一体化灯杆在道路照明工程中的设计应用

佘 奇, 杨 华, 梁 宏, 汤 燕

(中国建筑西南设计研究院有限公司, 四川 成都 610041)

0 引 言

城市发展过程中,路灯为市民日常生活提供必要的照明,同时作为展现城市形象的标志之一,在使用过程中的安全性、可靠性、稳定性对整个城市来说至关重要。路灯常年处于户外裸露的环境中,与行人等会有各种各样不确定的接触可能性,一旦路灯故障带电,会存在较高的安全危险性,所以路灯配电设计的合理性显得尤为重要。但实际设计过程中发现对于路灯的配电方式有各种各样的做法,有些做法甚至不合理,存在较大的安全隐患。本文通过列举实际工程中路灯配电的不同做法,结合规范中的要求,通过实例计算,为设计人员提供参考。

1 常见工程做法介绍

城市道路照明的特点:路灯供电距离远,负荷小而分散,难以实施等电位联结及外露可导电部分易接触等。实际项目中设计路灯配电系统时做法多样,本文列举项目中路灯配电系统中典型做法[1-6]。

项目一:某城市道路供电回路长800 m,沿线均布24盏路灯,总功率13.2 kW,线路电缆为YJV-0.6/1 kV-1(4×35 mm2)。低压配电系统采用TT系统,沿供电线路通长敷设一条φ=12 mm热镀锌圆钢作为水平接地体,在干线处设置剩余电流动作值为500 mA的剩余电流保护装置和In=25 A的小型断路器作为照明回路的保护。

项目二:某道路为城市主干道,设计长度1 749 m,宽度40 m,双向6车道,应用智能控制箱控制98个250 W和60 W(人行道)的LED灯,相邻3盏路灯分别由A、B、C三相供电,将80 kVA 箱变设置于距道路起点875 m处,单相回路平均所带灯具数量为8个,供电电缆采用YJV-0.6/1 kV-1(4×25 mm2)。低压配电系统采用TT系统,沿道路配电管线敷设一根镀锌接地扁钢作为接地极,接地极经扁钢或圆钢与每盏路灯外壳、灯杆和灯杆法兰盘的埋地金属螺栓进行等电位联结。在箱变出线的相线和中性线间设置剩余电流保护器,整定电流为500 mA,整定时间4 s,延时动作;每盏路灯处设置剩余电流保护装置,剩余电流动作值为30 mA,整定时间0.2 s。

项目三:以某城市道路为例,设定以下条件:该道路其中1台供电箱变型号为S9-10/0.4 kV/100 kVA、Dyn11、Uk=4%、ΔP=1.5 kW。箱变内低压母线为TMY-4(40 mm×4 mm),长度为3 m。设定高压侧系统短路容量Ss″=200 MVA。以该箱变为起点,其中一个回路的供电线路长度为945 m,线路电缆为YJV-0.6/1 kV-1(4×25 mm2)。沿道路呈线性分布,路灯纵向布置间距为35 m,沿线共有高12 m的路灯27杆。每根灯杆配置220 V/400 W高光效高压钠灯光源,灯具采用欧标节能型电感镇流器,镇流器损耗为光源额定功率的15%。灯具自带补偿电容,补偿后灯具功率因数 cosφ=0.85。路灯干线为三相供电,路灯按三相相序依次配电。低压接地系统采用局部 TT 接地制式(每根灯杆打独立接地极)。该线路采用塑壳断路器MCCB配置电子脱扣器及剩余电流动作值为300 mA的剩余电流保护装置作为线路的过载、短路及接地故障保护。

项目四:某城市道路照明供电电源为成套箱变,其中变压器型号为Dyn11/SCB11-200/10/0.4 kV(Uk=4%)一台,10 kV系统短路容量为100 MVA,低压配电系统采用TN-S系统,路灯回路长度为900 m,路灯间距为30 m,沿道路均匀布灯。灯具采用150 W LED灯,回路终期总功率为6 kW,补偿后功率因数为0.9,供电线路电缆为YJV-0.6/1 kV-1(5×35 mm2)。该线路采用带剩余电流动作保护的接地故障保护断路器,在每个灯具处设置剩余电流保护装置,剩余电流动作值选择30 mA,动作时间t选择0.1 s;干线处剩余电流动作值选择300 mA,t选择0.2 s。

项目五:某城市道路长1 560 m、宽40 m,路灯采用双侧对称布置方式,沿线每隔35 m布置一盏250/100 W双头LED路灯、共设置92盏;设置1台S11-10/0.4 kV,50 kVA,Dyn11(Uk=4.5%)路灯箱变供电、1台路灯控制箱,提供照明配电回路;照明配电电缆均采用YJV-0.6/1 kV-1(5×25 mm2),最长配电回路电缆长812 m,也是最大负荷回路(共28盏),每盏路灯分别轮流接自路灯配电电缆 A、B、C三相。低压配电系统采用TN-S系统,搭配RCD作为道路照明接地故障保护。

项目六:某城市主干道,长1 270 m,道路红线宽40 m,机动车道为双向4车道,宽15 m,两侧各绿化带2.5 m、辅道宽6.0 m、人行道宽4 m。项目采用182 W+98 W的双臂LED路灯,设置1台S11-10/0.4 kV,160 kVA,Dyn11(Uk=4.5%)路灯箱变供电,采用VV-0.6/1 kV-1(4×35+1×16 mm2)电缆,引上至顶部灯具的分支线采用BV-2.5 mm2的绝缘导线。该工程采用TN-S接地系统,电缆中的1×16 mm2作为PE线,每个路灯基础下设置独立接地,利用金属灯杆的基础钢筋和接地角钢做接地体,要求接地电阻不大于4 Ω。

综合上述实际项目中道路照明系统的配电形式,目前常见的做法如下:当采用TT系统时,照明配电回路采用四芯电缆并通长敷设热镀锌圆钢或热镀锌扁钢;当采用TN-S系统时,照明出线回路采用五芯电缆;无论采用哪种系统,每盏灯杆均需要单独做接地,且每盏灯杆自带30 mA剩余电流动作保护器。

2 道路照明设计依据

实际应用中由于城市道路照明供电距离远、负荷小而分散,配电线路一般较长,导线截面小,线路末端发生接地故障时,其接地故障电流较小,过电流保护电器通常不能满足自动切断电源的时间要求。因此,在道路照明设计过程中有如下方面值得关注。

2.1 电压降

CJJ 45—2015《城市道路照明设计标准》[7]规定:正常运行情况下,照明灯具端电压应维持在额定电压的90%～105%。因此,配电线路的末端电压应控制在一定范围内,保证路灯正常运行。

按照文献[8]提供的计算方法,三相平衡负荷线路的电压降计算方法:

Δu%=Δua%IL

(1)

式中:Δu%——线路电压损失百分数;

Δua%——三相线路每1 A·km的电压损失百分数;

I——负荷计算电流;

L——线路长度。

按照式(1)提供的计算方法,1 kV聚氯乙烯绝缘电力电缆用于三相380 V系统的电压降如表1所示。

表1 1 kV聚氯乙烯绝缘电力电缆用于三相380 V系统的电压降

分析表1,在相同功率因数下,电缆截面越大,电压损失越小;在同一电缆截面下,功率因数越高,电压损失越大。当线缆压降不能满足要求,进一步加大电缆截面为有效方法。

2.2 保护开关整定

道路照明配电回路保护开关的选择需要满足选择性、可靠性及灵敏性的相关要求。

(1) 道路照明配电设计应符合GB 50054—2011《低压配电设计规范》[9]的相关规定。

① TN-S系统中配电线路的间接接触防护电器的动作特性,应符合要求:

ZSIa≤Uo

(2)

式中:ZS——接地故障回路的阻抗;

Ia——保证间接接触保护电器在规定时间内切断故障回路的动作电流;

Uo——相电压,即相线和地之间的标称电压。

TN-S系统通常采用断路器作为保护电器。当发生接地故障,要求配电线路的间接接触防护电器切断故障回路的时间不宜大于5 s。

② TT系统的故障回路阻抗包括变压器相线和接地故障点阻抗以及外露导电体接地电阻和变压器中性点接地电阻。故障回路阻抗大,故障电流小,且按照IEC技术文件的解释,其故障阻抗包括难以估计的接触电阻。因此,TT系统的故障回路阻抗和故障电流是难以估算的,不能用TN系统的式(2)来验算保护的有效性,而需用式(3)来验算保护的有效性。TT系统配电线路间接接触防护电器的动作特性,应符合以下要求:

RAIa≤50 V

(3)

式中:RA——外露可导电部分的接地电阻和保护导体电阻之和;

Ia——保证间接接触保护电器在规定时间内切断故障回路的动作电流。

TT系统中,间接接触防护的保护电器切断故障回路的动作电流:当采用熔断器时,应为保证熔断器在5 s内切断故障回路的电流;当采用断路器时,应为保证断路器瞬时切断故障回路的电流;当采用剩余电流保护器时,应为额定剩余动作电流。

③ 当短路保护电器为断路器时,被保护线路末端的短路电流不应小于断路器瞬时或短延时过电流脱扣器整定电流的1.3倍。即对于断路器接地故障电流Id应满足被保护线路末端的短路电流不应小于断路器瞬时或短延时过电流脱扣器整定电流的1.3倍:

Id≥1.3Iset3

(4)

式中:Iset3——断路器瞬时过电流脱扣器整定电流。

(2) 单相接地故障电流计算按照文献[7]提供的计算方法:

(5)

Rphp=Rphp.S+Rphp.T+Rphp.M+Rphp.L

Xphp=Xphp.S+Xphp.T+Xphp.M+Xphp.L

式中:Zphp——回路中各元件相保阻抗;

Rphp、Xphp——回路中各元件相保电阻、电抗之和;

Rphp.S、Xphp.S——高压侧系统的相保电阻、电抗;

Rphp.T、Xphp.T——变压器的相保电阻、电抗;

Rphp.M、Xphp.M——配电母线的相保电阻、电抗;

Rphp.L、Xphp.L——配电线路的相保电阻、电抗。

为保证防护电器能及时自动切断电源的要求,接地故障电流Id应大于在规定时间内切断电源的可靠动作电流Ia,即Id≥Ia,同时需要满足式(4)要求。

2.3 保护设置与接地形式

(1) 保护装置设置需满足CJJ 45—2015《城市道路照明设计标准》的要求:道路照明配电系统应具备短路保护和过负荷保护,各单相回路应单独进行控制和保护,每个灯具应设有单独保护装置。

(2) 系统接地形式按照SJG 22—2011《深圳市LED道路照明工程技术规范》[10]的要求:本地区路灯配电系统接地形式宜选用TN-S系统,满足一定条件时,可采用TT系统。

① 采用TN-S系统时,整个系统的中性线(N)应与保护线(PE)分开,在始端PE线与变压器中性点(N)连接,PE线与每根路灯钢杆接地螺栓可靠连接,在线路分支、末端及中间适当位置处做重复接地形成联网。每盏灯的相线应装设熔断器,熔断器应固定牢靠,熔断器及其他电器电源进线应上进下出或左进右出,灯头处单相短路(或接地故障)电流不应小于该熔断器熔体电流的4.5倍。路灯配电线路接地故障保护电器宜具有剩余电流动作保护功能,其整定值不宜小于300 mA。配电线路过电流保护电器采用断路器时,应具有过负荷长延时保护特性和较低的短路过电流脱扣器整定电流倍数;箱式变电站内变压器工作接地和保护接地应共用接地装置。

② 采用TT系统时,灯具线路分支处保护电器应当采用剩余电流动作保护电器,并应当具有短路保护功能。该保护电器须考虑可靠防盗措施;接地故障保护电器的动作电流,与相应保护接地极的接地电阻的乘积,不得大于50 V,即需要满足式(3)要求;电气装置外露可导电部分应当可靠保护接地,其保护接地极与变压器中性点接地极应当无电气联系。

(3) 结合深圳市辖区内一直以来均采用TN-S系统,具有一定的实践基础;TT系统在设计标准配套、场地条件要求和运营管理等方面,均存在一定制约因素,仅在这些瓶颈得以解决后方可采用TT系统;TN-C系统在正常运行时,其PEN线作为外露可触及导体,本身就有不平衡电流通过,这存在一定安全隐患,故规范并未采用;TN-C-S系统在未设专用路灯箱式变电站时可采用。

2.4 接地装置

电缆截面与人工接地体需满足CJJ 89—2012《城市道路照明工程施工及验收规程》[11]中相关要求。

(1) 保护接地线必须有足够的机械强度,应满足不平衡电流及谐波电流的要求,并应符合下列规定:保护接地线和相线的材质应相同,当相线截面在35 mm2及以下时,保护接地线的最小截面不应小于相线的截面;当相线截面在35 mm2以上时,保护接地线的最小截面不得小于相线截面的50%;采用扁钢时不应小于4 mm×30 mm,圆钢直径不应小于10 mm。

(2) 每套灯杆除自带30 mA剩余电流动作保护开关外,还需设置人工接地装置,且接地电阻不大于4 Ω;人工接地装置应符合下列规定:垂直接地体所用的钢管,其内径不应小于40 mm、壁厚3.5 mm;角钢应采用L50 mm×50 mm×5 mm以上,圆钢直径不应小于20 mm,每根长度不小于2.5 m,极间距离不宜小于其长度的2倍,接地体顶端距地面不应小于0.6 m。

当采用一体化灯杆时,参考GB 50343—2012《建筑物电子信息系统防雷设计规范》中要求:电子信息系统设备由TN交流配电系统供电时,从建筑物内总配电柜(箱)开始引出的配电线路必须采用TN-S系统的接地形式。

3 工程应用分析

某项目为一条长约520 m围墙边的道路照明,一共设置12套一体化灯杆贴围墙边上安装,每套灯杆设置2盏100 W灯具,每套灯杆均设置有监控摄像机,沿围墙通长设置有灯带(24 V),要求灯带与路灯同时开关。

设计采用TN-S系统,照明回路(含灯带)选取YJV-0.6/1 kV-1(5×25 mm2)电缆,开关长延时整定为40 A且带300 mA剩余电流保护;监控采用单独回路,采用YJV-0.6/1 kV-1(3×10 mm2)电缆,开关长延时整定为10 A且带300 mA剩余电流保护,一体化灯杆上监控自备蓄电池电源。每套灯杆照明均设置30 mA剩余电流保护开关,每套灯杆均设置独立接地装置,接地做法参见08D800-4 第65页和第71页,要求接地电阻不大于4 Ω。

4 结 语

通过对比分析国内道路照明目前采用的接地形式,并按照当前规范要求,紧密结合工程实际应用,本文得出以下结论:采用TN-S或TT系统均应满足规范对电压降、灵敏度、线缆截面积及接地电阻等相关要求;当采用一体化灯杆时,建议采用TN-S系统。