智能功率模塊在公路隧道照明中的應用

周 宏 福

(山西省交通科學研究院,山西 太原 030006)

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智能功率模塊在公路隧道照明中的應用

周 宏 福

(山西省交通科學研究院,山西 太原 030006)

在傳統公路隧道照明系統的基礎上，加裝了智能功率模塊節能設備，并計算分析了IPM節能設備的使用效果和節電率，指出該節能設備真正實現了按需照明的目標，達到了節能減排的要求。

隧道，照明系統，IPM，節能設備

0 引言

隨著全國公路里程的不斷增加，公路隧道的數量越來越多，隧道照明系統的作用也顯得更加重要，它為廣大汽車駕駛人員提供安全、舒適行車環境的同時，也成為隧道機電中能耗較大的一個系統。

按需照明一直是照明科技領域追求的理想形式，由于傳統光源亮度難以控制，而設計時又必須考慮足夠的設計冗余，因此公路隧道普遍存在過度照明、電能浪費巨大的現象，過度照明能耗高達50%以上。本文通過在原有隧道照明系統中加裝智能功率模塊(IPM)節能設備來實現隧道的按需照明，達到節能減排的目的，具有顯著的經濟效益。

1 隧道照明現狀

山西省內某高速公路隧道雙車道單向交通，左洞全長1 160 m，右洞全長1 285 m，原照明系統采用照度反饋控制，根據外界環境的照度，采用分級調光方式，分為晴天/云天/陰天/重陰天/夜間/深夜6個回路來調節燈具的開閉，這種方法只分到6級，即白天4級，夜晚2級。這種簡單分級方式存在較為嚴重的過度照明，造成照明電能的較大浪費。

根據《公路隧道照明設計細則》，入口段亮度可按式(1)計算：

Lth1=k×L20(S)

(1)

其中，Lth1為入口段亮度，k為入口段亮度折減系數，L20(S)為洞外亮度[1]。在隧道照明設計時，要求按照夏天中午時的最大洞外亮度取值，進行加強照明的亮度計算，并考慮到足夠的冗余，以確保運營期間的每一天且燈具的亮度衰減到額定值的下限時，洞內照明強度依舊能夠滿足規范要求。

在實際運營期間，洞外亮度會隨著季節、天氣和時辰等因素的變化不停的變化，即式(1)中的L20(S)時刻在變化，它會從幾十坎德拉變化到幾千坎德拉。L20(S)變化了，Lth1也應隨之變化，這種照明方式才是合理的。如果L20(S)變化而Lth1不變或者僅簡單

地分幾個等級進行變化，都會造成巨大的電能浪費[2]。圖1表示出了白天隧道洞外亮度的變化情況。

2 原有照明系統加裝IPM節能設備

2.1 IPM節能設備安裝方案

針對該高速公路隧道照明系統的實際情況，加裝IPM節能設備來解決白天亮度控制粗放，浪費電能的問題。

1)在不改造現有柜體的情況下進行改造。在不改動現有柜體內部結構的情況下，需要將隧道的2個照明開關柜下面主回路的每個支路配電箱(除了EPS和UPS之外)下安裝一套IPM節能設備，如圖2，圖3所示。

2)對現有柜體進行部分改造的情況下進行改造。考慮到空間限制或者設備使用效率等問題，可以對現有照明開關柜的主配電回路進行部分改造，把能合并的幾個回路合并成一個大的支路，送至IPM后再由IPM根據需要進行回路再分配，如圖4，圖5所示。

2.2 IPM節能設備控制方案

根據式Lth1=k×L20(S)，洞外亮度L20(S)和入口段亮度Lth1成正比例變化，這就意味著隧道洞內加強段的照明亮度是需要根據洞外的自然光的明暗變化進行實時調整的。實際設計中由于考慮到使用系數0.9和維修系數0.7，導致在白天的照明投入功率過高，達到夏至正午最高亮度所需功率的1/0.9/0.7=1.58倍，造成了電能的大量浪費，該隧道屬于新開通的隧道，這種照明功率浪費的情況尤為嚴重，白天照明預計能達到60%左右。加裝了IPM節能設備后，將會使得隧道內照明所需的亮度與洞外亮度檢測儀檢測到的自然光線進行實時匹配，無極調光，按需照明，去除晴天/陰天/云天/重陰天的檔位變化，只保留白天/夜晚兩個檔位。白天根據洞口的自然光線進行無極調光照明，夜晚分回路恒定照明。綜合節電率前兩年在理論上能達到50%左右，兩年以后，考慮燈具光衰的影響，節電率也能達到30%左右。

圖6表示出了隧道現有分級調光模式與加裝IPM節能裝置進行無級調光后的調光功率、能耗對比。從圖6中可以看出，深灰色和淺灰色填充部分為隧道照明實際需要的功率，而其上部的點狀填充部分即為隧道照明浪費掉的電能，由圖6可知，不加裝IPM節能設備前，隧道照明全天浪費的電能可達到60%以上，節能空間是非常大的。

3 IPM節能設備的使用效果

1)IPM節能設備去除了30%的照明冗余。IPM通過減少照明燈具的功率，使得新燈具在照度衰減前的冗余照度得到控制(維護系數0.7)，避免隧道新開通的前兩年中燈具過亮，浪費電能，僅這一項估計會在前兩年之內綜合節電30%。

2)IPM通過對照度的控制節電。IPM根據隧道外洞外亮度調整洞內燈具的輸出功率，達到在陰天和云天雨天節電的目的。而且因為是整體調節亮度，避免了原有控制方式的部分回路燈具關閉時產生頻閃效應，影響駕駛員的行車安全等問題出現。

3)IPM通過穩壓來節電。原照明設計方案中，夜間燈具使用量減少，變壓器負載降低，出現變壓器供電電壓過高的情況，甚至有時電壓能升到240 V以上。在這種電壓下，燈具的壽命會大幅折減，幾乎不足額定壽命的30%，同時也會造成電能的浪費，而IPM節能設備的穩壓作用會保持照明電壓在夜間恒定為220 V或更低的設定電壓，達到保護燈具和節能的效果。

4)IPM減小了照明系統的諧波。IPM通過降壓亦可減少10%～30%的照明系統諧波電流，降低諧波造成的變壓器噪聲、溫升和線損及對線路內其他設備的干擾等問題。

4 IPM的綜合節電率計算

按照山西省的歷史氣象數據進行估算，每天晴天取8 h，陰天、云天、重陰天取4 h，夜晚和深夜各取6 h計算，則現有的照明電能使用情況如表1，表2所示。

表1 隧道左洞照明功耗統計表

表2 隧道右洞照明功耗統計表

由表1，表2可以計算出該隧道每年的總耗電量達到55萬度左右(注：這里沒有把鎮流器消耗的功率計算在內)。經過前面的分析可知，IPM節能設備會根據洞外的自然光照條件實時調整照明功率，預計IPM節能設備投入使用后的前兩年，綜合節電率可以達到50%，兩年以后也可達到30%以上。

下面是使用IPM節能設備后對節能率的計算以及經濟效益分析：

晴天隧道照明投入功率為：0.5×(56.2+53.8)=55 kW。

陰天隧道照明投入功率為：0.5×(35.7+33.3)=34.5 kW。

夜間隧道照明投入功率可以考慮通過IPM調光減小維護系數造成的光衰，按照節能30%計算，則實際投入功率為0.7×(18.3+19.1)=26.18 kW。

深夜隧道照明投入功率為：0.7×(10.8+10.4)=14.84 kW。

一天的耗電量為各個時段內的功耗之和：55×8+34.5×4+26.18×6+14.84×6=824.12 kWh。

全年的耗電量為：824.12×365=300 804 kWh。

全年節能量為：548 814-300 804=248 010 kWh。

相對于未投入之前的綜合節能率為：248 010/548 814=45.2%。

按照每度電1.0元計算，每年可以節約電費為：248 010×1.0=248 010元。

IPM節能設備總投資為36萬元左右，可知只需要不到兩年即可收回投資，如果采用第二種改造方案，設備投入費用將會更低。在IPM節能設備使用壽命的8年內，每年可以實現至少30%的節能收益。

5 結語

本文對山西境內某高速公路隧道的照明系統進行了節能改造設計。在原有照明開關柜中增加了IPM節能設備，把原有的照明控制方式從分級調光優化成無級調光，解決了傳統照明燈具的亮度不可控的問題，實現了隧道的按需照明，在保證行車安全的前提下，最大限度的降低了能耗。

[1] JTG/T D70/2—01—2014,公路隧道照明設計細則[S].

[2] 韓 直.公路隧道LED照明調光控制技術研究[J].中國交通信息產業，2009(10)：99.

Application on intelligent power model in highway tunnel lighting

Zhou Hongfu

(ShanxiAcademyofTrafficScience,Taiyuan030006,China)

Based on traditional highway tunnel lighting system, the paper assembles intelligent power model energy saving equipment, calculates and analyzes using effect and energy saving rate of IPM energy saving equipment, and finally points out that: the above-mentioned energy saving equipment really realizes the goals of lighting according the need and achieves the energy saving and emission reducing demands.

tunnel, lighting system, IPM, energy saving equipment

2016-11-22

周宏福(1986- )，男，工程碩士，工程師

1009-6825(2017)04-0211-03

TU113.665

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