王陈睿
云南省设计院集团云南昆明650032
摘要：本文以笔者多年在道路照明工程设计中的心得和经验，结合实际主导和参与的设计项目从光源选择，路灯布置，低压配电三个方面对道路照明设计工作中的要点提出自己的一些建议，供业内人士参考。
关键词：道路工程;照明设计;低压配电设计
引言
自本世纪以来，随着国家城市化建设的不断推进，城市道路工程也在如火如荼地开展进行中。道路照明工程虽然只是整个城市道路设计工程的一个辅助专业，但是也必不可缺。而笔者作为一个电气设计工程师，对于道路照明设计，也是一项必要的内容。本文将对城市道路照明中的主要内容进行漫谈，欢迎同行交流批评指正。
1.光源选择
对于我们电气设计人员来说，在设计工作中对光源的选择着重考虑的就发光效率，照明效果，节能和成本这几个方面。
笔者参与道路工程设计范围以城市道路为主。根据《城市道路照明设计规范》4.1.1中规定，光源原则宜采用或可采用高压钠灯、发光二极管（LED）灯或陶瓷金属卤化物灯（简称金卤灯）。其中，除较宽的十字路口，丁字路口和环岛使用的定向投光灯一直固定为金卤灯为光源以外，在道路标准段上的常规照明使用高压钠灯还是发光二极管（LED）灯则成为了一个可以讨论的话题。
高压钠灯技术于60年代问世，使用时发出金白色光，以发光效率高（光效可达120lm/W）、寿命长、透雾性好的优点广泛用于道路和工矿企业等照明。高压钠灯作为一种成熟的技术作为传统路灯在过去一段时间一直运用于城市道路照明中。但是，高压钠灯也存在一些缺点，比如显色性低，光衰明显，360°发光导致光损失较大，在主干路中使用大量大功率（每盏250W或者400W）的高压钠灯不利于节能。
LED路灯做为一种绿色照明的新技术近年来异军突起，具有以下优点：
(1）LED灯本身具有光的指向性，没有光的漫射，保证光效；
(2）LED灯有独特的二次光学设计，将LED路灯的光照射到所需照明的区域，即路面，进一步提高了光照效率，达到节能目的；
(3）LED的光源效率有很大的发展空间，理论值能达到250lm/W;
(4）LED灯的光显色性高。不论是看道路还是和路边建筑，效果明亮，物体更容易让人辨别，而灯光效果也偏向于日光的感觉;
(5）LED灯理论上光衰小，一年的光衰不到3%，使用10年仍达到道路使用照度要求，因此，LED路灯在使用功率的设计上可以比高压钠灯低；
(6）LED灯可以自动调光,能实现在满足不同时段照明要求，最大可能的降低功率，节省电能；
(7）LED是低压直流器件，驱动单颗LED的电压为安全电压，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。直流的特点使LED特别适合与太阳能、风电进行结合；
（8）寿命长：理论寿命能使用5万小时以上；
（9）LED可以进行频繁的开关而不用担心其损坏；
（10）LED光源不含有害金属汞，不像高压钠灯或金属卤化物灯在报废时对环境造成危害。
但是目前LED路灯也存在以下缺点：
（1）造价昂贵，主要在于LED路灯的驱动芯片上。
（2）发光效率，光衰和照射均匀度问题。理论上LED灯具的光照效率应该优于高压钠灯，不过目前由于工程实施中广泛存在的最低价中标的现象导致在项目中使用大量的低价的LED路灯，这些路灯在使用一段时间后发光效率和光衰都不如高压钠灯。另外，LED光源的照射比较集中，需要进行路灯厂家结合自家产品针对项目二次设计和现场调试，使其照射的光强分布图呈蝙蝠型方能满足城市道路照明的需求。
以上就是两种光源的优缺点分析。下面我们不妨250W高压钠灯和112WLED灯为例用进行详细分析：
序号项目250W高压钠灯112WLED灯
图1.LED路灯与高压钠灯经济效果对比图
注：图中的有些带有“基准”的项，意为以250W高压钠灯为基准比较后得出的112WLED灯的数值。
从图1可以看出，LED灯和高压钠灯相比，不论从耗电量，节电率还是首次投入的线材和变压器投资费用以及目前国家强调的低碳减排，都有可观的节省。
因此笔者在从2011年至今所参与的几十个道路照明工程项目中，在专业定案的时候都以LED路灯为首选光源。当然也会在设计说明中，对LED路灯的显色性，色温，灯具效能按相关规范做出具体数值上的要求，以免项目在实施过程中选用相对便宜的LED路灯造成不良的后果。
值得一提的是，据长期经验在设计中使用发光效率高的LED灯具布置在需要连续照明的常规路段，在满足相应要求的照度情况下，其照明功率密度值可明显低于《城市道路照明设计标准》7.1.2的强制性条文规定，可在设计阶段中就明显体现出低碳，节能。
2.灯具布置
在道路照明工程设计中，常规照明灯具布置是整个设计的核心部分。其内容除包括上述的光源选择以外，还包括灯具的横向布置，杆高要求和单侧间距要求以及照度计算等。
目前常规照明的灯具横向布置有单侧布置，双侧交错布置，双侧对称布置，中心对称布置，横向悬索布置。横向布置方式的选择制定以道路断面形式，宽度，道路等级为依据。以笔者的经验，后两种布置方式只有在业主特别要求或者时特殊道路设施存在时会使用，双侧交错方式只用于美观的目的在居住区非市政道路设计中。常规照明的路灯横向布置，还是以单侧布置和双侧对称布置最为多见。根据近年来所做工程的总结，简单来说，单行道或者是双向两车道使用单侧布置的方式即可。而双向四车道，双向六车道和更为宽敞的双向八车道则使用双侧对称布置方式。
杆高和单侧间距这两个要求项在道路照明设计中是紧密结合的。其数值根据灯具配光类型和道路宽度通过计算后决定并需要满足《城市道路照明设计标准》中表5.1.3的规定。其中，上述规范的最新版2015版相之前的2006版取消了分别对快速路、主干路、次干路和支路照明中灯具配光类型的要求，但是笔者在与施工图审查机构交流后，在快速路，主干路和次干路的设计中统一使用截光型灯具，支路设计在条件允许时也使用截光型灯具，条件不允许时使用半截光型灯具。路灯杆高在长期的经验中，得出使用10米，12米这两种规格的灯杆较为合适。根据此数据推算路灯单侧间距在30米~35米间最为合理。这两个数值笔者在参考了几家专业市政道路设计机构的图纸和与知名路灯厂家交流后，也得出了一致结论。
在确定了光源类型（此处总光通量数值），灯杆高度，单侧间距，结合道路宽度就可以进行道路照明的有关计算了。通常在设计工作中要求的是平均照度的计算，计算公式如下：
式中的Φ代表光源的总光通量（单位lm）；U为利用系数（由灯具利用系数曲线可以查到，但常在0.5~0.6之间）；K为维护系数（灯具防护等级≥IP65时，K取0.7，＜IP65时，K取0.65)；W为道路宽度，单位m；S为路灯单侧安装间距，单位m；N则是与路灯排列方式有关的数值，单侧布置或交错布置时N=1，双侧对称布置时N=2。
照度计算结果须满足相关规范要求，同时相应的照明功率密度值也必须合规（强制性条文），总的原则简单说来，就是“高效，低耗”。
3.照明配电设计
在道路照明工程设计中，照明配电设计指的是0.4kV及以下电压的低压配电设计（10kV及以上的设计由项目当地供电部门完成）。范围包括变压器设置，配电箱系统设计，电缆截面选择，接地等内容。
《城市道路照明设计标准》2015版中6.1.1条相比较2006版的相应内容，已不再将城市中的重要道路、交通枢纽及人流集中的广场等区段的照明负荷强制规定为二级负荷，加之目前我国电网供电越来越稳定的现状，使得我们设计时可以均按三级负荷的要求考虑引入10kV单电源引入就能满足需要。通常我们会在道路照明的负荷中心设置专用的10Kv/0.4kV变压器。由于目前的项目设计中大量使用LED路灯作为光源，使得道路照明负荷相比以前大大降低，加之某些地区供电部门对变压器容量的下限值也有一定要求，所以在变压器设置时还考虑到了该项目交通设施用电，广告照明用电等负荷，所以在设计时大多使用最低容量50kVA，接线组为D的三相美式箱变或欧式箱变做为道路照明的变压器。
路灯配电箱在道路照明箱变旁均以一比一的方式设置。考虑到减小故障面的问题，笔者目前在设计时通常在变压器的出线回路中直接设置总全夜灯和总半夜灯的两个出线回路，并同时接入路灯配电箱中，不再路灯配电箱中设置总开关以单回进线的方式进行设计。而在总全夜灯和总半夜灯两个总断路器后接入相应的熔断器和交流接触器，并设置节电和智能监控模块。道路每一侧路灯一个全夜灯回路一个半夜灯回路的原则进行设置，全夜灯和半夜灯的设置为单侧和横向均间隔。每一个回路即使负载较小，但是供电半径均较长，因此每一个全夜灯和半夜灯的出线回路均为380V三相配电。每个三相回路对路灯的接入配电则A-B-C-A-B-C。。。。。。的方式进行，尽量保证三相平衡。值得一提的是，每个三相配电回路笔者在近来的设计项目不再只设置一个三相的断路器，而是在三根相线分别设置一个单相的断路器。这是笔者与某审图机构的老工程师交流的结果。具体原因他未说明，但以笔者的推断这样做的目的是可以在线路发生故障时能够清晰分辨出是在哪一相发生故障，并在该相已断开相线的情况下方便检修。且某一相发生故障时，另外两相不至于发生断电，减小配电事故。
电缆截面选择这个其实是个值得讨论的话题，其与负荷大小，供电半径有密切的关系。如果只是常规道路的设计项目，灯具以LED光源为主，在交叉路口存在数盏定向投光的金卤灯话，用电负荷量均不是问题。但是在供电半径上，尤其是遇到距离较长单条道路或者是几纵几横的路网设计项目，这个问题尤其突出。通常来说，我们在设计工作中把供电回路设定在500米左右，导线截面定为YJV-1Kv-5*16。这个做法不论是在施工图审查过程中还是在施工完成的使用过程中，都不会被提出问题。在某一次项目评审会上，一个老专家曾经提出，如果将供电半径提升至800米左右，一旦发生短路时，短路电流只不过几十安培。这就会导致断路器不会因此分断，长期以往，会对电能造成巨大浪费，对整个配电系统的健康程度和导体的损耗也有不良的影响。
在笔者2011年接触到的昆明白龙潭B地块路网的设计项目中，项目规模为三纵三横总长度为9公里的路网。在路灯的最终被移交方昆明路灯管理处的要求下，打破了上述的常规做法。在仅仅使用两台箱变的情况下，将某些回路的供电半径甚至提升到了1公里左右。当然他们也按他们的经验规定将电缆规格定为YJV-1Kv-4*25+1*16，不过我方经过研究后，将导体截面定为YJV-1kV-5*25。提升导体截面是因为减少因为供电半径过长导致的压降问题。而将PE线截面增至和相线中性线的截面一样则是为了在长距离配电半径的情况下减少接地故障的问题。同样的问题在笔者去年所设计的古滇王国一期四纵四横路网的设计项目中。根据第一个案例的经验，笔者在设计中设置箱变两台，某些回路的供电半径已经到了1000米左右。但是业主还想要求设计方减少箱变数量，不过在后期与多方讨论后得知，将供电半径提升至1000米以上，为保证其供电质量还得增加电缆导体截面，且这样的回路数也会大大增多。而增多的这些大截面电缆的数量的价格则会超过增设一台箱变的价格，而造成的问题和故障也会大大增加。
路灯照明接地系统的型式宜选择用TT和TN-S系统。至于哪种系统更好，近年来在各篇论文上争论不休。争论的核心内容则在于TN-S系统在配电系统上多出了一根PE线，TT系统的配电线路采用三相四线，在每一个灯杆处须单独接地，而且在配电回路上使用带漏电的断路器。但是笔者还是根据自身经验结进行讨论。首先，目前实施的项目中不论是审图机构还是路灯专业厂商的做法还是要求每一根必须单独打接地极单独重复接地，而从主电缆分线上灯杆接入灯具的导线也必须带PE线的。由此看来三相五线加各灯杆重复接地的方式较为广泛使用和有效，当地路灯管理部门甚至将此做法理解为TN-S系统和TT系统相结合的做法。不过使用此做法在过长半径的配电回路时对于分断电器的使用则需要斟酌其在接地故障中分断的灵敏性，保障能够有效分断故障电路。
4.结束语
相对于现场施工方和各地的路灯管理机构，设计方可能在图纸中会暴露一些不太切合于真正实施的做法。而笔者在与我省各地路灯管理部门长期交流中也发现他们不断地在修正正文所述三个大方面的有些做法，因此我们设计工作者不应闭门造车，需长期与相关单位积极探讨交流，做出更经济，有效，安全的设计作品。
参考文献：
[1]中华人民共和国住房和城乡建设部.CJJ45-2015城市道路照明设计标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2015.
[2]北京照明学会照明设计专业委员会.照明设计手册[M].第二版.北京：中国电力出版社.