公路隧道照明設(shè)計(jì)

李國(guó)威

（河北路橋集團(tuán)第一工程有限公司，河北 邢臺(tái) 054000）

我國(guó)山地眾多，幅員遼闊，為縮短公路里程，提高運(yùn)輸效益，節(jié)省用地和保持生態(tài)環(huán)境，公路建設(shè)中越來(lái)越重視隧道建設(shè)。公路隧道功能具有的特殊性，決定了其建設(shè)的復(fù)雜性。照明系統(tǒng)是隧道機(jī)電工程中最重要的設(shè)施之一，也是整個(gè)隧道機(jī)電工程總投資最大的一個(gè)系統(tǒng)。公路隧道照明，不論白天還是夜間都很重要，并且白天照明問(wèn)題比夜間更復(fù)雜。為滿足公路隧道的運(yùn)行要求，隧道燈具應(yīng)適應(yīng)公路隧道使用特點(diǎn)，節(jié)約能源，提高照明效果，保證行車安全性、舒適性，并能有效地進(jìn)行運(yùn)營(yíng)管理。

隨著我國(guó)公路建設(shè)的快速延伸，地形復(fù)雜、人口稀少地區(qū)電力資源貧乏，電力成本巨大的問(wèn)題日益突出，尤其是公路隧道照明系統(tǒng)的供電問(wèn)題更趨嚴(yán)重。依據(jù)國(guó)家規(guī)范，400m以上的公路隧道需設(shè)照明設(shè)施，因此，開發(fā)一種既可降低工程造價(jià)，又能降低運(yùn)營(yíng)管理成本的適應(yīng)此發(fā)展需求的公路隧道太陽(yáng)能照明系統(tǒng)顯得十分迫切，而了解國(guó)內(nèi)外關(guān)于公路隧道照明系統(tǒng)的使用現(xiàn)狀，對(duì)于開發(fā)公路隧道太陽(yáng)能照明系統(tǒng)，具有重要的指導(dǎo)意義。

1 公路隧道照明燈具研制及隧道照明設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

目前，全國(guó)已建和在建公路隧道已達(dá)1000多km，并仍處于快速發(fā)展中。但公路隧道中安裝照明系統(tǒng)的非常少，大都不設(shè)置照明或設(shè)置了照明系統(tǒng)卻并不使用，因此，照明質(zhì)量非常低。

1.1 公路隧道照明燈具

我國(guó)公路隧道照明燈具研制起步較晚，基礎(chǔ)較差，特別是針對(duì)隧道照明燈具要求和特性方面的深入研究極其缺乏，設(shè)計(jì)、制造的燈具與國(guó)外存在較大差距。近年來(lái)，雖然復(fù)旦大學(xué)、上海燈具研究所、重慶交通科研設(shè)計(jì)院、浙江交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院等少數(shù)單位擁有相應(yīng)的研究條件和一定的試驗(yàn)設(shè)備，非常重視隧道燈具研究，但是，大部分燈具廠家卻沒有公路隧道燈具的研究條件和試驗(yàn)設(shè)備，自主開發(fā)隧道燈具能力差。國(guó)內(nèi)隧道燈具廠多為小廠或主要從事其他領(lǐng)域照明器材生產(chǎn)，技術(shù)、工藝和裝備落后，生產(chǎn)分散，專業(yè)化水平低，效益不高。

另外，在公路隧道燈具的開發(fā)方面也缺乏足夠的認(rèn)識(shí)和必要的投入，與國(guó)外照明電器工業(yè)生產(chǎn)集中度相比，遠(yuǎn)未達(dá)到應(yīng)有的經(jīng)濟(jì)規(guī)模。國(guó)內(nèi)使用的隧道燈具大多存在光帶窄、配光質(zhì)量不夠、能耗高、質(zhì)量穩(wěn)定性差、壽命短、檔次不高等問(wèn)題，直接導(dǎo)致公路隧道照明效果不佳，不能滿足公路隧道照明要求，嚴(yán)重影響行車安全性。

1.2 隧道照明設(shè)計(jì)

隧道照明的光源，應(yīng)滿足隧道特定環(huán)境下的光效、光通量、壽命、光色和顯色性要求，同時(shí)還要保證在汽車排放形成的煙霧中有良好的能見度。隧道照明的效果必須依靠可靠的光源來(lái)實(shí)現(xiàn)。公路隧道一旦投入使用，正常狀態(tài)下照明系統(tǒng)幾乎處于長(zhǎng)期點(diǎn)亮狀態(tài)，因此，選擇一種適宜的光源，是隧道照明的重要環(huán)節(jié)。

公路隧道照明，通常依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范把隧道分為入口段、過(guò)渡段、中間段和出口段進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中過(guò)渡段有兩個(gè)，分別設(shè)計(jì)在中間段前后。各段的長(zhǎng)度和照度的設(shè)計(jì)是從全年行車安全要求出發(fā)，洞內(nèi)最大照度的設(shè)計(jì)是以全年洞外最大亮度和最高行車時(shí)速來(lái)確定隧道內(nèi)各段的燈具功率和燈具分布密度。所實(shí)現(xiàn)的照明自動(dòng)控制也是非常有限的，通常因線路布線回路的限制，只能做到2～3級(jí)人工或自動(dòng)控制。對(duì)于如天氣、車速、車流量等參數(shù)，只是在設(shè)計(jì)階段予以最大值考慮。最終，各段照明的長(zhǎng)度和照度也始終處于最大值狀態(tài)。由于利用天氣、車速、車流量等時(shí)變參數(shù)，無(wú)法從宏觀上對(duì)整個(gè)隧道的照明系統(tǒng)進(jìn)行自適應(yīng)方式的調(diào)節(jié)控制。因此，從這一點(diǎn)上講，目前這種傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)與使用隧道照明系統(tǒng)存在著大量的電能浪費(fèi)問(wèn)題。

2 照明系統(tǒng)方案

2.1 電路設(shè)計(jì)

在電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，綜合點(diǎn)光源疊加后電壓、電流影響、亮度水平、照明穩(wěn)定性等諸多因素，研究合理匹配電路，以實(shí)現(xiàn)減低功耗，提高光效的目的。

研究保護(hù)電路，減少LED串聯(lián)、并聯(lián)引起的多點(diǎn)損壞。LED點(diǎn)陣布設(shè)是多個(gè)LED通過(guò)串聯(lián)、并聯(lián)組成的陣列，在使用過(guò)程中，只要有一個(gè)LED短路或開路，都會(huì)導(dǎo)致整條或多個(gè)LED熄滅。

分析電路設(shè)計(jì)和電路布局的合理性，研究散熱方法，以提高LED使用壽命，使其保持良好的工作狀態(tài)。LED管芯結(jié)溫超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)限定值，將導(dǎo)致不可恢復(fù)性光強(qiáng)衰減。為解決這一問(wèn)題，從電路設(shè)計(jì)和布局著手進(jìn)行研究，并提出合理的設(shè)計(jì)方案，以促進(jìn)LED保持良好的工作狀態(tài)，延長(zhǎng)使用壽命。

研究交/直流電源對(duì)LED的影響，選擇適宜的電源方式。LED供電方式不同，將影響其使用性能，尤其是交流供電本身有變頻，易引起LED閃爍，因此，選擇合適的LED，可以提高照明效果。

研究防止燒毀部分LED的合適驅(qū)動(dòng)電路。LED點(diǎn)陣布設(shè)由多個(gè)LED管組成，在使用中，偶爾會(huì)因能量集中而燒壞部分LED，合適的驅(qū)動(dòng)電路可以在一定程度上減輕相關(guān)現(xiàn)象的發(fā)生。

電路上改進(jìn)，既解決了散熱問(wèn)題，又使其工作電流比原設(shè)計(jì)方案降低了近10mA，整個(gè)公路隧道照明單元功率為6W左右，降低了功耗，從而使公路隧道照明太陽(yáng)能供電系統(tǒng)低成本應(yīng)用成為可能。

2.2 照明燈具設(shè)計(jì)

照明燈具是指能透光、分配和改變光源分布的器具，包括除光源外所有固定和保護(hù)光源所需的全部零部件以及與電源連接所必需的線路附件。由于不同場(chǎng)所對(duì)燈具的要求不同（如在公路隧道中，要求燈具具有較強(qiáng)的耐腐蝕性，不易老化，防潮、防噴流），因此，照明燈具設(shè)計(jì)要從3個(gè)方面入手：一方面要解決電路板安裝及拆卸的方便性問(wèn)題；另一方面，針對(duì)走線、散熱、防潮性能進(jìn)行設(shè)計(jì)；最后是透光材料的選擇。從而使研制的照明燈具能夠達(dá)到安全防護(hù)等級(jí)，散熱良好，拆卸比較方便，滿足使用要求。

2.3 太陽(yáng)能供電系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

光伏發(fā)電根據(jù)當(dāng)?shù)靥?yáng)能資源實(shí)現(xiàn)，同時(shí)，對(duì)照明系統(tǒng)進(jìn)行智能控制，以降低功耗，從而為解決太陽(yáng)能供電系統(tǒng)在特定時(shí)間內(nèi)的嚴(yán)重虧電問(wèn)題奠定基礎(chǔ)。

太陽(yáng)能供電系統(tǒng)主要包括光伏組件（陣列）、蓄電池、逆變器、控制器。

光伏組件是把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能的裝置；接線箱是匯總太陽(yáng)電池組件的配線，內(nèi)裝有防雷器、回流防止器和開關(guān)等；充電控制器是蓄電池的過(guò)充電保護(hù)裝置；逆變器將直流電轉(zhuǎn)換成220V 50Hz的交流電，內(nèi)裝輸入電壓控制、過(guò)載保護(hù)裝置等；蓄電池是電能儲(chǔ)藏裝置。

公路隧道太陽(yáng)能照明系統(tǒng)研究中照明系統(tǒng)為直流220V供電。因此，其供電系統(tǒng)不需要采用逆變器進(jìn)行直交流轉(zhuǎn)換。選擇太陽(yáng)電池組件時(shí)，要求有一定的標(biāo)稱工作電流、輸出功率，工作壽命為20～30年，要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，能經(jīng)受在運(yùn)輸、安裝和使用過(guò)程中發(fā)生的沖突、振動(dòng)及其他應(yīng)力，組合引起的電性能損失小，成本低。

3 公路照明系統(tǒng)存在的問(wèn)題與措施

（1）LED照明燈的衰減問(wèn)題

照明燈衰減是未來(lái)推廣中需要解決的主要問(wèn)題，將直接影響應(yīng)用成本。LED照明燈的衰減問(wèn)題產(chǎn)生的主要原因有3個(gè)方面：LED自身性能影響；照明燈具污染；照明電路存在一定的缺陷。

為解決這些問(wèn)題，提高公路隧道LED照明燈的使用壽命，要做到以下幾點(diǎn)：首先，通過(guò)應(yīng)用中不斷試驗(yàn)、觀測(cè)及比選，選擇最適宜公路隧道照明系統(tǒng)的應(yīng)用LED產(chǎn)品；然后，通過(guò)觀測(cè)照度的變化，排除其他造成衰減的因素，確定污染造成的LED照明亮度的衰減周期，進(jìn)行定期清洗；最后，通過(guò)電路散熱、穩(wěn)流等電路的不斷改進(jìn)，保持LED的穩(wěn)定性，提高使用周期。

LED管芯結(jié)溫超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)限定值，將導(dǎo)致不可恢復(fù)性光強(qiáng)衰減。為解決這一問(wèn)題，從電路設(shè)計(jì)和布局著手研究，提出合理的設(shè)計(jì)方案，以促進(jìn)LED保持在良好的工作狀態(tài)，延長(zhǎng)LED使用壽命；另外，采用智能控制系統(tǒng)控制LED的點(diǎn)亮?xí)r間，從而延長(zhǎng)其使用時(shí)間。

（2）智能控制系統(tǒng)

智能控制系統(tǒng)直接影響太陽(yáng)能供電系統(tǒng)匹配，影響其建設(shè)成本。LED照明燈與高壓鈉燈相比，能夠減少將近60%的公路隧道太陽(yáng)能照明系統(tǒng)電能損耗，降低太陽(yáng)能供電系統(tǒng)成本。但要實(shí)現(xiàn)公路隧道太陽(yáng)能照明系統(tǒng)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用，需進(jìn)一步降低其使用成本，改進(jìn)智能控制系統(tǒng)控制時(shí)間、對(duì)象，與太陽(yáng)供電系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合、共同控制，可實(shí)現(xiàn)減少公路隧道照明系統(tǒng)用電成本，并降低供電系統(tǒng)成本，從而為減少建設(shè)成本奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

（3）公路隧道太陽(yáng)能照明系統(tǒng)缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)

不同公路等級(jí)LED照明光源適宜的照度值、布設(shè)最佳間距和LED光源器件選擇等標(biāo)準(zhǔn)的制定將影響照明燈具的使用壽命，影響太陽(yáng)能供電系統(tǒng)的合理匹配。目前，國(guó)內(nèi)缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)法衡量LED照明燈具是否符合照明要求。

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