智能化隧道高壓直流照明系統研究與經濟分析

田勝利（甘肅紫光智能交通與控制技術有限公司，甘肅 蘭州 730010）

1 引言

現階段隧道照明系統仍然采用傳統高壓經過變電站變為低壓交流，在燈具處通過AC-DC的供電方式；燈具采用直接用LED照明燈替換高壓鈉燈燈具的方式進行改造；由于整套照明系統最終是通過直流供電，如果在供電段進行改造，直接通過直流電源對設備供電，可以從根本上降低燈具的成本和電源的轉化效率，提高隧道照明系統的運行效率。通過對高壓直流供電方式的研究，改變傳統的隧道LED燈具供電方式，對LED隧道照明燈具提供一個穩定、可靠的供電電源，從而提高LED隧道照明燈具的使用壽命，減少燈具的維護量，提高隧道照明系統的技術和運維水平；同時通過對單個燈具運行狀態的檢測，可以提升隧道照明系統管理水平，由現在對照明系統的粗放型管理到精細化管理的進步。

理論需要試驗數據的支撐和驗證，本文通過對G312線平涼公路總段祁家大山隧道進行改造，將原有設計LED隧道照明燈具供電方式改為高壓直流供電模式，采用比較性的方法，即用高壓直流供電方案與普通交流供電方案進行比較，如果系統中采用了同樣的物料或部件，則不進行比較，只比較與供電相關的二者差異的地方。在交流系統中，需要比較的部件就是供電電纜和驅動電源；在直流系統中對應的部件是供電電纜、集中供電電源、直流驅動電源。通過物料比較，可以得出初始成本的比較，然后通過效率的比較，可以得出運營成本的比較。

2 隧道情況

祁家大山隧道總長800m，共有5條照明回路，213盞LED隧道燈具。

3 經濟分析

表1 隧道功率

3.1 建設成本分析

在祁家大山隧道LED照明項目中采用一臺20kW和一臺5kW集中電源。20kW集中電源用于主要照明電源，5kW用于應急照明電源。電源都是為一條800m長的隧道內部照明進行供電。25kW電源的輸出分為四條支路，分別為M1-1，M1-2，M1-3，和M1-4。每條支路都是1100m。5kW電源輸出為一條支路ME1-1，長度也是1100m。各支路上燈具和功率情況如表2所示。

表2 燈具與功率

120W和104W燈具側DC/DC驅動電源效率為94.5%，28W驅動電源效率為89%，估算25kW最大輸出功率時，采用90%作為驅動電源效率，并且假定線路上電纜損耗不超過5%，這樣25kW電源的輸出功率為 Pout，25 =（1920+2544+3760+3704）/90%/（1 ～5%）=13.95kW。用同樣方法計算5kW輸出功率Pout，5=3764/90%/（1 ～ 5%）=4.4kW。

20kW和5kW電源的性能參數如表3所示。

表3 電源比較

從表3可見，其電網接口的性能指標（即功率因數和諧波含量）顯著好于交流方案下的LED照明系統。同時98%的電源轉換效率也明顯高于交流驅動電源內的AC/DC變換部分的效率。原設計電纜如表4。

表4 電纜清單

由于更換LED燈具線纜，故只更換阻燃電力電纜（ZR-YJV-1KV-5×16）、耐火電力電纜（NH-YJV-1KV-5×16）兩種線纜即可，其余線纜不變更。更換線纜數量見表5。

表5 電纜更換清單

故線纜成本約降低30%，但是由于需要增加AC-DC高壓直流設備，預算需要增加，故祁家大山隧道造價成本基本持平。

3.2 運營成本比較

從運營角度來看，單純電費支出高壓直流照明燈具并無顯著電費節約。系統優勢在于燈具維修次數減少，同時在智能化管理方面具有優勢。

表6 運營成本比較

4 系統效率分析

在祁家大山項目中用到的燈具功率為120W，104W，28W。在交流系統中，120W和104W驅動電源的典型效率為90%，28W驅動電源的典型效率為85%。 采用直流供電后，集中電源的效率為98%，120W和104W驅動電源效率為94%，28W驅動電源效率為89%。這樣折合的系統效率對于120W和104W電源為98%×94%=92.1%，對于28W電源為98%×89%=87.2%。比對應的交流電源效率都高了2%以上，也就是說可以從總功率中節省2%以上。

之前提到120W和104W的交流驅動電源效率為90%，28W交流驅動電源效率為85%。從表3可以算出其系統等效效率，即：Eff.ac=11928/（60×120/90%+1 8×104/90%+102×28/85%）=89%取其平均效率約為89%，功率因數典型值為0.95，總輸出功率11928W，交流系統標稱電壓220V，線長1100m，通過表2的公式，可以算出在交流供電條件下，需要的電纜為5×16平方的三相五芯電纜，其壓降比例為5.8%，電纜損耗比例為總功率的4.6%。

表7 功率比較

當采用直流供電方案時，120W和104W的直流驅動電源效率為94.5%，28W直流驅動電源效率為89%。從表3可以算出M1-4和M1-3的系統等效效率為94.5%；M1-2的系統等效效率為：

Eff.dc=（14×120+6×104+50×28）/（（14×120+6×104）/94.5%+50×28/89%）=92%，M1-1的 系 統等效效率為：

Eff.dc=（14×120+6×104+52×28）/（（14×120+6×104）/94.5%+52×28/89%）=92%，把等效效率代入公式，可以計算出每條線路所需的電纜及其壓降比例和損耗比例，計算結果匯總見表7。總體來看能夠節省約2%的電能。

5 結語

從實際項目中的經濟分析可以看出，高壓直流隧道照明系統在祁家大山項目中通過建設期和運維期的經濟效益較好。由于祁家大山隧道為800m短隧道，而高壓直流設備是按照2000m隧道功率進行的配置，節省電纜費用可以與增加的高壓直流變壓器、燈具費用相平，而在后期維護方面應強于交流供電系統，經濟性具有較強的競爭力。