城市道路照明電氣節能設計研究

竇文華

(蘭州有色冶金設計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

0 前 言

隨著社會經濟的迅速發展，城市基礎設施得以不斷完善。城市道路照明是城市基礎設施的一個重要組成部分，不僅為亮化城市、美化環境發揮積極作用，還為交通安全、社會治安提供了有力保障，同時在提升城市檔次、提高城市形象、改善城市環境上發揮了極其重要的作用。舒適安全的城市道路需要良好的照明作保證，良好的道路照明對提高城市交通安全至關重要。城市道路照明電氣節能設計的合理性對交通誘導性、道路利用率和人們居住舒適性的提高產生重要意義。雖然我國已經頒布了城市道路照明電氣設計方面的最新標準和技術規范，但是當前的城市道路照明系統不夠完善，設計人員在設計過程中仍然會面臨節能安全的問題。解決城市道路照明電氣設計的節能問題，優化資源配置，降低維修成本，將進一步促進城市建設向前發展。

1 城市道路照明現狀概述

隨著城市化進程的快速推進，城市道路照明引起了人們的高度重視和廣泛關注。近年來，城市道路照明取得了迅速發展，主要體現在城市道路照明建設與城市規劃緊密結合、智能化路燈管理兩個方面。設計人員在城市道路照明設計過程中按照城市規劃部署和城市功能分區設計道路照明；利用計算機技術合理地控制路燈的起滅時間，提高了道路照明的控制方法和管理措施。雖然城市道路照明發展迅速成績斐然，但也存在一些不足。我國大部分城市在深夜時，路上的行人和車輛明顯減少，然而道路兩側的照明燈一直亮著，無法根據人流量和車流量大小智能控制照明亮度，造成了電能資源的浪費和路燈使用壽命的縮短，阻礙了城市的可持續發展。

2 城市道路照明電氣設計

2.1 電線路和管道的供配

一般照明線路通常采用三相四線的供電方式，為保證三相負荷平衡，各個燈桿按照A、B、C的順序輪流接線。設計人員在道路設計過程中，還需要充分考慮其他公用設施的負載、電力管線的環境因素以及道路工程的其他地下管線。

2.2 接地方式的選擇

道路照明配電接地的保護方式通常采用TN-S系統和TT系統。工程中多采用TT系統。

1)TN-S系統把N線和接地PE線嚴格，在TN-S系統中，PE線和N線均是從變壓器中性點一點接地引出，系統運行時， PE線沒有電流通過，N線有不平衡電流通過，PE線對地沒有電壓，所有電氣設備金屬外殼保護接地接在PE線上。TN-S系統有以下缺點。

缺點一：TN-S系統有導致電擊的可能。電氣設備(照明燈具等)的外露導電部分通過PE線接到變壓器中性點之后接地，當該變壓器其他部分對地直接連接，或者發生之類故障時，保護電器不能斷開，故障電流流經大地到變壓器接地極并回到中性點，致使中性點的電位升高，而此電位經PE線傳導至照明燈具等外露導電部分，此電位就有可能超過規定的安全電壓限值(室外路燈安全電壓限值按AC25V考慮)。由于故障電流很小，所以使保護電器無法動作，從而導致安全事故的發生。

缺點二：TN-S配電系統線路保護的靈敏性難以滿足要求。道路照明負載比較分散，配電線路比較長，所以配電線路末端發生接地故障時，其故障電流較小，難以使線路保護斷路器動作，不能及時切斷故障電路，從而導致安全事故的發生。

2)TT系統是將電氣設備金屬外殼直接接地的保護系統，也被稱為保護接地系統。TT系統多用于沒有等電位聯結作用的戶外配電系統。TT系統進行道路路燈配電時，將燈具可導電外殼與獨立的接地極相連接。TT系統有以下優點。

優點一：TT系統保護動作靈敏，接地故障電流比TN-S系統更小，選用帶剩余電流動作保護的斷路器進行保護，開關容易動作，更能保證安全。

優點二：TT系統不設PE線，對AC380V配電線路，選用四芯電纜，比TN-S系統少了一根線。

優點三：TT系統要求路燈金屬燈桿做接地，TN-S系統要求重復接地。由于TT系統的接地電阻要求不高，并不會比TN-S系統多設置人工接地極。

3 電氣節能設計原則

3.1 實用性

實用性原則是指在電氣節能設計時，首先需要滿足常規的用電要求，其次考慮節電，否則會直接影響設備的常規管理，導致節電工程沒有任何意義。

3.2 經濟性

經濟性原則是指在做一些投入過大的項目的電氣節能設計時，需要充分考慮各個方面，使用先進的節電設備減少能耗和運營費用，以保證項目資金在短時間內收回。

3.3 節能環保

節能環保原則是指在總體設計方案中，需要采用科學合理的計量方法全面考慮節能環保問題，在經濟許可條件下，選擇最節省的裝置，以最低的投入達到最佳的節電效益。

4 城市道路照明電氣節能設計的常見問題

4.1 先進技術缺乏

在城鎮化進程中，城市道路照明系統直接影響市民的日常生活和城市的經濟發展。我國城市道路照明電氣設計過程中引入的照明技術有待進一步改進。先進的照明技術的缺乏、城市道路照明控制系統智能化程度的欠缺和太陽能發電工藝技術的不完整等，導致節能設計方案無法滿足節能環保的標準。

4.2 設計標準掌握程度不深入

1)設計人員根據城市的性質和道路的實際情況科學設定照明節能標準。

2)按照道路的交通功能、使用頻率和服務功能對城市道路進行科學分類。

3)全面分析道路周邊的地形情況，合理布置城市道路中的燈具。部分城市照明工程存在不合規設計，設計人員在實際設計過程中沒有充分掌握設計標準，導致道路電氣的節能設計工作沒有有效落實，沒有達到節能降耗的目的。

4.3 路燈高低和間距設計不合理

城市道路照明通過電氣設計安置照明燈具，在城市道路中營造良好的視覺環境，對行人和車輛準確判別前方路面狀況、路況條件、障礙物以及其他行人車輛提供重要保障。然而在部分工程項目中，因設計人員對工程建意圖缺乏正確認識，或者為了控制工程造價成本而降低路燈高度、增大相鄰燈具間距，影響了城市路面的燈光效果以及行人和車輛的夜間出行。

4.4 路燈眩光問題

部分城市道路照明的電氣設計缺乏科學性，配備了不合理的燈具功率、路燈高度和間距及其照度水平，導致路面燈光控制系統的燈源亮度與周圍環境亮度之間出現了很大偏差，路燈出現炫光現象，致使駕駛員在夜間行駛過程中無法在較短時間內準確判斷周圍的環境，有時會引發交通事故。

4.5 節能設計意識缺乏

城市道路照明作為城市基礎設施之一，為保持交通道路的照明任務，通常情況下，路燈從傍晚持續亮到次日凌晨。目前，城市道路的照明系統無法滿足各個地域的路燈照明需求，造成電能浪費問題的凸顯，燈具使用壽命的縮短，加之設計人員普遍缺乏節能設計意識，導致嚴重的資源浪費。因此，相關設計人員應不斷提高城市道路照明電氣的節能設計水平。

5 城市道路照明電氣節能設計的優化措施

5.1 確定光照標準

實施城市道路照明電氣節能優化措施，必須符合我國的照明標準，降低耗電量。在城市道路照明電氣設計過程中需要依據道路類型(快速路和主干路、次干路、支路)，根據路面亮度和路面寬度，確定光照標準。

5.2 確定道路照明水平

照明設計能夠直接影響城市道路照明系統功能的好壞，在城市道路照明電氣節能設計過程中需要確定合理的道路照明水平。

5.2.1 照度水平的選擇

近年來，城市道路從以往的二車道逐漸拓寬到四車道、六車道和八車道。城市道路的拓寬和立交橋的廣泛使用，已對城市道路照明設計提出了更高要求。目前，設計人員主要根據《城市道路照明設計標準》(CJJ 45—2015)和《城市道路設計規范》(CJJ 377—2012(2016年版))設計城市道路的照明。在一些大中城市的主干道路和快速道路的照明電氣節能設計過程中，照度水平應選擇原設計標準(20lx-30lx)平均照度的1.5～2.5倍。

5.2.2 照明燈具的選擇

不同類型的燈具具有不同的照明特性，燈具選擇的合理與否會影響眩光現象的產生。因此，設計人員在城市道路照明電氣節能設計過程中，應根據道路類型合理選擇照明燈具。設計人員在設計過程中應結合項目情況，合理設計道路照明的間距、高度和仰角等。在燈具間距和架設高度都合理的情況下，一般選擇大功率的照明燈具，大功率照明燈具可以提高照明燈具的使用效果、減少資源浪費、降低成本。在節能環保的大背景下，LED光源燈具、高壓鈉燈和金鹵燈在應用過程中有著明顯優勢。

5.3 鎮流器的選擇

鎮流器的作用主要是控制節能燈和白熾燈等放電過程的電流強度。目前常見的鎮流器包括電子鎮流器和電感鎮流器，電感鎮流器又分為節能型電感鎮流器和常規型電感鎮流器。電子鎮流器的能耗低，但是價格貴，性能不夠成熟，在城市道路照明電氣節能設計中應用較少。電感鎮流器的性價高、使用年限長、生產工藝成熟，在電氣節能設計中應用廣泛。城市道路照明系統的功率約為200～450 W，節能型電感鎮流器和常規型電感鎮流器的功耗為燈具總功耗的11%和18%，設計人員在具體設計中，應選擇高性能的鎮流器。

5.4 光源降壓-穩定-調光技術的使用

光源降壓-穩壓-調光技術是一項在不影響行人和車輛安全出行的情況下，優化城市道路照明效果、減少能源浪費、延長燈具使用壽命的智能化技術。設計人員在城市道路照明電氣節能設計過程中，應根據城市道路的實際狀況運用該技術達到節能效果：在前半夜行人和車輛較多時保持較高的照明亮度，在后半夜行人和車輛較少時自動調節照明亮度，節約大量電能，實現智能化的節能效果。

5.5 照明燈具維護系數的提高

照明裝置所具的保護效率，直接關系著整個城市道路的照明電氣節能效率，一旦具有較高的維護系數，就可以取得顯著的燈具節電效益。要想提高照明裝置的維護系數，就要注重于選用環保型節能型建筑材料，比如可以使用聚丙烯材料和聚碳材質等做成的透明燈傘，由于聚丙烯材質能夠對抗紫外線，而聚碳材質則能夠對抗沖擊，所以使用透明燈罩具有較大的通透性，并且眩光也較少，因此能夠顯著減弱光源損失率。

由于長期的點燃燈光，也會直接危害到燈光源的光通量，另外，由于各種污染也可能會造成照明燈具反光體表面被破壞，使得整體的光度值因此而下降，所以工作人員就需要加強力度養護光照燈具材料，才能適當地改善燈光保護系數，比如在處理照明燈具反光體表面的過程中，由于鋁反射膜的節能效率比較差，所以在一般都市路面燈光體系中無法使用該種材質，但是可以使用玻璃鋁層延長光照燈具材料的整體應用時間。

照明燈具的維護效果會直接影響城市道路照明電氣節能設計的效果，通常維護系數越高，改善道路照明的節能效果越顯著。目前，通過改善燈具制作材料和燈具維護工作兩個方面來提升道路照明燈具的維護系數。在燈具制作材料方面，一般選擇具有環保節能功能的材料，例如透明燈罩的制作可以選擇抗紫外線強的聚丙烯材料和抗沖擊力強的聚碳材料。在燈具維護方面，燈具長時間的開啟會影響燈具光通量的減弱，加之各種污染物和腐蝕物會導致燈具的反射器破損、亮度值減小，因此相關人員應加大燈具的維護工作，采取維護措施以延長燈具的使用壽面。經研究發現，鋁反射器膜的節能效果不理想，選用玻璃鋁膜能有效改善燈具的節能效果和延長使用壽命。

5.6 無線監控路燈控制系統

在傳統的管理過程中，一般都是以人工巡查方式開展路燈的故障巡檢工作，在新時代背景下，這種傳統的施工手段已經無法滿足路燈監控的需求，使得整個城市化建設質量無法達到預期標準，無論是在監控效果、控制質量還是節能水平方面都存在較為嚴重的問題。為了避免類似的情況出現，相關部門在進行工程建設的過程中，要加強對無線技術的應用，明確信息化手段的價值與意義，構建較為完善的無線監控路燈控制系統，以此來為人們的出行安全提供積極有效的保障。

無線監控路燈控制系統是以無線技術為主，通過遠程遙控以及信息管理的方式完成數據的統計處理，并根據實施情況完成動態化管控，以此來確保城市道路照明系統的效率與質量能夠滿足預期標準。與傳統的管理手段相比，無線電的應用手段能夠極大程度上實現對道路的控制與管理，明確分控制站的監控需求，高測量精度與管理水平，并利用動態化特征完成對照明系統的遠距離管控，根據智能終端的數據分析來進行燈光系統的有效管理，并針對故障問題提出具有針對性的處理手段，以此來滿足節能環保的戰略需求。

比如說，在冬季與夏季，由于晝夜的時間段不同，無線監控路燈控制系統便會根據環境光亮的情況進行光度的調節，在白天關閉，夜幕降臨時再開啟，這樣不但能夠降低能耗，同時還能夠對人們的生活質量產生積極有效的促進作用。

6 結 語

貫徹城市照明照度標準和節能保準，科學合理地設計路面光照水準、照明亮度水平，控制照明光線，有效節省照明燈具，以及使用恰當的控制方式，都是城市道路照明節電的重要方式。但必須認識到，城市道路照明節電是一個系統工程，除節電設計外，還必須進行制度的建設、有效的維護和長期的監管，而這離不開國家的法律政策及地方的行政措施的大力支持，以實現科學照明、智能照明、綠色照明。

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