城市道路照明電氣設計常見問題及優化措施

廖小平

福建萬佳順建設發展有限公司，福建 龍巖 364400

0 引言

隨著城市化進程的加快，城市基礎設施也在不斷完善。其中，道路照明系統對于改善城市環境與提高市民生活水平有著重要影響。城市道路照明工程涉及工序較多，尤其是在電氣設計方面，如果設計方案缺乏可行性及科學性，就會導致照明系統運行不穩定，影響照明功能。當前，針對城市道路電氣設計，我國頒布了最新標準，無論是照明標準，光源、燈具的選擇，還是節能控制等措施，都做出了比較詳細的規定和要求。城市道路照明工程的設計方案必須符合相關標準要求，才可以在一定程度上避免問題的出現。并且，還應采取先進的技術，遵循安全、經濟的原則，實現節約能源的目標，還能減少維修成本。

1 城市道路照明電氣設計中的常見問題

1.1 城市道路照明配電系統接地形式使用混亂

根據《城市道路照明設計標準》（CJJ 45—2015）（以下簡稱《設計標準》）[1]，道路照明配電系統的接地形式有兩種，即TN系統和TT系統。在選擇接地系統的過程中會遇到很多問題，例如，有些道路工程的戶外條件復雜，照明配電回路長，回路阻抗大，使得接地故障和單相短路電流值偏小，如果采用TN系統，會因斷路器的接地故障保護靈敏度不夠，不能在規定時間內切斷電源，而產生遠大于安全電壓的接觸電壓，該電壓沿PE線傳至所有路燈金屬外殼，存在較大的安全隱患；有些設計人員對兩系統的區別不甚了解，為了配合施工方的經濟要求，隨意將兩種系統混在一起使用，導致在接地故障發生時，有些地方沒有配置相應的保護功能，即使配置相應保護功能卻沒有相應的跳閘，從而給附近行走的人帶來電擊危害，造成人身安全隱患。因此，正確地選擇接地系統，是道路照明安全用電的保障之一。

1.2 路燈眩光

在部分城市道路照明工程中，由于電氣設計方案中存在配置過大功率照明燈具、燈具安裝高度與間隔距離不合理、照度水平設定不當等問題，導致道路照明系統的燈源亮度與周邊環境亮度存在較大差值，在夜間行車過程中，隨著環境亮度的頻繁變化，將持續刺激駕駛員與行人的視覺神經，使其容易出現眩光現象，致使駕駛員無法看清前方路況，甚至引發交通安全事故[2]。

1.3 照明燈具的間隔距離大

城市道路照明系統的作用為，通過設置照明燈具與進行電氣設計，在交通道路上創造出良好的視覺環境，確保過往車輛與行人正確了解前方路況條件與路面狀況，觀察是否存在障礙物，并了解其他車輛的情況。但是在部分工程中，設計人員并未正確認識到工程建設意圖，為控制工程造價成本，選擇加大相鄰照明燈具的間隔距離，或是忽視了燈具光分布問題，導致各區段道路照明條件存在差異，存在視覺盲區，沒有取得預期的道路照明效果。

1.4 缺乏節能設計意識

隨著城市經濟的不斷發展，城市亮化工程與道路照明工程得到各地政府的大力支持和推進，照明燈具數量不斷增加。據官方數據統計，城市道路照明耗電量占國內總耗電量4%以上，道路照明耗電量不容小覷，加上各地缺乏節能設計意識，導致資源浪費問題突出。針對這一問題，《設計標準》第7.2.1要求，進行道路照明設計時，應提出多種符合照明標準要求的設計方案，進行技術經濟綜合分析比較，從中選擇技術先進、經濟合理又節約能源的最佳方案。

2 城市道路照明電氣設計的優化措施

2.1 道路照明配電系統接地形式的選擇

TN系統是電源中性點直接接地，電氣設備外露可導電部分通過零線接地的接零保護系統；TT系統是電源中性點直接接地，電氣設備外露導電部分直接接地的接地系統，其中電氣設備的接地點獨立于電源中性點接地點[3]。

《設計標準》第6.1.8中有如下描述：

“TT系統的優點是發生接地故障時可以減少故障電壓的蔓延；缺點是接地故障電流小，熔斷器或斷路器的瞬時過電流脫扣器不能兼做間接接觸防護，必須采用剩余電流保護器才能滿足切斷電源的時間要求。

“TN-S系統的優點是當系統正常運行時，保護導體上沒有電流，電氣設備金屬外殼對地沒有電壓，而發生接地故障時其故障電流相比TT系統大，在一定條件下熔斷器或斷路器的瞬時過電流脫扣器可能動作。其缺點是系統內任一處發生接地故障時，故障電壓可沿PE線傳導至他處而可能引起危害?！?/p>

因此，無論是從安全性、經濟性，還是從施工難度來看，道路照明時應優先考慮TT系統。當然，如果道路照明線路長度較短、電纜截面積較大，可采用TN系統，故在設計時要進行接地故障電流計算，選擇更合適的接地系統。

2.2 照明燈具設計

在照明燈具設計環節，首先，根據工程情況選擇適當種類的燈具，盡可量避免使用大功率燈具，安裝LED燈具等柔和光源，以此達到道路照明系統的節能目的，避免出現路燈眩光問題。例如，從節能角度來看，盡量配置熒光燈、金鹵燈等新型光源，這類光源的節電率較高，使用壽命長。其次，對現場進行實地考察，準確掌握道路照明需求與周邊環境亮度，在其基礎上設定照明燈具安裝高度與相鄰燈具間隔距離等參數，確保道路照明工程的亮度均勻度滿足相關規范要求。例如，在某城市道路照明工程中，選定一處路段作為試驗段，在140 m2范圍內隨機設定100個測試點，對照明燈具的平均亮度值、投射至地面亮度值、最小亮度值進行測量，平均亮度與最小亮度分別為20與10，要求將亮度平均值保持在0.5以上，如果未達到這一數值，表明燈具光束過度集中，沒有取得預期的道路照明效果。

此外，在燈具選擇與參數設計期間，設計人員都需要以保障道路照明效果為首要目的，在滿足實際道路照明需要的前提下，再從造價成本、燈具使用壽命、視覺效果等方面進行考量。例如，在道路工程所處區域時常出現大霧氣候時，應優先配置高壓鈉燈，這類燈具有著透霧能力強的優勢，通光量超過金鹵燈的40%。反之，在受霧霾影響系數較低的道路工程中，則配置金鹵燈等其他類型光源。

2.3 光源降壓—穩壓—調光設計

當前，在部分城市的道路照明工程中，為避免產生不必要的電能損耗，選擇采取隔盞關燈的設計措施，照明系統在特定時間段內關閉一定數量的照明燈具。這雖然可以有效控制系統運行能耗，但存在一定的安全隱患，無法為過往車輛與行人提供良好的視覺環境，存在視覺盲區。因此，可選擇在道路照明系統中應用人工智能與環境感知技術，采取光源降壓—穩壓—調光設計措施，具體內容如下：在道路照明系統中設置若干數量的信息傳感裝置，持續對周邊環境亮度、車輛行駛速度、路燈光源亮度等要素進行監測采集，將傳感裝置接入道路照明控制系統，準確判斷系統運行狀況與評估道路照明需求。隨后，在到達特定時間段或是滿足機制觸發條件后，系統將依次執行降壓、穩壓與調光三項節電步驟，在創造良好視覺環境的前提下，智能調整系統運行負荷與照明亮度。

2.4 道路照明水平控制

在道路照明水平控制環節，應采取以下優化設計措施。（1）照度水平選擇。設計人員應根據道路等級與車道數等已知工程信息，遵循《城市道路工程設計規范（2016年版）》（CJJ 37—2012）與《設計標準》等規范文件，合理設定道路照明系統的照度水平與平均照度值。例如，針對城市主干路網與快速路中的道路工程，讓照明系統的照度水平達到規范內平均照度值的1.5～2.5倍。（2）照明參數設定。為提高燈具光源的實際利用系數，對初步設計方案進行優化設計，適當調整燈具安裝高度、傾斜角度、眩光系數等參數，合理選擇燈具的配光方式。例如，將燈具傾斜角度控制在5°～10°，將燈具間隔距離與高度的比值保持在3∶1～4∶1。

2.5 道路照明功率密度值校核

當確認該方案符合照明標準的要求后，需計算照明功率密度（LPD），參照《設計標準》表7.1.2機動車道的照明功率密度限值（見表1），嚴格將計算值限制在標準值內。

表1 機動車道的照明功率密度限值

3 結束語

綜上所述，為全面提高城市道路照明工程的經濟效益、社會效益與環境效益，及早實現綠色照明、節約能源的發展目標，設計人員應正確認識城市道路照明電氣設計期間存在的問題，及早轉變設計理念，綜合采取設計優化措施，確保道路照明工程發揮出應有效能。