試論直流供電技術(shù)在高速公路隧道照明上的應(yīng)用

孫星亮

摘要：隨著國(guó)家節(jié)能減排和綠色公路建設(shè)的推進(jìn)，在高速公路采用新型可靠性節(jié)能技術(shù)已在為提升高速公路綠色品質(zhì)的關(guān)鍵核心。在“十二五”公路節(jié)能領(lǐng)域，公路交通機(jī)電系統(tǒng)的節(jié)能與安全技術(shù)得到了快速的發(fā)展，但尚未對(duì)公路沿線供電系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，特別是隧道供電系統(tǒng)。本文介紹了直流供電照明系統(tǒng)的組成，論證該系統(tǒng)的可靠性，以及在高速公路隧道中的技術(shù)應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：直流供電;高速公路;隧道;照明

照明系統(tǒng)是隧道機(jī)電工程的重要組成部分，對(duì)保障隧道內(nèi)交通運(yùn)營(yíng)安全，美化隧道內(nèi)交通運(yùn)營(yíng)環(huán)境起到至關(guān)重要的作用。因高速公路行車(chē)速度較快，一般>100km/h，對(duì)光線強(qiáng)度及其變化要求非常高。而隧道環(huán)境因受到汽車(chē)尾氣、塵埃、潮濕及化學(xué)腐蝕的影響，電氣設(shè)備運(yùn)行環(huán)境非常惡劣，如何確保照明設(shè)備抗干擾強(qiáng)，可以安全穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)而確保行車(chē)安全，具有非常重要的意義。

1.直流供電技術(shù)

隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)安全和效率的追求，交流電網(wǎng)的缺點(diǎn)又變得突出起來(lái)。首先是電網(wǎng)的穩(wěn)定性問(wèn)題。為保證電網(wǎng)的穩(wěn)定，需要許多特殊設(shè)備，經(jīng)濟(jì)成本很高。其次，交變電路不僅有電阻還有電感和電容。例如在輸送50HZ的大功率電力時(shí)，當(dāng)輸電導(dǎo)線面積超過(guò)95mm2時(shí)，線路感抗就已超過(guò)阻抗，造成損耗大大增加。

盡管高壓直流輸電的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)體現(xiàn)并得到應(yīng)用，但目前低壓線路仍采用交流輸配電。目前在大部分電機(jī)類設(shè)備中，變頻調(diào)速開(kāi)始變得普及。變頻器的典型的電力設(shè)備，其原理主要是AC-DC-AC的轉(zhuǎn)換過(guò)程，也就是說(shuō)中間真正需要的是直流電流;隨著LED照明燈具的普及，隧道越來(lái)越多地采用LED作為節(jié)能型照明光源，其本身必須使用直流電源?，F(xiàn)行的交流供電呈現(xiàn)出越來(lái)越多的問(wèn)題，如：（1）增加設(shè)備的成本。為了高效使用電能或提高設(shè)備的性能，在傳統(tǒng)負(fù)載面前都加有電子設(shè)備，所有這些設(shè)備都是用橋式整流電路將交流整成直流后，再送給后面的電路去實(shí)現(xiàn)所需的功能，此部分不僅是浪費(fèi)，而且還會(huì)產(chǎn)生諧波污染。（2）增加損耗。電機(jī)類感性設(shè)備都會(huì)在線路上產(chǎn)生無(wú)功損耗。此外橋式整流器件會(huì)產(chǎn)生1%（對(duì)220V供電標(biāo)準(zhǔn)）的熱損耗。此外為生產(chǎn)這些整流器件的消耗也非常驚人。（3）增加設(shè)備和線路的絕緣成本。由于交流電的性質(zhì)，線路和用電設(shè)備的絕緣在同樣電壓等級(jí)下，交流電的絕緣電壓是直流電的140%，因此，在傳輸相同功率的電能時(shí)，用于絕緣的費(fèi)用遠(yuǎn)高于直流。

2.高速公路隧道直流照明應(yīng)用

2.1隧道直流照明說(shuō)明

在隧道這個(gè)特殊照明應(yīng)用中，照明與供配電卻面臨的維修難、高耗電等痛點(diǎn)問(wèn)題，而且因基本都屬于無(wú)人值守，自動(dòng)控制/遠(yuǎn)程人工成為了迫切需求;基于此，直流供電照明技術(shù)的出現(xiàn)，可實(shí)現(xiàn)供電方式的進(jìn)一步節(jié)能，減少燈具因交直流轉(zhuǎn)換過(guò)程帶來(lái)的電能損耗，和使用壽命降低。通過(guò)提升照明設(shè)備的使用壽命和穩(wěn)定性，提高控制相應(yīng)及時(shí)性，以及減少線路燈輔材的損耗和維護(hù)成本。

2.2核心關(guān)鍵技術(shù)

隧道LED智能直流照明系統(tǒng)，具有豐富的智能策略控制，可按需進(jìn)行智能調(diào)控，減少光污染、減少碳排放量的同時(shí)，節(jié)省電費(fèi)。相較傳統(tǒng)照明可以節(jié)約能耗約65%以上;而且系統(tǒng)可結(jié)合地圖顯示功能，實(shí)現(xiàn)LED 路燈運(yùn)營(yíng)狀況，及資產(chǎn)的可視化管理，提高 LED 路燈信息化管控水平和維護(hù)效率，并提供各類使用報(bào)表分析;也可通過(guò)準(zhǔn)確的故障定位，提高人工巡檢效率，從而提高亮燈率，通過(guò)科學(xué)的節(jié)能管理方法，實(shí)現(xiàn)真正意義上的智能照明。

隧道LED智能直流照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)了專門(mén)的電源模塊和機(jī)械構(gòu)造，以適應(yīng)隧道復(fù)雜多變的自然環(huán)境和惡劣的供電環(huán)境。即使在炎熱的南方和寒冷的北方地區(qū)都能安全可靠的常年運(yùn)行。系統(tǒng)具有GPRS無(wú)線通信功能，使得用戶能夠及時(shí)方便的知曉系統(tǒng)的工作狀況，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，有助于故障的及時(shí)排除。系統(tǒng)采用下出線接線方式，大大方便了使用者的使用與維護(hù)。

隧道LED智能直流照明系統(tǒng)采用通信用高壓直流模塊，具有效率高，高可靠性優(yōu)點(diǎn)。而AC/DC地面集中電源柜，具有高效、高功率因子、IP55外殼防護(hù)等級(jí)、易于維護(hù)等功能。燈桿驅(qū)動(dòng)單元DC/DC采用長(zhǎng)效電解電容設(shè)計(jì)，高可靠壽命長(zhǎng)，維護(hù)成本低。監(jiān)控CSU單元，通過(guò)該控制單元實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制與遠(yuǎn)距調(diào)光功能。不需ZigBee 或PLC，DC電壓調(diào)變即可調(diào)光。較ZigBee 或PLC模塊調(diào)光更穩(wěn)定抗擾。

2.3技術(shù)路線

隧道LED智能直流照明系統(tǒng)采用如下圖所示技術(shù)路線：

隧道LED智能直流照明系統(tǒng)采用了適用于各種戶外環(huán)境機(jī)械構(gòu)造和惡劣供電條件的電氣結(jié)構(gòu)，可以常年可靠的在戶外安全運(yùn)行。本系統(tǒng)包括AC/DC電源模塊、12分路負(fù)載空開(kāi)（最大配置）、12分路負(fù)載接觸器（最大配置）、交流防雷、直流輸出分路防雷、交流配電、直流配電、控制單元、液晶顯示、故障聲光告警、模擬量輸入接口、通訊接口、風(fēng)扇和門(mén)禁等部分。系統(tǒng)具有良好的用戶界面，可以在本地和遠(yuǎn)程配置各個(gè)分路的參數(shù)，并可完成LED路燈的手動(dòng)或自動(dòng)調(diào)光功能。系統(tǒng)采取了模塊化設(shè)計(jì)，使維修更換簡(jiǎn)單。

隧道LED智能直流照明系統(tǒng)的前段供電，是先將三相380V市電轉(zhuǎn)換為250V高壓直流，然后再經(jīng)由配電線路供電到燈桿單元。燈桿單元內(nèi)部的直流-直流驅(qū)動(dòng)器則負(fù)責(zé)將250V高壓直流變換為L(zhǎng)ED燈所需的電源，以實(shí)現(xiàn)照明和調(diào)光的功能。智能直流供電系統(tǒng)內(nèi)置有監(jiān)控單元，可經(jīng)由輸出線路載波和各個(gè)燈桿單元通訊，也可利用CAN總線和冗余電源模塊通訊，還可以由GPRS模塊和上一級(jí)的監(jiān)控設(shè)備通訊，以實(shí)現(xiàn)遙信、遙測(cè)、遙控功能。

基于地圖模式的后臺(tái)管理平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的完全監(jiān)控和運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理工作。

2.4直流照明應(yīng)用方案

根據(jù)隧道不同機(jī)電設(shè)備的特點(diǎn)，研究采用直流供電模式下設(shè)備的AC/DC模塊，分路負(fù)載空開(kāi)等適應(yīng)性配置規(guī)格，并設(shè)計(jì)系統(tǒng)的用戶界面，保障在直流供電系統(tǒng)可以在本地和遠(yuǎn)程配置各個(gè)分路的參數(shù)，并完成對(duì)應(yīng)設(shè)備的模塊化設(shè)計(jì)便于后續(xù)運(yùn)營(yíng)維護(hù)。研究直流供電模式下將三相380V市電轉(zhuǎn)換為250V或220V直流的配電線路的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及穩(wěn)壓設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)隧道機(jī)電直流供電的高可靠性方案。

結(jié)合智慧隧道的智能化運(yùn)營(yíng)要求，設(shè)計(jì)直流供電系統(tǒng)的內(nèi)置監(jiān)控單元，研究采和輸出線路載波或CAN總線及冗余電源模塊通訊，以GPRS模塊和上一級(jí)的監(jiān)控設(shè)備通訊，實(shí)現(xiàn)智慧隧道不同機(jī)電設(shè)備直流供電的遙信、遙測(cè)和遙控功能，提高隧道供電智慧化運(yùn)營(yíng)管理水平。

3.結(jié)束語(yǔ)

隧道LED智能直流照明系統(tǒng)，具有豐富智能策略控制，可按需智能調(diào)控，減少光污染、減少碳排放量的同時(shí)，節(jié)省電費(fèi)。相較傳統(tǒng)照明綜合節(jié)能率至少可在70%以上;而且系統(tǒng)可結(jié)合地圖顯示功能，實(shí)現(xiàn)LED 路燈運(yùn)營(yíng)狀況，及資產(chǎn)的可視化管理，提高 LED 路燈信息化管控水平和維護(hù)效率，并提供各類使用報(bào)表分析;也可通過(guò)準(zhǔn)確的故障定位，提高人工巡檢效率，從而提高亮燈率，通過(guò)科學(xué)的節(jié)能管理方法，實(shí)現(xiàn)真正意義上的智能照明。

【參考文獻(xiàn)】

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