由茂名市海洋大道照明工程設計談城市道路照明設計方法

楊洋

（北京市市政專業設計院股份公司，北京100037）

1 引言

城市道路照明系統能夠為駕駛員和行人提供良好的視覺環境，具有保證行車安全、減少交通事故、美化城市景觀的作用。隨著節能減排這一概念的提出，照明節能在道路照明設計中的重要性也日益提高。本文通過對廣東省茂名市海洋大道照明工程設計的分析總結，闡述城市道路照明的設計方法。

2 道路照明指標計算

城市道路照明中，評價機動車交通道路照明質量的主要指標有路面平均亮度、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、環境比SR和誘導性。CJJ 45—2015《城市道路照明設計標準》[1]（以下簡稱《標準》）中對不同等級的道路其各項指標的數值均有明確要求，標準值見表1。

表1 CJJ 45—2015表3.3.1機動車交通道路照明標準值

在道路照明設計中，設計者往往根據道路的橫斷面形式以及《標準》中表5.1.3關于燈具的配光類型、布置方式與燈具的安裝高度、間距的關系之規定確定燈具布置方式，在燈桿布置方案確定后，進行平均照度的計算[2]。平均照度計算采用利用系數法，計算公式為：

式中，φ為光源的總光通量，lm；U為利用系數；K為維護系數；W為道路寬度，m；S為路燈安裝間距，m；N為與排列方式有關的數值，當道路一側排列或交錯排列時N=1，相對矩形排列時N=2。

海洋大道標準橫斷面機動車道寬24m。根據《標準》中表5.1.3之規定，本工程確定照明設計方案為選用12m路燈，燈桿間距36m，雙側對稱布置，光源選用400W高壓鈉燈。將上述參數帶入式（1），得

這一結果滿足城市主干道平均照度高檔值30lx的規定，往往至此設計者便認為此方案已滿足規范要求。而對于平均亮度、均勻度、眩光限制閾值等參數由于計算復雜而被忽略，道路上對照度的感知是不同于亮度的，機動車道上的駕駛員是感知路面上的亮度，因此，機動車道路上評價用的指標應該是亮度，而不是照度。因此，對于《標準》要求的每個照明指標的計算都是必要的，為方便計算，可以利用照明設計軟件進行道路照明設計模擬。

DIALux是一種免費的照明計算軟件，通過DIALux可以構建道路模型，將燈具布置方式及具體燈具導入到模型中便可得到相應的道路照明計算結果。對本工程設計方案分別選取不同燈具利用DIALux進行模擬計算。計算結果如圖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°是坐標軸中的 2 個剖面；η 為燈具的效率。

通過計算結果可以看出，同樣的燈具布置方式，選取不同燈具，產生的照明效果相差很大，因此，設計者不應拘泥《標準》中表5.1.2中截光型燈具S≤3H（H為燈具的安裝高度）的規定，而是應通過模擬計算，選擇最合適配光的燈型，實現最經濟、最節能、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 道路照明配電系統設計

3.1 道路照明接地形式的比較

道路照明具有照明設備設于戶外、供電距離長，負荷分散等特點[3]。由于無法實施等電位接地，其供電安全性及可靠性尤為重要。

《標準》6.1.8條規定：“道路照明配電系統的接地形式應采用TT系統或TN-S系統，并應符合GB 50054—2011《低壓配電設計規范》的相關規定。采用剩余電流保護時，還應滿足GB/T1 3955—2017《剩余電流動作保護裝置安裝和運行》的相關規定。

采用TN-S系統時，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線與金屬燈桿及構件、燈具外殼、燈桿基礎內鋼筋、人工接地極連接成一個整體。其特點是通過專用PE線將電氣設備金屬外殼連接，PE線上沒有對地電壓，安全可靠。

采用TT系統時，通常做法：采用4芯電纜，每根燈桿下打一根50mm×50mm×5mm、長L=2500mm的角鋼接地極。其特點是電氣設備金屬外殼直接接地，減少觸電危險性，對人員更安全。

近幾年，針對這2種系統優劣的討論也很多，許多道路照明設計人認為室外照明配電系統采用TT系統更好，甚至認為城市道路照明配電系統不應采用TN-S接地形式。筆者認為這2種形式各有特點，選擇哪種接地形式應該根據工程具體情況具體分析，不能一概而論。

3.2 采用TT接地系統的問題

采用TT系統的優點主要有以下2方面：

1）TT系統的接地故障保護一般采用剩余電流動作保護器RCD，接地故障保護的靈敏性很高，從而保障了間接接觸電擊保護的有效性。

2）相對TN-S系統而言，照明配線采用4芯電纜，節省一根PE線，可以避免發生接地故障時，中性點對地電位升高，保護性傳導故障電壓而造成的間接觸電事故。

一般情況下，TT系統對配電系統有更好的保護靈敏性和安全性，但道路照明為室外環境，TT系統使用RCD作接地故障保護，其保護靈敏度過高，容易誤動作，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，根據剩余電流動作整定值應等于或大于正常泄漏電流的2.5～4倍的關系，1km線路剩余電流動作保護整定值取100～500mA較合適。然而室外條件下，雨水、污染、溫差對線路和設備的泄漏電流均有較大的影響。在實際工程應用時往往由于環境因素造成燈具、線路泄漏電流的變化造成保護電器誤動作，導致可靠性降低，這勢必會造成安全隱患。例如，筆者在北京某工程上曾采用TT系統，RCD整定值100mA，但由于雨季時頻繁誤動作，導致管理部門最終取消了剩余電流保護功能，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南部海濱城市，當地雨季較長，雨量較大，從工程實際應用可靠性角度出發，該工程接地保護采用TN-S系統[4]。

3.3 TN-S接地系統的改善措施

該工程在使用TN-S系統時，針對其自身存在的缺點進行了適當的改進。當采用TN-S系統時，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接地，但是每根燈桿的重復接地對TN-S系統的改進是非常重要的。

在TN-S系統中，由于接地保護干線的存在，一旦發生相線對地故障，在保護電器動作之前，保護干線會帶上故障電壓，并傳導到設備外殼，容易發生觸電危險。如圖3所示，保護線路上的故障電壓為Uf，接地故障電流為Id，TN系統中所有與電源系統接地并聯的接地極的接地電阻總和為Rb，Uf=IdRb。為避免電擊危險，IEC標準規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電部分與大地間的最小接觸電阻；U0為相線對地標稱電壓。

以U0=220V代入式（2）和式（3），可得：

圖3 TN-S系統接地故障示意圖

由于Re不是確定的值，因此，Rb也不是確定的值，但Rb的取值應盡可能的小。可采用減低電源側接地電阻，同時在保護線上重復接地的方法，如圖4所示（此時將R1設為電源接地電阻），相當于電源系統并聯接地極。同時讓接地極的接地電阻Rn≤R1，根據圖5等值電路所示，保護線的總接地電阻為：

式中，R1為系統電源接地電阻；Rn為保護線的總接地電阻。

因R2～Rn≤R1，所以

n越大，即重復接地越多，則Rb?Re，從而滿足式（4）和式（5）。

圖4 TN-S系統重復接地示意圖

因此，該工程采用TN-S系統，具體做法為采用5芯電纜供電，將PE線與金屬燈桿及構件、燈具外殼、燈桿基礎內鋼筋、人工接地極連接成一個整體的同時，每根燈桿下打一根50mm×50mm×5mm、長度L=2500mm的角鋼接地極。

3.4 TN-S系統保護電器的選擇

根據GB 50054—2011《低壓配電設計規范》[5]第5.2.9條，當發生接地故障時，保護電器切斷故障電路的時間≤5s。道路照明線路一般較長，線路末端發生接地故障、單相短路時，其故障電流比較小，因此，對于道路照明配電線路、保護電器選擇，要滿足保護電器的動作靈敏度要求，需要進行末端單相接地短路電流的校驗。

圖5 TN-S系統重復接地等值電路示意圖

該工程采用斷路器作為線路短路、過負荷保護器件，根據《工業與民用配電設計手冊》第三版[6]（以下簡稱《手冊》）中規定：

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

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

現針對采用TN-S系統的常用設計參數進行通用分析。

電纜選用交聯聚乙烯電纜YJV型，截面分別設為YJV-5×16mm2、YJV-4×25mm2+1×16mm2、YJV-5×25mm2、YJV-4×35mm2+1×16mm2、YJV-5×35mm2。

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

配電線路長度分別取400m、500m、600m、700m、800m。

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

表1 不同截面電纜不同配電線路長度下的末端接地故障電流A

由表1中計算結果可知，若線路超過800m，基本不能滿足保護要求。若配電回路長度增加，則需要增大電纜截面。為保證工程經濟性、同時降低施工難度，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，配電長度 500m，斷路器Iset1取 25A、Iset3取 125A。

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

3.5 道路照明節能

3.5.1 我國道路節能現狀

隨著我國經濟的日益增長，能源日趨緊張，城市道路照明的能耗問題日益突出，因此，照明節能的意義重大。我國現在道路照明設計往往追求高指標、高照度標準、比較重視對燈桿、燈具造型的設計，而忽視燈具的配光性能、照明計算，導致道路照明質量不高、能源浪費現象嚴重。我國傳統的道路照明一般采用定時器控制、后半夜隔燈關閉，這種方法不能即時調整開/關燈時間，造成能源浪費。而且隔燈關閉容易造成道路照明不均勻，造成安全隱患。

3.5.2 道路照明節能措施

道路照明節能是一項系統工程，首先照明設計應滿足《標準》中表3.3.1照明標準值和表7.1.2功率密度值的規定，通過照明軟件模擬計算選出最佳布置方案，減少燈具數量，選用的光源及鎮流器的性能指標應符合國家現行有關能效標準規定的節能評價值要求。對于高壓鈉燈等帶電感鎮流器的燈具，裝設低壓無功補償電容器，提高負載功率因數，從而減小無功電流，達到降低線路損耗和變壓器損耗的目的，同時提高供電變壓器的利用率。道路照明用電有其特殊的特點，一方面在晚上零點后城市用電負荷減少，電網電壓逐漸升高，照明設施能耗增大，燈具壽命減小。另一方面夜間路面上人車數量稀少，對道路照明的需求也相應減少，采用先進的智能光源降壓－穩壓－調光技術更為有效，在夜間降低道路照明功率，適當降低路面亮度水平，這樣能夠在保證道路照明質量的同時，減少能耗，增加光源壽命。

該工程采用天文時鐘控制器和智能照明控制系統相結合進行照明控制。天文時鐘控制器可以根據所在道路的經緯度自動設置每天開關燈時間，同時與光照控制相結合，再預置時間區段內根據光照度確定路燈的開/關，即能在陰雨天自動延長照明時間，也能在晴好天氣自動縮短照明時間。通過合理的開關燈控制，既滿足道路照明的需求，又避免了路燈的無謂開啟，節約了能源。智能照明控制系統通過對主路光源在后半夜進行減壓、調光控制，減小能耗、提高光源壽命。通過以下計算得到采用調壓控制后，最高可實現節電約20%。

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

節電率 η1＝（P1-P2）/P1=1-（U2/U1）2；

當U2=0.95U1時，η1＝9.75%；

當U2=0.9U1時，η1＝19%。

4 結語

城市道路照明作為一項服務社會人民的城市基礎設施項目，滿足相關設計標準和設計規范，設計合理，減少投資，技術先進、節約能源是道路照明設計的基本原則。