駱芳芳

(南京市路燈管理處， 江蘇 南京 210013)

引言

以5G為代表的“新基建”在2020年被寫入政府工作報告中，旨在為經(jīng)濟發(fā)展新基建發(fā)展提供新動力。其中，5G作為新基建的重要領(lǐng)域，為新型智慧城市的建設(shè)提供了關(guān)鍵的技術(shù)支撐作用。智慧城市的構(gòu)建需要以大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過“全域感知體系”，實現(xiàn)萬物互聯(lián)，從而滿足人類日益增長的美好生活的需要。路燈桿作為城市的公共基礎(chǔ)設(shè)施，具有分布廣、高密度、可掛高資源的先天優(yōu)勢，是全域感知設(shè)備的優(yōu)良載體。因此，智慧城市的建設(shè)要求必然賦能傳統(tǒng)燈桿的智慧化升級為新型城市基礎(chǔ)設(shè)施。以智慧燈桿為依托，構(gòu)建泛在的、“毛細血管級”的、層次多元化的城市物聯(lián)感知體系，集約了城市公共資源，大大提高了燈桿的應(yīng)用價值，并有力支撐了城市的智慧應(yīng)用[1-3]。

《江蘇省城市照明智慧燈桿建設(shè)指南》指出，智慧燈桿上除了LED照明設(shè)施，常用的掛載設(shè)備還包含視頻攝像機、交通監(jiān)控、環(huán)境傳感器、5G基站、LED顯示屏、無線WIFI等。這些智慧設(shè)備大都采用直流供電的形式。并且，智慧燈桿宜為直流供電的掛載設(shè)備提供5 V、12 V、24 V和48 V電源接口[4]；若采用交流供電，智慧燈桿的供電接口需要眾多AC/DC整流器才能接入電網(wǎng)。這不僅增加了接口電路的復(fù)雜性，而且降低了系統(tǒng)供電效率。近年來，隨著電力電子技術(shù)的逐步成熟，考慮到以5G基站為代表的路燈終端負荷直流化趨勢，河北雄安新區(qū)、深圳南山科技園等已經(jīng)開始探索直流供電在智慧燈桿上的應(yīng)用研究，但大多集中在新建道路領(lǐng)域。

為了規(guī)范道路管線的管理，我國多地頒發(fā)了城市道路管理條例。條例明確規(guī)定，城市道路交付使用后5年內(nèi)、大修的城市道路竣工后3年內(nèi)不得挖掘。因此，基于投資成本和建設(shè)周期的考慮，建成區(qū)存量路燈設(shè)施的智慧化改造將是智慧燈桿建設(shè)的重要組成部分。本文基于存量路燈設(shè)施智慧化改造的應(yīng)用場景，以LED照明設(shè)施和以5G基站為代表的智慧設(shè)備負荷作為智慧燈桿的典型研究對象，從電擊防護安全性和負荷距兩個角度分析了直流配電電壓的選取原則，對不同接地方式下系統(tǒng)的安全性能進行量化分析，最終提出了存量設(shè)施智慧化改造下路燈低壓直流配電系統(tǒng)供電方案，為路燈新老基建過渡提供理論及技術(shù)支撐。

1 低壓直流配電電壓的確定原則

1.1 低壓直流配電系統(tǒng)電擊防護性能分析

城市的燈桿設(shè)施運行于露天環(huán)境中。在高溫和下雨的惡劣天氣下，燈桿設(shè)施的用電安全性降低，如電纜的絕緣層老化被擊穿、燈桿內(nèi)線路受潮使得燈桿金屬部分帶電等。而作為近人尺度的城市街道基礎(chǔ)設(shè)施，燈桿設(shè)施供電系統(tǒng)的安全性不容忽視。電氣安全是未來低壓直流供電技術(shù)向智慧燈桿設(shè)施領(lǐng)域推廣的重要前提。因此，下面將針對潮濕環(huán)境下低壓直流配電系統(tǒng)用電防護性能分析。

1.1.1 人體直流電擊效應(yīng)

人體對電擊產(chǎn)生的生理效根據(jù)嚴重程度可分為電流驚嚇反應(yīng)、強烈的不自覺的肌肉反應(yīng)和心室纖維性顫動。這些生理反應(yīng)由流過人體的電流產(chǎn)生，而且不同電流路徑對人體產(chǎn)生心室顫動的危險性閾值不同[5]?？紤]到人易用手觸碰燈桿，并且電流從單手到雙腳路徑流過人體時引發(fā)心室顫動的危險性最大。本文以單手到雙腳的電流路徑為研究對象，分析直流配電系統(tǒng)的電擊防護性能。

1.1.2 人體的阻抗

由歐姆定律可知，在電壓大小一定的情況下，流過人體的電流與人體阻抗有關(guān)。影響人體阻抗的因素主要有電流路徑、接觸表面積、皮膚的干燥狀況、接觸電壓、電流頻率等。其中，人體與可導(dǎo)電物體接觸面積越大，人體的阻抗值越小。在一定范圍內(nèi)，接觸電壓越高，人體阻抗越小。當接觸電壓小于200 V時，由于皮膚電容沒有直流電流通路，人體的直流阻抗比交流阻抗要高；當接觸電壓大于200 V時，人體直流電阻與交流電阻接近[5]。鑒于燈桿設(shè)施處于室外，配電系統(tǒng)的電擊防護性能應(yīng)根據(jù)潮濕環(huán)境進行評價。文獻[5]中列舉了水濕潤條件中、大的接觸面積下，不同交流接觸電壓下手到手的人體總阻抗，而人體單手到雙腳的阻抗值約為手到手的80%，人體交流的阻抗值可作為直流阻抗值作為保守性估計。因此，在水濕潤條件中、大的接觸表面積下，不超過50%被測對象的人體直流阻抗值的換算結(jié)果如表1所示。

表1 水濕潤條件下，大的接觸表面積，直流電流路徑為單手到雙腳的人體阻抗值

若對表1中接觸電壓UT為125～200 V以及225～400 V范圍段的人體電阻Rb分別作兩點間線性插值處理，則可以得到以下計算公式：

Rb=-1.6UT+1440,125

(1)

Rb=-1.2571UT+1262.9,225

(2)

1.1.3 交流和直流配電系統(tǒng)電擊防護差異性對比

圖1為交流和直流電流沿單手到雙腳路徑縱向向上流過人體的生理效應(yīng)閾值。其中，在a曲線左側(cè)，人體僅可能會感知電流，屬于非常安全區(qū)域；在曲線a到曲線b范圍，人體會存在驚嚇反應(yīng)，但通常無有害的電氣生理效應(yīng)，屬于比較安全區(qū)域。在曲線b到曲線c1中，隨著人體通過的電流增大，人體可能發(fā)生劇烈的不自主的肌肉反應(yīng)，甚至導(dǎo)致心臟發(fā)生可逆性的功能性障礙，但一般不會造成器官破壞。此范圍屬于基本安全區(qū)域。當人體通過的電流在c1曲線右側(cè)時，人體面臨心室顫動的風(fēng)險，其發(fā)生概率隨著電流幅度和時間的增加而增大[6]。

圖1 交流和直流電流沿單手到雙腳路徑流過人體的生理閾值Fig.1 Physiological thresholds for a.c.(50Hz) and d.c. flowing hand to feet through the human body

由圖1可得到，交直流電流沿單手到雙腳路徑流過人體時，人體不同生理反應(yīng)下長時間持續(xù)電流閾值對比如表2所示。

表2 交直流電流在各種人體生理反應(yīng)下長時間持續(xù)電流閾值(直流電流為縱向向上電流)

由表2可知，直流電流過人體引起生理效應(yīng)的閾值遠遠大于交流電流。當交流接觸電壓為220 V時，根據(jù)表1，取人體的阻抗為980 Ω(假設(shè)與接觸電壓為225 V時的人體總電阻相同)，則通過人體的電流為220 mA。對應(yīng)于圖1中實心曲線c1，當220 mA電流持續(xù)時間約為250 ms時，人體將面臨心室顫動的風(fēng)險。假設(shè)人體接觸直流電流達到相同的觸碰時間，則由圖1可知，當人體通過的直流電流為250 mA時，人體可能會發(fā)生心室顫動，此時對應(yīng)的人體接觸電壓為240 V。在直流系統(tǒng)中，縱向向下的電流引起人體室顫的閾值是縱向向上的電流的2倍[5]。因此，若直流電流縱向向下通過人體，則250 ms持續(xù)時間的直流電流對應(yīng)的室顫電流閾值為500 mA。通過式(2)推算得到，此時人體的接觸電壓可達到385 V。因此，若要滿足直流配電系統(tǒng)的電擊防護性能高于現(xiàn)有的交流220 V交流系統(tǒng)，則直流系統(tǒng)的供電電壓不宜超過385 V。

1.2 直流負荷距分析

與交流系統(tǒng)類似，配電電壓等級越高，則系統(tǒng)的配送容量大，線路損耗小。負荷距可用來衡量直流配電系統(tǒng)的供電能力。它表示在滿足線路末端壓降的條件下，系統(tǒng)將單位功率輸送的最遠距離[7]。

線路單位距離直流電壓降Δul可表示為：

Δul=2ΔIdc×rdc

(3)

式中， ΔIdc表示線路上某點通過的電流，rdc為單位長度的線路直流電阻。

考慮智慧燈桿上的掛載負荷具有分布均勻的特征，則線路上的電流與供電距離成線性關(guān)系，此時線路壓降百分比Δu為：

Δu=Idc×rdc/Udc

(4)

因此，系統(tǒng)的直流負荷矩λ為：

(5)

式中，L表示供電距離，Udc、Idc分別表示直流系統(tǒng)的電源電壓和回路電流。

目前室外工程中多采用銅導(dǎo)線作為供電線路。取溫度為20 ℃的銅線電阻率為1.78×10-8Ω·m。依據(jù)《中低壓直流配電導(dǎo)則》[8]推薦的低壓直流電壓等級，考慮10%的線路壓降， 48 V、110 V、220 V、375 V電壓等級下各標稱截面積電纜線路直流負荷距如表3所示。

依據(jù)《江蘇省城市照明智慧燈桿建設(shè)指南》，5G微基站的負荷功率范圍為300～600 W，基站的覆蓋半徑為100～300 m；照明設(shè)備的負荷為100～350 W，而主干道路燈桿分布間距一般為35 m左右。以供電半徑為600 m考慮，則照明負荷的功率約為6 kW，基站的負荷約為2.5 kW。對照表3可以得到，220 V及以上的電壓等級可以分別滿足智慧燈桿上5G基站和照明設(shè)備的負荷需求。

表3 48 V/110 V/220 V/375 V道路電纜直流線路負荷距(20℃)

2 低壓直流配電系統(tǒng)接地方式的確定原則

在相同的電壓等級下，直流配電系統(tǒng)接地形式的選擇是影響接地故障電壓的重要因素。根據(jù)電源點和用電設(shè)備的接地方式，低壓直流供電系統(tǒng)可分為TN接地系統(tǒng)、IT接地系統(tǒng)和TT接地系統(tǒng)[9]。另外，低壓直流系統(tǒng)的接線方式分為單極接線形式和雙極接線形式，如圖3所示。雙極接線形式采用兩組獨立的變換器，具有較強的可靠性。由于智慧燈桿上掛載的基站負荷和照明負荷均為第三類供電負荷，考慮到造價成本，本文以結(jié)構(gòu)簡單的單極直流供電系統(tǒng)為研究對象，以心室顫動電流閾值為電擊防護要求的安全標準，對發(fā)生碰殼短路故障時人體流過的電流進行分析，比較不同接地系統(tǒng)的電擊安全防護性能。

圖3 低壓直流系統(tǒng)接線形式Fig.3 Wiring form of low voltage DC system

2.1 TN系統(tǒng)

在TN系統(tǒng)中，電源中性點直接接地，燈桿金屬外殼通過PE線與電源系統(tǒng)的接地點相連。當燈桿外殼意外搭接系統(tǒng)正極線路時，系統(tǒng)發(fā)生了金屬性短路故障，該等效電路圖如圖4所示。

圖4 TN系統(tǒng)發(fā)生金屬性短路故障電路示意圖Fig.4 TN system with metallic fault

則故障電流為：

Id=Udc/(RL+RPE)

(6)

人體預(yù)期接觸電壓為：

(7)

人體流過的電流為：

(8)

其中，RG、RL、RPE、Rb分別表示電源側(cè)接地電阻、正極線路電阻、PE線電阻和人體電阻。

根據(jù)《低壓配電設(shè)計規(guī)范》[10]，RL

根據(jù)式(4)，TN系統(tǒng)的故障電流與線路的長度有關(guān)。在短供電半徑下，TN系統(tǒng)產(chǎn)生很大的故障特征電流，因此可以利用斷路器進行短路保護；當供電半徑為較長時，在線路末端發(fā)生接地故障時，系統(tǒng)的故障電流較小，僅為一百多安培，不易滿足短路保護靈敏度要求。因此，長供電距離下TN系統(tǒng)需要另外配備直流漏電保護裝置以滿足系統(tǒng)的安全性要求。在直流系統(tǒng)中，線路不存在分布式電容漏電流，可以避免正常線路的電容泄露電流導(dǎo)致漏電保護裝置的誤動作，提高漏電保護裝置的靈敏度。

2.2 TT系統(tǒng)

在TT系統(tǒng)中，電源側(cè)和燈桿分別采用直接接地的方式并且相互獨立。其中電源側(cè)的接地電阻RG不能大于4 Ω，用電設(shè)備接地電阻Rf不能大于10 Ω。同樣的，當系統(tǒng)發(fā)生了金屬性短路故障，故障示意圖如圖5所示。

則故障電流為：

Id=Udc/(RG+RL+Rf)

(9)

人體預(yù)期接觸電壓為：

(10)

人體流過的電流為：

(11)

圖5 TT系統(tǒng)發(fā)生金屬性短路故障電路示意圖Fig.5 Schematic diagram of TT system with metallic fault

假設(shè)RG=4 Ω，Rf=10 Ω，以最不利情況進行分析，短路故障發(fā)生在靠近電源側(cè)線路，此時忽略線路阻抗。當Udc為220 V時，人體預(yù)期接觸電壓Ub為157 V，可得到流過人體的電流約為130 mA，未達到心室顫動電流閾值，因此系統(tǒng)可以提供基本安全保障。當Udc為375 V時，人體預(yù)期接觸電壓為267 V，流過人體的電流約為287 mA>280 mA，此時人體將面臨心室顫動的安全風(fēng)險。

由(9)式可知，受接地電阻的限制，TT系統(tǒng)系統(tǒng)發(fā)生間接接地故障時的電流比較小，因此需要依賴直流漏電保護裝置作為系統(tǒng)的間接防護措施，增強系統(tǒng)的安全性。

2.3 IT系統(tǒng)

在IT系統(tǒng)中，電源側(cè)不接地或經(jīng)高阻抗接地，燈桿設(shè)施間可采用共同的接地極(但與電源側(cè)接地獨立)或單獨接地。當系統(tǒng)發(fā)生正極單極碰殼故障時，故障示意圖與圖5相同，故障電流、人體預(yù)期接觸電壓和接觸電流的表達式同式(9)～式(11)。由于在IT系統(tǒng)中，RG的取值一般高達幾萬歐姆，因此當直流供電電壓為220 V或375 V時，人體的接觸電流不超過1 mA，遠低于人體感應(yīng)的閾值。因此IT系統(tǒng)具有極高的電擊防護安全性，并可保證長時間的故障運行狀態(tài)，提高了系統(tǒng)的供電可靠性。因此，本文推薦優(yōu)先使用IT接地系統(tǒng)。另外，由式(9)可知，系統(tǒng)故障電流不超過幾毫安，無論是斷路器過流保護還是漏電保護裝置均無法觸發(fā)，因此IT系統(tǒng)必須通過絕緣監(jiān)測裝置來預(yù)警和排除隱患。

在IT系統(tǒng)中，當發(fā)生第二次接地故障時(如正負極均與金屬外殼接觸)，短路電流特征明顯，此時應(yīng)需要按照TT或TN系統(tǒng)的間接防護措施來切斷故障回路。

3 存量路燈設(shè)施智慧化改造供配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

3.1 現(xiàn)有改造交流供電方案

現(xiàn)有街道道路照明系統(tǒng)供電電纜大都采用五芯銅芯或者鋁合金電纜，并穿塑料管保護埋地敷設(shè)。由于多數(shù)建成區(qū)路燈設(shè)施僅考慮照明功能，因此存量路燈設(shè)施配套供電管道通常僅為1根。在不推倒重建的前提下，若存量路燈設(shè)施智慧化改造采用交流供電，則常用的供電方案是基站設(shè)施和照明設(shè)施共用一根電纜采用24 h?；鸾涣鞴╇姡彰髟O(shè)施另外通過單燈控制器來控制燈具的開閉。若采用該交流供電方案，則將帶來以下問題：一方面，智慧化的燈桿設(shè)施供電線路由原先的12 h帶電變?yōu)?4 h帶供電，因此線路的安全性能有待提高。其次，由于照明設(shè)施和基站設(shè)施共用一根電纜，未相互獨立，容易相互影響。另外，基站和LED燈具都屬于單相負荷，線路中會存在三相不平衡的問題，將增加線路損耗以及降低電能質(zhì)量。

3.2 直流供電方案

目前現(xiàn)有道路利用的供電電纜額定電壓為600/1 000 V(相與地/相與相之間)，因此，電纜可承受最高600 V的直流電壓。若采用220 V或者375 V直流供電電壓，則無需對現(xiàn)有線纜進行更換。以常見的道路照明供電電纜五芯銅芯電纜為例，則直流供電網(wǎng)絡(luò)可設(shè)計如圖6所示。

圖6 低壓直流供電方案Fig.6 Low voltage DC power supply scheme

根據(jù)圖6，在直流照明網(wǎng)絡(luò)中，交流電網(wǎng)通過AC/DC變換器變成直流網(wǎng)絡(luò)輸出，并在每個燈桿處通過DC/DC變換器將電壓變換到相應(yīng)的電壓水平給LED照明設(shè)施和5G基站供電。每種負荷作為單獨模塊各自對應(yīng)一個DC/DC變流器，此種拓撲結(jié)構(gòu)擴展具有較強的擴展能力和冗余能力。另外，由圖6可看到，基站回路與照明回路相互獨立，并且有一根電纜可作為備用電纜或者PE線使用。

該直流照明網(wǎng)絡(luò)采用集中式的大功率AC/DC變換器，代替了原本LED燈具或者基站的小功率整流器，不僅提高了電能效率轉(zhuǎn)換，而且減少了交直流的電能轉(zhuǎn)換次數(shù)。另外，在相同的功率下，小功率的DC/DC換流器的效率總體比AC/DC整流器高[11]。因此，整體直流系統(tǒng)的供電效率可以顯著提高。

相比于交流系統(tǒng)，直流系統(tǒng)無渦流損耗和集膚效應(yīng)，不存在無功傳輸，因此直流供電系統(tǒng)的線路損耗比交流系統(tǒng)少。另外，直流配電方式無須加裝無功補償裝置，提高了供電的經(jīng)濟性。通過采用相應(yīng)的控制策略，直流供電系統(tǒng)可以提供穩(wěn)定的直流電壓，減少交流電源的電壓波動帶來的影響，提高了供電負荷的電能質(zhì)量。

當不考慮電壓降和功率損耗時，系統(tǒng)的供電容量由供電電流決定。當交直流系統(tǒng)采用相同的電纜時，以規(guī)格為YJV-5×35的電纜為例，其載流量為113A。在交流220 V供電系統(tǒng)中，考慮系統(tǒng)功率因數(shù)為0.9，則交流系統(tǒng)的供電容量可計算為：

Pac=3UacIac=67 kW

(12)

當直流供電電壓為220 V,則系統(tǒng)的供電容量為：

Pac=3UdcIdc=50 kW

(13)

當直流供電電壓為375 V,則系統(tǒng)的供電容量為：

Pac=2UdcIdc=85 kW

(15)

因此，若直流系統(tǒng)采用220 V電壓等級，則直流系統(tǒng)的供電能力僅為現(xiàn)有交流供電系統(tǒng)的75%，而電壓375 V電壓等級的直流系統(tǒng)的供電能力則為交流系統(tǒng)的1.3倍。但若考慮現(xiàn)有燈桿上LED燈具的兼容性，存量路燈設(shè)施改造中建議采用220 V電壓等級的直流供電系統(tǒng)作為過渡階段。

4 結(jié)論

本文分析了存量路燈設(shè)施智慧化改造下引入低壓直流供電的可行性。全文討論了直流供電下的電壓等級的選取原則、系統(tǒng)的接地方式，并提出了低壓直流供電技術(shù)方案，得到了以下結(jié)論：

1)相同電壓等級下直流供電系統(tǒng)的電擊防護安全性明顯優(yōu)于交流系統(tǒng)。220 V交流系統(tǒng)的電擊安全防護性最高可等同于直流385 V。

2)由于燈桿設(shè)施供電半徑通常較長，通過直流負荷距的分析，建議直流系統(tǒng)的供電電壓大于220 V。

3)本文對三種典型接地方式下系統(tǒng)發(fā)生間接接地故障的安全性進行量化分析，并優(yōu)先推薦采用IT系統(tǒng)，它具有極高的安全性和供電可靠性。該系統(tǒng)需要配備絕緣檢測裝置，并能在發(fā)生二次故障時快速切斷電源。

4)考慮與現(xiàn)有交流用電負荷兼的兼容性，本文建議在改造工程中采用220 V的直流電壓等級。

5)結(jié)合現(xiàn)有道路照明設(shè)施常用的電纜規(guī)格，本文提出了圖6所示的低壓直流供電方案。該供電方案具有較強的結(jié)構(gòu)拓展能力，并且照明供電回路和基站供電回路相互獨立。

高效可靠的低壓直流供電系統(tǒng)在存量路燈設(shè)施智慧化改造中的應(yīng)用為未來直流供電在智慧燈桿上的大規(guī)模應(yīng)用提供參考。