试论直流供电技术在高速公路隧道照明上的应用

摘要：随着国家节能减排和绿色公路建设的推进，在高速公路采用新型可靠性节能技术已在为提升高速公路绿色品质的关键核心。在“十二五”公路节能领域，公路交通机电系统的节能与安全技术得到了快速的发展，但尚未对公路沿线供电系统进行深入研究，特别是隧道供电系统。本文介绍了直流供电照明系统的组成，论证该系统的可靠性，以及在高速公路隧道中的技术应用。

关键词：直流供电;高速公路;隧道;照明

照明系统是隧道机电工程的重要组成部分，对保障隧道内交通运营安全，美化隧道内交通运营环境起到至关重要的作用。因高速公路行车速度较快，一般>100km/h，对光线强度及其变化要求非常高。而隧道环境因受到汽车尾气、尘埃、潮湿及化学腐蚀的影响，电气设备运行环境非常恶劣，如何确保照明设备抗干扰强，可以安全稳定运行，进而确保行车安全，具有非常重要的意义。

1.直流供电技术

随着现代电力电子技术的发展和人们对安全和效率的追求，交流电网的缺点又变得突出起来。首先是电网的稳定性问题。为保证电网的稳定，需要许多特殊设备，经济成本很高。其次，交变电路不仅有电阻还有电感和电容。例如在输送50HZ的大功率电力时，当输电导线面积超过95mm2时，线路感抗就已超过阻抗，造成损耗大大增加。

尽管高压直流输电的优势已经体现并得到应用，但目前低压线路仍采用交流输配电。目前在大部分电机类设备中，变频调速开始变得普及。变频器的典型的电力设备，其原理主要是AC-DC-AC的转换过程，也就是说中间真正需要的是直流电流;随着LED照明灯具的普及，隧道越来越多地采用LED作为节能型照明光源，其本身必须使用直流电源。现行的交流供电呈现出越来越多的问题，如：（1）增加设备的成本。为了高效使用电能或提高设备的性能，在传统负载面前都加有电子设备，所有这些设备都是用桥式整流电路将交流整成直流后，再送给后面的电路去实现所需的功能，此部分不仅是浪费，而且还会产生谐波污染。（2）增加损耗。电机类感性设备都会在线路上产生无功损耗。此外桥式整流器件会产生1%（对220V供电标准）的热损耗。此外为生产这些整流器件的消耗也非常惊人。（3）增加设备和线路的绝缘成本。由于交流电的性质，线路和用电设备的绝缘在同样电压等级下，交流电的绝缘电压是直流电的140%，因此，在传输相同功率的电能时，用于绝缘的费用远高于直流。

2.高速公路隧道直流照明应用

2.1隧道直流照明说明

在隧道这个特殊照明应用中，照明与供配电却面临的维修难、高耗电等痛点问题，而且因基本都属于无人值守，自动控制/远程人工成为了迫切需求;基于此，直流供电照明技术的出现，可实现供电方式的进一步节能，减少灯具因交直流转换过程带来的电能损耗，和使用寿命降低。通过提升照明设备的使用寿命和稳定性，提高控制相应及时性，以及减少线路灯辅材的损耗和维护成本。

2.2核心关键技术

隧道LED智能直流照明系统，具有丰富的智能策略控制，可按需进行智能调控，减少光污染、减少碳排放量的同时，节省电费。相较传统照明可以节约能耗约65%以上;而且系统可结合地图显示功能，实现LED 路灯运营状况，及资产的可视化管理，提高 LED 路灯信息化管控水平和维护效率，并提供各类使用报表分析;也可通过准确的故障定位，提高人工巡检效率，从而提高亮灯率，通过科学的节能管理方法，实现真正意义上的智能照明。

隧道LED智能直流照明系统设计了专门的电源模块和机械构造，以适应隧道复杂多变的自然环境和恶劣的供电环境。即使在炎热的南方和寒冷的北方地区都能安全可靠的常年运行。系统具有GPRS无线通信功能，使得用户能够及时方便的知晓系统的工作状况，便于及时发现问题，有助于故障的及时排除。系统采用下出线接线方式，大大方便了使用者的使用与维护。

隧道LED智能直流照明系统采用通信用高压直流模块，具有效率高，高可靠性优点。而AC/DC地面集中电源柜，具有高效、高功率因子、IP55外壳防护等级、易于维护等功能。灯杆驱动单元DC/DC采用长效电解电容设计，高可靠寿命长，维护成本低。监控CSU单元，通过该控制单元实现系统的控制与远距调光功能。不需ZigBee 或PLC，DC電压调变即可调光。较ZigBee 或PLC模块调光更稳定抗扰。

2.3技术路线

隧道LED智能直流照明系统采用如下图所示技术路线：

隧道LED智能直流照明系统采用了适用于各种户外环境机械构造和恶劣供电条件的电气结构，可以常年可靠的在户外安全运行。本系统包括AC/DC电源模块、12分路负载空开（最大配置）、12分路负载接触器（最大配置）、交流防雷、直流输出分路防雷、交流配电、直流配电、控制单元、液晶显示、故障声光告警、模拟量输入接口、通讯接口、风扇和门禁等部分。系统具有良好的用户界面，可以在本地和远程配置各个分路的参数，并可完成LED路灯的手动或自动调光功能。系统采取了模块化设计，使维修更换简单。

隧道LED智能直流照明系统的前段供电，是先将三相380V市电转换为250V高压直流，然后再经由配电线路供电到灯杆单元。灯杆单元内部的直流-直流驱动器则负责将250V高压直流变换为LED灯所需的电源，以实现照明和调光的功能。智能直流供电系统内置有监控单元，可经由输出线路载波和各个灯杆单元通讯，也可利用CAN总线和冗余电源模块通讯，还可以由GPRS模块和上一级的监控设备通讯，以实现遥信、遥测、遥控功能。

基于地图模式的后台管理平台，可实现远程对整个系统的完全监控和运营维护管理工作。

2.4直流照明应用方案

根据隧道不同机电设备的特点，研究采用直流供电模式下设备的AC/DC模块，分路负载空开等适应性配置规格，并设计系统的用户界面，保障在直流供电系统可以在本地和远程配置各个分路的参数，并完成对应设备的模块化设计便于后续运营维护。研究直流供电模式下将三相380V市电转换为250V或220V直流的配电线路的优化设计以及稳压设计，实现隧道机电直流供电的高可靠性方案。

结合智慧隧道的智能化运营要求，设计直流供电系统的内置监控单元，研究采和输出线路载波或CAN总线及冗余电源模块通讯，以GPRS模块和上一级的监控设备通讯，实现智慧隧道不同机电设备直流供电的遥信、遥测和遥控功能，提高隧道供电智慧化运营管理水平。

3.结束语

隧道LED智能直流照明系统，具有丰富智能策略控制，可按需智能调控，减少光污染、减少碳排放量的同时，节省电费。相较传统照明综合节能率至少可在70%以上;而且系统可结合地图显示功能，实现LED 路灯运营状况，及资产的可视化管理，提高 LED 路灯信息化管控水平和维护效率，并提供各类使用报表分析;也可通过准确的故障定位，提高人工巡检效率，从而提高亮灯率，通过科学的节能管理方法，实现真正意义上的智能照明。

【参考文献】

[1]宋常玉.公路隧道照度检测方法探讨[J].交通世界，2018（14）：119-122.

[2]徐东生.高速公路隧道照明与节能方案探析[J].中国交通信息化，2018（01）：121-128.

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