城市隧道照明系統(tǒng)的研究

劉燕娟 楊和良 劉優(yōu)明

（廣東德洛斯照明工業(yè)有限公司佛山分公司，廣東 佛山 528000）

0 引言

電力電子技術(shù)的發(fā)展以及LED照明和新能源的大規(guī)模應(yīng)用，使直流電重新回到人們的視野，用電設(shè)備的結(jié)構(gòu)在發(fā)生變化，很多主流電機(jī)應(yīng)用，例如空調(diào)、冰箱的壓縮機(jī)都需要變成直流變頻后使用才能更加高效。消費(fèi)型電子（如LED電視機(jī)、電腦、手機(jī)）用的都是3.3V～48V的直流。越來(lái)越多的數(shù)據(jù)中心也開(kāi)始采用直流供電系統(tǒng)[1]。LED照明的直流化供電已經(jīng)在樓宇建筑照明等地方使用。而該文將闡述LED照明的直流化供電在城市隧道照明系統(tǒng)中的應(yīng)用。

城市隧道照明不同于高速隧道，城市交通隧道因?yàn)槲挥诔鞘袃?nèi)及周邊，一般車(chē)流、人流量都比較大，在地勢(shì)位置上看通常也處于低洼地帶，在下雨時(shí)也會(huì)出現(xiàn)水淹現(xiàn)象；因此，對(duì)城市內(nèi)的隧道照明系統(tǒng)提出了更高的要求[2-3]：1）安全性。城市隧道交通由于所處的地理位置決定了人車(chē)混合的地帶且通常在下雨時(shí)可能出現(xiàn)漏水甚至水淹的現(xiàn)象，因此用電安全在城市隧道中遠(yuǎn)遠(yuǎn)比高速隧道要求高得多，以解決復(fù)雜的環(huán)境因素帶來(lái)的危害性。2）可靠性。交通流量大是城市隧道中一大特點(diǎn)，在當(dāng)前正常的隧道照明中都會(huì)因?yàn)樗淼纼?nèi)可視性差，降低車(chē)速，造成擁堵情況，可預(yù)見(jiàn)若照明系統(tǒng)不可靠的情況下所帶來(lái)的后果更是讓駕駛員無(wú)所適從，因此，相比之下可靠性也提出了更高的要求。3）舒適性。道路交通安全事故的原因是路面情況復(fù)雜，給駕駛員視覺(jué)與心理上造成不良影響，駕駛員不能及時(shí)作出判斷與決策，大大增加了行車(chē)安全風(fēng)險(xiǎn)的概率。具備良好的照明可以讓駕駛員快速識(shí)別隧道內(nèi)的狀況，因此城市隧道照明的舒適性也決定著行車(chē)安全性以及行車(chē)通行效率。

上述的安全性、可靠性、舒適性相對(duì)高速隧道而言都提出了更高的要求，而目前我國(guó)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》JTGT D702-02-2014中的各項(xiàng)條款都是基本門(mén)檻，只能在城市隧道中達(dá)到合格照明的目的，不能在城市隧道的復(fù)雜環(huán)境中起到為公眾保駕護(hù)航的作用，因此，提高城市隧道照明系統(tǒng)的安全性、可靠性及舒適性是目前城市交通亟需解決的問(wèn)題。

1 城市隧道照明系統(tǒng)的構(gòu)架

1.1 城市隧道照明系統(tǒng)圖

圖1為城市隧道照明系統(tǒng)圖，由箱式變壓器輸出AC380V的電源提供到集中式直流供電柜，集中式直流供電柜將其轉(zhuǎn)換為DC280V的高壓直流電，然后再經(jīng)由原有配電線路供電到終端燈具；集中式供電柜內(nèi)置有監(jiān)控單元，監(jiān)視與控制各個(gè)終端燈具，還可以由GPRS模塊或4G模塊與上一級(jí)的云服務(wù)器進(jìn)行監(jiān)控管理，以實(shí)現(xiàn)遙信、遙測(cè)、遙控功能，在監(jiān)控中心可實(shí)時(shí)監(jiān)控所有照明終端設(shè)備的狀況，同時(shí)也支持用戶(hù)使用移動(dòng)終端遠(yuǎn)程進(jìn)行監(jiān)控作業(yè)：用戶(hù)可結(jié)合地圖顯示功能，實(shí)現(xiàn)LED燈具運(yùn)營(yíng)狀況及資產(chǎn)的可視化管理提高LED燈具信息化管控水平和維護(hù)效率，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)真正意義上的按需供電。

圖1 城市隧道照明系統(tǒng)圖

城市隧道照明系統(tǒng)，為了提高安全性及可靠性，更適合采用直流供電系統(tǒng)方式，系統(tǒng)由AC-DC的集中式直流供電柜輸出DC280V的電源給高壓直流燈具。直流供電系統(tǒng)具備以下傳統(tǒng)供電方式所無(wú)法達(dá)到的安全性及可靠性：1）傳統(tǒng)交流供電干線采用三相四線（三火一零）或三相五線（三火一零一地）供電方式，當(dāng)三根火線中的任意一根發(fā)生漏電時(shí)，電流通過(guò)人體流入大地，大地與中性點(diǎn)是導(dǎo)通的，形成電流回路，從而發(fā)生觸電傷亡事故。 而隔離型高壓直流集中供電系統(tǒng)采用輸出懸浮不接地模式，直流母線對(duì)地?zé)o電位差，人員觸摸直流電源的任何一極（正極或負(fù)極）都不會(huì)形成電流回路， 當(dāng)單極（正極或負(fù)極）發(fā)生漏電時(shí)，由于直流供電線路正負(fù)極與大地隔離不導(dǎo)通，因此漏電點(diǎn)無(wú)法通過(guò)人體與大地形成回路，不會(huì)發(fā)生漏電事故，因此不會(huì)帶來(lái)觸電傷害。與交流供電方式相比，高壓直流集中供電的方式，大大提高了用電安全性，降低了發(fā)生漏電觸電事故的可能性。 2）考慮到隧道內(nèi)灰塵大，運(yùn)營(yíng)單位會(huì)經(jīng)常對(duì)隧道側(cè)壁及照明燈具進(jìn)行沖洗，極容易造成三根火線中的任意一根火線對(duì)地放生漏電，從而造成隧道內(nèi)的照明燈具頻繁跳閘，對(duì)隧道內(nèi)的行車(chē)安全造成安全隱患，所以選擇高壓直流集中供電的方案，隧道內(nèi)選擇DC280V照明燈具。3）直流輸電不存在磁滯損耗和渦流損耗，線損較小，直流傳輸效率高：相同電壓等級(jí)條件下，直流輸電的功率約為交流輸電功率的1.5倍；直流線路不易產(chǎn)生浪涌電流，用電設(shè)備更安全。4）交流電網(wǎng)用直流隔開(kāi)后，交流電網(wǎng)用直流隔開(kāi)后，由于交流電網(wǎng)接入點(diǎn)變少其短路容量也較小，對(duì)電氣設(shè)備有利，事故停電的影響范圍也較小，提高了電網(wǎng)運(yùn)行的安全性。

1.2 直流供電系統(tǒng)原理

圖2是集中式直流供電柜原理圖，其原理是將電網(wǎng)傳輸來(lái)的交流電經(jīng)集中柜內(nèi)的整流模塊、安全保護(hù)單元、和控制單元對(duì)系統(tǒng)提供經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定、可靠的高壓直流；通過(guò)微機(jī)控制器對(duì)負(fù)載（LED路燈或設(shè)備設(shè)施）狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)、統(tǒng)計(jì)、分析和控制，同時(shí)通過(guò)通信模塊與后臺(tái)系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)功能，是一套對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)施安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、高效、簡(jiǎn)捷的智能管理系統(tǒng)。

圖2 集中式直流供電柜原理圖

集中式直流供電柜功能：1）整個(gè)系統(tǒng)由交流轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的直流系統(tǒng)，照明系統(tǒng)運(yùn)行更穩(wěn)定可靠、三相負(fù)載分配更均衡、控制更簡(jiǎn)潔。2）系統(tǒng)配備有安全保護(hù)單元、過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)熱、漏電檢測(cè)保護(hù)、短路保護(hù)；輸入、輸出防雷，并具備故障消除自動(dòng)恢復(fù)功能。3）高壓直流驅(qū)動(dòng)技術(shù)。LED光源目前都是采用直流驅(qū)動(dòng)方式，現(xiàn)在普遍通過(guò)交流電供到燈具電源端再通過(guò)AC/DC變換器供電給LED光源，而該研究課題中采用配電柜內(nèi)將交流轉(zhuǎn)換為280V的直流，將直流經(jīng)配電線路輸出到DC/DC恒流驅(qū)動(dòng)LED光源。

直流供電的安全性、可靠性、穩(wěn)定性決定了高壓恒流可采用非隔離驅(qū)動(dòng)LED光源，這樣可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到98%，減少能耗的同時(shí)也降低了熱量的產(chǎn)生，延長(zhǎng)了燈具壽命。

圖3中高壓直流驅(qū)動(dòng)LED技術(shù)采用MCU智能化驅(qū)動(dòng)，應(yīng)用互補(bǔ)型兩端恒流源電路實(shí)現(xiàn)恒流功能，晶體管Q1、穩(wěn)壓管VD81和R1構(gòu)成一個(gè)恒流源，此恒流源給穩(wěn)壓管VD82提供穩(wěn)定的工作電流，而晶體管Q2，穩(wěn)壓管VD82和R2構(gòu)成另一個(gè)恒流源共給穩(wěn)壓管VD81穩(wěn)定的工作電流。由于兩個(gè)恒流源互相穩(wěn)定對(duì)方的穩(wěn)壓管工作點(diǎn)，使穩(wěn)定電壓VD81和VD82以及流過(guò)該恒流單元的總電流均不再變化，因此可以保證流過(guò)D1-D80的LED工作電流的恒定，VD1-VD80可以保護(hù)LED的同時(shí)也可以保證某一LED損壞時(shí)整個(gè)電路的依然可以完整工作。而在 MCU邏輯控制適配電壓電路中（圖4），通過(guò)單片機(jī)對(duì)電壓、溫度的判斷可切換LED串聯(lián)數(shù)量來(lái)匹配電網(wǎng)電壓，當(dāng)供電電壓偏低時(shí)，MCU通過(guò)MOS管Q1、Q2、Q3、Q4停止讓D1-D4工作，使LED串的工作電壓匹配輸入電壓，從而使其轉(zhuǎn)換效率最大化，減少發(fā)熱量，進(jìn)一步節(jié)能減排并提升燈具壽命。

圖3 互補(bǔ)型兩端恒流源電路

圖4 MCU邏輯控制適配電壓電路

采用高壓直流驅(qū)動(dòng)具備以下優(yōu)勢(shì)。1） 故障低：與交直流開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換模塊相比，去掉了整流濾波電路，只有直流降壓恒流電路，由兩級(jí)電路變?yōu)橐患?jí)電路，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不受交流大電網(wǎng)不利因素影響，故障率降低，減少維護(hù)費(fèi)用。2） 壽命長(zhǎng)：直流驅(qū)動(dòng)電源沒(méi)有整流濾波電路，無(wú)電解電容，壽命長(zhǎng)，減少設(shè)備更換成本。3） 效率高：交直流開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換效率一般在90%左右（隧道中小功率燈具的驅(qū)動(dòng)電源效率一般在86%左右），直流驅(qū)動(dòng)電源效率最高可做到98%，使用過(guò)程中有效降低電能損耗提高系統(tǒng)的可靠性，減少電費(fèi)支出。4）無(wú)頻閃：安裝交直流開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換模塊的小功率燈具LED燈具存在頻閃現(xiàn)象，而采用直流驅(qū)動(dòng)電源的LED燈具，燈具完全無(wú)頻閃，利于行車(chē)安全。

2 燈具光學(xué)眩光控制技術(shù)

2.1 眩光閾值

閾值增量（threshold increment）是失能眩光的度量。表示為存在眩光源時(shí)，為了達(dá)到同樣看清物體的目的，在物體及其背景之間的亮度對(duì)比所需要增加的百分比。當(dāng)眩光閾值TI越高時(shí)，為看清物體，所需要的背景照明亮度Lav也相應(yīng)增加，因此，解決眩光閾值增量是節(jié)能減排的重要方向，而眩光閾值增量的減少主要是需要減少燈具發(fā)光面的發(fā)光強(qiáng)度，科學(xué)合理地對(duì)LED進(jìn)行精準(zhǔn)控光管理變得尤為關(guān)鍵[4]。

2.2 LED精準(zhǔn)控光技術(shù)

出色的照明設(shè)計(jì)、先進(jìn)的照明設(shè)備，讓人們享受到了照明帶給我們的舒適和便利，而眩光問(wèn)題，一直是個(gè)令人十分頭痛的問(wèn)題。無(wú)眩光光學(xué)設(shè)計(jì)在同等照度下物體可見(jiàn)度以幾何倍提升，因此，無(wú)眩光二次光學(xué)設(shè)計(jì)可極大提高了隧道行車(chē)的安全性和舒適性[5]。

通過(guò)精準(zhǔn)的光學(xué)配光設(shè)計(jì)，增加防眩裝置，將光線偏向順光方向。將眩光閾值增量控制在0%，極大地提高隧道照明的舒適性，減少駕駛過(guò)程中的疲勞，提高行車(chē)安全性。

圖5中將高反射率的PC反射片精準(zhǔn)匹配LED光源位置，確保逆光方向15°～90°無(wú)光線，實(shí)現(xiàn)眩光閾值增量為0%且在中控臺(tái)面反光角度不進(jìn)入駕駛員的視線內(nèi)，真正實(shí)現(xiàn)無(wú)眩光。在順光方向也控制在75°角度內(nèi)，盡量減少對(duì)對(duì)面行車(chē)的影響，提高了隧道行車(chē)的安全性和舒適性。

圖5 LED防眩光二次光學(xué)設(shè)計(jì)原理

3 結(jié)語(yǔ)

該文闡述了一種適用于城市隧道的照明系統(tǒng)，該照明系統(tǒng)主要通過(guò)兩種技術(shù)應(yīng)用的改進(jìn)，讓城市隧道變得更為安全、可靠的同時(shí)提高城市隧道通行率，從而達(dá)到節(jié)能減排的目的。該文主要介紹了集中式高壓直流對(duì)比傳統(tǒng)供電系統(tǒng)的差異化，明確高壓直流供電所帶來(lái)的安全性能，包括對(duì)人、車(chē)、電網(wǎng)及照明燈具都具備安全可靠的性能優(yōu)勢(shì)；然后結(jié)合LED的防眩光精準(zhǔn)控光技術(shù)，解決了順車(chē)方向和對(duì)面車(chē)道眩光問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)低亮度就可以達(dá)到高分辨率的目的，保障隧道行車(chē)安全。