城市道路照明電氣節(jié)能設(shè)計(jì)研究

竇文華

(蘭州有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

0 前 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，城市基礎(chǔ)設(shè)施得以不斷完善。城市道路照明是城市基礎(chǔ)設(shè)施的一個(gè)重要組成部分，不僅為亮化城市、美化環(huán)境發(fā)揮積極作用，還為交通安全、社會(huì)治安提供了有力保障，同時(shí)在提升城市檔次、提高城市形象、改善城市環(huán)境上發(fā)揮了極其重要的作用。舒適安全的城市道路需要良好的照明作保證，良好的道路照明對(duì)提高城市交通安全至關(guān)重要。城市道路照明電氣節(jié)能設(shè)計(jì)的合理性對(duì)交通誘導(dǎo)性、道路利用率和人們居住舒適性的提高產(chǎn)生重要意義。雖然我國(guó)已經(jīng)頒布了城市道路照明電氣設(shè)計(jì)方面的最新標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范，但是當(dāng)前的城市道路照明系統(tǒng)不夠完善，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過(guò)程中仍然會(huì)面臨節(jié)能安全的問(wèn)題。解決城市道路照明電氣設(shè)計(jì)的節(jié)能問(wèn)題，優(yōu)化資源配置，降低維修成本，將進(jìn)一步促進(jìn)城市建設(shè)向前發(fā)展。

1 城市道路照明現(xiàn)狀概述

隨著城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，城市道路照明引起了人們的高度重視和廣泛關(guān)注。近年來(lái)，城市道路照明取得了迅速發(fā)展，主要體現(xiàn)在城市道路照明建設(shè)與城市規(guī)劃緊密結(jié)合、智能化路燈管理兩個(gè)方面。設(shè)計(jì)人員在城市道路照明設(shè)計(jì)過(guò)程中按照城市規(guī)劃部署和城市功能分區(qū)設(shè)計(jì)道路照明；利用計(jì)算機(jī)技術(shù)合理地控制路燈的起滅時(shí)間，提高了道路照明的控制方法和管理措施。雖然城市道路照明發(fā)展迅速成績(jī)斐然，但也存在一些不足。我國(guó)大部分城市在深夜時(shí)，路上的行人和車(chē)輛明顯減少，然而道路兩側(cè)的照明燈一直亮著，無(wú)法根據(jù)人流量和車(chē)流量大小智能控制照明亮度，造成了電能資源的浪費(fèi)和路燈使用壽命的縮短，阻礙了城市的可持續(xù)發(fā)展。

2 城市道路照明電氣設(shè)計(jì)

2.1 電線路和管道的供配

一般照明線路通常采用三相四線的供電方式，為保證三相負(fù)荷平衡，各個(gè)燈桿按照A、B、C的順序輪流接線。設(shè)計(jì)人員在道路設(shè)計(jì)過(guò)程中，還需要充分考慮其他公用設(shè)施的負(fù)載、電力管線的環(huán)境因素以及道路工程的其他地下管線。

2.2 接地方式的選擇

道路照明配電接地的保護(hù)方式通常采用TN-S系統(tǒng)和TT系統(tǒng)。工程中多采用TT系統(tǒng)。

1)TN-S系統(tǒng)把N線和接地PE線嚴(yán)格，在TN-S系統(tǒng)中，PE線和N線均是從變壓器中性點(diǎn)一點(diǎn)接地引出，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)， PE線沒(méi)有電流通過(guò)，N線有不平衡電流通過(guò)，PE線對(duì)地沒(méi)有電壓，所有電氣設(shè)備金屬外殼保護(hù)接地接在PE線上。TN-S系統(tǒng)有以下缺點(diǎn)。

缺點(diǎn)一：TN-S系統(tǒng)有導(dǎo)致電擊的可能。電氣設(shè)備(照明燈具等)的外露導(dǎo)電部分通過(guò)PE線接到變壓器中性點(diǎn)之后接地，當(dāng)該變壓器其他部分對(duì)地直接連接，或者發(fā)生之類(lèi)故障時(shí)，保護(hù)電器不能斷開(kāi)，故障電流流經(jīng)大地到變壓器接地極并回到中性點(diǎn)，致使中性點(diǎn)的電位升高，而此電位經(jīng)PE線傳導(dǎo)至照明燈具等外露導(dǎo)電部分，此電位就有可能超過(guò)規(guī)定的安全電壓限值(室外路燈安全電壓限值按AC25V考慮)。由于故障電流很小，所以使保護(hù)電器無(wú)法動(dòng)作，從而導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。

缺點(diǎn)二：TN-S配電系統(tǒng)線路保護(hù)的靈敏性難以滿足要求。道路照明負(fù)載比較分散，配電線路比較長(zhǎng)，所以配電線路末端發(fā)生接地故障時(shí)，其故障電流較小，難以使線路保護(hù)斷路器動(dòng)作，不能及時(shí)切斷故障電路，從而導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。

2)TT系統(tǒng)是將電氣設(shè)備金屬外殼直接接地的保護(hù)系統(tǒng)，也被稱為保護(hù)接地系統(tǒng)。TT系統(tǒng)多用于沒(méi)有等電位聯(lián)結(jié)作用的戶外配電系統(tǒng)。TT系統(tǒng)進(jìn)行道路路燈配電時(shí)，將燈具可導(dǎo)電外殼與獨(dú)立的接地極相連接。TT系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)。

優(yōu)點(diǎn)一：TT系統(tǒng)保護(hù)動(dòng)作靈敏，接地故障電流比TN-S系統(tǒng)更小，選用帶剩余電流動(dòng)作保護(hù)的斷路器進(jìn)行保護(hù)，開(kāi)關(guān)容易動(dòng)作，更能保證安全。

優(yōu)點(diǎn)二：TT系統(tǒng)不設(shè)PE線，對(duì)AC380V配電線路，選用四芯電纜，比TN-S系統(tǒng)少了一根線。

優(yōu)點(diǎn)三：TT系統(tǒng)要求路燈金屬燈桿做接地，TN-S系統(tǒng)要求重復(fù)接地。由于TT系統(tǒng)的接地電阻要求不高，并不會(huì)比TN-S系統(tǒng)多設(shè)置人工接地極。

3 電氣節(jié)能設(shè)計(jì)原則

3.1 實(shí)用性

實(shí)用性原則是指在電氣節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要滿足常規(guī)的用電要求，其次考慮節(jié)電，否則會(huì)直接影響設(shè)備的常規(guī)管理，導(dǎo)致節(jié)電工程沒(méi)有任何意義。

3.2 經(jīng)濟(jì)性

經(jīng)濟(jì)性原則是指在做一些投入過(guò)大的項(xiàng)目的電氣節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)，需要充分考慮各個(gè)方面，使用先進(jìn)的節(jié)電設(shè)備減少能耗和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，以保證項(xiàng)目資金在短時(shí)間內(nèi)收回。

3.3 節(jié)能環(huán)保

節(jié)能環(huán)保原則是指在總體設(shè)計(jì)方案中，需要采用科學(xué)合理的計(jì)量方法全面考慮節(jié)能環(huán)保問(wèn)題，在經(jīng)濟(jì)許可條件下，選擇最節(jié)省的裝置，以最低的投入達(dá)到最佳的節(jié)電效益。

4 城市道路照明電氣節(jié)能設(shè)計(jì)的常見(jiàn)問(wèn)題

4.1 先進(jìn)技術(shù)缺乏

在城鎮(zhèn)化進(jìn)程中，城市道路照明系統(tǒng)直接影響市民的日常生活和城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。我國(guó)城市道路照明電氣設(shè)計(jì)過(guò)程中引入的照明技術(shù)有待進(jìn)一步改進(jìn)。先進(jìn)的照明技術(shù)的缺乏、城市道路照明控制系統(tǒng)智能化程度的欠缺和太陽(yáng)能發(fā)電工藝技術(shù)的不完整等，導(dǎo)致節(jié)能設(shè)計(jì)方案無(wú)法滿足節(jié)能環(huán)保的標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)掌握程度不深入

1)設(shè)計(jì)人員根據(jù)城市的性質(zhì)和道路的實(shí)際情況科學(xué)設(shè)定照明節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。

2)按照道路的交通功能、使用頻率和服務(wù)功能對(duì)城市道路進(jìn)行科學(xué)分類(lèi)。

3)全面分析道路周邊的地形情況，合理布置城市道路中的燈具。部分城市照明工程存在不合規(guī)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中沒(méi)有充分掌握設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致道路電氣的節(jié)能設(shè)計(jì)工作沒(méi)有有效落實(shí)，沒(méi)有達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

4.3 路燈高低和間距設(shè)計(jì)不合理

城市道路照明通過(guò)電氣設(shè)計(jì)安置照明燈具，在城市道路中營(yíng)造良好的視覺(jué)環(huán)境，對(duì)行人和車(chē)輛準(zhǔn)確判別前方路面狀況、路況條件、障礙物以及其他行人車(chē)輛提供重要保障。然而在部分工程項(xiàng)目中，因設(shè)計(jì)人員對(duì)工程建意圖缺乏正確認(rèn)識(shí)，或者為了控制工程造價(jià)成本而降低路燈高度、增大相鄰燈具間距，影響了城市路面的燈光效果以及行人和車(chē)輛的夜間出行。

4.4 路燈眩光問(wèn)題

部分城市道路照明的電氣設(shè)計(jì)缺乏科學(xué)性，配備了不合理的燈具功率、路燈高度和間距及其照度水平，導(dǎo)致路面燈光控制系統(tǒng)的燈源亮度與周?chē)h(huán)境亮度之間出現(xiàn)了很大偏差，路燈出現(xiàn)炫光現(xiàn)象，致使駕駛員在夜間行駛過(guò)程中無(wú)法在較短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確判斷周?chē)沫h(huán)境，有時(shí)會(huì)引發(fā)交通事故。

4.5 節(jié)能設(shè)計(jì)意識(shí)缺乏

城市道路照明作為城市基礎(chǔ)設(shè)施之一，為保持交通道路的照明任務(wù)，通常情況下，路燈從傍晚持續(xù)亮到次日凌晨。目前，城市道路的照明系統(tǒng)無(wú)法滿足各個(gè)地域的路燈照明需求，造成電能浪費(fèi)問(wèn)題的凸顯，燈具使用壽命的縮短，加之設(shè)計(jì)人員普遍缺乏節(jié)能設(shè)計(jì)意識(shí)，導(dǎo)致嚴(yán)重的資源浪費(fèi)。因此，相關(guān)設(shè)計(jì)人員應(yīng)不斷提高城市道路照明電氣的節(jié)能設(shè)計(jì)水平。

5 城市道路照明電氣節(jié)能設(shè)計(jì)的優(yōu)化措施

5.1 確定光照標(biāo)準(zhǔn)

實(shí)施城市道路照明電氣節(jié)能優(yōu)化措施，必須符合我國(guó)的照明標(biāo)準(zhǔn)，降低耗電量。在城市道路照明電氣設(shè)計(jì)過(guò)程中需要依據(jù)道路類(lèi)型(快速路和主干路、次干路、支路)，根據(jù)路面亮度和路面寬度，確定光照標(biāo)準(zhǔn)。

5.2 確定道路照明水平

照明設(shè)計(jì)能夠直接影響城市道路照明系統(tǒng)功能的好壞，在城市道路照明電氣節(jié)能設(shè)計(jì)過(guò)程中需要確定合理的道路照明水平。

5.2.1 照度水平的選擇

近年來(lái)，城市道路從以往的二車(chē)道逐漸拓寬到四車(chē)道、六車(chē)道和八車(chē)道。城市道路的拓寬和立交橋的廣泛使用，已對(duì)城市道路照明設(shè)計(jì)提出了更高要求。目前，設(shè)計(jì)人員主要根據(jù)《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ 45—2015)和《城市道路設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ 377—2012(2016年版))設(shè)計(jì)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電氣節(jié)能設(shè)計(jì)過(guò)程中，照度水平應(yīng)選擇原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(20lx-30lx)平均照度的1.5～2.5倍。

5.2.2 照明燈具的選擇

不同類(lèi)型的燈具具有不同的照明特性，燈具選擇的合理與否會(huì)影響眩光現(xiàn)象的產(chǎn)生。因此，設(shè)計(jì)人員在城市道路照明電氣節(jié)能設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)道路類(lèi)型合理選擇照明燈具。設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目情況，合理設(shè)計(jì)道路照明的間距、高度和仰角等。在燈具間距和架設(shè)高度都合理的情況下，一般選擇大功率的照明燈具，大功率照明燈具可以提高照明燈具的使用效果、減少資源浪費(fèi)、降低成本。在節(jié)能環(huán)保的大背景下，LED光源燈具、高壓鈉燈和金鹵燈在應(yīng)用過(guò)程中有著明顯優(yōu)勢(shì)。

5.3 鎮(zhèn)流器的選擇

鎮(zhèn)流器的作用主要是控制節(jié)能燈和白熾燈等放電過(guò)程的電流強(qiáng)度。目前常見(jiàn)的鎮(zhèn)流器包括電子鎮(zhèn)流器和電感鎮(zhèn)流器，電感鎮(zhèn)流器又分為節(jié)能型電感鎮(zhèn)流器和常規(guī)型電感鎮(zhèn)流器。電子鎮(zhèn)流器的能耗低，但是價(jià)格貴，性能不夠成熟，在城市道路照明電氣節(jié)能設(shè)計(jì)中應(yīng)用較少。電感鎮(zhèn)流器的性價(jià)高、使用年限長(zhǎng)、生產(chǎn)工藝成熟，在電氣節(jié)能設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛。城市道路照明系統(tǒng)的功率約為200～450 W，節(jié)能型電感鎮(zhèn)流器和常規(guī)型電感鎮(zhèn)流器的功耗為燈具總功耗的11%和18%，設(shè)計(jì)人員在具體設(shè)計(jì)中，應(yīng)選擇高性能的鎮(zhèn)流器。

5.4 光源降壓-穩(wěn)定-調(diào)光技術(shù)的使用

光源降壓-穩(wěn)壓-調(diào)光技術(shù)是一項(xiàng)在不影響行人和車(chē)輛安全出行的情況下，優(yōu)化城市道路照明效果、減少能源浪費(fèi)、延長(zhǎng)燈具使用壽命的智能化技術(shù)。設(shè)計(jì)人員在城市道路照明電氣節(jié)能設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)城市道路的實(shí)際狀況運(yùn)用該技術(shù)達(dá)到節(jié)能效果：在前半夜行人和車(chē)輛較多時(shí)保持較高的照明亮度，在后半夜行人和車(chē)輛較少時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)照明亮度，節(jié)約大量電能，實(shí)現(xiàn)智能化的節(jié)能效果。

5.5 照明燈具維護(hù)系數(shù)的提高

照明裝置所具的保護(hù)效率，直接關(guān)系著整個(gè)城市道路的照明電氣節(jié)能效率，一旦具有較高的維護(hù)系數(shù)，就可以取得顯著的燈具節(jié)電效益。要想提高照明裝置的維護(hù)系數(shù)，就要注重于選用環(huán)保型節(jié)能型建筑材料，比如可以使用聚丙烯材料和聚碳材質(zhì)等做成的透明燈傘，由于聚丙烯材質(zhì)能夠?qū)棺贤饩€，而聚碳材質(zhì)則能夠?qū)箾_擊，所以使用透明燈罩具有較大的通透性，并且眩光也較少，因此能夠顯著減弱光源損失率。

由于長(zhǎng)期的點(diǎn)燃燈光，也會(huì)直接危害到燈光源的光通量，另外，由于各種污染也可能會(huì)造成照明燈具反光體表面被破壞，使得整體的光度值因此而下降，所以工作人員就需要加強(qiáng)力度養(yǎng)護(hù)光照燈具材料，才能適當(dāng)?shù)馗纳茻艄獗Ｗo(hù)系數(shù)，比如在處理照明燈具反光體表面的過(guò)程中，由于鋁反射膜的節(jié)能效率比較差，所以在一般都市路面燈光體系中無(wú)法使用該種材質(zhì)，但是可以使用玻璃鋁層延長(zhǎng)光照燈具材料的整體應(yīng)用時(shí)間。

照明燈具的維護(hù)效果會(huì)直接影響城市道路照明電氣節(jié)能設(shè)計(jì)的效果，通常維護(hù)系數(shù)越高，改善道路照明的節(jié)能效果越顯著。目前，通過(guò)改善燈具制作材料和燈具維護(hù)工作兩個(gè)方面來(lái)提升道路照明燈具的維護(hù)系數(shù)。在燈具制作材料方面，一般選擇具有環(huán)保節(jié)能功能的材料，例如透明燈罩的制作可以選擇抗紫外線強(qiáng)的聚丙烯材料和抗沖擊力強(qiáng)的聚碳材料。在燈具維護(hù)方面，燈具長(zhǎng)時(shí)間的開(kāi)啟會(huì)影響燈具光通量的減弱，加之各種污染物和腐蝕物會(huì)導(dǎo)致燈具的反射器破損、亮度值減小，因此相關(guān)人員應(yīng)加大燈具的維護(hù)工作，采取維護(hù)措施以延長(zhǎng)燈具的使用壽面。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，鋁反射器膜的節(jié)能效果不理想，選用玻璃鋁膜能有效改善燈具的節(jié)能效果和延長(zhǎng)使用壽命。

5.6 無(wú)線監(jiān)控路燈控制系統(tǒng)

在傳統(tǒng)的管理過(guò)程中，一般都是以人工巡查方式開(kāi)展路燈的故障巡檢工作，在新時(shí)代背景下，這種傳統(tǒng)的施工手段已經(jīng)無(wú)法滿足路燈監(jiān)控的需求，使得整個(gè)城市化建設(shè)質(zhì)量無(wú)法達(dá)到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)論是在監(jiān)控效果、控制質(zhì)量還是節(jié)能水平方面都存在較為嚴(yán)重的問(wèn)題。為了避免類(lèi)似的情況出現(xiàn)，相關(guān)部門(mén)在進(jìn)行工程建設(shè)的過(guò)程中，要加強(qiáng)對(duì)無(wú)線技術(shù)的應(yīng)用，明確信息化手段的價(jià)值與意義，構(gòu)建較為完善的無(wú)線監(jiān)控路燈控制系統(tǒng)，以此來(lái)為人們的出行安全提供積極有效的保障。

無(wú)線監(jiān)控路燈控制系統(tǒng)是以無(wú)線技術(shù)為主，通過(guò)遠(yuǎn)程遙控以及信息管理的方式完成數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理，并根據(jù)實(shí)施情況完成動(dòng)態(tài)化管控，以此來(lái)確保城市道路照明系統(tǒng)的效率與質(zhì)量能夠滿足預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)。與傳統(tǒng)的管理手段相比，無(wú)線電的應(yīng)用手段能夠極大程度上實(shí)現(xiàn)對(duì)道路的控制與管理，明確分控制站的監(jiān)控需求，高測(cè)量精度與管理水平，并利用動(dòng)態(tài)化特征完成對(duì)照明系統(tǒng)的遠(yuǎn)距離管控，根據(jù)智能終端的數(shù)據(jù)分析來(lái)進(jìn)行燈光系統(tǒng)的有效管理，并針對(duì)故障問(wèn)題提出具有針對(duì)性的處理手段，以此來(lái)滿足節(jié)能環(huán)保的戰(zhàn)略需求。

比如說(shuō)，在冬季與夏季，由于晝夜的時(shí)間段不同，無(wú)線監(jiān)控路燈控制系統(tǒng)便會(huì)根據(jù)環(huán)境光亮的情況進(jìn)行光度的調(diào)節(jié)，在白天關(guān)閉，夜幕降臨時(shí)再開(kāi)啟，這樣不但能夠降低能耗，同時(shí)還能夠?qū)θ藗兊纳钯|(zhì)量產(chǎn)生積極有效的促進(jìn)作用。

6 結(jié) 語(yǔ)

貫徹城市照明照度標(biāo)準(zhǔn)和節(jié)能保準(zhǔn)，科學(xué)合理地設(shè)計(jì)路面光照水準(zhǔn)、照明亮度水平，控制照明光線，有效節(jié)省照明燈具，以及使用恰當(dāng)?shù)目刂品绞?，都是城市道路照明?jié)電的重要方式。但必須認(rèn)識(shí)到，城市道路照明節(jié)電是一個(gè)系統(tǒng)工程，除節(jié)電設(shè)計(jì)外，還必須進(jìn)行制度的建設(shè)、有效的維護(hù)和長(zhǎng)期的監(jiān)管，而這離不開(kāi)國(guó)家的法律政策及地方的行政措施的大力支持，以實(shí)現(xiàn)科學(xué)照明、智能照明、綠色照明。

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