直流配电在城市步道照明设计中的应用研究_许林英.pdf

年第 期总第 期福 建 建 筑 直流配电在城市步道照明设计中的应用研究许林英（厦门市市政工程设计院有限公司 福建厦门）摘 要：近年来，随着高效直流电压转换器的出现，直流输配电问题得到解决，直流配电越来越受关注。以 照明为代表的直流驱动照明技术的成熟，加速了直流配电在照明行业的推广，并得到越来越多的应用。以实际项目为例，比较交、直流照明系统方案及造价差异，对直流照明系统中，直流电源总控制柜内直流转换模块配置、各回路参数选择进行分析和总结。关键词：直流照明系统；城市步道；护栏照明；配电方案；电缆截面选择中图分类号：文献标识码：文章编号：（）（，）：，：；作者简介：许林英（），女，高级工程师。：收稿日期：引言传统的照明供电系统采用交流供电技术，具有配电技术相对成熟的优点。但是随着 灯的普及，交流照明配电方案存在 灯的使用寿命短、供电效率低、产生不利电网运行的谐波、触电安全风险等问题。与交流配电方案相比，直流配电方案具有简化 灯具电源转换器件，提高 灯寿命及提高供电转换效率、提高供电安全性等优点，因此直流配电技术在照明工程中的应用备受关注。交、直流照明系统概述因我国的电网系统以交流配电为主导，现有的照明配电基本以交流配电为主。从电力配电系统获得 电源的交流照明系统，由交流照明控制柜、监控系统、配电线路、交流照明灯具及附属装置构成，如图 所示。根据直流照明系统技术规程（）术语定义，采用直流供配电的照明系统为直流照明系统。从电力配电系统获得 电源的直流照明系统，由直流电源总控制柜（内置整流柜）、监控系统、配电线路、直流照明灯具及附属装置构成，如图 所示。图 交流照明系统图 直流照明系统根据现行的规范及相关标准要求，配电系统应满足电网三相负荷平衡要求。交流照明系统采用三相配电方式，各回路采用五芯电缆进行配线；直流照明系统采用三相有源 技术，各回路采用两芯电缆进 年 期 总第 期许林英直流配电在城市步道照明设计中的应用研究 行配线。相较而言，直流照明系统配线具有布线简单、施工效率高的特点，如图 所示。图 交、直流照明系统接线简图 步道直流照明系统配电方案随着国力的增强，人民对生活水平的要求日益提高，对生活环境的改善也越来越迫切。厦门市政府近年来积极贯彻落实党的十九大报告中提到的“绿色低碳”的生活方式，推进步道系统规划、建设，以倡导绿色低碳出行、满足市民健身需求，同时提升城市景观水平。本文选取“东坪山步道”其中一台变压器服务范围约.桥梁段城市步道（桥面净宽为.）的护栏照明作为研究对象。本项目的步道为人行专用步道。根据该道路的功能特点、人流量及周围环境、景观协调要求，选取城市道路照明设计标准（）表.中“级别 流量较高的道路”的人行道照明标准值。路面平均照度，为 ，路面最小照度，为，最小垂直照度，为 ，最小半柱面照度，为 。主线照明设计：根据步道桥梁段标准横断布置特点，借鉴厦门市空中自行车道、东西向山海健康步道的照明设计相关经验，采用双侧对称布置护栏灯的照明方式，护栏灯设置在步道两侧铝合金扶手内（步道桥梁段照明灯具布置横断面详见图），桥梁段步道宽度为.，灯具安装间距为 ，光源选用 线条护栏灯（灯具有效光通量）。根据现场实施后的实拍效果图（图），设计达到预期功能要求，满足工程建设目标。直流照明系统配电架构如下：电 源 .箱 变 直流电源总控制柜（内置整流柜、照明集中控制器、监控系统等）开关电源（配置照明单灯控制器）照明灯具。图 步道桥梁段照明灯具布置横断面图图 照明效果实拍图.电源及箱变项目照明负荷为三级负荷，由设置在负荷中心的 台 的 .交流三相箱式变压器供电，电源引接点由国网厦门公司统一安排，箱变低压侧供电半径约 。.直流电源总控制柜项目设一台直流电源总控制柜，不设直流照明分配电柜。直流电源总控制柜设置于负荷中心、靠近箱变处，电源引自箱变低压侧“步道护栏照明”回路。综合考虑步道护栏灯功能性照明负荷、沿线步道出入口及连接园区道路照明负荷、沿线景观节点夜景照明负荷及智能化监控设施等负荷需求，直流电源总控制柜计算负荷功率 为，共设置 个回路；直流转换模块功率因素.，交直流转换效率.。福 建 建 筑 年（）交流进线低压.交流进线选用 .五芯电缆，穿电力电缆保护管敷设，进线端保护设备选用带隔离功能的小型断路器 ，满足过压、欠压保护功能，并具备过压、欠压故障排除后，自动恢复正常工作的功能。进线端设置浪涌保护器（，类试验，.，：）满足防雷保护要求。（）直流转换模块配置根据直流照明系统技术规程（）第.中第 点可知，直流转换模块额定输出功率主要有 、几种规格。结合本项目 计算功率，综合考虑直流转换效率、功率因素等要求，设计中选择直流转换模块额定输出功率 这一规格，原因如下：选取 、规格的直流转换模块时，模块数量偏多，将加大直流电源总控制柜的尺寸，不利于现场用地选择及景观协调；同时将增加运维设备及配电故障点数量，加大维护工作量。选取 、规格的直流转换模块时，模块数量很少，只需 或 块，但模块的冗余容量过多。为提高供电可靠性、稳定性，直流转换模块数量应有适量的冗余。根据直流照明系统技术规程（）第.中第 点要求，为三级照明负荷供电的直流转换模块的冗余备份数，不小于系统需要模块数的。由此可知，在系统需要模块数不大于 块时，冗余备份数均为 块；在总容量需求不变的前提下，直流转换模块额定输出功率越大，冗余容量越高，冗余设备成本越大，工程造价越高。综上所述，本工程选取 块额定输出功率 的直流转换模块。直流转换模块支持热插拔操作。（）各输出回路电气参数整定根据负荷分布情况，直流电源总控制柜共设置 条出线回路（回照明负荷回路、回智能化设备负荷回路、回备用负荷回路），每个回路容量为 ，每个回路设置 直流断路器，满足回路过压保护、欠压保护、过流保护、短路保护、限流保护，且具备故障排除后手动或自动恢复功能。（）绝缘监测及微机监控要求对整流模块输出端直流母线及各回路直流出线电缆，均应设置绝缘监测及越限告警功能，设置告警措施，绝缘监测装置测量精度不应受母线运行方式的影响。为实现对直流照明系统的智能监测，保证各系统安全、稳定运行，每套直流电源总控制柜设置一套微机监控装置。该微机监控装置应具备下列功能：实时监测和显示直流电源系统各段母线电压、电流等；实时监测和显示整流模块输出端直流母线对地电压和母线对地绝缘电阻；监测系统内各种类型接地故障及各支路的绝缘电阻；对系统内各种异常和故障报警、自诊断报警，以及主要断路器 开关位置状态等的监视；两组直流电源合环故障报警；交流短路或接地故障时，及时报警，并选出故障的支路；具有对设备的遥信、遥测、遥调及遥控功能；具备对时功能；具有对外通信功能，通信规约宜符合现行行业标准基于 的变电站低压电源设备通信接口 的有关规定。（）防雷与接地根据项目特点，交流侧采用 接地系统，直流侧采用 接地系统。交流输入及每个直流输出回路均配置浪涌保护器。.直流电源总控制柜输出端配电电压选择根据直流照明系统技术规程（）表.（表）对“标称电压等级”的推荐，结合步道照明供电半径大、负荷小的特点，参考相关户外照明应用案例，选择 作为直流配电电压。表 直流供配电系统标称电压等级推荐表优选值（）、（）、（）备选值（）、（）.直流照明系统配电电缆截面选择本项目步道护栏照明负荷每回路供电半径 为，为 ，直流电压，为.，直流照明配电主干电缆沿着桥梁走道的踢脚板下空间穿管敷设。根据工业与民用供配电设计手册（第四版）第.条“对于照明线路，一般按允许电压降选择线、缆截面，并校验机械强度和允许载流量”。（）按电压降选择电缆截面城市道路照明设计标准（）第.条“照明灯具端电压的电压降不低于”。根据照明设计手册第三版 表格式“”，直流线路几个负荷用负荷矩计算公式，结合本项目情况，可得回路电压降计算公式（）：（）式中，计算回路电压降，；线路中总负荷矩，；计算负荷，；计算回路总计算负荷，本项目为；计算回路线路总长，；本项目为 ；年 期 总第 期许林英直流配电在城市步道照明设计中的应用研究 系数，根据线路电压、供电系统及导线材料而定，本工程 值取.；导体截面积，。根据公式（），在已知回路电压降限值的条件下，可推导出电缆截面 的计算公式（）：（）则 （）故，选用截面积 交联聚乙烯铜芯电缆满足要求。（）按机械强度选择电缆截面本工程护栏灯采用铜芯供电电缆穿管敷设，根据低压配电设计规范（）表.，导体最小截面.。（）按允许载流量选择电缆截面根据低压电气装置 第 部分：电气设备的选择和安装 布线系统（.），选用截面积 交联聚乙烯铜芯电缆完全满足载流量要求。综上所述，本工程选用电缆 .。.开关电源选择根据步道护栏照明的布置特点，每套开关电源负责约 根 灯具的配电，开关电源容量，输入电压直流 ，输出电压直流 。.直流配电系统图根据以上分析，同时综合考虑步道沿线安防监控、智能卡口、扩音系统等智能化设备的用电需求，直流配电系统详细设计参数如图 所示。图 直流电源总控制柜系统图 交、直流照明系统造价分析从“交、直流照明系统接线简图（图）”可以看出，交、直流照明系统的电源前端（电源、箱变、线路、集中控制器）及末端（单灯控制器、照明灯具）设备相同，造价相同；处于中间环节的设备因配电系统方案不同而配置不一致，由此产生造价差异，详见“交、直流照明系统中间环节设备造价分析表（表）”。为保证价格分析的相对合理性，测算过程考虑以下几个因素：（）控制柜内均包括相应回路保护、控制、监测设备及集中控制器的造价。（）电缆价格计算过程中，铜价按每吨.万元计算，电缆截面积、电缆芯数与电缆价格成正比关系。交流照明系统配电电缆为 .。直流照明系统配电电缆为.。表 交、直流照明系统中间环节设备造价分析表交流照明系统序号设备名称数量单位单价（元）总价（万元）交流照明控制柜台.电缆接头个.开关电源（）套.合计.直流照明系统序号设备名称数量单位单价（元）总价（万元）直流照明总控制柜台.电缆接头个.开关电源（）套.合计.福 建 建 筑 年 （）开关电源均按 容量规格计算。（）控制柜与控制中心的通讯方式相同。（）电缆接头按一个穿刺线夹综合单价.元计算。从“交、直流照明系统中间环节设备造价表”可以看出，采用直流照明系统可以节约造价。结语直流配电方案相比于交流配电方案，在技术及工程造价等方面都有明显优势。采用直流供电技术为市政照明配电时，直流电源总控制柜内直流转换模块配置、各回路数据采集与控制、绝缘监测等，是项目设计时需要重点考虑的技术要点，也是直流供电稳定性、安全性、经济性的保障。因此，在实际应用中，应给予合理的配置。参 考 文 献 刘志华，罗新 城市道路照明及户外用电设施安全风险分析及防范 智能建筑电气技术，（）：，直流照明系统技术规程 城市道路照明设计标准 北京：中国建筑工业出版社，基于 的变电站低压电源设备通信接口 中国航空规划设计研究总院有限公司 工业与民用配电设计手册（第四版）北京：中国电力出版社，北京照明学会照明设计专业委员会 照明设计手册（第三版）北京：中国电力出版社，中机中电设计研究院有限公司，低压配电设计规范 北京：中国计划出版社，中国电力工程有限公司 中机中电设计研院有限公司低压电气装置 北京：中国标准出版社，（上接第 页）方便用电维护管理，同时做到节能增效，实现碳中和。能够进行系统升级，有效地实现建筑的可持续发展；智能配电系统中数字化、信息化技术的应用有效提高了效率；智能化设备令被动运维变为主动运维，有效地满足了管理层和后勤部门的要求。结语 超高层总部大楼由于体量巨大，人员密集度高，相关的电气设计复杂，安全保障要求高。对电气设计及相关产品选择提出了很高的要求。本文以金圆大厦项目为例，详细分析了以下电气设计要点：夜景照明用电可按 容量预留，电源从高区配电室接入，控制系统采用智能照明控制系统，配电箱需有现场手动控制功能。变配电室的选址建议采用低区与高区配电室结合的方式，按供电容量分散设置在裙房和避难层。高区配电室内变压器的容量按可 设计，最大不超过 ；利用货梯作为搬运通道时，货梯可按载重，轿厢净尺寸长 宽 高 配置；设备通道上预留不少于宽 高 的净空间，结构荷载按 预留。在变配电室低压侧集中设置有源滤波器可有效地解决谐波电流，谐波电流可按公式的计算值偏小取值。超高层建筑安全要求高，疏散困难，非消防负荷线缆与通信电缆应选择铜芯无卤低烟低毒，阻燃 类，交联聚乙烯绝缘聚烯烃护套电力电缆，级及以上燃烧性能，额定电压.，（燃烧滴落物 微粒等级为 级，烟气毒性等级为 级，腐蚀性等级为 级）。在碳中和的大背景下，智能配电能够解决用户的安全可靠用电需求，方便用电维护管理，同时做到节能增效，实现碳中和；能够进行系统升级，有效地实现建筑的可持续发展。参 考 文 献 王 扬，童昕宏，陆柏庆 超高层住宅建筑电气设计要点 建筑电气，（）：供配电系统设计规范 北京：中国计划出版社，电力工程电缆设计标准 北京：中国计划出版社，（版）建筑设计防火规范 北京：中国计划出版社，民用建筑电气设计标准 北京：中国建筑工业出版社，中国航空规划设计研究总院有限公司 工业与民用供配电设计手册 第四版 北京：中国电力出版社，曹涛，张蕾，刘勇 医院建筑谐波分析及治理措施 建筑电气，（）阻燃和耐火电线电缆或光缆通则 北京：中国质检出版社，电缆及光缆燃烧性能分级 北京：中国质检出版社，