高速公路隧道照明节能技术在实践中的应用

　　摘要:高速公路隧道照明是交通节能研究的一项重点，既安全又经济节能的照明技术和节能方案是研究的重点目标和发展方向,本文通过回顾和总结高速公路隧道照明节能技术的应用实践，为隧道照明节能技术研究提供参考和经验借鉴。
　　关键词:高速公路，隧道照明，设计参数，节能措施，控制措施，管理措施
　　目前，陕西省高速公路总里程已突破了3000公里，到2015年高速公路总里程将达到4100公里。陕西多山，随着陕西省高速公路隧道照明的费用逐年增加，目前，陕西省的高速公路隧道约占总通车里程的2%，2008年我省高速公路隧道照明费用为4500万元，当我省高速公路里程达到4100公里时，隧道的照明费用预计将到达2亿元，隧道照明的运营成本将成为一个不容轻视的问题。如何在保证行车安全的前提下，尽可能地节约照明费用，是高速公路建设和运营中必须解决的问题之一。
　　陕西省交通厅和陕西省交通建设集团及陕西省高速集团对隧道照明的节能和行车安全历来非常重视，从2004年起，陕西省交通厅对隧道照明节能进行了应用研究，开展了多项的课题研究和项目攻关，并将研究的结果在随后的全省高速公路的建设中推广应用，有效地将科研成果迅速转换为生产力。本文对高速公路的隧道照明节能技术应用做进一步研究提供参考和经验借鉴。
　　一、设计参数的节能调整
　　设计是工程的根本，准确合理地采用设计参数，能避免较大的能源浪费，是非常有效的节能途径之一。我省高速公路建设起步较晚，隧道照明节能设计中的措施与高速公路的飞速发展极不适应，大多数的隧道照明设计都存在过度设计问题，设计出的隧道照明系统设计值偏大、保守，对此，我们从设计上就着手考虑合理的节能。
　　1.选取合适的洞口亮度
　　一公里的隧道，其加强照明的总功率，约占整个隧道照明功率的70%，而加强照明设计取决于洞外亮度L20(S)，因此洞外亮度L20(S)是隧道照明系统的设计基准之一，洞外亮度L20(S)的正确设定，对工程投资和运营电费都有极大的影响。在隧道照明设计阶段，隧道洞外亮度L20(S)在多数情况下无法实测得到，一般按查表法获取洞外亮度L20(S)值。查表获取的洞外亮度L20(S)值与实际值存在很大的偏差。根据《公路隧道通风照明的设计规范》要求，当土建施工的隧道洞口成型后，设计人员应对洞外亮度L20(S)进行实测，设计的L20(S)值与实际值误差大于±25%时，必须对设计的值进行修正。但在实际工程设计中很少做到，基本上洞外亮度L20(S)以4000cd/m2取值。为此，2005年8月起，我们组织联合课题组历时半年对公路隧道照明基本设计参数进行研究。课题研究主要包括5个方面内容：
　　（1）洞外亮度值传统测试方法分析；
　　（2）利用数码照片进行洞外亮度测试研究；
　　（3）隧道洞口段自然光利用研究；
　　（4）隧道洞外亮度数据库的编制与应用；
　　（5）对实体工程照明设计优化及建议。
　　通过测试和研究得出，目前陕西省高速公路山区高速公路隧道洞口亮度的取值采用端墙式洞口取值为3500cd/m2，削竹式洞口亮度取值为3000cd/m2进行隧道照明设计，引入端利用自然光后可以减少隧道入口照明灯具，优化后的照明设施和运营费用比原设计节约10%-15%，并且该结果在随后的高速公路的设计得到推广和应用。
　　2.根据流量调整基本段的亮度，分期实施照明系统
　　隧道基本段照明可根据时间、交通流量等信息，合理控制照明的运行和停止。在早期的隧道照明设计中，均采用的车流量大于2400辆/小时来设计的，但是在实际的统计中，我省高速公路绝大部分车流量都小于2400辆/小时，特别在山区的高速公路其车流量远远小于700辆/小时，因此造成建设资金和运营费用的大量浪费。通过调查统计得出近期内福建省高速公路隧道（除沿海高速公路外）车流量都相对较小，大多数日平均流量小于100辆/小时，中远期车流量在700到2400辆/小时之间，因此在对隧道照明设计时，采用配电线路一次设计，变电设备和照明设备分期实施原则，从而达到安全节能的目的。目前陕西山区高速公路隧道的照明系统按交通量小于700辆/小时来实施，在满足行车安全的条件下大大节省了建设和运营的费用。
　　二、线路上的节能措施
　　1.增设自动调压设备
　　在上世纪在90年代的初期，在照明系统上兴起一种调压节能的方式，当时主要针对农网电压不稳定的情况，即通过在线路上设置一限压或稳压设备，使高压钠灯工作在220V以下，同时利用高压钠灯的光通和电压的非线性，将电压适当降低到200V,基本保持保持一定的光通，达到一定的节能效果。该方式在业界也有一定的争议，高压钠灯工作在220V的额定电压的下，其效果最高，灯具的工作状态最好，改变灯具的工作电压，是否节能，要看在具体的电网环境；增设的调压设备，自身的功耗，也是考虑的一大重要因素。
　　自动调压设备主要采用可控硅调压和自耦调压两种方式。可控硅是传统的电力电子器件,后来开始应用到道路照明的节能上，采用可控硅斩波原理，通过控制晶闸管的导通角，将电网输入的正弦波电压斩掉一部分，从而降低输出电压的平均值，达到控压节电目的，但其缺点是可控硅交流调压会产生高次谐波和线路震荡,降低灯泡寿命,还会产生电力污染。
　　自耦调压是通过一个自耦变压器机芯，根据输入电压高低情况，接连不同的固定变压器抽头，将电网电压降低或升高5V、1OV、15V、20V等几个档，克服了可控硅调压产生谐波的缺陷，实现了电压的正弦波输出，结构和功能都很简单，可靠性也比较高，但是由于其核心部件是一个多抽头的变压器，变压比是固定的，当电网电压波动时，调控装置的输出电压也会上下波动，这样照明的工作电压仍处在不稳定波动状态，还有当设备损坏时有可能会造成电压过高导致灯具大面积烧坏。
　　通过目前陕西省高速公路使用的电网基本上都是专网，电压稳定，可控硅调压现基本上已不采用，而自耦式调压也只在个别边远山区且电网不稳定的高速公路上使用。
　　2.中压隧道中压供电
　　在早期高速公路长隧道的供电方式大体上均采用在隧道两端设立独立的变电站，由两端向隧道供电，当隧道长度较长（超过2000米）时，这种低压长距离供电，线损较大，末端电压也将会受到很大的影响，为了保证供电质量和降低损耗，往往需要选择截面积很大的电缆进行供电，无疑会增加了大量的投资。陕南高速公路的长隧道多，如果采用传统供电模式，将产生巨大的投资，同时在实际运营中，低压电缆经常性的被盗。针对陕西高速公路的特点，自2005年起对高速公路供配电系统进行了不断的技术攻关，并吸收了国内外先进的中压供电技术，从2005年开始在新建的高速公路上采用了将10kV中压引入隧道且结合地埋式变压器应用的供电模式，保证了隧道长距离供电的需求，成功地解决了长隧道供电的问题，同时采用中压供电，可节省大量的建设资金，降低了线缆的损耗。
　　三、灯具布设的措施
　　在设计规范中，中间段灯具的布设方式有中线布置、两侧交错布置和两侧对称布置等三种形式。早期的福建省高速公路隧道照明设计中，中间段灯具布设方式采用中线布置和双侧对称布设两种方式，中线布设效率最高，但是维护不便，需要封闭整座隧道才能进行，对高速公路通行影响很大；双侧对称布设需要两侧都铺设线缆，灯具密度大，造成建设资金的增加，也加大了运营维护的费用。通过了大量的研究、灯具配光计算和试验，在新建的高速公路隧道照明中采用新型的布灯方式：单侧布灯方式。此种布设比中线布设方式好维护，只需封闭单个车道即可进行维护作业；与双侧布灯相比，可节省一半的线缆，并且减少了灯具的布设密度，大大节省了建设和运营的费用。单侧布灯会存在路面照度不很均匀情况，通过了现场的实际检测，单侧布灯路面照明均匀度尚能满足规范的要求。但单侧布灯也存在着光通利用率不高的问题，从设计规范上看，隧道照明的重点在路面及隧道壁2米以下，而2米以上的空间不做要求，高压钠灯的单侧布灯，应受限于灯具的配光曲线，较大一部分光照射到2米以上的空间，通过几年的观察、研究以及人群的调查，总结中间布灯、双侧布灯、单侧布灯的优缺点，目前修改为中间偏右的方式，安装示意图见图1。
　　图1隧道内基本段单侧灯具安装示意图
　　四、灯具的节能措施
　　1.采用高压钠灯电子整流器
　　高压钠灯是高强度放电灯中的一种，其具有极好的光效（120lm/W）和合适的光波长，但是，传统高压钠灯采用的电感式镇流器存在功率因数低和自身损耗大的缺点，严重影响高效光源的利用，虽然各高压钠灯均采用了电容补偿，但由于补偿电容的寿命都短于灯具的寿命，且当电容失效时不影响灯具的工作，在通车的隧道特殊环境中，不易发觉电容效。大量低功率因数电器的使用，对电网造成污染，电能得不到充分利用。
　　为解决电感式镇流器的缺点，2005年开始在西汉高速公路隧道进行电子镇流器的试点应用，电子镇流器不但可以做到很高的功率因数（0.97以上），自身损耗小，具有显著的节能效果，而且还能在很宽的电压范围内点灯工作，很好地解决了电感式镇流器的缺点。但是电子式镇流器的工作频率一般在20kHz以上,高压钠灯在这个频率下极易发生声谐振,使得放电管中原来的热力学平衡状态被破坏,对外直接表现为光强不稳,亮度闪烁,严重影响照明效果,甚至造成灯管炸裂，对大多数电子镇流器而言,其输出多呈恒流特性,严重声谐振时,电弧可能突然熄灭,导致电路中产生过电压,如果保护功能不够完善,就有可能造成镇流器的彻底损坏，同时由于电子整流器目前还不能够完全通用，存在与光源匹配问题，给设备维护造成很大的麻烦。由于吉坑隧道外电压波动大，灯具损坏严重已恢复原来的电感式整流器，其他几个试验段灯具损坏率在2.3%左右，目前还在使用。
　　电子整流器技术还不完全成熟，特别在高速公路隧道这种恶劣的环境下，存在问题更多，因此到目前为止依然难以在我省高速公路隧道照明中得到大规模的推广应用。
　　2.采用电磁感应无极灯
　　无极灯是近几年国内外电光源界着力研发的高新技术产品，综合了电子学、等离子学、磁性材料学等领域最新科技成果。它通过以高频感应磁场的方式将能量耦合到灯泡内，使灯泡的气体雪崩电离形成等离子体，等离子体受激发原子返回基态时自发辐射出254nm的紫外线，灯泡内壁的荧光粉受紫外线激发而发出可见光。它与传统高压钠灯光源最大的不同之处在于无电极、寿命长（50000小时）、光衰低、恒功率输出，可大大节省维护费用。此外，无极灯可采用智能控制技术，实现自身调光控制。
　　2007年开始，在陕西省高速公路隧道应急照明和短隧道进行无极灯试点应用，当时一方面考虑无极灯的最大优点是寿命长，而陕西隧道中的应急灯照明24小时工作，在2007年以前建设的隧道中采用的普通荧光灯和高压钠灯寿命（即稳定光通时间）有限，普通荧光灯寿命一般在5000小时，高压钠灯寿命在15000小时，特别是普通荧光灯维护量较大，给运营管理带来较大的麻烦。另一方面考虑电磁感应无极灯灯泡内壁采用的是荧光粉，其光线的波长不像高压钠灯那样具有透雾性，而在隧道中因通风问题、汽车尾气等，常有烟雾出现，因此在长隧道的基本照明仍采用高压钠灯，以利于行车安全。
　　经过了几年实践总结，笔者认为无极灯寿命长的优点更大于节能的意义，从光学指标上看，无极灯的光效尚低于高压钠灯，在实测中无极灯的照度也低于高压钠灯。当然，目前在学术上还有白光照明和高压钠灯照明对人眼视觉影响的争议，主要在测试的照度仪表和人眼瞳孔所接受照度的差异，我们也在对白光照明在隧道中的应用做进一步的研究。目前我们认为无极灯适用于应急灯、紧急停车带、横洞等，在陕西省高速公路后续新建的隧道中的应急照明、紧急停车带照明均采用无极灯，并在已运营的隧道应急照明也逐步采用无极灯代替荧光灯和高压钠灯。
　　经过多次的实验和调查，无极灯作为白光照明，不适用于隧道入（出）口段的加强照明，隧道口采用无极灯并不能有效的消除黑洞效应。无极灯也不适用于短隧道的基本照明。
　　3.采用LED照明灯具
　　LED作为一种新型光源,具有寿命长、发光效率高、功耗低、启动时间短、显色指数高、工作温度低、方向性好、工作电压低、无紫外辐射、环保等众多优点，已经在一些照明领域应用。隧道照明应用新型LED隧道灯具有其他灯源无法比拟的优势，LED做为半导体照明，虽然目前工程应用中的芯片光效还达不到高压钠灯的光效，但其定向性强，灯具光通利用率高，特别在隧道应用中，较好的将照明的重点控制在路面及隧道壁2米以下，带来了很大的节能的空间，目前在国内已经有部分隧道照明工程使用了LED隧道灯。从2007年4月起，陕西省高速公路也开展了LED隧道应用研究工作，跟相关单位联合成立了课题研究小组，对全国16个LED厂家进行跟踪测试，并选用了两家灯具分别安装在高速公路部分隧道左右洞，进行各个照明段的跟踪测试，从近一年的跟踪测试，LED照明基本上能达到30%的节能。但我们发现目前LED隧道照明还存在着一些问题，目前市场上LED灯具的质量差距较大，从吴子高速公路隧道对全国16个LED厂家一年的跟踪测试看，灯具完好未发生故障的仅有3家；光衰较大、色温漂移严重，上述16个LED厂家一年的光衰均在50%以上，各别厂家的灯具色温漂移达1000以上，两家灯具光衰达5%；驱动电源寿命短，上述16个厂家电源不合格的占一半以上，两厂家灯具3个月内也发生过部分灯具的质量问题。
　　虽然，LED照明灯具存在一些问题，但LED照明是节能照明的发展方向，随着芯片技术发展和成本的进一步下降，特别是隧道白光照明理论的深入研究，LED隧道照明将会在高速公路隧道照明中得到更广泛的应用。
　　五、控制措施
　　陕西省高速公路长隧道都设有隧道洞口加强照明闭环控制系统，其结构为：在隧道的洞外设置亮度检测设备，在入口段设置照度检测洞内照度，检测设备自动检测洞内外光亮度值，由本地控制器上传送入监控分中心计算机，经计算机处理后产生控制方案，并将控制指令下传到本地控制器，由本地控制器控制照明驱动单元执行，分别控制相应的照明回路。这种动态的控制可达到既安全，又可节能。控制流程图见图2。
　　
　　图2隧道洞口照明闭环控制
　　
　　但该系统在照明控制中没得到很好的应用，一方面，在建设阶段，洞口加强照明闭环控制系统均通过简单的设置阀值以达到控制目的，但实际应用中，由于种种的边界因素，是要通过较长时间的洞口环境调查，建立一定的数学模型，才可实现适用的控制。目前在控制系统的建设实施阶段，基本做不到上述的程度，运营中，系统适用差，营运人员都转为时间控制形式，因此系统长期不用。另一方面，闭环控制系统中的亮度计和照度计设置在隧道洞口，其环境较差，特别是洞外的亮度计，常年风吹雨晒，而且还会经常性的雷击，因此日常需要良好的养护和维修，但目前由于种种原因，养护总是不到位，实际运营中基本上以时控或人控方式代替。
　　 由于隧道洞口照明的功率占隧道中功率的大部分，而运营中洞口照明又要根据季节、时间、隧道朝向、气候等因素调节，隧道照明的难点就在洞口照明，也是隧道节能的重点和关键。2008年，我们在陕西高速终南山隧道左洞进行自动调节照明亮度试验和重点研究，该课题采用无极灯的电子镇流器实现无极照度调节，控制系统采用DALI总线方式，无极灯的镇流器组合与调光控制DALI分控制器（Slave）制造成一体，通过DALI主控制器（Master）可对每个镇流器（Slave）分别寻址，实现单灯无极调控。该系统已初步能实现随洞口照度无极调节的功能，为考核系统的可靠性和稳定性，目前系统还在进一步的测试中。
　　六、管理措施
　　良好的管理措施对隧道照明的节能起到相当大的作用，根据我们近十年的运营经验，管理措施可归纳几个方面：（1）彻底了解和领会隧道照明的设计意图和相关的规范要求；（2）控制好隧道洞口照明是实现隧道照明节能的关键；（3）基本照明应根据车流做合理的调整；（4）制定合理的照明方案；（5）隧道照明的灯具的清洁维护是隧道照明管理的重点，保证灯具较高的养护系数；（6）定期批量更换光源，使照明光源运行在高效的工况。总之，通过对隧道照明系统进行维护，使照明系统始终处于良好的工作状态下，满足隧道照明要求，达到管理上的节能。
　　七、结语
　　高速公路隧道照明节能涵盖的内容是多方面的，要实现系统节能，就要在各个环节都要实施节能措施。设计环节的节能是节能的基础，消除过度设计、选择合适的参数、根据车流情况分期实施等都是实现节能的基础工作。管理环节是实现隧道照明节能的关键，提高养护系数，制定合理照明方案等都是隧道照明的重点。采用各种控制方式和消除中间损耗，以及终端光源的研究创新是实现隧道照明节能的重要手段，尤其是节能型光源和灯具的采用。
　　高速公路隧道照明有其独特性，如何在保证安全的前提下，降低照明的设备投资、维修及用电费用，还需要进一步的认真研究，只有通过多种渠道的推进应用，隧道照明节能工程才会取得更大的进步。