公路隧道照明設計

李國威

（河北路橋集團第一工程有限公司，河北 邢臺 054000）

我國山地眾多，幅員遼闊，為縮短公路里程，提高運輸效益，節省用地和保持生態環境，公路建設中越來越重視隧道建設。公路隧道功能具有的特殊性，決定了其建設的復雜性。照明系統是隧道機電工程中最重要的設施之一，也是整個隧道機電工程總投資最大的一個系統。公路隧道照明，不論白天還是夜間都很重要，并且白天照明問題比夜間更復雜。為滿足公路隧道的運行要求，隧道燈具應適應公路隧道使用特點，節約能源，提高照明效果，保證行車安全性、舒適性，并能有效地進行運營管理。

隨著我國公路建設的快速延伸，地形復雜、人口稀少地區電力資源貧乏，電力成本巨大的問題日益突出，尤其是公路隧道照明系統的供電問題更趨嚴重。依據國家規范，400m以上的公路隧道需設照明設施，因此，開發一種既可降低工程造價，又能降低運營管理成本的適應此發展需求的公路隧道太陽能照明系統顯得十分迫切，而了解國內外關于公路隧道照明系統的使用現狀，對于開發公路隧道太陽能照明系統，具有重要的指導意義。

1 公路隧道照明燈具研制及隧道照明設計現狀

目前，全國已建和在建公路隧道已達1000多km，并仍處于快速發展中。但公路隧道中安裝照明系統的非常少，大都不設置照明或設置了照明系統卻并不使用，因此，照明質量非常低。

1.1 公路隧道照明燈具

我國公路隧道照明燈具研制起步較晚，基礎較差，特別是針對隧道照明燈具要求和特性方面的深入研究極其缺乏，設計、制造的燈具與國外存在較大差距。近年來，雖然復旦大學、上海燈具研究所、重慶交通科研設計院、浙江交通規劃設計院等少數單位擁有相應的研究條件和一定的試驗設備，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設備，自主開發隧道燈具能力差。國內隧道燈具廠多為小廠或主要從事其他領域照明器材生產，技術、工藝和裝備落后，生產分散，專業化水平低，效益不高。

另外，在公路隧道燈具的開發方面也缺乏足夠的認識和必要的投入，與國外照明電器工業生產集中度相比，遠未達到應有的經濟規模。國內使用的隧道燈具大多存在光帶窄、配光質量不夠、能耗高、質量穩定性差、壽命短、檔次不高等問題，直接導致公路隧道照明效果不佳，不能滿足公路隧道照明要求，嚴重影響行車安全性。

1.2 隧道照明設計

隧道照明的光源，應滿足隧道特定環境下的光效、光通量、壽命、光色和顯色性要求，同時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實現。公路隧道一旦投入使用，正常狀態下照明系統幾乎處于長期點亮狀態，因此，選擇一種適宜的光源，是隧道照明的重要環節。

公路隧道照明，通常依據現行規范把隧道分為入口段、過渡段、中間段和出口段進行設計，其中過渡段有兩個，分別設計在中間段前后。各段的長度和照度的設計是從全年行車安全要求出發，洞內最大照度的設計是以全年洞外最大亮度和最高行車時速來確定隧道內各段的燈具功率和燈具分布密度。所實現的照明自動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級人工或自動控制。對于如天氣、車速、車流量等參數，只是在設計階段予以最大值考慮。最終，各段照明的長度和照度也始終處于最大值狀態。由于利用天氣、車速、車流量等時變參數，無法從宏觀上對整個隧道的照明系統進行自適應方式的調節控制。因此，從這一點上講，目前這種傳統的設計與使用隧道照明系統存在著大量的電能浪費問題。

2 照明系統方案

2.1 電路設計

在電路設計過程中，綜合點光源疊加后電壓、電流影響、亮度水平、照明穩定性等諸多因素，研究合理匹配電路，以實現減低功耗，提高光效的目的。

研究保護電路，減少LED串聯、并聯引起的多點損壞。LED點陣布設是多個LED通過串聯、并聯組成的陣列，在使用過程中，只要有一個LED短路或開路，都會導致整條或多個LED熄滅。

分析電路設計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。LED管芯結溫超過標準限定值，將導致不可恢復性光強衰減。為解決這一問題，從電路設計和布局著手進行研究，并提出合理的設計方案，以促進LED保持良好的工作狀態，延長使用壽命。

研究交/直流電源對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的合適驅動電路。LED點陣布設由多個LED管組成，在使用中，偶爾會因能量集中而燒壞部分LED，合適的驅動電路可以在一定程度上減輕相關現象的發生。

電路上改進，既解決了散熱問題，又使其工作電流比原設計方案降低了近10mA，整個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能供電系統低成本應用成為可能。

2.2 照明燈具設計

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。由于不同場所對燈具的要求不同（如在公路隧道中，要求燈具具有較強的耐腐蝕性，不易老化，防潮、防噴流），因此，照明燈具設計要從3個方面入手：一方面要解決電路板安裝及拆卸的方便性問題；另一方面，針對走線、散熱、防潮性能進行設計；最后是透光材料的選擇。從而使研制的照明燈具能夠達到安全防護等級，散熱良好，拆卸比較方便，滿足使用要求。

2.3 太陽能供電系統方案設計

光伏發電根據當地太陽能資源實現，同時，對照明系統進行智能控制，以降低功耗，從而為解決太陽能供電系統在特定時間內的嚴重虧電問題奠定基礎。

太陽能供電系統主要包括光伏組件（陣列）、蓄電池、逆變器、控制器。

光伏組件是把太陽能轉換成電能的裝置；接線箱是匯總太陽電池組件的配線，內裝有防雷器、回流防止器和開關等；充電控制器是蓄電池的過充電保護裝置；逆變器將直流電轉換成220V 50Hz的交流電，內裝輸入電壓控制、過載保護裝置等；蓄電池是電能儲藏裝置。

公路隧道太陽能照明系統研究中照明系統為直流220V供電。因此，其供電系統不需要采用逆變器進行直交流轉換。選擇太陽電池組件時，要求有一定的標稱工作電流、輸出功率，工作壽命為20～30年，要有足夠的機械強度，能經受在運輸、安裝和使用過程中發生的沖突、振動及其他應力，組合引起的電性能損失小，成本低。

3 公路照明系統存在的問題與措施

（1）LED照明燈的衰減問題

照明燈衰減是未來推廣中需要解決的主要問題，將直接影響應用成本。LED照明燈的衰減問題產生的主要原因有3個方面：LED自身性能影響；照明燈具污染；照明電路存在一定的缺陷。

為解決這些問題，提高公路隧道LED照明燈的使用壽命，要做到以下幾點：首先，通過應用中不斷試驗、觀測及比選，選擇最適宜公路隧道照明系統的應用LED產品；然后，通過觀測照度的變化，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，進行定期清洗；最后，通過電路散熱、穩流等電路的不斷改進，保持LED的穩定性，提高使用周期。

LED管芯結溫超過標準限定值，將導致不可恢復性光強衰減。為解決這一問題，從電路設計和布局著手研究，提出合理的設計方案，以促進LED保持在良好的工作狀態，延長LED使用壽命；另外，采用智能控制系統控制LED的點亮時間，從而延長其使用時間。

（2）智能控制系統

智能控制系統直接影響太陽能供電系統匹配，影響其建設成本。LED照明燈與高壓鈉燈相比，能夠減少將近60%的公路隧道太陽能照明系統電能損耗，降低太陽能供電系統成本。但要實現公路隧道太陽能照明系統的進一步推廣應用，需進一步降低其使用成本，改進智能控制系統控制時間、對象，與太陽供電系統有機結合、共同控制，可實現減少公路隧道照明系統用電成本，并降低供電系統成本，從而為減少建設成本奠定堅實的基礎。

（3）公路隧道太陽能照明系統缺乏統一標準

不同公路等級LED照明光源適宜的照度值、布設最佳間距和LED光源器件選擇等標準的制定將影響照明燈具的使用壽命，影響太陽能供電系統的合理匹配。目前，國內缺乏統一的標準，無法衡量LED照明燈具是否符合照明要求。

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