公路隧道照明设计

李国威

（河北路桥集团第一工程有限公司，河北 邢台 054000）

我国山地众多，幅员辽阔，为缩短公路里程，提高运输效益，节省用地和保持生态环境，公路建设中越来越重视隧道建设。公路隧道功能具有的特殊性，决定了其建设的复杂性。照明系统是隧道机电工程中最重要的设施之一，也是整个隧道机电工程总投资最大的一个系统。公路隧道照明，不论白天还是夜间都很重要，并且白天照明问题比夜间更复杂。为满足公路隧道的运行要求，隧道灯具应适应公路隧道使用特点，节约能源，提高照明效果，保证行车安全性、舒适性，并能有效地进行运营管理。

随着我国公路建设的快速延伸，地形复杂、人口稀少地区电力资源贫乏，电力成本巨大的问题日益突出，尤其是公路隧道照明系统的供电问题更趋严重。依据国家规范，400m以上的公路隧道需设照明设施，因此，开发一种既可降低工程造价，又能降低运营管理成本的适应此发展需求的公路隧道太阳能照明系统显得十分迫切，而了解国内外关于公路隧道照明系统的使用现状，对于开发公路隧道太阳能照明系统，具有重要的指导意义。

1 公路隧道照明灯具研制及隧道照明设计现状

目前，全国已建和在建公路隧道已达1000多km，并仍处于快速发展中。但公路隧道中安装照明系统的非常少，大都不设置照明或设置了照明系统却并不使用，因此，照明质量非常低。

1.1 公路隧道照明灯具

我国公路隧道照明灯具研制起步较晚，基础较差，特别是针对隧道照明灯具要求和特性方面的深入研究极其缺乏，设计、制造的灯具与国外存在较大差距。近年来，虽然复旦大学、上海灯具研究所、重庆交通科研设计院、浙江交通规划设计院等少数单位拥有相应的研究条件和一定的试验设备，非常重视隧道灯具研究，但是，大部分灯具厂家却没有公路隧道灯具的研究条件和试验设备，自主开发隧道灯具能力差。国内隧道灯具厂多为小厂或主要从事其他领域照明器材生产，技术、工艺和装备落后，生产分散，专业化水平低，效益不高。

另外，在公路隧道灯具的开发方面也缺乏足够的认识和必要的投入，与国外照明电器工业生产集中度相比，远未达到应有的经济规模。国内使用的隧道灯具大多存在光带窄、配光质量不够、能耗高、质量稳定性差、寿命短、档次不高等问题，直接导致公路隧道照明效果不佳，不能满足公路隧道照明要求，严重影响行车安全性。

1.2 隧道照明设计

隧道照明的光源，应满足隧道特定环境下的光效、光通量、寿命、光色和显色性要求，同时还要保证在汽车排放形成的烟雾中有良好的能见度。隧道照明的效果必须依靠可靠的光源来实现。公路隧道一旦投入使用，正常状态下照明系统几乎处于长期点亮状态，因此，选择一种适宜的光源，是隧道照明的重要环节。

公路隧道照明，通常依据现行规范把隧道分为入口段、过渡段、中间段和出口段进行设计，其中过渡段有两个，分别设计在中间段前后。各段的长度和照度的设计是从全年行车安全要求出发，洞内最大照度的设计是以全年洞外最大亮度和最高行车时速来确定隧道内各段的灯具功率和灯具分布密度。所实现的照明自动控制也是非常有限的，通常因线路布线回路的限制，只能做到2～3级人工或自动控制。对于如天气、车速、车流量等参数，只是在设计阶段予以最大值考虑。最终，各段照明的长度和照度也始终处于最大值状态。由于利用天气、车速、车流量等时变参数，无法从宏观上对整个隧道的照明系统进行自适应方式的调节控制。因此，从这一点上讲，目前这种传统的设计与使用隧道照明系统存在着大量的电能浪费问题。

2 照明系统方案

2.1 电路设计

在电路设计过程中，综合点光源叠加后电压、电流影响、亮度水平、照明稳定性等诸多因素，研究合理匹配电路，以实现减低功耗，提高光效的目的。

研究保护电路，减少LED串联、并联引起的多点损坏。LED点阵布设是多个LED通过串联、并联组成的阵列，在使用过程中，只要有一个LED短路或开路，都会导致整条或多个LED熄灭。

分析电路设计和电路布局的合理性，研究散热方法，以提高LED使用寿命，使其保持良好的工作状态。LED管芯结温超过标准限定值，将导致不可恢复性光强衰减。为解决这一问题，从电路设计和布局着手进行研究，并提出合理的设计方案，以促进LED保持良好的工作状态，延长使用寿命。

研究交/直流电源对LED的影响，选择适宜的电源方式。LED供电方式不同，将影响其使用性能，尤其是交流供电本身有变频，易引起LED闪烁，因此，选择合适的LED，可以提高照明效果。

研究防止烧毁部分LED的合适驱动电路。LED点阵布设由多个LED管组成，在使用中，偶尔会因能量集中而烧坏部分LED，合适的驱动电路可以在一定程度上减轻相关现象的发生。

电路上改进，既解决了散热问题，又使其工作电流比原设计方案降低了近10mA，整个公路隧道照明单元功率为6W左右，降低了功耗，从而使公路隧道照明太阳能供电系统低成本应用成为可能。

2.2 照明灯具设计

照明灯具是指能透光、分配和改变光源分布的器具，包括除光源外所有固定和保护光源所需的全部零部件以及与电源连接所必需的线路附件。由于不同场所对灯具的要求不同（如在公路隧道中，要求灯具具有较强的耐腐蚀性，不易老化，防潮、防喷流），因此，照明灯具设计要从3个方面入手：一方面要解决电路板安装及拆卸的方便性问题；另一方面，针对走线、散热、防潮性能进行设计；最后是透光材料的选择。从而使研制的照明灯具能够达到安全防护等级，散热良好，拆卸比较方便，满足使用要求。

2.3 太阳能供电系统方案设计

光伏发电根据当地太阳能资源实现，同时，对照明系统进行智能控制，以降低功耗，从而为解决太阳能供电系统在特定时间内的严重亏电问题奠定基础。

太阳能供电系统主要包括光伏组件（阵列）、蓄电池、逆变器、控制器。

光伏组件是把太阳能转换成电能的装置；接线箱是汇总太阳电池组件的配线，内装有防雷器、回流防止器和开关等；充电控制器是蓄电池的过充电保护装置；逆变器将直流电转换成220V 50Hz的交流电，内装输入电压控制、过载保护装置等；蓄电池是电能储藏装置。

公路隧道太阳能照明系统研究中照明系统为直流220V供电。因此，其供电系统不需要采用逆变器进行直交流转换。选择太阳电池组件时，要求有一定的标称工作电流、输出功率，工作寿命为20～30年，要有足够的机械强度，能经受在运输、安装和使用过程中发生的冲突、振动及其他应力，组合引起的电性能损失小，成本低。

3 公路照明系统存在的问题与措施

（1）LED照明灯的衰减问题

照明灯衰减是未来推广中需要解决的主要问题，将直接影响应用成本。LED照明灯的衰减问题产生的主要原因有3个方面：LED自身性能影响；照明灯具污染；照明电路存在一定的缺陷。

为解决这些问题，提高公路隧道LED照明灯的使用寿命，要做到以下几点：首先，通过应用中不断试验、观测及比选，选择最适宜公路隧道照明系统的应用LED产品；然后，通过观测照度的变化，排除其他造成衰减的因素，确定污染造成的LED照明亮度的衰减周期，进行定期清洗；最后，通过电路散热、稳流等电路的不断改进，保持LED的稳定性，提高使用周期。

LED管芯结温超过标准限定值，将导致不可恢复性光强衰减。为解决这一问题，从电路设计和布局着手研究，提出合理的设计方案，以促进LED保持在良好的工作状态，延长LED使用寿命；另外，采用智能控制系统控制LED的点亮时间，从而延长其使用时间。

（2）智能控制系统

智能控制系统直接影响太阳能供电系统匹配，影响其建设成本。LED照明灯与高压钠灯相比，能够减少将近60%的公路隧道太阳能照明系统电能损耗，降低太阳能供电系统成本。但要实现公路隧道太阳能照明系统的进一步推广应用，需进一步降低其使用成本，改进智能控制系统控制时间、对象，与太阳供电系统有机结合、共同控制，可实现减少公路隧道照明系统用电成本，并降低供电系统成本，从而为减少建设成本奠定坚实的基础。

（3）公路隧道太阳能照明系统缺乏统一标准

不同公路等级LED照明光源适宜的照度值、布设最佳间距和LED光源器件选择等标准的制定将影响照明灯具的使用寿命，影响太阳能供电系统的合理匹配。目前，国内缺乏统一的标准，无法衡量LED照明灯具是否符合照明要求。

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