胡 云 武

[悉地(蘇州)勘察設(shè)計(jì)顧問有限公司, 江蘇 蘇州 215000]

0 引 言

城市道路照明在設(shè)計(jì)過程中需要考量的關(guān)鍵指標(biāo)較多。一條道路照明設(shè)計(jì)是否合理,亮度的指標(biāo)是否滿足規(guī)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(fā)生漏電傷人事件也時(shí)有發(fā)生,尤其雨天發(fā)生的情況比較頻繁,路燈安全性跟不同接地系統(tǒng)也有一定的相關(guān)性。

1 照明指標(biāo)

根據(jù)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(jī)動車道路照明標(biāo)準(zhǔn)值中對照度指標(biāo)卻沒有要求,根據(jù)CJJ 45—2015《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[1]第3.3.1條,國內(nèi)道路照明標(biāo)準(zhǔn)值如表1所示。

表1 國內(nèi)道路照明標(biāo)準(zhǔn)值

由表1可見,考核指標(biāo)除了地面亮度外還有地面照度指標(biāo)要求,有些設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中只注重地面照度指標(biāo),通過利用系數(shù)法來計(jì)算,以為平均照度值達(dá)標(biāo),亮度指標(biāo)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(guān)系,亮度指標(biāo)除了與光源、路寬、布燈間距相關(guān)外,還與地面材質(zhì)、燈具角度、配光曲線都是息息相關(guān)的,反映的是一個(gè)綜合性指標(biāo)。

某城市快速路項(xiàng)目,瀝青混凝土路面,雙向6車道,雙懸挑路燈雙側(cè)對稱布置于側(cè)分帶內(nèi),路燈安裝間距35 m,機(jī)動車道側(cè)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(xiàng)目是城市主干道,車流量大,經(jīng)過前期調(diào)研和業(yè)主溝通,按照高照明標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)計(jì)。相同功率不同配光參數(shù)燈具比較如表2所示。通過DIALux軟件模擬計(jì)算比較可知,甲燈具各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求,乙燈具雖然在平均照度等多項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范要求,但是在關(guān)鍵的平均亮度指標(biāo)上沒有達(dá)到規(guī)范要求的高標(biāo)準(zhǔn)值要求,而且在平均亮度指標(biāo)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(yàn)感會有一定差別。

表2 相同功率不同配光參數(shù)燈具比較

經(jīng)過方案比選后,該工程中機(jī)動車道路照明采用甲燈具。目前,該項(xiàng)目已經(jīng)通車,路燈夜間實(shí)際效果如圖2所示,畫面有部分失真,實(shí)際道路亮度比照片要亮一些,各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求,也得到業(yè)主的認(rèn)可。

圖2 路燈夜間實(shí)際效果

如果將甲燈具安裝在與案例相同路幅寬度和機(jī)動車道數(shù),但是不同路面材質(zhì)的道路上,呈現(xiàn)出來的各項(xiàng)照明指標(biāo)效果會如何呢？甲燈具安裝在不同路面材質(zhì)參數(shù)比較如表3所示。

表3 甲燈具安裝在不同路面材質(zhì)參數(shù)比較

通過DIALux軟件模擬計(jì)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(dá)32%。

在實(shí)際項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中,設(shè)計(jì)師需對具體項(xiàng)目的道路等級和地面材質(zhì)情況了解清楚,選擇合適配光曲線的燈具,通過軟件模擬計(jì)算可以達(dá)到精細(xì)化設(shè)計(jì)的要求。按照一路一方案理念,在滿足規(guī)范基礎(chǔ)上,盡量選擇功率低、光效高的燈具,不僅可以節(jié)約電能,而且也變相實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

2 路燈電源

2.1 箱變位置

城市道路路燈項(xiàng)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(jià)低的特點(diǎn)。有時(shí)設(shè)計(jì)人員對箱變位置的設(shè)置重視程度不夠,不管道路長短與否,每條道路均設(shè)置箱變,或者按照供電半徑0.8～1.0 km將箱變設(shè)置在所謂的負(fù)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(shí)與匯龍路和金達(dá)路道路相交,三條道路均需設(shè)置路燈。如果按照每條道路均設(shè)置箱變,則需要設(shè)置3座箱變。通過前期了解該項(xiàng)目是新建道路,道路兩側(cè)無已建箱變,綜合考慮后在匯龍路與琴川大道東南角設(shè)置一座250 kVA箱變,同時(shí)將2條相交道路,500 m長的匯龍路和380 m長的金達(dá)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(shè)投資上大大降低。

為了避免被動,建議項(xiàng)目設(shè)計(jì)初期,設(shè)計(jì)人員去項(xiàng)目現(xiàn)場踏勘,大概了解有哪些地方可以作為電源接入點(diǎn),有了供電方案之后,盡快請業(yè)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?nèi)萘?/h3>

最理想的方案是路燈箱變僅供路燈使用,只需要在路燈計(jì)算負(fù)荷基礎(chǔ)上,變壓器容量按照負(fù)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(diǎn)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(shè)備自行解決用電,如從道路兩側(cè)企事業(yè)單位的變電所或單獨(dú)新建專變解決電源?，F(xiàn)實(shí)情況是箱變?nèi)萘砍丝紤]路燈用電外,往往還需要統(tǒng)籌考慮景觀照明、交通監(jiān)控和信號燈、治安監(jiān)控、公交站等其他市政配套小用電設(shè)備的用電需求,設(shè)計(jì)過程中需要與不同的專業(yè)溝通協(xié)調(diào)好各自的用電需求。如果是多家單位負(fù)責(zé)設(shè)計(jì),需要及時(shí)跟業(yè)主反饋,請業(yè)主進(jìn)行協(xié)調(diào)。近幾年智慧交通發(fā)展也很迅速,5G微基站也需要用電量,常規(guī)與路燈合桿建設(shè),箱變?nèi)萘吭趯?shí)際設(shè)計(jì)過程中建議適當(dāng)預(yù)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(shè)備用電需求小,箱變會發(fā)生“大馬拉小車”現(xiàn)象,不僅增加箱變的運(yùn)行能耗,而且還會影響箱變的使用壽命。尤其是當(dāng)接入箱變的負(fù)荷較多時(shí),晚上又可能發(fā)生箱變超負(fù)荷運(yùn)行的情況,發(fā)生與白天相反的“小馬拉大車”現(xiàn)象。除此之后,由于接入負(fù)荷多,箱變發(fā)生的故障率也相應(yīng)會增加,當(dāng)市政交通監(jiān)控和信號燈中斷供電,也容易造成交通擁堵現(xiàn)象的發(fā)生。

3 接地系統(tǒng)

根據(jù)CJJ 45—2015《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》第6.1.8條,路燈接地系統(tǒng)可以采用TN系統(tǒng)或者TT系統(tǒng)。

TN系統(tǒng)特點(diǎn)如下。

(1) TN-S接地系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

圖3 TN-S接地系統(tǒng)示意圖

當(dāng)f2處發(fā)生金屬性接地故障,相線和保護(hù)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(hù)呢?根據(jù)路燈配電距離長短,選用的電纜規(guī)格,通過計(jì)算來判斷是否可以滿足規(guī)范要求。由分析可知,僅僅依靠MCCB斷路器作為接地故障保護(hù)安全上沒有保障。

(2) 當(dāng)在雨天情況下路燈桿處電纜接頭f1處絕緣層破損,發(fā)生非金屬性接地故障時(shí),雨天人體阻抗下降,按照潮濕場所人體觸碰的安全電壓應(yīng)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(shí)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(shè)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(tǒng)將變?yōu)門T系統(tǒng),發(fā)生接地故障時(shí)MCCB斷路器將不會動作。

(4) TN系統(tǒng)電源進(jìn)線和每個(gè)出線回路均與PE線相連,不管是電源側(cè)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(dǎo)來別處故障電壓的風(fēng)險(xiǎn),故障范圍比較大。

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

TT系統(tǒng)特點(diǎn)如下:

(1) TT接地系統(tǒng)示意圖如圖4所示。

圖4 TT接地系統(tǒng)示意圖

當(dāng)f2處發(fā)生金屬性接地故障時(shí),TT系統(tǒng)按照潮濕環(huán)境進(jìn)行校驗(yàn),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(jì)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(gè)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(shù)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(gè)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(nèi)照明配電回路選擇300 mA、0.3 s斷路器,滿足大于線路和設(shè)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(jù)規(guī)范CJJ 89—2012《城市道路照明工程施工及驗(yàn)收規(guī)程》[3]第7.2.7條,TT系統(tǒng)接地電阻不應(yīng)大于4 Ω,為了滿足該條規(guī)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(shè)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(guī)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(fù)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(shí)f2處發(fā)生2次接地故障時(shí),故障電流一部分將沿著Id1返還,如果RA1接地電阻很小,當(dāng)Id3接地故障電流小于斷路器動作電流時(shí),RCBO斷路器就不會動作,此時(shí)f2處的故障電壓就一直存在,人體觸碰就發(fā)生觸電風(fēng)險(xiǎn)。

(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(guī)范TT系統(tǒng)每盞燈具單獨(dú)打接地極的要求[4]。

綜上所述,發(fā)生接地故障時(shí),TT系統(tǒng)故障電壓僅存在于故障點(diǎn)處,故障范圍小,同時(shí)不需要全線敷設(shè)PE線,可以節(jié)省造價(jià),這些都是TT系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)。TT系統(tǒng)也有使用局限性,并不是所有場所都可以采用TT系統(tǒng),N線和相線同時(shí)發(fā)生接地故障時(shí),RCBO斷路器有可能不動作。

局部TT系統(tǒng)特點(diǎn)如下:

(1) 每個(gè)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(shè),局部TT接地系統(tǒng)示意圖如圖5所示。當(dāng)f2處發(fā)生金屬性接地故障,與TT系統(tǒng)類似,故障電流通過接地電阻返回至配電箱,不過該系統(tǒng)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(guī)范要求或者無法打接地裝置的場所,整體接地電阻將遠(yuǎn)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(tǒng)示意圖

(2) 局部TT系統(tǒng)也和TT系統(tǒng)類似,室外路燈回路較長時(shí),如果中間某盞路燈f1處N線與大地不慎重復(fù)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(shí)f2處發(fā)生2次接地故障時(shí),該系統(tǒng)將變?yōu)門N系統(tǒng),RCBO斷路器能可靠動作 。

綜上所述,局部TT系統(tǒng)也會一處漏電,本回路漏電,故障范圍比TN-S系統(tǒng)小,比TT系統(tǒng)大。TT系統(tǒng)無法滿足的場所,局部TT系統(tǒng)均可以滿足要求。N線和相線同時(shí)發(fā)生接地故障時(shí),變?yōu)轭愃朴赥N系統(tǒng),斷路器也能可靠動作。局部TT系統(tǒng)兼有TT系統(tǒng)和TN-S系統(tǒng)的特點(diǎn)。

4 結(jié) 語

(1) 在實(shí)際項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中,根據(jù)不同的路面材質(zhì)和道路類型,選擇合適配光曲線的燈具,通過軟件模擬計(jì)算可以達(dá)到精細(xì)化設(shè)計(jì)的要求,復(fù)核各項(xiàng)指標(biāo)是否滿足規(guī)范要求。

(2) 箱變位置需統(tǒng)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(yè)主溝通好。

(3) 無論是TN系統(tǒng)還是TT系統(tǒng),都有其優(yōu)缺點(diǎn),可以根據(jù)實(shí)際情況采用哪種接地系統(tǒng)。