淺談城市道路照明的配電和控制設計

王 敏

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海200092）

0 前言

隨著城市的快速發展，城市內部、城市之間的道路網也在日益延伸和擴展。近幾年來市政行業中的道路工程不斷從一線城市、沿海城市向周邊城市延伸，各大城市內部的道路也不斷擴展以適應日益繁忙的城市交通。在加快城市本身的發展同時也帶動了周邊城市的發展。城市道路工程中的道路照明也尤其令人關注，既要滿足功能要求，又能作為城市景觀的點綴，還要能滿足國家節能減排的要求，這對道路照明的設計要求和設計難度都有較大提高。為此國家建設部在2006年年底改編了《城市道路照明設計標準》，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用，因此本文主要想討論近年來道路照明設計中應該注意的幾個問題。

1 道路照明配電系統的接地形式

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，整條線路設計時盡可能做到三相負荷平衡和三相的壓降值接近。根據新規范6.1.9條款，道路照明配電系統的接地形式宜采用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。目前道路照明設計采用TN-S制的配電系統往往不設漏電保護，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中顯得更不合理。采用TH-S制時，應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回路流回電源側的，此時的單相接地電流計算公式：

Id=（公式中的分子應為kV系統中即為

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，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在1.5～5 Ih之間可調，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，因此正常情況下的線路及設備本身就具有一定漏電流。根據設計手冊，25 mm2截面的電纜，每km的漏電流為70 mA。根據工程經驗，這個數據在潮濕天氣會更大。因此設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采用TN-S制也應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，確保發生單相接地故障時保護電器可靠動作。

2 節能要求

新規范與原規范的最主要區別是增加了節能的要求，具體體現在7.1.2條款中。該條款為強制性條文，規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范規定數值，該功耗還包括燈具鎮流器的功耗。從新規范中可以看到對道路照明設計的節能要求大大提高了。按照這個要求，設計必須采用高光效的燈源、燈具，低損耗的鎮流器。基于這個要求，燈桿的間距和高度設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、燈桿的設計以外，路燈的控制也是節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能的目的，這也是設計中常說的半夜燈控制要求。目前國內各地均有不同做法，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區、大型小區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，可在晚間節省20%～50%的電能。

國內道路照明工程中電源一般為電業部門設置10/0.4 kV箱式變或地埋變，引出若干回路至路燈控制箱（也稱路燈監控箱）從路燈控制箱進線電源樁頭開始及其以后所有設備屬于路燈所管理，之前屬于供電局管理，電費計量點一般不設在箱變內。道路監控、景觀照明等其它道路相關用電負荷若要從道路箱變取電，往往需要設置單獨電費計量點。路燈的開關控制一般是根據室外光線的明暗和時間變化進行自動控制的，控制裝置設置在路燈控制箱內，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控制中心的遙控。實現半夜燈的控制要求，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，可以采用新型設備，可以在配電系統設計時實現，筆者在此介紹幾種常用的方法。

3.1 采用調壓的方式

在照明配電回路中采用變壓器，開關燈時可通過逐步調壓的方法使啟動電流和關燈電流較小，這個方式在開關燈時就能適當降低能耗。當半夜需要調低照度時，可采用調低變壓器輸出電壓的方式，適當降低燈具的光照度來實現，由于目前道路照明采用的多是氣體發光燈，對電壓要求較高，電壓降過大末端的燈具會熄滅，因此其調節的幅度不大，一般約在20%。優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。這個方式在歐美國家使用較多，因此該類控制器的進口產品種類較多。

3.2 采用新型鎮流器

為了滿足全球大形勢下的各個國家的節能減排要求，飛利浦等照明光源公司紛紛推出一種新型的氣體發光燈鎮流器，其輸出功率是可變的，考慮到節能的效率和產品的投資增加，目前鎮流器多為150 W/250 W/400 W三檔可調輸出，當半夜需要調低照度時，可自動在設定時間段內，調整輸出功率，當從正常輸出的400 W調整為250 W或150 W輸出時，燈具的光通量下降，照度也相應變低。采用這種鎮流器的節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，由于產品一次投入大，節能率相對低，收回投資年限長，因此還沒有推出對應的產品。

有的地方為了節省投資并實現半夜燈控制，也有在1套燈具內裝設兩套光源，半夜車流少時，可關閉其中1套。這樣做的優點是半夜燈時道路均勻度不降低，缺點是光源數量翻倍，維修工作量增加，且小功率照明的道路不適用。

3.3 采用單相雙回路設計配電系統（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，當到達設定時間和光線時，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閉，這樣半夜時可間隔關閉一半路燈。

設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。優點是不增加設備投資的條件下，利用單根電纜可實現半夜燈控制。

3.4 采用兩相供電設計配電系統（見圖3）

這個配電系統與單相雙回路相比，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圖

該配電系統的運行模式半夜燈也是間隔關閉。與單相雙回路的區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更為節能。設計時要注意，在半夜燈運行模式下，其配電是單相回路供電，因此該系統的壓降計算更為復雜，對設計要求較高。優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，中性線的絕緣應與相線相同。

3.5 采用三相供電的半夜燈控制配電系統（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道路照明配電模式完全一樣。當到達設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閉一盞。優點是全夜燈運行模式下，相比兩相配電系統，三相配電系統的回路電流更小，線路損耗更低，線路壓降更小；同樣也能采用一根電纜滿足間隔關燈的控制要求。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，中性線的絕緣應與相線相同。

圖4 道路照明控制柜帶半夜燈控制的三相供電配電系統圖

3.6 新光源和照明控制系統

在國外，以及國內的小部分小區，采用了這樣一種控制方式進行節能，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，在道路上設置監測點，當監測到人或車經過時，路燈會在人或車的到來前逐盞點亮，并在人或車經過后依次關閉。這種控制方式最大的優點是最為節能。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，常規的高壓鈉燈不具備這種要求，隨著LED光源、無極燈、節能燈等光源產品的發展，目前的光源已經可以實現這種設想。

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，可以監測車流量和人流量，根據流量變化來調節燈具功率的輸出，以適應不同道路模式下的照度要求。

4 結語

本文對近年來城市道路照明設計中的若干應注意的問題發表筆者的一些看法，僅供同行參考。相信在不久的將來，隨著光源、燈具、鎮流器等設備的發展，新型的路燈控制系統可以使城市道路照明的設計更加節能。

[1]CJJ45，城市道路照明設計標準[S].

[2]GB50054，低壓配電設計規范[S].