基于城市路燈照明供配電控制設(shè)計(jì)研究

付超

（太原市政工程勘測設(shè)計(jì)院有限公司， 山西 太原 030001）

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展， 使得城市建設(shè)我規(guī)模逐漸擴(kuò)大， 城市交通事業(yè)發(fā)展迅速， 其中道路照明基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)對交通安全具有重要影響， 既可以為民眾晚間的出行安全提供保障， 又可以起到一定的城市美化作用。 照明系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量以及穩(wěn)定性與其供配電控制設(shè)計(jì)有關(guān)， 供配電控制設(shè)計(jì)是路燈照明設(shè)施建設(shè)的核心， 在照明設(shè)計(jì)建設(shè)中起著至關(guān)重要的作用， 需要電力部門或企業(yè)加強(qiáng)對照明供配電控制設(shè)計(jì)的研究。

1 城市路燈照明供配電控制設(shè)計(jì)重點(diǎn)

1.1 供配電控制設(shè)計(jì)方案

我國的城市化建設(shè)事業(yè)正處于上升期， 城市交通照明基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)是重要的項(xiàng)目工程， 照明設(shè)施的建設(shè)可為城市交通的安全性提供保障。 在城市路燈照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)中， 供配電的控制設(shè)計(jì)十分重要， 直接影響著照明系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量， 需要政府相關(guān)部門以及電力企業(yè)注重照明供配電方案的設(shè)計(jì)， 并依據(jù)城市道路交通通行的實(shí)際情況， 適時(shí)調(diào)整照明供配電設(shè)計(jì)方案， 使其系統(tǒng)線路設(shè)計(jì)不斷獲得優(yōu)化， 有助于為照明系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性以及可靠性提供保障。 此外， 在供配電方案設(shè)計(jì)中應(yīng)注重節(jié)能降耗設(shè)計(jì)， 燈具均使用LED節(jié)能燈， 既有助于減少路燈照明使用電能的消耗量， 又有助于降低供配電線路的設(shè)計(jì)成本。

1.2 供配電線路控制設(shè)計(jì)

1.2.1 線路鋪設(shè)設(shè)計(jì)

城市路燈照明的供配電線路較長， 電流值普遍較小， 選擇電纜材料時(shí)， 依據(jù)其載流量完成照明供配電線路鋪設(shè)設(shè)計(jì)， 設(shè)計(jì)時(shí)需要注意線路壓降問題， 依據(jù)實(shí)際情況， 設(shè)計(jì)人員可將電纜截面適當(dāng)擴(kuò)大， 以此解決壓降問題。 按照國家規(guī)定， 城市路燈照明系統(tǒng)中最末端的燈具電壓值需小于5%， 此時(shí)電纜截面擴(kuò)大會(huì)確保路燈負(fù)荷供電充足， 致使壓降減小， 既有助于降低供配電線路損耗， 又可確保照明系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。

1.2.2 配電系統(tǒng)控制

傳統(tǒng)的城市路燈照明系統(tǒng)是由人工操作控制， 其具有效率與精準(zhǔn)度偏低的缺陷， 信息化科技時(shí)代， 城市路燈照明系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)應(yīng)注重先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的引進(jìn)與應(yīng)用， 注重發(fā)展自動(dòng)化控制模式。 例如照明供配電控制設(shè)計(jì)， 可使用電氣自動(dòng)化技術(shù)、 計(jì)算機(jī)技術(shù)以及PLC技術(shù)等， 創(chuàng)建覆蓋范圍較廣的供配電自動(dòng)化管控系統(tǒng)， 并借助傳感器、 數(shù)據(jù)采集裝置以及監(jiān)控裝置等設(shè)備， 有助于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息采集的自動(dòng)化， 便于控制人員對各類信息的統(tǒng)一管理。 此外， 順序控制工作模式的應(yīng)用， 可與電力系統(tǒng)相互連通， 實(shí)現(xiàn)供配電系統(tǒng)的自動(dòng)管控， 有助于供配電系統(tǒng)工作效能的提升。圖1 為配電系統(tǒng)及照明系統(tǒng)裝置。

圖1 配電系統(tǒng)及照明系統(tǒng)裝置

1.2.3 計(jì)算負(fù)荷總量

城市路燈照明供配電線路的負(fù)荷總量可用P表示， 其計(jì)算環(huán)節(jié)較為基礎(chǔ)， 是其他設(shè)備正常運(yùn)行的關(guān)鍵。 計(jì)算公式為。

其中， P指道路照明用電負(fù)荷， P指交通信號燈用電負(fù)荷， P與P取值不定， 主要與線路實(shí)際運(yùn)行情況有關(guān)； P至景觀用電負(fù)荷， P指廣告牌用電負(fù)荷，P與P取值與線路遠(yuǎn)景規(guī)劃設(shè)計(jì)有關(guān)。

1.3 供配電接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對于部分城市道路交通而言， 日常車輛以及人流量通行量較大， 照明供配電線路的鋪設(shè)需要注重安全性以及穩(wěn)定性問題， 采取相應(yīng)措施避免出現(xiàn)供配電接地故障， 危害人民群眾生命安全。 照明供配電設(shè)計(jì)過程中， 應(yīng)注重接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)， 可通過使用TT系統(tǒng)對PE線進(jìn)行連接， 道路兩旁所有照明設(shè)施均需要與接地裝置相連， 鍍鋅角鋼是常用的接地極， 而路燈燈桿可作為接閃器， 道路內(nèi)鋼筋可作為引下線， 最后連接接地裝置， 表示供配電接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)完畢， 其電阻值應(yīng)小于10Ω。

2 城市路燈照明供配電控制設(shè)計(jì)內(nèi)容

2.1 線路接地保護(hù)設(shè)計(jì)

2.1.1 零序電流

當(dāng)路燈照明供配電線路的三項(xiàng)負(fù)荷相平衡時(shí)， 零序電流為零， 不平衡時(shí)， 零序電流非零。 如若三項(xiàng)中有一相發(fā)生接地故障， 則會(huì)導(dǎo)致三項(xiàng)負(fù)荷失衡， 此時(shí)需要使用零序電流對線路接地故障進(jìn)行處理。 零序電流主要包括TN-S 系統(tǒng)， 在TN-S 系統(tǒng)中， 若線路一相出現(xiàn)接地故障， 其產(chǎn)生的電流可用I表示， 計(jì)算公式如下（2）。 如果TN-S 系統(tǒng)能夠識別不平衡電流， 則可實(shí)現(xiàn)對接地故障的保護(hù)。

2.1.2 過電流

在城市路燈照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)中， 供配電控制設(shè)計(jì)難度較大， 設(shè)計(jì)過程中容易出現(xiàn)接地故障， 需要設(shè)計(jì)人員利用接地故障保護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行處理， 以此為路燈照明系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供保障。 設(shè)計(jì)過程中斷路器的使用， 可在不增設(shè)其他設(shè)備的基礎(chǔ)上解決接地故障， 如若是針對于電路保護(hù)設(shè)計(jì)， 則需要使用靈敏度較高的斷路器。 在TN-S 系統(tǒng)中， 如若因接地故障而引起電壓下降， 工作人員需要快速切斷接地保護(hù)器連接線路， 使其電流值乘積小于50， 該范圍不會(huì)對人身安全造成危害。

2.2 線路無功補(bǔ)償設(shè)計(jì)

2.2.1 補(bǔ)償方式

城市路燈照明供配電控制設(shè)計(jì)， 設(shè)計(jì)人員需要優(yōu)先將線路電壓發(fā)生的損失計(jì)算出來， 依據(jù)計(jì)算結(jié)果，為滿足末端電壓要求， 設(shè)計(jì)人員需要考慮城市道路未來20 年的運(yùn)行計(jì)劃， 無功補(bǔ)償法因設(shè)計(jì)與使用成本偏低， 所以被廣泛應(yīng)用于城市路燈照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中。 氣體放電燈是城市路燈照明常用材料， 雖然功率因數(shù)小， 但電能及電壓損失較大， 無功補(bǔ)償法可將照明燈的功率因數(shù)進(jìn)行調(diào)整， 使其在國家規(guī)定的0.85以上， 常用的補(bǔ)償法分為集中補(bǔ)償和分散補(bǔ)償， 其中分散補(bǔ)償應(yīng)用效果較好。

2.2.2 補(bǔ)償計(jì)算

路燈照明供配電的無功補(bǔ)償電容量可用Q表示，計(jì)算公式如下（3）， 城市路燈照明無功補(bǔ)償之前的單燈功率為0.45， 補(bǔ)償之后的單燈功率為0.9。 公式中P指有功計(jì)算負(fù)荷，與2 分別為補(bǔ)償前后電功率因數(shù)。

3 城市路燈照明供配電控制設(shè)計(jì)案例

3.1 項(xiàng)目工程概況

武漢市是湖北的省會(huì)城市， 其交通的便捷性以及安全性直接關(guān)系著湖北省的經(jīng)濟(jì)發(fā)展， 尤其實(shí)在城市路燈照明方面。 四環(huán)線沌口長江公路大橋是武漢市四環(huán)線項(xiàng)目的主要施工工程， 其主要連接了四環(huán)線吳家山至沌口以及龔家鋪至中州段， 是四環(huán)線項(xiàng)目工程整體跨越長江的關(guān)鍵性施工路段。 該公路大橋走向?yàn)樽晕鞅毕驏|南， 全長8.599km， 公路大橋起點(diǎn)與四環(huán)線西段終點(diǎn)的K94 +159.8 相連接， 全程上夸長江、 漢洪高速、 青菱湖以及武金堤， 途徑沌南洲以及先生灣等地區(qū)， 沿途與漢洪高速、 武嘉高速以及青鄭高速等相鏈接， 圖2 為武漢市公路大橋路燈照明。

圖2 武漢市公路大橋路燈照明

3.2 交通分布組成

在交通量方面， 依據(jù)對公路大橋車輛通行情況的分析， 武漢市四環(huán)線沌口長江公路大橋是重要的貨運(yùn)快速道路， 具有復(fù)合交通功能， 主要連接于各新城組群， 能夠緩解三環(huán)線及過江通道的交通壓力。 該工程交通量的路段區(qū)間可分為兩部分， 一部分是徐家堡互通至石咀互通， 該路段交通總量為46446pcu/d， 另一部分是石咀互通至龔家鋪互通， 該路段交通總量為1822pcu/d， 整條公路大橋交通量為45669pcu/d。在交通結(jié)構(gòu)方面， 客車通行量占比較大， 其次是貨車通行量。 通行較為頻繁的車輛均屬于貨運(yùn)型， 其中小貨車的通行量占比較低。 為此， 公路工程總體設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是在不增加工程量的基礎(chǔ)上， 對公路大橋全線通行速度以及使用安全進(jìn)行計(jì)算與評估， 有助于確保公路大橋車輛通行的安全性。 圖3 為武漢市公路大橋。

圖3 武漢市公路大橋

3.3 供配電的方案

3.3.1 設(shè)計(jì)原則及系統(tǒng)特點(diǎn)

一方面， 設(shè)計(jì)原則。 首先， 為響應(yīng)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展政策， 依據(jù)“五新理念”， 對沌口長江大橋的供電系統(tǒng)進(jìn)行安全施工與檢測， 確保公路大橋路燈照明系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。 其次， 依據(jù)國內(nèi)外高速公路跨江大橋照明供配電線路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)， 調(diào)整與優(yōu)化路燈照明供配電設(shè)計(jì)方案， 并通過先進(jìn)技術(shù)及設(shè)備的應(yīng)用提升供電系統(tǒng)安裝的便捷秀以及簡單性， 有助于減少設(shè)備維修次數(shù)。 最后， 做好各項(xiàng)預(yù)防工作， 并為日后供電線路及設(shè)備的擴(kuò)容做準(zhǔn)備。 另一方面， 系統(tǒng)特點(diǎn)。 （1） 該項(xiàng)目用電線路鋪設(shè)較長且電負(fù)荷較為分散， 相關(guān)設(shè)備均處于無人值守的室外環(huán)境， 需要派遣專人負(fù)責(zé)每日供配電系統(tǒng)的關(guān)閉與開啟。 該工程的路燈照明供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與民用或工業(yè)的供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)不同， 公路大橋供配電設(shè)備配置容量更大、 電負(fù)荷更為分散， 且供配電設(shè)備的環(huán)境溫度變化較大， 鋪設(shè)空間狹小。

3.3.2 配置要求與負(fù)荷分級

首先是配電要求， 1） 安裝于主橋外場的供配電設(shè)備， 需要具備空間尺寸小以及安裝簡單、 便捷的特點(diǎn)， 且設(shè)備的運(yùn)行必須具備較高的安全性以及防盜性， 日常運(yùn)行可避免設(shè)備維修； 2） 公路大橋的施工使用壽命在常規(guī)條件下需要超過100 年， 而供配電相關(guān)設(shè)備的使用年限最長不超過20 年。 為此， 政府電力部門或者是電力企業(yè)應(yīng)該優(yōu)選安裝與更換便捷且運(yùn)行高效、 可靠的供配電設(shè)備。 其次是負(fù)荷分級， 依據(jù)城市路燈照明供配電設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)， 武漢市四環(huán)線沌口長江公路大橋的電負(fù)荷主要分為三級： 一級負(fù)荷設(shè)備，包括監(jiān)控、 通信、 航空障礙燈、 收費(fèi)航標(biāo)燈以及消防用電等； 二級主要包括營養(yǎng)站房的生活水泵、 箱梁內(nèi)部照明、 檢修動(dòng)力、 食堂用電、 道路照明以及橋塔內(nèi)部照明等； 三級主要包括監(jiān)控用電及沿途辦公用電與景觀照明等。

3.3.3 電力監(jiān)控與節(jié)能設(shè)計(jì)

一方面， 電力監(jiān)控設(shè)計(jì)。 在徐家堡至石咀互通路段的總配電設(shè)計(jì)中， 電氣設(shè)備與站內(nèi)通信管理機(jī)構(gòu)的連接方式為星性， 其共同構(gòu)成了485 現(xiàn)場總線監(jiān)控之網(wǎng)， 子網(wǎng)依據(jù)設(shè)備相對集中的南北塔可被分為兩個(gè)，每個(gè)子網(wǎng)都會(huì)與主干通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接， 連接通常需要使用光纖或屏蔽雙絞線。 除此之外， 電力監(jiān)控系統(tǒng)具有監(jiān)控高、 低壓回路以及變壓器運(yùn)行情況的作用， 在徐家堡與石咀互通路段， 電力監(jiān)控設(shè)計(jì)具有回路“四遙” 功能。 另一方面， 節(jié)能措施。 該公路大橋全程使用的供配電系統(tǒng)均為10kV中壓傳輸模式， 該模式具有降低大容量低電壓供電線路損失的作用， 項(xiàng)目全程使用的20 套變壓器均屬于低耗型的非晶合金節(jié)能型變壓器， 有助于供配電電力損耗的減少。 與此同時(shí)， 節(jié)能設(shè)計(jì)需要注重負(fù)荷分配與三相平衡， 照明燈具選用LED節(jié)能燈， 隨后縮短低壓供配電線路長度， 科學(xué)設(shè)計(jì)電纜線路鋪設(shè)路徑， 可實(shí)現(xiàn)線路損耗降低的節(jié)能目標(biāo)。

3.3.4 供配電方案實(shí)施效果

湖北省武漢市四環(huán)線沌口長江公路大橋， 在2017年12 月28 日正式通車使用， 該項(xiàng)目工程施工周期長達(dá)一年多， 其路燈照明供配電控制設(shè)計(jì)科學(xué)、 合理，且符合武漢市車輛通行需求， 能夠在夜間為民眾的行車安全提供保障。 自四環(huán)線沌口長江公路大橋通車使用日起， 公路大橋路燈照明設(shè)施無任何運(yùn)行故障， 全橋供配電系統(tǒng)及照明設(shè)備均運(yùn)行正常， 無論是在電閃雷鳴的降雨天氣， 還是大風(fēng)天氣， 均未出現(xiàn)供配電線路斷路、 短路以及接地、 雷擊故障等。 照明供配電系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備運(yùn)行正常， 不會(huì)受惡劣天氣影響， 在一定程度上降低了公路大橋安全事故發(fā)生的概率， 工程項(xiàng)目建設(shè)獲得了政府、 建設(shè)企業(yè)以及人民群眾的一致好評。

4 結(jié)語

城市道路交通照明是人民群眾出行安全的基礎(chǔ)保障， 在一定程度上能夠減少城市交通安全事故發(fā)生的幾率。 因此， 路燈照明供配電的設(shè)計(jì)必須具備安全、穩(wěn)定以及可靠的特點(diǎn)， 其控制方案設(shè)計(jì)需要嚴(yán)格按照國家規(guī)定， 并優(yōu)先對照明基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)地勘察， 依據(jù)相關(guān)勘察數(shù)據(jù)科學(xué)設(shè)計(jì)照明供配電線路。城市路燈照明供配電控制設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于供配電控制方案與線路， 設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括線路接地保護(hù)設(shè)計(jì)與線路無功補(bǔ)償設(shè)計(jì)等。