陳　澤，吳　建，張郭艷

(山東省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，山東 濟(jì)南　250013)

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城市道路的照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

陳澤，吳建，張郭艷

(山東省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，山東 濟(jì)南250013)

摘要：介紹了照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的管道設(shè)計(jì)、接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)、配電設(shè)計(jì)及照明設(shè)計(jì)，提出了基于城市道路的照明系統(tǒng)常用設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)思路；然后提出照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法，對(duì)照度計(jì)算的優(yōu)化和功率因數(shù)的提高進(jìn)行了計(jì)算和分析。

關(guān)鍵詞：城市照明；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；照度計(jì)算

引言

一座現(xiàn)代化的城市離不開(kāi)道路照明、景觀照明。道路照明是城市市政設(shè)施的重要組成部分，是城鎮(zhèn)居民夜晚出行的有效保障；而景觀照明則是一個(gè)城鎮(zhèn)現(xiàn)代化建設(shè)的充分體現(xiàn)。

1照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

城市道路照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括管道設(shè)計(jì)、接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)、配電設(shè)計(jì)及照明設(shè)計(jì)。

1.1管道設(shè)計(jì)

綜合城市建設(shè)一體性和美觀性以及用電安全，在城市道路照明系統(tǒng)中，配電干線一般采用埋地管線?？刹捎玫姆笤O(shè)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(jìn)行一體化施工，造價(jià)節(jié)省、工期短，但是后期維護(hù)不便，在工期要求緊和要求經(jīng)濟(jì)節(jié)省時(shí)優(yōu)先考慮。穿管直埋是將鍍鋅鋼管或PVC管預(yù)埋在道路結(jié)構(gòu)層下，設(shè)立接線井，雖然施工工期較長(zhǎng)但是后期維護(hù)方便，照明設(shè)施的施工可在道路施工完成后進(jìn)行，縮短了道路建設(shè)的周期。照明管道設(shè)計(jì)中，一般沿路緣石外0.5米敷設(shè)管線，當(dāng)采用鎧裝直埋時(shí)埋設(shè)深度不應(yīng)小于0.8米，特殊情況下應(yīng)大于1米；采用穿管直埋時(shí)，綠地、車行道下不應(yīng)小于0.7 米，人行道下不應(yīng)小于0.5米。

1.2接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)

低壓配電系統(tǒng)常用的接地方式有TN系統(tǒng)、TT系統(tǒng)和IT系統(tǒng)，其中TN系統(tǒng)又分為TN-S系統(tǒng)、TN-C系統(tǒng)和TN-S-C系統(tǒng)，在道路照明設(shè)計(jì)中常采用的是TN-S系統(tǒng)。

由于TT系統(tǒng)適用于不附設(shè)變電所的道路照明系統(tǒng)中，在道路照明系統(tǒng)中會(huì)附設(shè)專用變壓器，并且由專用饋電線路直接供電；而且當(dāng)?shù)缆氛彰鞑捎肨T系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)在電源側(cè)增設(shè)漏電保護(hù)裝置，而在道路照明設(shè)計(jì)中漏電保護(hù)裝置一般裝設(shè)在變壓器的出線斷路器處，故不考慮采用TT系統(tǒng)作為道路照明的接地方式。

當(dāng)?shù)缆氛彰鞑捎肨N-S系統(tǒng)時(shí)，需用3相5線制供電，其中中性線(N)與保護(hù)線(PE)分開(kāi)，并應(yīng)保證金屬燈桿及構(gòu)件、燈具外殼燈外露可導(dǎo)電部分進(jìn)行有效保護(hù)接地。道路照明設(shè)施安裝在道路兩側(cè)人行道上，易被人觸及，因此對(duì)安全系數(shù)要求較高。采用TN-S接地系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，影響范圍較大，并會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)造成一定沖擊，但考慮到道路照明系統(tǒng)屬于較封閉的配電系統(tǒng)，并且僅屬于三級(jí)負(fù)荷，故將TN-S系統(tǒng)作為道路照明的常用接地方式。

我國(guó)電力系統(tǒng)常用的中性點(diǎn)接地方式有：中性點(diǎn)直接接地、中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地、中性點(diǎn)經(jīng)電阻器接地和中性點(diǎn)不接地四種。道路照明配電系統(tǒng)一般采用中性點(diǎn)直接接地，優(yōu)勢(shì)在于中性點(diǎn)接地系統(tǒng)的對(duì)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(shè)計(jì)

道路照明屬配電三級(jí)負(fù)荷中較為重要的負(fù)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(dāng)采用380V三相電壓供電時(shí)，應(yīng)盡量使三相負(fù)荷平衡，減小不平衡電流對(duì)配電系統(tǒng)的影響，當(dāng)燈具布置數(shù)量無(wú)法滿足三相平衡時(shí)，應(yīng)滿足最大相負(fù)荷和最小項(xiàng)負(fù)荷不超過(guò)三相負(fù)荷平均值±15%。照明系統(tǒng)接線如圖1所示。

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

在照明回路中，應(yīng)采用三相低壓斷路器配合單相低壓斷路器對(duì)各個(gè)分支回路進(jìn)行控制和保護(hù)，并且宜選用帶漏電保護(hù)的斷路器，提高配電系統(tǒng)的安全性。

1.4照明設(shè)計(jì)

1.4.1照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

城市道路按等級(jí)可分為快速路、主干路、次干路、支路和居住區(qū)道路，依照不同的道路等級(jí)其照明標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)滿足表1、表2的要求。

表1　道路照明亮度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

注： 路面亮度給出兩檔標(biāo)準(zhǔn)值，斜線左側(cè)為低檔值，右側(cè)為高檔值。

表2　道路照明照度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

注： 路面照度給出兩檔標(biāo)準(zhǔn)值，斜線左側(cè)為低檔值，右側(cè)為高檔值，表中數(shù)據(jù)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(cè)布置、雙側(cè)交錯(cuò)布置、雙側(cè)對(duì)稱布置、中心對(duì)稱布置和橫向懸索布置五種。根據(jù)道路橫斷面形式跟路面寬度以及道路設(shè)計(jì)等級(jí)，可選用不同的布置方式。單側(cè)照明燈具布置，只有當(dāng)路面寬度小于15米時(shí)，才被考慮使用，一般只適用于支路以及居住區(qū)道路；雙側(cè)交錯(cuò)與雙側(cè)對(duì)稱布置應(yīng)用較為普遍，可適用于任何等級(jí)的道路；中心對(duì)稱布置只有在道路橫斷面設(shè)計(jì)中設(shè)有中央分隔帶時(shí)應(yīng)用。

1.4.3亮度計(jì)算

計(jì)算路面的平均亮度公式為

(1)

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

亮度產(chǎn)生系數(shù)可根據(jù)燈具光度測(cè)試報(bào)告中所提供的亮度產(chǎn)生曲線圖查得。

1.4.4照度計(jì)算

計(jì)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(shù)；K為維護(hù)系數(shù)；W為道路寬度；S為路燈安裝距離；N為排列系數(shù)，當(dāng)單側(cè)排列或交錯(cuò)排列時(shí)N=1，相對(duì)排列時(shí)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(guò)15°，燈挑長(zhǎng)度記為L(zhǎng)，燈頭投射點(diǎn)距路緣石距離記為oh，有

(3)

(4)

依據(jù)式(3)、式(4)計(jì)算的數(shù)值查燈具利用系數(shù)表得燈具利用系數(shù)，代入式(2)中，可得到路面照度。

2照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1功率因數(shù)的提高

由于道路照明設(shè)施常用的電子鎮(zhèn)流器或電感鎮(zhèn)流器，以及高壓鈉燈、金屬鹵化物燈都屬于感性負(fù)載，其功率因數(shù)在0.5左右，無(wú)功功率占視在功率一半甚至還多，對(duì)變壓器效率和電網(wǎng)都有一定的影響，所以合理的提高照明的功率因數(shù)勢(shì)在必行。

在照明系統(tǒng)常用的功率因數(shù)提高的方法是并聯(lián)電容器，可采用單燈補(bǔ)償或配電箱內(nèi)集中補(bǔ)償?shù)姆椒?。單燈補(bǔ)償前后接線如圖2所示。單燈電容補(bǔ)償容量見(jiàn)表3。

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

高壓鈉燈功率/W補(bǔ)償電容/μF金屬鹵化物等功率/W補(bǔ)償電容/μF701270121101510015150221751825035250224005040030

其中電容補(bǔ)償容量為

Qc=αavPc(tanφ1-tanφ2)

(5)

式中αav為平均負(fù)荷系數(shù)，考慮最不利因素時(shí)，αav=1；Pc為計(jì)算有功功率；tanφ1、tanφ2分別為補(bǔ)償前后功率因數(shù)正切值。

在照明系統(tǒng)中，應(yīng)用LED燈可大大提高照明系統(tǒng)的功率因數(shù)。LED燈屬于節(jié)能燈，整體呈容性負(fù)載，在照明饋電線路中，可大大提高照明系統(tǒng)的功率因數(shù)。

2.2照度計(jì)算的優(yōu)化

在照度計(jì)算過(guò)程中，采用的是預(yù)賦值計(jì)算，這就使得計(jì)算結(jié)果與預(yù)賦值中比例因數(shù)的選擇有直接的關(guān)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(huán)境比等未必能夠滿足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，所以需要對(duì)照度計(jì)算進(jìn)行優(yōu)化和校驗(yàn)。

2.2.1道路照度計(jì)算的優(yōu)化

城市道路路燈對(duì)稱布置參數(shù)見(jiàn)圖3。選取最不利區(qū)域，道路中心線區(qū)域的Y點(diǎn)計(jì)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(shí)，h≥0.5W；采用半截光型燈具時(shí)，h≥0.6W，所以平均照度計(jì)算值較小的是Ev，計(jì)算所得的Ev應(yīng)大于或等于表1中的路面照度。

圖3　城市道路路燈對(duì)稱布置參數(shù)圖Fig.3　The parameter diagram of symmetrically arranged lamps

2.2.2交叉路口照度計(jì)算的優(yōu)化

道路交叉口路燈布置參數(shù)如圖4所示。選取最不利區(qū)域，道路中心線與路燈間距中線的交叉區(qū)域相關(guān)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(shù)圖Fig.4　The parameter diagram of streetlight on road intersections

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

3結(jié)語(yǔ)

1)道路照明與城市居民生活息息相關(guān)，設(shè)計(jì)好城市道路照明系統(tǒng)，可以提高居民的生活水平，為新型城市的發(fā)展提供有力的保障;

2)結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)道路照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)中地下管線設(shè)計(jì)、接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)、配電設(shè)計(jì)及照明設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了介紹，對(duì)常用設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算;

3)對(duì)照明系統(tǒng)的功率因數(shù)提高提出了單燈補(bǔ)償電容的方法；對(duì)照度計(jì)算進(jìn)行了優(yōu)化，計(jì)算了道路、交叉路口水平面和垂直面照度，提出了照度計(jì)算的改進(jìn)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(hào)：U412.37

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

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