劉燕娟 楊和良 劉優(yōu)明

（廣東德洛斯照明工業(yè)有限公司佛山分公司，廣東 佛山 528000）

0 引言

電力電子技術(shù)的發(fā)展以及LED照明和新能源的大規(guī)模應(yīng)用，使直流電重新回到人們的視野，用電設(shè)備的結(jié)構(gòu)在發(fā)生變化，很多主流電機(jī)應(yīng)用，例如空調(diào)、冰箱的壓縮機(jī)都需要變成直流變頻后使用才能更加高效。消費(fèi)型電子（如LED電視機(jī)、電腦、手機(jī)）用的都是3.3V～48V的直流。越來(lái)越多的數(shù)據(jù)中心也開(kāi)始采用直流供電系統(tǒng)[1]。LED照明的直流化供電已經(jīng)在樓宇建筑照明等地方使用。而該文將闡述LED照明的直流化供電在城市隧道照明系統(tǒng)中的應(yīng)用。

城市隧道照明不同于高速隧道，城市交通隧道因?yàn)槲挥诔鞘袃?nèi)及周邊，一般車流、人流量都比較大，在地勢(shì)位置上看通常也處于低洼地帶，在下雨時(shí)也會(huì)出現(xiàn)水淹現(xiàn)象；因此，對(duì)城市內(nèi)的隧道照明系統(tǒng)提出了更高的要求[2-3]：1）安全性。城市隧道交通由于所處的地理位置決定了人車混合的地帶且通常在下雨時(shí)可能出現(xiàn)漏水甚至水淹的現(xiàn)象，因此用電安全在城市隧道中遠(yuǎn)遠(yuǎn)比高速隧道要求高得多，以解決復(fù)雜的環(huán)境因素帶來(lái)的危害性。2）可靠性。交通流量大是城市隧道中一大特點(diǎn)，在當(dāng)前正常的隧道照明中都會(huì)因?yàn)樗淼纼?nèi)可視性差，降低車速，造成擁堵情況，可預(yù)見(jiàn)若照明系統(tǒng)不可靠的情況下所帶來(lái)的后果更是讓駕駛員無(wú)所適從，因此，相比之下可靠性也提出了更高的要求。3）舒適性。道路交通安全事故的原因是路面情況復(fù)雜，給駕駛員視覺(jué)與心理上造成不良影響，駕駛員不能及時(shí)作出判斷與決策，大大增加了行車安全風(fēng)險(xiǎn)的概率。具備良好的照明可以讓駕駛員快速識(shí)別隧道內(nèi)的狀況，因此城市隧道照明的舒適性也決定著行車安全性以及行車通行效率。

上述的安全性、可靠性、舒適性相對(duì)高速隧道而言都提出了更高的要求，而目前我國(guó)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》JTGT D702-02-2014中的各項(xiàng)條款都是基本門(mén)檻，只能在城市隧道中達(dá)到合格照明的目的，不能在城市隧道的復(fù)雜環(huán)境中起到為公眾保駕護(hù)航的作用，因此，提高城市隧道照明系統(tǒng)的安全性、可靠性及舒適性是目前城市交通亟需解決的問(wèn)題。

1 城市隧道照明系統(tǒng)的構(gòu)架

1.1 城市隧道照明系統(tǒng)圖

圖1為城市隧道照明系統(tǒng)圖，由箱式變壓器輸出AC380V的電源提供到集中式直流供電柜，集中式直流供電柜將其轉(zhuǎn)換為DC280V的高壓直流電，然后再經(jīng)由原有配電線路供電到終端燈具；集中式供電柜內(nèi)置有監(jiān)控單元，監(jiān)視與控制各個(gè)終端燈具，還可以由GPRS模塊或4G模塊與上一級(jí)的云服務(wù)器進(jìn)行監(jiān)控管理，以實(shí)現(xiàn)遙信、遙測(cè)、遙控功能，在監(jiān)控中心可實(shí)時(shí)監(jiān)控所有照明終端設(shè)備的狀況，同時(shí)也支持用戶使用移動(dòng)終端遠(yuǎn)程進(jìn)行監(jiān)控作業(yè)：用戶可結(jié)合地圖顯示功能，實(shí)現(xiàn)LED燈具運(yùn)營(yíng)狀況及資產(chǎn)的可視化管理提高LED燈具信息化管控水平和維護(hù)效率，可通過(guò)準(zhǔn)確的故障定位，提高人工巡檢效率，從而提高亮燈率，通過(guò)科學(xué)的節(jié)能管理方法，實(shí)現(xiàn)真正意義上的按需供電。

圖1 城市隧道照明系統(tǒng)圖

城市隧道照明系統(tǒng)，為了提高安全性及可靠性，更適合采用直流供電系統(tǒng)方式，系統(tǒng)由AC-DC的集中式直流供電柜輸出DC280V的電源給高壓直流燈具。直流供電系統(tǒng)具備以下傳統(tǒng)供電方式所無(wú)法達(dá)到的安全性及可靠性：1）傳統(tǒng)交流供電干線采用三相四線（三火一零）或三相五線（三火一零一地）供電方式，當(dāng)三根火線中的任意一根發(fā)生漏電時(shí)，電流通過(guò)人體流入大地，大地與中性點(diǎn)是導(dǎo)通的，形成電流回路，從而發(fā)生觸電傷亡事故。 而隔離型高壓直流集中供電系統(tǒng)采用輸出懸浮不接地模式，直流母線對(duì)地?zé)o電位差，人員觸摸直流電源的任何一極（正極或負(fù)極）都不會(huì)形成電流回路， 當(dāng)單極（正極或負(fù)極）發(fā)生漏電時(shí)，由于直流供電線路正負(fù)極與大地隔離不導(dǎo)通，因此漏電點(diǎn)無(wú)法通過(guò)人體與大地形成回路，不會(huì)發(fā)生漏電事故，因此不會(huì)帶來(lái)觸電傷害。與交流供電方式相比，高壓直流集中供電的方式，大大提高了用電安全性，降低了發(fā)生漏電觸電事故的可能性。 2）考慮到隧道內(nèi)灰塵大，運(yùn)營(yíng)單位會(huì)經(jīng)常對(duì)隧道側(cè)壁及照明燈具進(jìn)行沖洗，極容易造成三根火線中的任意一根火線對(duì)地放生漏電，從而造成隧道內(nèi)的照明燈具頻繁跳閘，對(duì)隧道內(nèi)的行車安全造成安全隱患，所以選擇高壓直流集中供電的方案，隧道內(nèi)選擇DC280V照明燈具。3）直流輸電不存在磁滯損耗和渦流損耗，線損較小，直流傳輸效率高：相同電壓等級(jí)條件下，直流輸電的功率約為交流輸電功率的1.5倍；直流線路不易產(chǎn)生浪涌電流，用電設(shè)備更安全。4）交流電網(wǎng)用直流隔開(kāi)后，交流電網(wǎng)用直流隔開(kāi)后，由于交流電網(wǎng)接入點(diǎn)變少其短路容量也較小，對(duì)電氣設(shè)備有利，事故停電的影響范圍也較小，提高了電網(wǎng)運(yùn)行的安全性。

1.2 直流供電系統(tǒng)原理

圖2是集中式直流供電柜原理圖，其原理是將電網(wǎng)傳輸來(lái)的交流電經(jīng)集中柜內(nèi)的整流模塊、安全保護(hù)單元、和控制單元對(duì)系統(tǒng)提供經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定、可靠的高壓直流；通過(guò)微機(jī)控制器對(duì)負(fù)載（LED路燈或設(shè)備設(shè)施）狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)、統(tǒng)計(jì)、分析和控制，同時(shí)通過(guò)通信模塊與后臺(tái)系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)功能，是一套對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)施安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、高效、簡(jiǎn)捷的智能管理系統(tǒng)。

圖2 集中式直流供電柜原理圖

集中式直流供電柜功能：1）整個(gè)系統(tǒng)由交流轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的直流系統(tǒng)，照明系統(tǒng)運(yùn)行更穩(wěn)定可靠、三相負(fù)載分配更均衡、控制更簡(jiǎn)潔。2）系統(tǒng)配備有安全保護(hù)單元、過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)熱、漏電檢測(cè)保護(hù)、短路保護(hù)；輸入、輸出防雷，并具備故障消除自動(dòng)恢復(fù)功能。3）高壓直流驅(qū)動(dòng)技術(shù)。LED光源目前都是采用直流驅(qū)動(dòng)方式，現(xiàn)在普遍通過(guò)交流電供到燈具電源端再通過(guò)AC/DC變換器供電給LED光源，而該研究課題中采用配電柜內(nèi)將交流轉(zhuǎn)換為280V的直流，將直流經(jīng)配電線路輸出到DC/DC恒流驅(qū)動(dòng)LED光源。

直流供電的安全性、可靠性、穩(wěn)定性決定了高壓恒流可采用非隔離驅(qū)動(dòng)LED光源，這樣可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到98%，減少能耗的同時(shí)也降低了熱量的產(chǎn)生，延長(zhǎng)了燈具壽命。

圖3中高壓直流驅(qū)動(dòng)LED技術(shù)采用MCU智能化驅(qū)動(dòng)，應(yīng)用互補(bǔ)型兩端恒流源電路實(shí)現(xiàn)恒流功能，晶體管Q1、穩(wěn)壓管VD81和R1構(gòu)成一個(gè)恒流源，此恒流源給穩(wěn)壓管VD82提供穩(wěn)定的工作電流，而晶體管Q2，穩(wěn)壓管VD82和R2構(gòu)成另一個(gè)恒流源共給穩(wěn)壓管VD81穩(wěn)定的工作電流。由于兩個(gè)恒流源互相穩(wěn)定對(duì)方的穩(wěn)壓管工作點(diǎn)，使穩(wěn)定電壓VD81和VD82以及流過(guò)該恒流單元的總電流均不再變化，因此可以保證流過(guò)D1-D80的LED工作電流的恒定，VD1-VD80可以保護(hù)LED的同時(shí)也可以保證某一LED損壞時(shí)整個(gè)電路的依然可以完整工作。而在 MCU邏輯控制適配電壓電路中（圖4），通過(guò)單片機(jī)對(duì)電壓、溫度的判斷可切換LED串聯(lián)數(shù)量來(lái)匹配電網(wǎng)電壓，當(dāng)供電電壓偏低時(shí)，MCU通過(guò)MOS管Q1、Q2、Q3、Q4停止讓D1-D4工作，使LED串的工作電壓匹配輸入電壓，從而使其轉(zhuǎn)換效率最大化，減少發(fā)熱量，進(jìn)一步節(jié)能減排并提升燈具壽命。

圖3 互補(bǔ)型兩端恒流源電路

圖4 MCU邏輯控制適配電壓電路

采用高壓直流驅(qū)動(dòng)具備以下優(yōu)勢(shì)。1） 故障低：與交直流開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換模塊相比，去掉了整流濾波電路，只有直流降壓恒流電路，由兩級(jí)電路變?yōu)橐患?jí)電路，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不受交流大電網(wǎng)不利因素影響，故障率降低，減少維護(hù)費(fèi)用。2） 壽命長(zhǎng)：直流驅(qū)動(dòng)電源沒(méi)有整流濾波電路，無(wú)電解電容，壽命長(zhǎng)，減少設(shè)備更換成本。3） 效率高：交直流開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換效率一般在90%左右（隧道中小功率燈具的驅(qū)動(dòng)電源效率一般在86%左右），直流驅(qū)動(dòng)電源效率最高可做到98%，使用過(guò)程中有效降低電能損耗提高系統(tǒng)的可靠性，減少電費(fèi)支出。4）無(wú)頻閃：安裝交直流開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換模塊的小功率燈具LED燈具存在頻閃現(xiàn)象，而采用直流驅(qū)動(dòng)電源的LED燈具，燈具完全無(wú)頻閃，利于行車安全。

2 燈具光學(xué)眩光控制技術(shù)

2.1 眩光閾值

閾值增量（threshold increment）是失能眩光的度量。表示為存在眩光源時(shí)，為了達(dá)到同樣看清物體的目的，在物體及其背景之間的亮度對(duì)比所需要增加的百分比。當(dāng)眩光閾值TI越高時(shí)，為看清物體，所需要的背景照明亮度Lav也相應(yīng)增加，因此，解決眩光閾值增量是節(jié)能減排的重要方向，而眩光閾值增量的減少主要是需要減少燈具發(fā)光面的發(fā)光強(qiáng)度，科學(xué)合理地對(duì)LED進(jìn)行精準(zhǔn)控光管理變得尤為關(guān)鍵[4]。

2.2 LED精準(zhǔn)控光技術(shù)

出色的照明設(shè)計(jì)、先進(jìn)的照明設(shè)備，讓人們享受到了照明帶給我們的舒適和便利，而眩光問(wèn)題，一直是個(gè)令人十分頭痛的問(wèn)題。無(wú)眩光光學(xué)設(shè)計(jì)在同等照度下物體可見(jiàn)度以幾何倍提升，因此，無(wú)眩光二次光學(xué)設(shè)計(jì)可極大提高了隧道行車的安全性和舒適性[5]。

通過(guò)精準(zhǔn)的光學(xué)配光設(shè)計(jì)，增加防眩裝置，將光線偏向順光方向。將眩光閾值增量控制在0%，極大地提高隧道照明的舒適性，減少駕駛過(guò)程中的疲勞，提高行車安全性。

圖5中將高反射率的PC反射片精準(zhǔn)匹配LED光源位置，確保逆光方向15°～90°無(wú)光線，實(shí)現(xiàn)眩光閾值增量為0%且在中控臺(tái)面反光角度不進(jìn)入駕駛員的視線內(nèi)，真正實(shí)現(xiàn)無(wú)眩光。在順光方向也控制在75°角度內(nèi)，盡量減少對(duì)對(duì)面行車的影響，提高了隧道行車的安全性和舒適性。

圖5 LED防眩光二次光學(xué)設(shè)計(jì)原理

3 結(jié)語(yǔ)

該文闡述了一種適用于城市隧道的照明系統(tǒng)，該照明系統(tǒng)主要通過(guò)兩種技術(shù)應(yīng)用的改進(jìn)，讓城市隧道變得更為安全、可靠的同時(shí)提高城市隧道通行率，從而達(dá)到節(jié)能減排的目的。該文主要介紹了集中式高壓直流對(duì)比傳統(tǒng)供電系統(tǒng)的差異化，明確高壓直流供電所帶來(lái)的安全性能，包括對(duì)人、車、電網(wǎng)及照明燈具都具備安全可靠的性能優(yōu)勢(shì)；然后結(jié)合LED的防眩光精準(zhǔn)控光技術(shù)，解決了順車方向和對(duì)面車道眩光問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)低亮度就可以達(dá)到高分辨率的目的，保障隧道行車安全。