試論直流供電技術在高速公路隧道照明上的應用

孫星亮

摘要：隨著國家節能減排和綠色公路建設的推進，在高速公路采用新型可靠性節能技術已在為提升高速公路綠色品質的關鍵核心。在“十二五”公路節能領域，公路交通機電系統的節能與安全技術得到了快速的發展，但尚未對公路沿線供電系統進行深入研究，特別是隧道供電系統。本文介紹了直流供電照明系統的組成，論證該系統的可靠性，以及在高速公路隧道中的技術應用。

關鍵詞：直流供電;高速公路;隧道;照明

照明系統是隧道機電工程的重要組成部分，對保障隧道內交通運營安全，美化隧道內交通運營環境起到至關重要的作用。因高速公路行車速度較快，一般>100km/h，對光線強度及其變化要求非常高。而隧道環境因受到汽車尾氣、塵埃、潮濕及化學腐蝕的影響，電氣設備運行環境非常惡劣，如何確保照明設備抗干擾強，可以安全穩定運行，進而確保行車安全，具有非常重要的意義。

1.直流供電技術

隨著現代電力電子技術的發展和人們對安全和效率的追求，交流電網的缺點又變得突出起來。首先是電網的穩定性問題。為保證電網的穩定，需要許多特殊設備，經濟成本很高。其次，交變電路不僅有電阻還有電感和電容。例如在輸送50HZ的大功率電力時，當輸電導線面積超過95mm2時，線路感抗就已超過阻抗，造成損耗大大增加。

盡管高壓直流輸電的優勢已經體現并得到應用，但目前低壓線路仍采用交流輸配電。目前在大部分電機類設備中，變頻調速開始變得普及。變頻器的典型的電力設備，其原理主要是AC-DC-AC的轉換過程，也就是說中間真正需要的是直流電流;隨著LED照明燈具的普及，隧道越來越多地采用LED作為節能型照明光源，其本身必須使用直流電源?，F行的交流供電呈現出越來越多的問題，如：（1）增加設備的成本。為了高效使用電能或提高設備的性能，在傳統負載面前都加有電子設備，所有這些設備都是用橋式整流電路將交流整成直流后，再送給后面的電路去實現所需的功能，此部分不僅是浪費，而且還會產生諧波污染。（2）增加損耗。電機類感性設備都會在線路上產生無功損耗。此外橋式整流器件會產生1%（對220V供電標準）的熱損耗。此外為生產這些整流器件的消耗也非常驚人。（3）增加設備和線路的絕緣成本。由于交流電的性質，線路和用電設備的絕緣在同樣電壓等級下，交流電的絕緣電壓是直流電的140%，因此，在傳輸相同功率的電能時，用于絕緣的費用遠高于直流。

2.高速公路隧道直流照明應用

2.1隧道直流照明說明

在隧道這個特殊照明應用中，照明與供配電卻面臨的維修難、高耗電等痛點問題，而且因基本都屬于無人值守，自動控制/遠程人工成為了迫切需求;基于此，直流供電照明技術的出現，可實現供電方式的進一步節能，減少燈具因交直流轉換過程帶來的電能損耗，和使用壽命降低。通過提升照明設備的使用壽命和穩定性，提高控制相應及時性，以及減少線路燈輔材的損耗和維護成本。

2.2核心關鍵技術

隧道LED智能直流照明系統，具有豐富的智能策略控制，可按需進行智能調控，減少光污染、減少碳排放量的同時，節省電費。相較傳統照明可以節約能耗約65%以上;而且系統可結合地圖顯示功能，實現LED 路燈運營狀況，及資產的可視化管理，提高 LED 路燈信息化管控水平和維護效率，并提供各類使用報表分析;也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，實現真正意義上的智能照明。

隧道LED智能直流照明系統設計了專門的電源模塊和機械構造，以適應隧道復雜多變的自然環境和惡劣的供電環境。即使在炎熱的南方和寒冷的北方地區都能安全可靠的常年運行。系統具有GPRS無線通信功能，使得用戶能夠及時方便的知曉系統的工作狀況，便于及時發現問題，有助于故障的及時排除。系統采用下出線接線方式，大大方便了使用者的使用與維護。

隧道LED智能直流照明系統采用通信用高壓直流模塊，具有效率高，高可靠性優點。而AC/DC地面集中電源柜，具有高效、高功率因子、IP55外殼防護等級、易于維護等功能。燈桿驅動單元DC/DC采用長效電解電容設計，高可靠壽命長，維護成本低。監控CSU單元，通過該控制單元實現系統的控制與遠距調光功能。不需ZigBee 或PLC，DC電壓調變即可調光。較ZigBee 或PLC模塊調光更穩定抗擾。

2.3技術路線

隧道LED智能直流照明系統采用如下圖所示技術路線：

隧道LED智能直流照明系統采用了適用于各種戶外環境機械構造和惡劣供電條件的電氣結構，可以常年可靠的在戶外安全運行。本系統包括AC/DC電源模塊、12分路負載空開（最大配置）、12分路負載接觸器（最大配置）、交流防雷、直流輸出分路防雷、交流配電、直流配電、控制單元、液晶顯示、故障聲光告警、模擬量輸入接口、通訊接口、風扇和門禁等部分。系統具有良好的用戶界面，可以在本地和遠程配置各個分路的參數，并可完成LED路燈的手動或自動調光功能。系統采取了模塊化設計，使維修更換簡單。

隧道LED智能直流照明系統的前段供電，是先將三相380V市電轉換為250V高壓直流，然后再經由配電線路供電到燈桿單元。燈桿單元內部的直流-直流驅動器則負責將250V高壓直流變換為LED燈所需的電源，以實現照明和調光的功能。智能直流供電系統內置有監控單元，可經由輸出線路載波和各個燈桿單元通訊，也可利用CAN總線和冗余電源模塊通訊，還可以由GPRS模塊和上一級的監控設備通訊，以實現遙信、遙測、遙控功能。

基于地圖模式的后臺管理平臺，可實現遠程對整個系統的完全監控和運營維護管理工作。

2.4直流照明應用方案

根據隧道不同機電設備的特點，研究采用直流供電模式下設備的AC/DC模塊，分路負載空開等適應性配置規格，并設計系統的用戶界面，保障在直流供電系統可以在本地和遠程配置各個分路的參數，并完成對應設備的模塊化設計便于后續運營維護。研究直流供電模式下將三相380V市電轉換為250V或220V直流的配電線路的優化設計以及穩壓設計，實現隧道機電直流供電的高可靠性方案。

結合智慧隧道的智能化運營要求，設計直流供電系統的內置監控單元，研究采和輸出線路載波或CAN總線及冗余電源模塊通訊，以GPRS模塊和上一級的監控設備通訊，實現智慧隧道不同機電設備直流供電的遙信、遙測和遙控功能，提高隧道供電智慧化運營管理水平。

3.結束語

隧道LED智能直流照明系統，具有豐富智能策略控制，可按需智能調控，減少光污染、減少碳排放量的同時，節省電費。相較傳統照明綜合節能率至少可在70%以上;而且系統可結合地圖顯示功能，實現LED 路燈運營狀況，及資產的可視化管理，提高 LED 路燈信息化管控水平和維護效率，并提供各類使用報表分析;也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，實現真正意義上的智能照明。

【參考文獻】

[1]宋常玉.公路隧道照度檢測方法探討[J].交通世界，2018（14）：119-122.

[2]徐東生.高速公路隧道照明與節能方案探析[J].中國交通信息化，2018（01）：121-128.