城市道路的照明系統設計與優化

陳　澤，吳　建，張郭艷

(山東省城鄉規劃設計研究院，山東 濟南　250013)

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城市道路的照明系統設計與優化

陳澤，吳建，張郭艷

(山東省城鄉規劃設計研究院，山東 濟南250013)

摘要：介紹了照明系統設計中的管道設計、接地系統設計、配電設計及照明設計，提出了基于城市道路的照明系統常用設計方法和設計思路；然后提出照明系統設計的優化方法，對照度計算的優化和功率因數的提高進行了計算和分析。

關鍵詞：城市照明；系統設計；照度計算

引言

一座現代化的城市離不開道路照明、景觀照明。道路照明是城市市政設施的重要組成部分，是城鎮居民夜晚出行的有效保障；而景觀照明則是一個城鎮現代化建設的充分體現。

1照明系統設計

城市道路照明系統設計包括管道設計、接地系統設計、配電設計及照明設計。

1.1管道設計

綜合城市建設一體性和美觀性以及用電安全，在城市道路照明系統中，配電干線一般采用埋地管線。可采用的敷設方式有直埋、穿管直埋和綜合管溝，其中較常用的方式有鎧裝直埋和穿管直埋兩種。鎧裝直埋常用于路燈管線與路基進行一體化施工，造價節省、工期短，但是后期維護不便，在工期要求緊和要求經濟節省時優先考慮。穿管直埋是將鍍鋅鋼管或PVC管預埋在道路結構層下，設立接線井，雖然施工工期較長但是后期維護方便，照明設施的施工可在道路施工完成后進行，縮短了道路建設的周期。照明管道設計中，一般沿路緣石外0.5米敷設管線，當采用鎧裝直埋時埋設深度不應小于0.8米，特殊情況下應大于1米；采用穿管直埋時，綠地、車行道下不應小于0.7 米，人行道下不應小于0.5米。

1.2接地系統設計

低壓配電系統常用的接地方式有TN系統、TT系統和IT系統，其中TN系統又分為TN-S系統、TN-C系統和TN-S-C系統，在道路照明設計中常采用的是TN-S系統。

由于TT系統適用于不附設變電所的道路照明系統中，在道路照明系統中會附設專用變壓器，并且由專用饋電線路直接供電；而且當道路照明采用TT系統時，應在電源側增設漏電保護裝置，而在道路照明設計中漏電保護裝置一般裝設在變壓器的出線斷路器處，故不考慮采用TT系統作為道路照明的接地方式。

當道路照明采用TN-S系統時，需用3相5線制供電，其中中性線(N)與保護線(PE)分開，并應保證金屬燈桿及構件、燈具外殼燈外露可導電部分進行有效保護接地。道路照明設施安裝在道路兩側人行道上，易被人觸及，因此對安全系數要求較高。采用TN-S接地系統發生故障時，影響范圍較大，并會對電力系統造成一定沖擊，但考慮到道路照明系統屬于較封閉的配電系統，并且僅屬于三級負荷，故將TN-S系統作為道路照明的常用接地方式。

我國電力系統常用的中性點接地方式有：中性點直接接地、中性點經消弧線圈接地、中性點經電阻器接地和中性點不接地四種。道路照明配電系統一般采用中性點直接接地，優勢在于中性點接地系統的對地絕緣只要求能夠承受相電壓的水平，需要的安全距離短、材料少，其接地電阻需小于4歐姆。

1.3 配電設計

道路照明屬配電三級負荷中較為重要的負荷，并且照明容量較大需安裝專用變壓器，變壓器的連接組別可選用D，yn11的三相變配電變壓器。當采用380V三相電壓供電時，應盡量使三相負荷平衡，減小不平衡電流對配電系統的影響，當燈具布置數量無法滿足三相平衡時，應滿足最大相負荷和最小項負荷不超過三相負荷平均值±15%。照明系統接線如圖1所示。

圖1　照明系統接線示意圖Fig.1　The wiring schematics of lighting system

在照明回路中，應采用三相低壓斷路器配合單相低壓斷路器對各個分支回路進行控制和保護，并且宜選用帶漏電保護的斷路器，提高配電系統的安全性。

1.4照明設計

1.4.1照明設計標準

城市道路按等級可分為快速路、主干路、次干路、支路和居住區道路，依照不同的道路等級其照明標準應滿足表1、表2的要求。

表1　道路照明亮度設計標準

注： 路面亮度給出兩檔標準值，斜線左側為低檔值，右側為高檔值。

表2　道路照明照度設計標準

注： 路面照度給出兩檔標準值，斜線左側為低檔值，右側為高檔值，表中數據僅適用于瀝青路面。

1.4.2燈具布置

道路照明燈具布置可分為單側布置、雙側交錯布置、雙側對稱布置、中心對稱布置和橫向懸索布置五種。根據道路橫斷面形式跟路面寬度以及道路設計等級，可選用不同的布置方式。單側照明燈具布置，只有當路面寬度小于15米時，才被考慮使用，一般只適用于支路以及居住區道路；雙側交錯與雙側對稱布置應用較為普遍，可適用于任何等級的道路；中心對稱布置只有在道路橫斷面設計中設有中央分隔帶時應用。

1.4.3亮度計算

計算路面的平均亮度公式為

(1)

其中ηL為亮度產生系數；Q0為路面平均亮度系數；φ為燈具總光通量；K為維護系數；W為道路寬度；S為路燈安裝距離。

亮度產生系數可根據燈具光度測試報告中所提供的亮度產生曲線圖查得。

1.4.4照度計算

計算路面照度公式為

(2)

其中φ為光源的總光通量；U為燈具利用系數；K為維護系數；W為道路寬度；S為路燈安裝距離；N為排列系數，當單側排列或交錯排列時N=1，相對排列時N=2。

燈具安裝高度(h)按道路寬度的70%估算，燈具仰角(θ)不宜超過15°，燈挑長度記為L，燈頭投射點距路緣石距離記為oh，有

(3)

(4)

依據式(3)、式(4)計算的數值查燈具利用系數表得燈具利用系數，代入式(2)中，可得到路面照度。

2照明系統的設計優化

2.1功率因數的提高

由于道路照明設施常用的電子鎮流器或電感鎮流器，以及高壓鈉燈、金屬鹵化物燈都屬于感性負載，其功率因數在0.5左右，無功功率占視在功率一半甚至還多，對變壓器效率和電網都有一定的影響，所以合理的提高照明的功率因數勢在必行。

在照明系統常用的功率因數提高的方法是并聯電容器，可采用單燈補償或配電箱內集中補償的方法。單燈補償前后接線如圖2所示。單燈電容補償容量見表3。

圖2　單燈補償前、后接線圖Fig.2　The wiring diagram of single lamp compensation

高壓鈉燈功率/W補償電容/μF金屬鹵化物等功率/W補償電容/μF701270121101510015150221751825035250224005040030

其中電容補償容量為

Qc=αavPc(tanφ1-tanφ2)

(5)

式中αav為平均負荷系數，考慮最不利因素時，αav=1；Pc為計算有功功率；tanφ1、tanφ2分別為補償前后功率因數正切值。

在照明系統中，應用LED燈可大大提高照明系統的功率因數。LED燈屬于節能燈，整體呈容性負載，在照明饋電線路中，可大大提高照明系統的功率因數。

2.2照度計算的優化

在照度計算過程中，采用的是預賦值計算，這就使得計算結果與預賦值中比例因數的選擇有直接的關系，綜合考慮路面平均亮度、路面亮度總均勻度、路面亮度縱向均勻度、眩光控制、環境比等未必能夠滿足評價標準，所以需要對照度計算進行優化和校驗。

2.2.1道路照度計算的優化

城市道路路燈對稱布置參數見圖3。選取最不利區域，道路中心線區域的Y點計算燈具的水平面平均照度Eh和垂直面照度Ev為

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

采用截光型燈具時，h≥0.5W；采用半截光型燈具時，h≥0.6W，所以平均照度計算值較小的是Ev，計算所得的Ev應大于或等于表1中的路面照度。

圖3　城市道路路燈對稱布置參數圖Fig.3　The parameter diagram of symmetrically arranged lamps

2.2.2交叉路口照度計算的優化

道路交叉口路燈布置參數如圖4所示。選取最不利區域，道路中心線與路燈間距中線的交叉區域相關照度如下

(11)

其中，

(12)

(13)

(14)

其中，

(15)

(16)

圖4　道路交叉口路燈布置參數圖Fig.4　The parameter diagram of streetlight on road intersections

采用截光型燈具時，h≥0.5W，S≥3H；采用半截光型燈具時，h≥0.6W，S≥3.5H，所以平均照度計算值較小的是Eh，計算所得Eh應大于或等于表1中道路交匯處的照度要求。

3結語

1)道路照明與城市居民生活息息相關，設計好城市道路照明系統，可以提高居民的生活水平，為新型城市的發展提供有力的保障;

2)結合設計經驗，對道路照明系統設計中地下管線設計、接地系統設計、配電設計及照明設計方法進行了介紹，對常用設計思路和設計數據進行計算;

3)對照明系統的功率因數提高提出了單燈補償電容的方法；對照度計算進行了優化，計算了道路、交叉路口水平面和垂直面照度，提出了照度計算的改進方法。

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Lighting System Design and Optimization of Urban Roads

Chen Ze，Wu Jian，Zhang Guoyan

(ShandongUrbanAndRuralPlanningDesignInstitute，Jinan250013,China)

Abstract：This article introduced the piping design, grounding system design, distribution design and lighting design, and proposed the lighting system’s common design methods and ideas. Then it proposed the optimization method of lighting system design, calculated and analyzed the optimization of illuminance calculation and the method of improving the power factor.

Key words:urban lighting; system design; illuminance calculation

中圖分類號：U412.37

文獻標識碼：B

DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2015.03.017