淺析城市道路照明設計的若干問題

胡 云 武

[悉地(蘇州)勘察設計顧問有限公司, 江蘇 蘇州 215000]

0 引 言

城市道路照明在設計過程中需要考量的關鍵指標較多。一條道路照明設計是否合理,亮度的指標是否滿足規范要求尤其重要,路燈箱變位置和容量的問題不容忽視,路燈桿發生漏電傷人事件也時有發生,尤其雨天發生的情況比較頻繁,路燈安全性跟不同接地系統也有一定的相關性。

1 照明指標

根據國際照明委員會(CIE)建議,汽車行駛過程中,駕駛員前方60～160 m地面亮度對駕駛員的行駛安全很重要,CIE機動車道路照明標準值中對照度指標卻沒有要求,根據CJJ 45—2015《城市道路照明設計標準》[1]第3.3.1條,國內道路照明標準值如表1所示。

表1 國內道路照明標準值

由表1可見,考核指標除了地面亮度外還有地面照度指標要求,有些設計人員在設計過程中只注重地面照度指標,通過利用系數法來計算,以為平均照度值達標,亮度指標也滿足要求,其主要原因是沒有弄清楚亮度與照度之間的關系,亮度指標除了與光源、路寬、布燈間距相關外,還與地面材質、燈具角度、配光曲線都是息息相關的,反映的是一個綜合性指標。

某城市快速路項目,瀝青混凝土路面,雙向6車道,雙懸挑路燈雙側對稱布置于側分帶內,路燈安裝間距35 m,機動車道側路燈功率200 W,采用LED光源,懸挑1.5 m,仰角5°,色溫3 000 K,安裝高度12 m。路燈布置橫斷面圖如圖1所示。

圖1 路燈布置橫斷面圖

該項目是城市主干道,車流量大,經過前期調研和業主溝通,按照高照明標準值設計。相同功率不同配光參數燈具比較如表2所示。通過DIALux軟件模擬計算比較可知,甲燈具各項指標均滿足規范要求,乙燈具雖然在平均照度等多項指標滿足規范要求,但是在關鍵的平均亮度指標上沒有達到規范要求的高標準值要求,而且在平均亮度指標模擬值上甲、乙燈具平均亮度值相差10%左右。由此可知,甲、乙燈具分別安裝在同一道路上,駕駛員在行駛過程中體驗感會有一定差別。

表2 相同功率不同配光參數燈具比較

經過方案比選后,該工程中機動車道路照明采用甲燈具。目前,該項目已經通車,路燈夜間實際效果如圖2所示,畫面有部分失真,實際道路亮度比照片要亮一些,各項指標均滿足規范要求,也得到業主的認可。

圖2 路燈夜間實際效果

如果將甲燈具安裝在與案例相同路幅寬度和機動車道數,但是不同路面材質的道路上,呈現出來的各項照明指標效果會如何呢？甲燈具安裝在不同路面材質參數比較如表3所示。

表3 甲燈具安裝在不同路面材質參數比較

通過DIALux軟件模擬計算比較可知,從R1～R4四種不同道路等級上,亮度差異明顯,最低平均亮度與最高平均亮度相差居然到達32%。

在實際項目設計過程中,設計師需對具體項目的道路等級和地面材質情況了解清楚,選擇合適配光曲線的燈具,通過軟件模擬計算可以達到精細化設計的要求。按照一路一方案理念,在滿足規范基礎上,盡量選擇功率低、光效高的燈具,不僅可以節約電能,而且也變相實現節能減排。

2 路燈電源

2.1 箱變位置

城市道路路燈項目供電電源采用箱變供電方式比較普遍,箱變是集高壓室、變壓器室、低壓配電室一體式的,具有施工和安裝方便,造價低的特點。有時設計人員對箱變位置的設置重視程度不夠,不管道路長短與否,每條道路均設置箱變,或者按照供電半徑0.8～1.0 km將箱變設置在所謂的負荷中心處。如琴川大道(泰山路～龍騰路)工程,道路全長1.8 km左右,同時與匯龍路和金達路道路相交,三條道路均需設置路燈。如果按照每條道路均設置箱變,則需要設置3座箱變。通過前期了解該項目是新建道路,道路兩側無已建箱變,綜合考慮后在匯龍路與琴川大道東南角設置一座250 kVA箱變,同時將2條相交道路,500 m長的匯龍路和380 m長的金達路一并納入該箱變的供電范圍,一座箱變管轄3條道路路燈供電,在箱變建設投資上大大降低。

為了避免被動,建議項目設計初期,設計人員去項目現場踏勘,大概了解有哪些地方可以作為電源接入點,有了供電方案之后,盡快請業主去供電公司申請用電咨詢的方案,然后確定箱變位置。

2.2 箱變容量

最理想的方案是路燈箱變僅供路燈使用,只需要在路燈計算負荷基礎上,變壓器容量按照負載率70%左右考慮,可以大大降低箱變安裝容量,而且白天不需要點亮路燈,可以延長箱變的使用壽命。其他道路沿線市政配套小用電設備自行解決用電,如從道路兩側企事業單位的變電所或單獨新建專變解決電源。現實情況是箱變容量除了考慮路燈用電外,往往還需要統籌考慮景觀照明、交通監控和信號燈、治安監控、公交站等其他市政配套小用電設備的用電需求,設計過程中需要與不同的專業溝通協調好各自的用電需求。如果是多家單位負責設計,需要及時跟業主反饋,請業主進行協調。近幾年智慧交通發展也很迅速,5G微基站也需要用電量,常規與路燈合桿建設,箱變容量在實際設計過程中建議適當預留一些容量。各用電單位共用箱變的弊端是白天其他市政小用電設備用電需求小,箱變會發生“大馬拉小車”現象,不僅增加箱變的運行能耗,而且還會影響箱變的使用壽命。尤其是當接入箱變的負荷較多時,晚上又可能發生箱變超負荷運行的情況,發生與白天相反的“小馬拉大車”現象。除此之后,由于接入負荷多,箱變發生的故障率也相應會增加,當市政交通監控和信號燈中斷供電,也容易造成交通擁堵現象的發生。

3 接地系統

根據CJJ 45—2015《城市道路照明設計標準》第6.1.8條,路燈接地系統可以采用TN系統或者TT系統。

TN系統特點如下。

(1) TN-S接地系統示意圖如圖3所示。

圖3 TN-S接地系統示意圖

當f2處發生金屬性接地故障,相線和保護線阻抗小,故障電流Id2相對比較大,配電箱出線回路的MCCB斷路器能否作為接地故障保護呢?根據路燈配電距離長短,選用的電纜規格,通過計算來判斷是否可以滿足規范要求。由分析可知,僅僅依靠MCCB斷路器作為接地故障保護安全上沒有保障。

(2) 當在雨天情況下路燈桿處電纜接頭f1處絕緣層破損,發生非金屬性接地故障時,雨天人體阻抗下降,按照潮濕場所人體觸碰的安全電壓應該不大于25 V,RA1接地電阻會比RAn大很多,Id1接地故障電流比Id2小很多,此時配電箱出線回路的MCCB斷路器很可能拒動。

(3) 室外路燈回路較長,通長敷設的PE線在每盞路燈處均需要斷開,并與路燈接地裝置可靠焊接。如果中間某盞路燈處PE線一旦斷線,斷線之后路燈系統將變為TT系統,發生接地故障時MCCB斷路器將不會動作。

(4) TN系統電源進線和每個出線回路均與PE線相連,不管是電源側還是配出回路處,只要是一處漏電,全線漏電,存在沿PE線傳導來別處故障電壓的風險,故障范圍比較大。

綜上所述,采用TN系統時,為了能夠滿足上述情況下人身安全,建議在配電箱每個出線處均采用RCBO斷路器,發生接地故障時,可以減少不必要的人身傷亡事故。

TT系統特點如下:

(1) TT接地系統示意圖如圖4所示。

圖4 TT接地系統示意圖

當f2處發生金屬性接地故障時,TT系統按照潮濕環境進行校驗,只要故障處接觸電壓滿足RAnId2≤25 V。如該配電回路按照1 km計算,采用YJV-4×25+1×16電纜,每盞LED燈泄漏電流按照0.1 mA[2]考慮,路燈桿引上線按照BV-4 mm2考慮,路燈安裝高度12 m,安裝間距30 m,每個路燈配電回路接33盞路燈,電線電纜泄漏電流值如表4所示。由于室外道路照明是三相配電,相鄰路燈按照L1、L2、L3接線,每相帶的路燈盞數基本一致,路燈桿引上線和燈具泄漏電流矢量和均基本抵消,每個路燈配電回路正常泄漏電流=主干電纜泄漏電流+路燈桿引上線泄漏電流+燈具泄漏電流=29 mA。配電箱內照明配電回路選擇300 mA、0.3 s斷路器,滿足大于線路和設備正常泄漏電流值4倍的要求,正常情況下RCBO斷路器不會誤動作。

表4 電線電纜泄漏電流值

因Id2=0.3 A,故RAn≤83.33 Ω,由此可知,只要故障處接地電阻小于83 Ω,就可以滿足接觸電壓不大于25 V的要求,但是根據規范CJJ 89—2012《城市道路照明工程施工及驗收規程》[3]第7.2.7條,TT系統接地電阻不應大于4 Ω,為了滿足該條規范要求,需要另外增加水平接地極和垂直接地極。

(2) 室外路燈回路較長,通長敷設的N線在每盞路燈處均需要斷開,通過接線端子箱再與下一盞燈具相連。路燈常規都是采用三相配電的方案,L1、L2、L3間隔配電,三相回路基本平衡,N線電壓往往比相線電壓低很多。如果中間某盞路燈f1處N線與大地不慎重復接地,出線回路RCBO斷路器也可能不動作,該接地故障電壓可能長期潛伏在回路上。此時f2處發生2次接地故障時,故障電流一部分將沿著Id1返還,如果RA1接地電阻很小,當Id3接地故障電流小于斷路器動作電流時,RCBO斷路器就不會動作,此時f2處的故障電壓就一直存在,人體觸碰就發生觸電風險。

(3) 城市道路除了地面道路往往還有高架道路,地面過河處也會有橋梁,這些場所就不能按照規范TT系統每盞燈具單獨打接地極的要求[4]。

綜上所述,發生接地故障時,TT系統故障電壓僅存在于故障點處,故障范圍小,同時不需要全線敷設PE線,可以節省造價,這些都是TT系統優點。TT系統也有使用局限性,并不是所有場所都可以采用TT系統,N線和相線同時發生接地故障時,RCBO斷路器有可能不動作。

局部TT系統特點如下:

(1) 每個回路PE線與配電箱PE排不連通,從第一盞燈具開始引出PE線通長敷設,局部TT接地系統示意圖如圖5所示。當f2處發生金屬性接地故障,與TT系統類似,故障電流通過接地電阻返回至配電箱,不過該系統從第一盞燈具至最后一盞燈具PE線都是貫通的,即使有其他路燈接地電阻大于規范要求或者無法打接地裝置的場所,整體接地電阻將遠小于一盞路燈的接地電阻,RCBO斷路器的靈敏度還是很高的。

圖5 局部TT接地系統示意圖

(2) 局部TT系統也和TT系統類似,室外路燈回路較長時,如果中間某盞路燈f1處N線與大地不慎重復接地,出線回路RCBO斷路器也可能不動作,該接地故障電壓可能長期潛伏在該回路上。此時f2處發生2次接地故障時,該系統將變為TN系統,RCBO斷路器能可靠動作 。

綜上所述,局部TT系統也會一處漏電,本回路漏電,故障范圍比TN-S系統小,比TT系統大。TT系統無法滿足的場所,局部TT系統均可以滿足要求。N線和相線同時發生接地故障時,變為類似于TN系統,斷路器也能可靠動作。局部TT系統兼有TT系統和TN-S系統的特點。

4 結 語

(1) 在實際項目設計過程中,根據不同的路面材質和道路類型,選擇合適配光曲線的燈具,通過軟件模擬計算可以達到精細化設計的要求,復核各項指標是否滿足規范要求。

(2) 箱變位置需統籌考慮周邊道路,箱變是作為路燈專變用還是和其他市政配套用電一起作為公變用,需提前與業主溝通好。

(3) 無論是TN系統還是TT系統,都有其優缺點,可以根據實際情況采用哪種接地系統。