基于城市路燈照明供配電控制設計研究

付超

（太原市政工程勘測設計院有限公司， 山西 太原 030001）

經濟的發展， 使得城市建設我規模逐漸擴大， 城市交通事業發展迅速， 其中道路照明基礎設施的建設對交通安全具有重要影響， 既可以為民眾晚間的出行安全提供保障， 又可以起到一定的城市美化作用。 照明系統的運行質量以及穩定性與其供配電控制設計有關， 供配電控制設計是路燈照明設施建設的核心， 在照明設計建設中起著至關重要的作用， 需要電力部門或企業加強對照明供配電控制設計的研究。

1 城市路燈照明供配電控制設計重點

1.1 供配電控制設計方案

我國的城市化建設事業正處于上升期， 城市交通照明基礎設施的建設是重要的項目工程， 照明設施的建設可為城市交通的安全性提供保障。 在城市路燈照明系統設計中， 供配電的控制設計十分重要， 直接影響著照明系統的運行質量， 需要政府相關部門以及電力企業注重照明供配電方案的設計， 并依據城市道路交通通行的實際情況， 適時調整照明供配電設計方案， 使其系統線路設計不斷獲得優化， 有助于為照明系統運行的穩定性以及可靠性提供保障。 此外， 在供配電方案設計中應注重節能降耗設計， 燈具均使用LED節能燈， 既有助于減少路燈照明使用電能的消耗量， 又有助于降低供配電線路的設計成本。

1.2 供配電線路控制設計

1.2.1 線路鋪設設計

城市路燈照明的供配電線路較長， 電流值普遍較小， 選擇電纜材料時， 依據其載流量完成照明供配電線路鋪設設計， 設計時需要注意線路壓降問題， 依據實際情況， 設計人員可將電纜截面適當擴大， 以此解決壓降問題。 按照國家規定， 城市路燈照明系統中最末端的燈具電壓值需小于5%， 此時電纜截面擴大會確保路燈負荷供電充足， 致使壓降減小， 既有助于降低供配電線路損耗， 又可確保照明系統運行的安全性。

1.2.2 配電系統控制

傳統的城市路燈照明系統是由人工操作控制， 其具有效率與精準度偏低的缺陷， 信息化科技時代， 城市路燈照明系統的控制設計應注重先進科學技術的引進與應用， 注重發展自動化控制模式。 例如照明供配電控制設計， 可使用電氣自動化技術、 計算機技術以及PLC技術等， 創建覆蓋范圍較廣的供配電自動化管控系統， 并借助傳感器、 數據采集裝置以及監控裝置等設備， 有助于實現數據信息采集的自動化， 便于控制人員對各類信息的統一管理。 此外， 順序控制工作模式的應用， 可與電力系統相互連通， 實現供配電系統的自動管控， 有助于供配電系統工作效能的提升。圖1 為配電系統及照明系統裝置。

圖1 配電系統及照明系統裝置

1.2.3 計算負荷總量

城市路燈照明供配電線路的負荷總量可用P表示， 其計算環節較為基礎， 是其他設備正常運行的關鍵。 計算公式為。

其中， P指道路照明用電負荷， P指交通信號燈用電負荷， P與P取值不定， 主要與線路實際運行情況有關； P至景觀用電負荷， P指廣告牌用電負荷，P與P取值與線路遠景規劃設計有關。

1.3 供配電接地系統設計

對于部分城市道路交通而言， 日常車輛以及人流量通行量較大， 照明供配電線路的鋪設需要注重安全性以及穩定性問題， 采取相應措施避免出現供配電接地故障， 危害人民群眾生命安全。 照明供配電設計過程中， 應注重接地系統的設計， 可通過使用TT系統對PE線進行連接， 道路兩旁所有照明設施均需要與接地裝置相連， 鍍鋅角鋼是常用的接地極， 而路燈燈桿可作為接閃器， 道路內鋼筋可作為引下線， 最后連接接地裝置， 表示供配電接地系統設計完畢， 其電阻值應小于10Ω。

2 城市路燈照明供配電控制設計內容

2.1 線路接地保護設計

2.1.1 零序電流

當路燈照明供配電線路的三項負荷相平衡時， 零序電流為零， 不平衡時， 零序電流非零。 如若三項中有一相發生接地故障， 則會導致三項負荷失衡， 此時需要使用零序電流對線路接地故障進行處理。 零序電流主要包括TN-S 系統， 在TN-S 系統中， 若線路一相出現接地故障， 其產生的電流可用I表示， 計算公式如下（2）。 如果TN-S 系統能夠識別不平衡電流， 則可實現對接地故障的保護。

2.1.2 過電流

在城市路燈照明系統設計中， 供配電控制設計難度較大， 設計過程中容易出現接地故障， 需要設計人員利用接地故障保護設計進行處理， 以此為路燈照明系統的正常運行提供保障。 設計過程中斷路器的使用， 可在不增設其他設備的基礎上解決接地故障， 如若是針對于電路保護設計， 則需要使用靈敏度較高的斷路器。 在TN-S 系統中， 如若因接地故障而引起電壓下降， 工作人員需要快速切斷接地保護器連接線路， 使其電流值乘積小于50， 該范圍不會對人身安全造成危害。

2.2 線路無功補償設計

2.2.1 補償方式

城市路燈照明供配電控制設計， 設計人員需要優先將線路電壓發生的損失計算出來， 依據計算結果，為滿足末端電壓要求， 設計人員需要考慮城市道路未來20 年的運行計劃， 無功補償法因設計與使用成本偏低， 所以被廣泛應用于城市路燈照明系統設計當中。 氣體放電燈是城市路燈照明常用材料， 雖然功率因數小， 但電能及電壓損失較大， 無功補償法可將照明燈的功率因數進行調整， 使其在國家規定的0.85以上， 常用的補償法分為集中補償和分散補償， 其中分散補償應用效果較好。

2.2.2 補償計算

路燈照明供配電的無功補償電容量可用Q表示，計算公式如下（3）， 城市路燈照明無功補償之前的單燈功率為0.45， 補償之后的單燈功率為0.9。 公式中P指有功計算負荷，與2 分別為補償前后電功率因數。

3 城市路燈照明供配電控制設計案例

3.1 項目工程概況

武漢市是湖北的省會城市， 其交通的便捷性以及安全性直接關系著湖北省的經濟發展， 尤其實在城市路燈照明方面。 四環線沌口長江公路大橋是武漢市四環線項目的主要施工工程， 其主要連接了四環線吳家山至沌口以及龔家鋪至中州段， 是四環線項目工程整體跨越長江的關鍵性施工路段。 該公路大橋走向為自西北向東南， 全長8.599km， 公路大橋起點與四環線西段終點的K94 +159.8 相連接， 全程上夸長江、 漢洪高速、 青菱湖以及武金堤， 途徑沌南洲以及先生灣等地區， 沿途與漢洪高速、 武嘉高速以及青鄭高速等相鏈接， 圖2 為武漢市公路大橋路燈照明。

圖2 武漢市公路大橋路燈照明

3.2 交通分布組成

在交通量方面， 依據對公路大橋車輛通行情況的分析， 武漢市四環線沌口長江公路大橋是重要的貨運快速道路， 具有復合交通功能， 主要連接于各新城組群， 能夠緩解三環線及過江通道的交通壓力。 該工程交通量的路段區間可分為兩部分， 一部分是徐家堡互通至石咀互通， 該路段交通總量為46446pcu/d， 另一部分是石咀互通至龔家鋪互通， 該路段交通總量為1822pcu/d， 整條公路大橋交通量為45669pcu/d。在交通結構方面， 客車通行量占比較大， 其次是貨車通行量。 通行較為頻繁的車輛均屬于貨運型， 其中小貨車的通行量占比較低。 為此， 公路工程總體設計的重點是在不增加工程量的基礎上， 對公路大橋全線通行速度以及使用安全進行計算與評估， 有助于確保公路大橋車輛通行的安全性。 圖3 為武漢市公路大橋。

圖3 武漢市公路大橋

3.3 供配電的方案

3.3.1 設計原則及系統特點

一方面， 設計原則。 首先， 為響應國家經濟發展政策， 依據“五新理念”， 對沌口長江大橋的供電系統進行安全施工與檢測， 確保公路大橋路燈照明系統運行穩定。 其次， 依據國內外高速公路跨江大橋照明供配電線路設計標準， 調整與優化路燈照明供配電設計方案， 并通過先進技術及設備的應用提升供電系統安裝的便捷秀以及簡單性， 有助于減少設備維修次數。 最后， 做好各項預防工作， 并為日后供電線路及設備的擴容做準備。 另一方面， 系統特點。 （1） 該項目用電線路鋪設較長且電負荷較為分散， 相關設備均處于無人值守的室外環境， 需要派遣專人負責每日供配電系統的關閉與開啟。 該工程的路燈照明供配電系統設計與民用或工業的供配電系統設計不同， 公路大橋供配電設備配置容量更大、 電負荷更為分散， 且供配電設備的環境溫度變化較大， 鋪設空間狹小。

3.3.2 配置要求與負荷分級

首先是配電要求， 1） 安裝于主橋外場的供配電設備， 需要具備空間尺寸小以及安裝簡單、 便捷的特點， 且設備的運行必須具備較高的安全性以及防盜性， 日常運行可避免設備維修； 2） 公路大橋的施工使用壽命在常規條件下需要超過100 年， 而供配電相關設備的使用年限最長不超過20 年。 為此， 政府電力部門或者是電力企業應該優選安裝與更換便捷且運行高效、 可靠的供配電設備。 其次是負荷分級， 依據城市路燈照明供配電設計標準， 武漢市四環線沌口長江公路大橋的電負荷主要分為三級： 一級負荷設備，包括監控、 通信、 航空障礙燈、 收費航標燈以及消防用電等； 二級主要包括營養站房的生活水泵、 箱梁內部照明、 檢修動力、 食堂用電、 道路照明以及橋塔內部照明等； 三級主要包括監控用電及沿途辦公用電與景觀照明等。

3.3.3 電力監控與節能設計

一方面， 電力監控設計。 在徐家堡至石咀互通路段的總配電設計中， 電氣設備與站內通信管理機構的連接方式為星性， 其共同構成了485 現場總線監控之網， 子網依據設備相對集中的南北塔可被分為兩個，每個子網都會與主干通信網絡進行連接， 連接通常需要使用光纖或屏蔽雙絞線。 除此之外， 電力監控系統具有監控高、 低壓回路以及變壓器運行情況的作用， 在徐家堡與石咀互通路段， 電力監控設計具有回路“四遙” 功能。 另一方面， 節能措施。 該公路大橋全程使用的供配電系統均為10kV中壓傳輸模式， 該模式具有降低大容量低電壓供電線路損失的作用， 項目全程使用的20 套變壓器均屬于低耗型的非晶合金節能型變壓器， 有助于供配電電力損耗的減少。 與此同時， 節能設計需要注重負荷分配與三相平衡， 照明燈具選用LED節能燈， 隨后縮短低壓供配電線路長度， 科學設計電纜線路鋪設路徑， 可實現線路損耗降低的節能目標。

3.3.4 供配電方案實施效果

湖北省武漢市四環線沌口長江公路大橋， 在2017年12 月28 日正式通車使用， 該項目工程施工周期長達一年多， 其路燈照明供配電控制設計科學、 合理，且符合武漢市車輛通行需求， 能夠在夜間為民眾的行車安全提供保障。 自四環線沌口長江公路大橋通車使用日起， 公路大橋路燈照明設施無任何運行故障， 全橋供配電系統及照明設備均運行正常， 無論是在電閃雷鳴的降雨天氣， 還是大風天氣， 均未出現供配電線路斷路、 短路以及接地、 雷擊故障等。 照明供配電系統及相關設備運行正常， 不會受惡劣天氣影響， 在一定程度上降低了公路大橋安全事故發生的概率， 工程項目建設獲得了政府、 建設企業以及人民群眾的一致好評。

4 結語

城市道路交通照明是人民群眾出行安全的基礎保障， 在一定程度上能夠減少城市交通安全事故發生的幾率。 因此， 路燈照明供配電的設計必須具備安全、穩定以及可靠的特點， 其控制方案設計需要嚴格按照國家規定， 并優先對照明基礎設施建設現場進行實地勘察， 依據相關勘察數據科學設計照明供配電線路。城市路燈照明供配電控制設計的重點在于供配電控制方案與線路， 設計內容主要包括線路接地保護設計與線路無功補償設計等。