城市道路的照明系统设计与优化

陈　泽，吴　建，张郭艳

(山东省城乡规划设计研究院，山东 济南　250013)



城市道路的照明系统设计与优化

陈泽，吴建，张郭艳

(山东省城乡规划设计研究院，山东 济南250013)

摘要：介绍了照明系统设计中的管道设计、接地系统设计、配电设计及照明设计，提出了基于城市道路的照明系统常用设计方法和设计思路；然后提出照明系统设计的优化方法，对照度计算的优化和功率因数的提高进行了计算和分析。

关键词：城市照明；系统设计；照度计算

引言

一座现代化的城市离不开道路照明、景观照明。道路照明是城市市政设施的重要组成部分，是城镇居民夜晚出行的有效保障；而景观照明则是一个城镇现代化建设的充分体现。

1照明系统设计

城市道路照明系统设计包括管道设计、接地系统设计、配电设计及照明设计。

1.1管道设计

综合城市建设一体性和美观性以及用电安全，在城市道路照明系统中，配电干线一般采用埋地管线。可采用的敷设方式有直埋、穿管直埋和综合管沟，其中较常用的方式有铠装直埋和穿管直埋两种。铠装直埋常用于路灯管线与路基进行一体化施工，造价节省、工期短，但是后期维护不便，在工期要求紧和要求经济节省时优先考虑。穿管直埋是将镀锌钢管或PVC管预埋在道路结构层下，设立接线井，虽然施工工期较长但是后期维护方便，照明设施的施工可在道路施工完成后进行，缩短了道路建设的周期。照明管道设计中，一般沿路缘石外0.5米敷设管线，当采用铠装直埋时埋设深度不应小于0.8米，特殊情况下应大于1米；采用穿管直埋时，绿地、车行道下不应小于0.7 米，人行道下不应小于0.5米。

1.2接地系统设计

低压配电系统常用的接地方式有TN系统、TT系统和IT系统，其中TN系统又分为TN-S系统、TN-C系统和TN-S-C系统，在道路照明设计中常采用的是TN-S系统。

由于TT系统适用于不附设变电所的道路照明系统中，在道路照明系统中会附设专用变压器，并且由专用馈电线路直接供电；而且当道路照明采用TT系统时，应在电源侧增设漏电保护装置，而在道路照明设计中漏电保护装置一般装设在变压器的出线断路器处，故不考虑采用TT系统作为道路照明的接地方式。

当道路照明采用TN-S系统时，需用3相5线制供电，其中中性线(N)与保护线(PE)分开，并应保证金属灯杆及构件、灯具外壳灯外露可导电部分进行有效保护接地。道路照明设施安装在道路两侧人行道上，易被人触及，因此对安全系数要求较高。采用TN-S接地系统发生故障时，影响范围较大，并会对电力系统造成一定冲击，但考虑到道路照明系统属于较封闭的配电系统，并且仅属于三级负荷，故将TN-S系统作为道路照明的常用接地方式。

我国电力系统常用的中性点接地方式有：中性点直接接地、中性点经消弧线圈接地、中性点经电阻器接地和中性点不接地四种。道路照明配电系统一般采用中性点直接接地，优势在于中性点接地系统的对地绝缘只要求能够承受相电压的水平，需要的安全距离短、材料少，其接地电阻需小于4欧姆。

1.3 配电设计

道路照明属配电三级负荷中较为重要的负荷，并且照明容量较大需安装专用变压器，变压器的连接组别可选用D，yn11的三相变配电变压器。当采用380V三相电压供电时，应尽量使三相负荷平衡，减小不平衡电流对配电系统的影响，当灯具布置数量无法满足三相平衡时，应满足最大相负荷和最小项负荷不超过三相负荷平均值±15%。照明系统接线如图1所示。

图1　照明系统接线示意图Fig.1　The wiring schematics of lighting system

在照明回路中，应采用三相低压断路器配合单相低压断路器对各个分支回路进行控制和保护，并且宜选用带漏电保护的断路器，提高配电系统的安全性。

1.4照明设计

1.4.1照明设计标准

城市道路按等级可分为快速路、主干路、次干路、支路和居住区道路，依照不同的道路等级其照明标准应满足表1、表2的要求。

表1　道路照明亮度设计标准

注： 路面亮度给出两档标准值，斜线左侧为低档值，右侧为高档值。

表2　道路照明照度设计标准

注： 路面照度给出两档标准值，斜线左侧为低档值，右侧为高档值，表中数据仅适用于沥青路面。

1.4.2灯具布置

道路照明灯具布置可分为单侧布置、双侧交错布置、双侧对称布置、中心对称布置和横向悬索布置五种。根据道路横断面形式跟路面宽度以及道路设计等级，可选用不同的布置方式。单侧照明灯具布置，只有当路面宽度小于15米时，才被考虑使用，一般只适用于支路以及居住区道路；双侧交错与双侧对称布置应用较为普遍，可适用于任何等级的道路；中心对称布置只有在道路横断面设计中设有中央分隔带时应用。

1.4.3亮度计算

计算路面的平均亮度公式为

(1)

其中ηL为亮度产生系数；Q0为路面平均亮度系数；φ为灯具总光通量；K为维护系数；W为道路宽度；S为路灯安装距离。

亮度产生系数可根据灯具光度测试报告中所提供的亮度产生曲线图查得。

1.4.4照度计算

计算路面照度公式为

(2)

其中φ为光源的总光通量；U为灯具利用系数；K为维护系数；W为道路宽度；S为路灯安装距离；N为排列系数，当单侧排列或交错排列时N=1，相对排列时N=2。

灯具安装高度(h)按道路宽度的70%估算，灯具仰角(θ)不宜超过15°，灯挑长度记为L，灯头投射点距路缘石距离记为oh，有

(3)

(4)

依据式(3)、式(4)计算的数值查灯具利用系数表得灯具利用系数，代入式(2)中，可得到路面照度。

2照明系统的设计优化

2.1功率因数的提高

由于道路照明设施常用的电子镇流器或电感镇流器，以及高压钠灯、金属卤化物灯都属于感性负载，其功率因数在0.5左右，无功功率占视在功率一半甚至还多，对变压器效率和电网都有一定的影响，所以合理的提高照明的功率因数势在必行。

在照明系统常用的功率因数提高的方法是并联电容器，可采用单灯补偿或配电箱内集中补偿的方法。单灯补偿前后接线如图2所示。单灯电容补偿容量见表3。

图2　单灯补偿前、后接线图Fig.2　The wiring diagram of single lamp compensation

高压钠灯功率/W补偿电容/μF金属卤化物等功率/W补偿电容/μF701270121101510015150221751825035250224005040030

其中电容补偿容量为

Qc=αavPc(tanφ1-tanφ2)

(5)

式中αav为平均负荷系数，考虑最不利因素时，αav=1；Pc为计算有功功率；tanφ1、tanφ2分别为补偿前后功率因数正切值。

在照明系统中，应用LED灯可大大提高照明系统的功率因数。LED灯属于节能灯，整体呈容性负载，在照明馈电线路中，可大大提高照明系统的功率因数。

2.2照度计算的优化

在照度计算过程中，采用的是预赋值计算，这就使得计算结果与预赋值中比例因数的选择有直接的关系，综合考虑路面平均亮度、路面亮度总均匀度、路面亮度纵向均匀度、眩光控制、环境比等未必能够满足评价标准，所以需要对照度计算进行优化和校验。

2.2.1道路照度计算的优化

城市道路路灯对称布置参数见图3。选取最不利区域，道路中心线区域的Y点计算灯具的水平面平均照度Eh和垂直面照度Ev为

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

采用截光型灯具时，h≥0.5W；采用半截光型灯具时，h≥0.6W，所以平均照度计算值较小的是Ev，计算所得的Ev应大于或等于表1中的路面照度。

图3　城市道路路灯对称布置参数图Fig.3　The parameter diagram of symmetrically arranged lamps

2.2.2交叉路口照度计算的优化

道路交叉口路灯布置参数如图4所示。选取最不利区域，道路中心线与路灯间距中线的交叉区域相关照度如下

(11)

其中，

(12)

(13)

(14)

其中，

(15)

(16)

图4　道路交叉口路灯布置参数图Fig.4　The parameter diagram of streetlight on road intersections

采用截光型灯具时，h≥0.5W，S≥3H；采用半截光型灯具时，h≥0.6W，S≥3.5H，所以平均照度计算值较小的是Eh，计算所得Eh应大于或等于表1中道路交汇处的照度要求。

3结语

1)道路照明与城市居民生活息息相关，设计好城市道路照明系统，可以提高居民的生活水平，为新型城市的发展提供有力的保障;

2)结合设计经验，对道路照明系统设计中地下管线设计、接地系统设计、配电设计及照明设计方法进行了介绍，对常用设计思路和设计数据进行计算;

3)对照明系统的功率因数提高提出了单灯补偿电容的方法；对照度计算进行了优化，计算了道路、交叉路口水平面和垂直面照度，提出了照度计算的改进方法。

参考文献

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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

中图分类号：U412.37

文献标识码：B

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