城市道路照明的供电经济性分析

0引言

在常规的380/220 V用电负荷供电系统中,为降低供电回路的供电成本和减少线路损耗,通常会把供电距离控制在300 m范围以内。但是,在城市道路照明的供电系统中,由于低压电源点相对较少,通常采用的是城市公用环网柜输出10 kV电压,再经由路灯箱式变压器降压后输出220/380 V电源至用电负荷的供电方式;且路灯负荷具有功率小、负荷分散的特点,如果按照常规的300 m以内的供电距离标准来布置电源点,需要在城市道路中设置大量密集的箱式变压器和配电设施。这不仅会大幅增加供电系统的初始投资成本,还会因为大量的供电设备及其维护工作而提高长期运营成本。因此,在实际应用中,通过适当延长路灯的供电距离,可以有效降低供电成本和维护成本。

本文将以城市道路照明的供电系统为例,对低压供电的经济性进行分析。

1路灯的功率计算

城市道路主要分为主干路、次干路和支路三个等级。根据城市规划与交通设计规范,三个等级的道路在红线宽度上存在相应的范围,如表1所示。

取红线宽度的平均值,可以得出主干路平均红线宽度为50 m,次干路平均红线宽度为45 m,支路的平均红线宽度为22.5 m。

按人行道、行道树平均宽度4.5 m,非机动车道平均宽度4 m,侧分带平均宽度2 m计算,主干路平均机动车道宽度为:

且有三个道路等级对应的机动车道照明功率密度限值(LPD)如表2所示。

按设计机动车道功率密度为机动车道照明功率密度限值的80%取值,则根据功率计算公式:

P=LPD×0.8× W

式中:P为道路平均单位长度功率;LPD为机动车道照明功率密度限值;W为机动车道宽度。

可得主干路平均单位长度功率:

P_主干路=0.85×0.8×29=19.72 W/m

次干路平均单位长度功率:

P_次干路=0.55×0.8×24=10.56 W/m

支路平均单位长度功率:

P_支路=0.4×0.8× 13.5=4.32 W/m

一般情况下,单排路灯通常使用5芯电缆,两回路交错供电,如图1所示。两回路各用1芯相线、中性线,两回路共用地线。

主干路、次干路的常规路灯布置方式为双侧对称布置,支路一般采用单侧布置方式。由此可知,主干路、次干路为4条供电回路,支路为2条供电回路。根据公式:

ΔP=P/n

式中:ΔP为回路平均单位长度功率;P为道路平均单 位长度功率;n为供电回路数量。

可得:

ΔP主干路=19.72/4=4.93 W/m

ΔP次干路=10.56/4=2.64 W/m

ΔP支路=4.32/2=2.16W/m

2 过负荷保护计算

当供电线路的运行负荷功率超出其组成设备的额定功率时,会导致设备因过负荷运行产生温升,进而破坏其功能并降低其可靠性。为确保供电线路及设备的稳定运行,过负荷保护必须在设备受损之前及时切断电源,从而保障整个供电系统的安全。

根据电流计算公式:

I_B=(ΔPl/220)/COS φ

式中:I_B为回路计算电流;l为供电距离;COS φ为功率因数,路灯一般为0.95。

可得:

I_B主干路=(4.93l/220)/0.95≈0.024lA

I_B次干路=(2.64l/220)/0.95≈0.013lA

I_B支路=(2.16l/220)/0.95≈0.01lA

且过负荷保护电器的动作特性应符合下列公式的要求:

1.2I_B≤I_n≤I_z^[3]

式中:I_B为回路计算电流;In为断路器的整定电流;Iz 为导体允许持续载流量。

由此可得5芯铜芯电缆导体允许持续载流量与断路器整定电流对照如表3所示。

可求得:

1.2IB主干路≈0.029l≤In

1.2IB次干路≈0.016l≤In

1.2IB支路=0.012l≤In

则根据过负荷保护计算得出各等级道路最大供电距离与电缆截面积对照如表4所示。

3线路压降计算

在低压远距离供电场景中,为确保照明灯具的稳定性和照明效果,必须充分考虑线路的压降影响。在正常运行状态下,灯具的端电压应当维持在不低于其额定电压的90%的水平^[4],这样可以有效保障灯具正常工作,并避免因电压过低而引发性能下降或故障。

压降的计算有负荷矩和电流矩两种表示方法。在本次计算中,采用负荷矩的表示方法来计算线路的压降。路灯的线路种类为接相电压的单相负荷线路,为计算方便,可等效为供电距离一半的终端负荷。

根据压降计算公式^[5]:

式中:Δu%为线路压降百分数;U_nph为标称相电压;R'_o为线路单位长度电阻;X"_o为线路单位长度感抗,其值可取X'_o值;P为有功功率;l为线路长度。

铜芯电缆的单位长度电阻及感抗如表5所示。

查表可得区间电阻率平均值为21.681 Ω·mm²/m,感抗率平均值为1.919 Ω·mm²/m,可近似求得:

R'_o=21.681/C

X'_o=1.919/C

式中:C为电缆截面积。

代入压降计算公式,可得出电缆截面积与最大供电距离的关系为:

代入P=ΔPl得:

同理可得:

则根据压降计算得出各等级道路最大供电距离 与电缆截面积对照如表6所示。

4短路保护计算

鉴于城市道路照明供电线路通常具有较长的供电距离,当线路末端发生短路时,产生的短路电流相对较小。因此,在选择电缆时必须经过短路保护计算,确保断路器的瞬时脱扣器能够准确识别故障线路中的短路电流,并作出及时反应。

根据关于线路末端故障情况下故障电流的计算 公式:

式中:U₀为标称相电压;C为相导体截面积;ρ为20℃时导体电阻率;m为每相导体总截面积与PE导体截面积之比;L为电缆长度;k₁为电缆电抗校正系数;k₂为多根相导体并联使用的校正系数;n为每相并联的导体根数。

可得线路末端故障情况下故障电流:

根据规范要求,线路末端故障情况下的故障电流Ik应不小于断路器瞬时脱扣器的整定电流的1.3倍^[6]。由于路灯供电线路的短路电流较小,断路器一般采用瞬时脱扣电流较小的B型脱扣曲线,有:

I₃=5I_n

式中:I_n为断路器整定电流;I₃为断路器瞬时过电流脱扣器整定电流。

代入过负荷保护计算公式可得:

5×1.2I_B主干路=0.145l≤5I_n=I₃

5×1.2I_B次干路=0.08l≤5I_n=I₃

5×1.2I_B支路=0.06l≤5I_n=I₃

根据I_k≥1.3I₃可得:

3 213.407C/l_主干路 ≥1.3×0.145l_主干路

l_主干路≤130.565√ C

同理可得:

l次干路≤175.779√ Cl支路≤231.423√ C

综合过负荷保护计算、线路压降计算、短路保护计算得出的最大供电距离,取最小值可得出各等级道路最大供电距离与电缆截面积对照如表7所示。

5 供电成本计算

查询《福州市建设工程材料价格安装专业》2023年版可知,供电系统中材料综合单价如表8所示。

在城市道路中,10 kV环网柜分布广泛且密集,路灯箱变可就近接入10 kV电源,所以路灯箱变及其10 kV进线的成本基本相同,可以按综合造价30万元估算。则最大供电距离的供电成本为:

CO=(R×l×2×n+300 000)× m

式中:CO为供电成本;R为电缆单价;l为供电距离;n为电缆根数;m为电源数量。

可求得供电成本如表9所示。

以道路长度为3 km的主干路为例,查表9可知有3种供电方案:1)设置5个电源,采用6 mm2电缆供电;2)设置3个电源,采用16 mm2 电缆供电;3)设置2个电源,采用35mm2电缆供电。根据成本计算公式可求得:

CO_5电源=(246.65×300×2×2+300 000)×5

CO_5电源=297.99万元

同理可求:

CO_3电源=286.644万元

CO_2电源=433.794万元

对比3种供电方案成本可知,道路长度为3 km的主干路,设置3个电源,采用16 mm² 电缆供电,是最经济的供电方案。

6结语

本文综合考虑城市道路照明负荷功率小且分散 的特点,进行了深入的计算分析,从以下三个方面详细探讨了供电方案的制定原则:

1)线路负荷功率与电缆载流量、断路器整定电流之间的相互关联。

2)线路负荷功率与电缆截面积、供电距离之间的相互关联。

3)短路故障电流与电缆截面积、供电距离、断路器瞬时脱扣器整定电流之间的相互关联。

另外,还结合材料价格,举例分析了不同供电方案在经济性上的优劣,为供电方案的选择提供了支持。

[参考文献]

[1]梁飞.城市道路工程规划与设计要点探究[J].中国设备工程,2024(7):95-97.

[2]城市道路照明设计标准:CJJ45—2015[S].

[3]低压配电设计规范:GB 50054—2011[S].

[4]李玉幸,狄彦强,李颜颐,等.电压偏差在低压配电系统中的计算及优化[J].智能建筑电气技术,2020,14 (1):75-78.

[5]刘屏周.工业与民用供配电设计手册[M].4版.北京:中国电力出版社,2016.

[6]民用建筑电气设计标准:GB51348—2019[S].

2024年第15期第7期