城市隧道照明系統的研究

劉燕娟 楊和良 劉優明

（廣東德洛斯照明工業有限公司佛山分公司，廣東 佛山 528000）

0 引言

電力電子技術的發展以及LED照明和新能源的大規模應用，使直流電重新回到人們的視野，用電設備的結構在發生變化，很多主流電機應用，例如空調、冰箱的壓縮機都需要變成直流變頻后使用才能更加高效。消費型電子（如LED電視機、電腦、手機）用的都是3.3V～48V的直流。越來越多的數據中心也開始采用直流供電系統[1]。LED照明的直流化供電已經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中的應用。

城市隧道照明不同于高速隧道，城市交通隧道因為位于城市內及周邊，一般車流、人流量都比較大，在地勢位置上看通常也處于低洼地帶，在下雨時也會出現水淹現象；因此，對城市內的隧道照明系統提出了更高的要求[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混合的地帶且通常在下雨時可能出現漏水甚至水淹的現象，因此用電安全在城市隧道中遠遠比高速隧道要求高得多，以解決復雜的環境因素帶來的危害性。2）可靠性。交通流量大是城市隧道中一大特點，在當前正常的隧道照明中都會因為隧道內可視性差，降低車速，造成擁堵情況，可預見若照明系統不可靠的情況下所帶來的后果更是讓駕駛員無所適從，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雜，給駕駛員視覺與心理上造成不良影響，駕駛員不能及時作出判斷與決策，大大增加了行車安全風險的概率。具備良好的照明可以讓駕駛員快速識別隧道內的狀況，因此城市隧道照明的舒適性也決定著行車安全性以及行車通行效率。

上述的安全性、可靠性、舒適性相對高速隧道而言都提出了更高的要求，而目前我國執行標準《公路隧道通風設計細則》JTGT D702-02-2014中的各項條款都是基本門檻，只能在城市隧道中達到合格照明的目的，不能在城市隧道的復雜環境中起到為公眾保駕護航的作用，因此，提高城市隧道照明系統的安全性、可靠性及舒適性是目前城市交通亟需解決的問題。

1 城市隧道照明系統的構架

1.1 城市隧道照明系統圖

圖1為城市隧道照明系統圖，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換為DC280V的高壓直流電，然后再經由原有配電線路供電到終端燈具；集中式供電柜內置有監控單元，監視與控制各個終端燈具，還可以由GPRS模塊或4G模塊與上一級的云服務器進行監控管理，以實現遙信、遙測、遙控功能，在監控中心可實時監控所有照明終端設備的狀況，同時也支持用戶使用移動終端遠程進行監控作業：用戶可結合地圖顯示功能，實現LED燈具運營狀況及資產的可視化管理提高LED燈具信息化管控水平和維護效率，可通過準確的故障定位，提高人工巡檢效率，從而提高亮燈率，通過科學的節能管理方法，實現真正意義上的按需供電。

圖1 城市隧道照明系統圖

城市隧道照明系統，為了提高安全性及可靠性，更適合采用直流供電系統方式，系統由AC-DC的集中式直流供電柜輸出DC280V的電源給高壓直流燈具。直流供電系統具備以下傳統供電方式所無法達到的安全性及可靠性：1）傳統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，當三根火線中的任意一根發生漏電時，電流通過人體流入大地，大地與中性點是導通的，形成電流回路，從而發生觸電傷亡事故。 而隔離型高壓直流集中供電系統采用輸出懸浮不接地模式，直流母線對地無電位差，人員觸摸直流電源的任何一極（正極或負極）都不會形成電流回路， 當單極（正極或負極）發生漏電時，由于直流供電線路正負極與大地隔離不導通，因此漏電點無法通過人體與大地形成回路，不會發生漏電事故，因此不會帶來觸電傷害。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，降低了發生漏電觸電事故的可能性。 2）考慮到隧道內灰塵大，運營單位會經常對隧道側壁及照明燈具進行沖洗，極容易造成三根火線中的任意一根火線對地放生漏電，從而造成隧道內的照明燈具頻繁跳閘，對隧道內的行車安全造成安全隱患，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；直流線路不易產生浪涌電流，用電設備更安全。4）交流電網用直流隔開后，交流電網用直流隔開后，由于交流電網接入點變少其短路容量也較小，對電氣設備有利，事故停電的影響范圍也較小，提高了電網運行的安全性。

1.2 直流供電系統原理

圖2是集中式直流供電柜原理圖，其原理是將電網傳輸來的交流電經集中柜內的整流模塊、安全保護單元、和控制單元對系統提供經濟、穩定、可靠的高壓直流；通過微機控制器對負載（LED路燈或設備設施）狀態進行實時檢測、統計、分析和控制，同時通過通信模塊與后臺系統連接，實現遙測、遙信、遙控、遙調功能，是一套對各個環節實施安全、可靠、經濟、高效、簡捷的智能管理系統。

圖2 集中式直流供電柜原理圖

集中式直流供電柜功能：1）整個系統由交流轉變為穩定的直流系統，照明系統運行更穩定可靠、三相負載分配更均衡、控制更簡潔。2）系統配備有安全保護單元、過壓、過流、過熱、漏電檢測保護、短路保護；輸入、輸出防雷，并具備故障消除自動恢復功能。3）高壓直流驅動技術。LED光源目前都是采用直流驅動方式，現在普遍通過交流電供到燈具電源端再通過AC/DC變換器供電給LED光源，而該研究課題中采用配電柜內將交流轉換為280V的直流，將直流經配電線路輸出到DC/DC恒流驅動LED光源。

直流供電的安全性、可靠性、穩定性決定了高壓恒流可采用非隔離驅動LED光源，這樣可以實現轉換效率可達到98%，減少能耗的同時也降低了熱量的產生，延長了燈具壽命。

圖3中高壓直流驅動LED技術采用MCU智能化驅動，應用互補型兩端恒流源電路實現恒流功能，晶體管Q1、穩壓管VD81和R1構成一個恒流源，此恒流源給穩壓管VD82提供穩定的工作電流，而晶體管Q2，穩壓管VD82和R2構成另一個恒流源共給穩壓管VD81穩定的工作電流。由于兩個恒流源互相穩定對方的穩壓管工作點，使穩定電壓VD81和VD82以及流過該恒流單元的總電流均不再變化，因此可以保證流過D1-D80的LED工作電流的恒定，VD1-VD80可以保護LED的同時也可以保證某一LED損壞時整個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），通過單片機對電壓、溫度的判斷可切換LED串聯數量來匹配電網電壓，當供電電壓偏低時，MCU通過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，從而使其轉換效率最大化，減少發熱量，進一步節能減排并提升燈具壽命。

圖3 互補型兩端恒流源電路

圖4 MCU邏輯控制適配電壓電路

采用高壓直流驅動具備以下優勢。1） 故障低：與交直流開關電源轉換模塊相比，去掉了整流濾波電路，只有直流降壓恒流電路，由兩級電路變為一級電路，電路結構簡單，不受交流大電網不利因素影響，故障率降低，減少維護費用。2） 壽命長：直流驅動電源沒有整流濾波電路，無電解電容，壽命長，減少設備更換成本。3） 效率高：交直流開關電源轉換模塊的轉換效率一般在90%左右（隧道中小功率燈具的驅動電源效率一般在86%左右），直流驅動電源效率最高可做到98%，使用過程中有效降低電能損耗提高系統的可靠性，減少電費支出。4）無頻閃：安裝交直流開關電源轉換模塊的小功率燈具LED燈具存在頻閃現象，而采用直流驅動電源的LED燈具，燈具完全無頻閃，利于行車安全。

2 燈具光學眩光控制技術

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，為了達到同樣看清物體的目的，在物體及其背景之間的亮度對比所需要增加的百分比。當眩光閾值TI越高時，為看清物體，所需要的背景照明亮度Lav也相應增加，因此，解決眩光閾值增量是節能減排的重要方向，而眩光閾值增量的減少主要是需要減少燈具發光面的發光強度，科學合理地對LED進行精準控光管理變得尤為關鍵[4]。

2.2 LED精準控光技術

出色的照明設計、先進的照明設備，讓人們享受到了照明帶給我們的舒適和便利，而眩光問題，一直是個令人十分頭痛的問題。無眩光光學設計在同等照度下物體可見度以幾何倍提升，因此，無眩光二次光學設計可極大提高了隧道行車的安全性和舒適性[5]。

通過精準的光學配光設計，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，減少駕駛過程中的疲勞，提高行車安全性。

圖5中將高反射率的PC反射片精準匹配LED光源位置，確保逆光方向15°～90°無光線，實現眩光閾值增量為0%且在中控臺面反光角度不進入駕駛員的視線內，真正實現無眩光。在順光方向也控制在75°角度內，盡量減少對對面行車的影響，提高了隧道行車的安全性和舒適性。

圖5 LED防眩光二次光學設計原理

3 結語

該文闡述了一種適用于城市隧道的照明系統，該照明系統主要通過兩種技術應用的改進，讓城市隧道變得更為安全、可靠的同時提高城市隧道通行率，從而達到節能減排的目的。該文主要介紹了集中式高壓直流對比傳統供電系統的差異化，明確高壓直流供電所帶來的安全性能，包括對人、車、電網及照明燈具都具備安全可靠的性能優勢；然后結合LED的防眩光精準控光技術，解決了順車方向和對面車道眩光問題，實現低亮度就可以達到高分辨率的目的，保障隧道行車安全。