)雜而被忽略，道路上對(duì)照度的感知是不同于亮度的，機(jī)動(dòng)車道上的駕駛員是感知路面上的亮度，因此，機(jī)動(dòng)車道路上評(píng)價(jià)用的指標(biāo)應(yīng)該是亮度，而不是照度。因此，對(duì)于《標(biāo)準(zhǔn)》要求的每個(gè)照明指標(biāo)的計(jì)算都是必要的，為方便計(jì)算，可以利用照明設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行道路照明設(shè)計(jì)模擬。

DIALux是一種免費(fèi)的照明計(jì)算軟件，通過DIALux可以構(gòu)建道路模型，將燈具布置方式及具體燈具導(dǎo)入到模型中便可得到相應(yīng)的道路照明計(jì)算結(jié)果。對(duì)本工程設(shè)計(jì)方案分別選取不同燈具利用DIALux進(jìn)行模擬計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 N RS001/400WN A V-T光源路燈等輝度圖及燈具配光曲線

圖中，U0為路面最小亮度與最大亮度的比值；U1為路面各車道的中心線上的最小亮度與最大亮度的比值的最小值；C0°～C180°和 C90°～C270°是坐標(biāo)軸中的 2 個(gè)剖面；η 為燈具的效率。

通過計(jì)算結(jié)果可以看出，同樣的燈具布置方式，選取不同燈具，產(chǎn)生的照明效果相差很大，因此，設(shè)計(jì)者不應(yīng)拘泥《標(biāo)準(zhǔn)》中表5.1.2中截光型燈具S≤3H（H為燈具的安裝高度）的規(guī)定，而是應(yīng)通過模擬計(jì)算，選擇最合適配光的燈型，實(shí)現(xiàn)最經(jīng)濟(jì)、最節(jié)能、最舒適的燈具布置方案。

圖2 N RS007/400WN A V-T光源路燈等輝度圖及燈具配光曲線

3 道路照明配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 道路照明接地形式的比較

道路照明具有照明設(shè)備設(shè)于戶外、供電距離長(zhǎng)，負(fù)荷分散等特點(diǎn)[3]。由于無法實(shí)施等電位接地，其供電安全性及可靠性尤為重要。

《標(biāo)準(zhǔn)》6.1.8條規(guī)定：“道路照明配電系統(tǒng)的接地形式應(yīng)采用TT系統(tǒng)或TN-S系統(tǒng)，并應(yīng)符合GB 50054—2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定。采用剩余電流保護(hù)時(shí)，還應(yīng)滿足GB/T1 3955—2017《剩余電流動(dòng)作保護(hù)裝置安裝和運(yùn)行》的相關(guān)規(guī)定。

采用TN-S系統(tǒng)時(shí)，通常做法為：采用5芯電纜、或4芯電纜和一根接地扁鋼作PE線，將PE線與金屬燈桿及構(gòu)件、燈具外殼、燈桿基礎(chǔ)內(nèi)鋼筋、人工接地極連接成一個(gè)整體。其特點(diǎn)是通過專用PE線將電氣設(shè)備金屬外殼連接，PE線上沒有對(duì)地電壓，安全可靠。

采用TT系統(tǒng)時(shí)，通常做法：采用4芯電纜，每根燈桿下打一根50mm×50mm×5mm、長(zhǎng)L=2500mm的角鋼接地極。其特點(diǎn)是電氣設(shè)備金屬外殼直接接地，減少觸電危險(xiǎn)性，對(duì)人員更安全。

近幾年，針對(duì)這2種系統(tǒng)優(yōu)劣的討論也很多，許多道路照明設(shè)計(jì)人認(rèn)為室外照明配電系統(tǒng)采用TT系統(tǒng)更好，甚至認(rèn)為城市道路照明配電系統(tǒng)不應(yīng)采用TN-S接地形式。筆者認(rèn)為這2種形式各有特點(diǎn)，選擇哪種接地形式應(yīng)該根據(jù)工程具體情況具體分析，不能一概而論。

3.2 采用TT接地系統(tǒng)的問題

采用TT系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)主要有以下2方面：

1）TT系統(tǒng)的接地故障保護(hù)一般采用剩余電流動(dòng)作保護(hù)器RCD，接地故障保護(hù)的靈敏性很高，從而保障了間接接觸電擊保護(hù)的有效性。

2）相對(duì)TN-S系統(tǒng)而言，照明配線采用4芯電纜，節(jié)省一根PE線，可以避免發(fā)生接地故障時(shí)，中性點(diǎn)對(duì)地電位升高，保護(hù)性傳導(dǎo)故障電壓而造成的間接觸電事故。

一般情況下，TT系統(tǒng)對(duì)配電系統(tǒng)有更好的保護(hù)靈敏性和安全性，但道路照明為室外環(huán)境，TT系統(tǒng)使用RCD作接地故障保護(hù)，其保護(hù)靈敏度過高，容易誤動(dòng)作，影響正常使用。正常情況下照明線路（YJV電纜）的泄漏電流約為70mA/km，根據(jù)剩余電流動(dòng)作整定值應(yīng)等于或大于正常泄漏電流的2.5～4倍的關(guān)系，1km線路剩余電流動(dòng)作保護(hù)整定值取100～500mA較合適。然而室外條件下，雨水、污染、溫差對(duì)線路和設(shè)備的泄漏電流均有較大的影響。在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)往往由于環(huán)境因素造成燈具、線路泄漏電流的變化造成保護(hù)電器誤動(dòng)作，導(dǎo)致可靠性降低，這勢(shì)必會(huì)造成安全隱患。例如，筆者在北京某工程上曾采用TT系統(tǒng)，RCD整定值100mA，但由于雨季時(shí)頻繁誤動(dòng)作，導(dǎo)致管理部門最終取消了剩余電流保護(hù)功能，使供電的安全性大打折扣。由于該工程所在地茂名市是我國(guó)南部海濱城市，當(dāng)?shù)赜昙据^長(zhǎng)，雨量較大，從工程實(shí)際應(yīng)用可靠性角度出發(fā)，該工程接地保護(hù)采用TN-S系統(tǒng)[4]。

3.3 TN-S接地系統(tǒng)的改善措施

該工程在使用TN-S系統(tǒng)時(shí)，針對(duì)其自身存在的缺點(diǎn)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)。當(dāng)采用TN-S系統(tǒng)時(shí)，工程普遍做法是僅將PE線與燈桿金屬部分相連，從而忽略了每根燈桿的重復(fù)接地，但是每根燈桿的重復(fù)接地對(duì)TN-S系統(tǒng)的改進(jìn)是非常重要的。

在TN-S系統(tǒng)中，由于接地保護(hù)干線的存在，一旦發(fā)生相線對(duì)地故障，在保護(hù)電器動(dòng)作之前，保護(hù)干線會(huì)帶上故障電壓，并傳導(dǎo)到設(shè)備外殼，容易發(fā)生觸電危險(xiǎn)。如圖3所示，保護(hù)線路上的故障電壓為Uf，接地故障電流為Id，TN系統(tǒng)中所有與電源系統(tǒng)接地并聯(lián)的接地極的接地電阻總和為Rb，Uf=IdRb。為避免電擊危險(xiǎn)，IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定需要滿足以下要求：

式中，Re為不與PEN線或PE線相連接的裝置外導(dǎo)電部分與大地間的最小接觸電阻；U0為相線對(duì)地標(biāo)稱電壓。

以U0=220V代入式（2）和式（3），可得：

圖3 TN-S系統(tǒng)接地故障示意圖

由于Re不是確定的值，因此，Rb也不是確定的值，但Rb的取值應(yīng)盡可能的小?？刹捎脺p低電源側(cè)接地電阻，同時(shí)在保護(hù)線上重復(fù)接地的方法，如圖4所示（此時(shí)將R1設(shè)為電源接地電阻），相當(dāng)于電源系統(tǒng)并聯(lián)接地極。同時(shí)讓接地極的接地電阻Rn≤R1，根據(jù)圖5等值電路所示，保護(hù)線的總接地電阻為：

式中，R1為系統(tǒng)電源接地電阻；Rn為保護(hù)線的總接地電阻。

因R2～Rn≤R1，所以

n越大，即重復(fù)接地越多，則Rb?Re，從而滿足式（4）和式（5）。

圖4 TN-S系統(tǒng)重復(fù)接地示意圖

因此，該工程采用TN-S系統(tǒng)，具體做法為采用5芯電纜供電，將PE線與金屬燈桿及構(gòu)件、燈具外殼、燈桿基礎(chǔ)內(nèi)鋼筋、人工接地極連接成一個(gè)整體的同時(shí)，每根燈桿下打一根50mm×50mm×5mm、長(zhǎng)度L=2500mm的角鋼接地極。

3.4 TN-S系統(tǒng)保護(hù)電器的選擇

根據(jù)GB 50054—2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]第5.2.9條，當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí)，保護(hù)電器切斷故障電路的時(shí)間≤5s。道路照明線路一般較長(zhǎng)，線路末端發(fā)生接地故障、單相短路時(shí)，其故障電流比較小，因此，對(duì)于道路照明配電線路、保護(hù)電器選擇，要滿足保護(hù)電器的動(dòng)作靈敏度要求，需要進(jìn)行末端單相接地短路電流的校驗(yàn)。

圖5 TN-S系統(tǒng)重復(fù)接地等值電路示意圖

該工程采用斷路器作為線路短路、過負(fù)荷保護(hù)器件，根據(jù)《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》第三版[6]（以下簡(jiǎn)稱《手冊(cè)》）中規(guī)定：

式中，Iset1為斷路器長(zhǎng)延時(shí)過電流脫扣器整定電流，A；IC為照明線路計(jì)算電流，A；Iset3為斷路器瞬時(shí)過電流脫扣器整定電流，A；Krel3為斷路器瞬時(shí)過電流脫扣器可靠系數(shù)，此系數(shù)取決于電光源啟動(dòng)狀況，本工程光源選用高壓鈉燈，系數(shù)取值4～7；Idmin為照明線路預(yù)期短路電流中最小短路電流，A。在TN-S系統(tǒng)中，Idmin為線路末端單相短路電流。

同時(shí)滿足式（6）～式（8），即認(rèn)為此斷路器整定值能夠滿足配電線路的短路保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)、接地故障保護(hù)的要求。

現(xiàn)針對(duì)采用TN-S系統(tǒng)的常用設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行通用分析。

電纜選用交聯(lián)聚乙烯電纜YJV型，截面分別設(shè)為YJV-5×16mm2、YJV-4×25mm2+1×16mm2、YJV-5×25mm2、YJV-4×35mm2+1×16mm2、YJV-5×35mm2。

斷路器長(zhǎng)延時(shí)過電流脫扣器整定值Iset1取50A、40A、32A、25A，取Krel3為5，斷路器瞬時(shí)過電流脫扣器整定值為250A、200A、160A、125A。

配電線路長(zhǎng)度分別取400m、500m、600m、700m、800m。

根據(jù)《手冊(cè)》表4-32提供的計(jì)算方法（短路點(diǎn)阻抗計(jì)算時(shí)忽略系統(tǒng)、變壓器、母線等元件阻抗），分別計(jì)算上述電纜線路參數(shù)在不同配電長(zhǎng)度上的末端接地故障電流Idmin，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 不同截面電纜不同配電線路長(zhǎng)度下的末端接地故障電流A

由表1中計(jì)算結(jié)果可知，若線路超過800m，基本不能滿足保護(hù)要求。若配電回路長(zhǎng)度增加，則需要增大電纜截面。為保證工程經(jīng)濟(jì)性、同時(shí)降低施工難度，電纜最好控制35mm2以下，配電回路控制在約500m為宜，本工程電纜選擇YJV-5×25mm2，配電長(zhǎng)度 500m，斷路器Iset1取 25A、Iset3取 125A。

根據(jù)《手冊(cè)》中表4-25可知，相線截面大于16mm2的電纜，為滿足保護(hù)要求，增大PE線截面比增加相線截面更有效。如 5×25mm2的單位長(zhǎng)度阻抗小于 5×35mm2+1×16mm2，其故障電流計(jì)算值反而更大。

3.5 道路照明節(jié)能

3.5.1 我國(guó)道路節(jié)能現(xiàn)狀

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的日益增長(zhǎng)，能源日趨緊張，城市道路照明的能耗問題日益突出，因此，照明節(jié)能的意義重大。我國(guó)現(xiàn)在道路照明設(shè)計(jì)往往追求高指標(biāo)、高照度標(biāo)準(zhǔn)、比較重視對(duì)燈桿、燈具造型的設(shè)計(jì)，而忽視燈具的配光性能、照明計(jì)算，導(dǎo)致道路照明質(zhì)量不高、能源浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重。我國(guó)傳統(tǒng)的道路照明一般采用定時(shí)器控制、后半夜隔燈關(guān)閉，這種方法不能即時(shí)調(diào)整開/關(guān)燈時(shí)間，造成能源浪費(fèi)。而且隔燈關(guān)閉容易造成道路照明不均勻，造成安全隱患。

3.5.2 道路照明節(jié)能措施

道路照明節(jié)能是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，首先照明設(shè)計(jì)應(yīng)滿足《標(biāo)準(zhǔn)》中表3.3.1照明標(biāo)準(zhǔn)值和表7.1.2功率密度值的規(guī)定，通過照明軟件模擬計(jì)算選出最佳布置方案，減少燈具數(shù)量，選用的光源及鎮(zhèn)流器的性能指標(biāo)應(yīng)符合國(guó)家現(xiàn)行有關(guān)能效標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的節(jié)能評(píng)價(jià)值要求。對(duì)于高壓鈉燈等帶電感鎮(zhèn)流器的燈具，裝設(shè)低壓無功補(bǔ)償電容器，提高負(fù)載功率因數(shù)，從而減小無功電流，達(dá)到降低線路損耗和變壓器損耗的目的，同時(shí)提高供電變壓器的利用率。道路照明用電有其特殊的特點(diǎn)，一方面在晚上零點(diǎn)后城市用電負(fù)荷減少，電網(wǎng)電壓逐漸升高，照明設(shè)施能耗增大，燈具壽命減小。另一方面夜間路面上人車數(shù)量稀少，對(duì)道路照明的需求也相應(yīng)減少，采用先進(jìn)的智能光源降壓－穩(wěn)壓－調(diào)光技術(shù)更為有效，在夜間降低道路照明功率，適當(dāng)降低路面亮度水平，這樣能夠在保證道路照明質(zhì)量的同時(shí)，減少能耗，增加光源壽命。

該工程采用天文時(shí)鐘控制器和智能照明控制系統(tǒng)相結(jié)合進(jìn)行照明控制。天文時(shí)鐘控制器可以根據(jù)所在道路的經(jīng)緯度自動(dòng)設(shè)置每天開關(guān)燈時(shí)間，同時(shí)與光照控制相結(jié)合，再預(yù)置時(shí)間區(qū)段內(nèi)根據(jù)光照度確定路燈的開/關(guān)，即能在陰雨天自動(dòng)延長(zhǎng)照明時(shí)間，也能在晴好天氣自動(dòng)縮短照明時(shí)間。通過合理的開關(guān)燈控制，既滿足道路照明的需求，又避免了路燈的無謂開啟，節(jié)約了能源。智能照明控制系統(tǒng)通過對(duì)主路光源在后半夜進(jìn)行減壓、調(diào)光控制，減小能耗、提高光源壽命。通過以下計(jì)算得到采用調(diào)壓控制后，最高可實(shí)現(xiàn)節(jié)電約20%。

按純電阻負(fù)載考慮P=U2/R（P為功率；U為電壓；R為電阻），取調(diào)壓前電壓為U1、調(diào)壓后電壓為U2；

節(jié)電率 η1＝（P1-P2）/P1=1-（U2/U1）2；

當(dāng)U2=0.95U1時(shí)，η1＝9.75%；

當(dāng)U2=0.9U1時(shí)，η1＝19%。

4 結(jié)語(yǔ)

城市道路照明作為一項(xiàng)服務(wù)社會(huì)人民的城市基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，滿足相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)規(guī)范，設(shè)計(jì)合理，減少投資，技術(shù)先進(jìn)、節(jié)約能源是道路照明設(shè)計(jì)的基本原則。