城市道路的照明系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化

陳　澤，吳　建，張郭艷

(山東省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院，山東 濟南　250013)

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城市道路的照明系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化

陳澤，吳建，張郭艷

(山東省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院，山東 濟南250013)

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

關(guān)鍵詞：城市照明；系統(tǒng)設(shè)計；照度計算

引言

一座現(xiàn)代化的城市離不開道路照明、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

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

1.1管道設(shè)計

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行一體化施工，造價節(jié)省、工期短，但是后期維護不便，在工期要求緊和要求經(jīng)濟節(jié)省時優(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，雖然施工工期較長但是后期維護方便，照明設(shè)施的施工可在道路施工完成后進行，縮短了道路建設(shè)的周期。照明管道設(shè)計中，一般沿路緣石外0.5米敷設(shè)管線，當采用鎧裝直埋時埋設(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，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

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)中會附設(shè)專用變壓器，并且由專用饋電線路直接供電；而且當?shù)缆氛彰鞑捎肨T系統(tǒng)時，應(yīng)在電源側(cè)增設(shè)漏電保護裝置，而在道路照明設(shè)計中漏電保護裝置一般裝設(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?shù)缆氛彰鞑捎肨N-S系統(tǒng)時，需用3相5線制供電，其中中性線(N)與保護線(PE)分開，并應(yīng)保證金屬燈桿及構(gòu)件、燈具外殼燈外露可導(dǎo)電部分進行有效保護接地。道路照明設(shè)施安裝在道路兩側(cè)人行道上，易被人觸及，因此對安全系數(shù)要求較高。采用TN-S接地系統(tǒng)發(fā)生故障時，影響范圍較大，并會對電力系統(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)，并且僅屬于三級負荷，故將TN-S系統(tǒng)作為道路照明的常用接地方式。

我國電力系統(tǒng)常用的中性點接地方式有：中性點直接接地、中性點經(jīng)消弧線圈接地、中性點經(jīng)電阻器接地和中性點不接地四種。道路照明配電系統(tǒng)一般采用中性點直接接地，優(yōu)勢在于中性點接地系統(tǒng)的對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

道路照明屬配電三級負荷中較為重要的負荷，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。當采用380V三相電壓供電時，應(yīng)盡量使三相負荷平衡，減小不平衡電流對配電系統(tǒng)的影響，當燈具布置數(shù)量無法滿足三相平衡時，應(yīng)滿足最大相負荷和最小項負荷不超過三相負荷平均值±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各個分支回路進行控制和保護，并且宜選用帶漏電保護的斷路器，提高配電系統(tǒng)的安全性。

1.4照明設(shè)計

1.4.1照明設(shè)計標準

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

表1　道路照明亮度設(shè)計標準

注： 路面亮度給出兩檔標準值，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)計標準

注： 路面照度給出兩檔標準值，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)交錯布置、雙側(cè)對稱布置、中心對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)計等級，可選用不同的布置方式。單側(cè)照明燈具布置，只有當路面寬度小于15米時，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)交錯與雙側(cè)對稱布置應(yīng)用較為普遍，可適用于任何等級的道路；中心對稱布置只有在道路橫斷面設(shè)計中設(shè)有中央分隔帶時應(yīng)用。

1.4.3亮度計算

計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)燈具光度測試報告中所提供的亮度產(chǎn)生曲線圖查得。

1.4.4照度計算

計算路面照度公式為

(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)，當單側(cè)排列或交錯排列時N=1，相對排列時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15°，燈挑長度記為L，燈頭投射點距路緣石距離記為oh，有

(3)

(4)

依據(jù)式(3)、式(4)計算的數(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載，其功率因數(shù)在0.5左右，無功功率占視在功率一半甚至還多，對變壓器效率和電網(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，可采用單燈補償或配電箱內(nèi)集中補償?shù)姆椒ā螣粞a償前后接線如圖2所示。單燈電容補償容量見表3。

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

高壓鈉燈功率/W補償電容/μF金屬鹵化物等功率/W補償電容/μF701270121101510015150221751825035250224005040030

其中電容補償容量為

Qc=αavPc(tanφ1-tanφ2)

(5)

式中αav為平均負荷系數(shù)，考慮最不利因素時，αav=1；Pc為計算有功功率；tanφ1、tanφ2分別為補償前后功率因數(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照度計算的優(yōu)化

在照度計算過程中，采用的是預(yù)賦值計算，這就使得計算結(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價標準，所以需要對照度計算進行優(yōu)化和校驗。

2.2.1道路照度計算的優(yōu)化

城市道路路燈對稱布置參數(shù)見圖3。選取最不利區(qū)域，道路中心線區(qū)域的Y點計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，h≥0.5W；采用半截光型燈具時，h≥0.6W，所以平均照度計算值較小的是Ev，計算所得的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，h≥0.5W，S≥3H；采用半截光型燈具時，h≥0.6W，S≥3.5H，所以平均照度計算值較小的是Eh，計算所得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

1)道路照明與城市居民生活息息相關(guān)，設(shè)計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)計經(jīng)驗，對道路照明系統(tǒng)設(shè)計中地下管線設(shè)計、接地系統(tǒng)設(shè)計、配電設(shè)計及照明設(shè)計方法進行了介紹，對常用設(shè)計思路和設(shè)計數(shù)據(jù)進行計算;

3)對照明系統(tǒng)的功率因數(shù)提高提出了單燈補償電容的方法；對照度計算進行了優(yōu)化，計算了道路、交叉路口水平面和垂直面照度，提出了照度計算的改進方法。

參考文獻

[1] 王建華. 照明環(huán)境創(chuàng)造的公眾心理研究[J]. 照明工程學報，2002，13(2)：5.

[2] 李景色,李鐵楠. 修訂我國《城市道路照明設(shè)計標準》中的幾個問題(之一)[J]. 照明工程學報，2004，15(1)：38.

[3] 曹陽,袁宗杰,林燕丹,等.視覺功能法在道路照明中的應(yīng)用[J]. 照明工程學報，2005，16(4)：44.

[4] 陳仲林,楊春宇,何正軍.中間視覺函數(shù)表達式的研究[J]. 照明工程學報，2003，14(4)：1.

[5] 陳文成,陳大華,邵紅. 有效光效系數(shù)在室外照明設(shè)計中的應(yīng)用[J]. 燈與照明，2003(4).

[6] 劉磊實,冀曉健. LED光源在城市道路功能照明中的試驗與分析[J]. 照明工程學報，2008，19(4)：85.

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：U412.37

文獻標識碼：B

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