亮度智能LED控制卡系统在隧道中应用

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　　摘要：按需照明，人类已经追求了上百年。由于传统光源的局限性，这一愿望始终未能实现。本文通过对分级调光[1]与无级调光的能效分析，说明了隧道LED照明亮度智能无级LED控制卡的节能原理及在城市隧道中的应用实效。这是该LED控制卡系统首次应用于城市隧道，开创了城市隧道照明智能化先河。它的成功应用，使城市隧道照明真正实现了按需照明的理想。

　　1.照明系统LED控制卡方案

　　(1)基本照明控制

　　隧道内基本照明的特点是工作时间长，需全天24h照明。根据这一特点，在设计基本照明亮度时考虑了足够的冗余量。由于LED的寿命较长，因此维护系数通常取0.85～0.9。而本项目将基本照明的设计亮度定为标准值的1.3倍，相当于0.77的维护系数。这一数值可使隧道基本照明强度在未来若干年内即使出现一定的光衰，也始终都能满足规范要求。不难看出，灯具投入初期的亮度超出规范基本要求的30%，形成一定程度的过度照明。过度照明几乎在所有新装灯具中都是存在的。这是由光源的光衰，灯具易受污染以及光源亮度不可控特性所决定的。它使得现有的照明系统每年浪费了大量的电能。为了避免过度照明造成电能浪费，减小灯具的光衰，延长LED光源和驱动电源的寿命，我们在实际运营时，将基本照明的功率设定在额定功率的80%，即所有50W的基本照明灯具的输出功率控制在40W。在未来的运营过程中，可根据灯具实际光衰情况，逐年递增灯具的输出功率，直至达到100%功率输出。本隧道共布置50W的基本照明灯具40盏，合计功率2000W，如果灯具光衰为每年4%，则灯具各年的工作功率为第一年40W，第二年42W，以此类推，第六年为50W。其每日亮灯时间——功率关系曲线见图(1)。在运营六年后，灯具的亮度就会低于规范要求。这种控制灯具输出功率的方式是以每年4%的光衰为前提的。不同灯具，光衰也会各不相同。散热处理得好，光衰会小于4%/年，处理得不好，光衰可能会远大于4%，有的甚至高达20%。如果光衰为2%，那么基本照明可在满足规范的亮度下连续运营长达11年。

　　下半夜车辆较少，根据规范要求可相应减小照明功率。我们将午夜23点到早晨5点这段时间的照明功率同步减少，使每盏灯的功率仅为20W，以后可逐年递增。这种功率同步减半的方式并不改变原有的配光特性，同时也避免了单侧或隔盏关灯所造成的“奔马效应”。它不仅可用于隧道基本照明，还可广泛应用于城市道路照明，在大型室内场所也将会有较好地应用。

　　(2)加强LED照明控制

　　隧道照明与道路照明不同，它除了设置贯穿于整个隧道的基本照明外，还需要在出入口附近设置用于白天照明的加强照明，且照明强度比基本照明高许多，以防止车辆驶入隧道时出现“黑洞效应”。我们在两个入口段共布置了20盏150W的LED灯具，过度段共布置了18盏100W和10盏50W的加强照明灯。加强照明光源功率合计5.3kW，含电源功率为6.24kW。相对基本照明而言，功率已相当大。隧道照明的入口段和过度段的照明强度是根据洞外亮度乘以一个折减系数得来的。入口段亮度计算公式如下：

　　Lth=k·L20(S)

　　式中：Lth——入口段亮度(cd/m2);

　　k——入口段亮度折减系数;

　　L20(S)——洞外亮度(cd/m2)

　　从式中可以看出，洞外亮度的大小直接影响到洞内的照明强度。虽然我们在计算洞外亮度时，是按照夏天晴天中午的最大值来计算的，但一年中这一亮度出现的时间仅有百分之几，其他大部分时间洞外亮度均在10%～60%之间变化，主要是因季节、天气和时辰的不同而各异。展示出了隧道内不同光源的白天开灯功率与高压钠灯的设计功率之比，称之为功率线。高压钠灯的每日开灯功率与设计功率之比，中间一条直线是恒定亮度的LED灯每日开灯功率与高压钠灯的设计功率之比，下面二条曲线分别是亮度可控型LED灯在夏至和冬至时白天的照明功率与高压钠灯的设计功率之比。各照明功率线下方的面积即为该灯当日的照明能耗比。其中恒定亮度的LED灯每日开灯功率与亮度可控型LED灯在夏至中午的照明功率差值为设计维护系数。采用恒定亮度的灯具，则隧道一年的绝大部分时间均处在过度照明状态，电能浪费现象严重。通过积分运算可得LED无级调光系统在夏至和冬至这两天的晴天照明能耗仅为高压钠灯的31%和21%;为恒定亮度LED灯的54%和37%，其他时节的能耗均在这之间。由此可以看出，公路隧道照明采用LED无级调光系统具有相当大地节能空间。本设计正是采用了亮度可控型LED隧道灯及其亮度智能无级控制系统来为隧道加强照明调光。不论隧道洞外亮度如何变化，该系统都能够对其进行自动跟踪，计算出洞内实际亮度需求并控制灯具输出相应地光通量，实现了按需照明的目标，最大限度地节约了电能。

　　(3)应急照明控制

　　隧道意味着一旦供电系统停电，将使驾驶人员难以把握方向，极易造成交通事故。城市短隧道通常可不设应急照明系统，但考虑到寿春路隧道是一条弧形隧道的特殊性，设计时增设了不间断应急照明系统。

　　在高速公路隧道中，应急照明亮度应不小于基本照明亮度的10%，且布设间距一般在20～30米一盏。这种传统的布设方式使得应急照明状态下的照度均匀度极差，这在突然停电的情况下依旧存在较大地事故隐患。因此，我们在设计应急照明系统时放弃了传统的大间距布设方式，充分利用LED灯的亮度可控特性，将所有的基本照明灯全部兼作应急照明灯。当市电断电时，由EPS电源为基本照明灯具供电。此时LED控制卡装置瞬间将基本照明灯具的功率同步控制到额定功率的20%左右。这使得系统在市电断电情况下应急照明的配光特性与原先的基本照明相同，最大限度地避免了交通事故的发生。在灯具安装后，我们对现场应急供电情况进行了验证，在市电断电瞬间，加强照明全部熄灭，基本照明灯具的亮度全部保持在低亮度状态，经测试，应急照明状态下路面平均亮度为0.6cd/m2，达到了预期的设计目标。

　　2.照明亮度智能无级LED控制卡系统介绍

　　(1)系统简介

　　隧道LED照明的智能无级LED控制卡系统目前国内已有多家公司研发出来，但大多未得到实际应用，有的在实际应用时无法控制。在本隧道照明设计中，我们采用了已在高速公路上得到良好应用的控制方案。LED控制卡系统的洞外亮度监测装置将检测到的隧道洞外亮度信号转换为4～20mA标准信号传送至亮度智能无级LED控制卡上，再由其换算后转换为0～5V的直流模拟信号输出，去控制LED灯上的电压控制电流源。电压控制电流源的控制端电压的变化会使其输出电流随之变化，而输出电流的变化，又会引起LED输出的光通量发生变化，从而达到控制被照场所亮度的目的。

　　(2)LED控制卡控制距离要求

　　本系统LED控制卡装置放置在EPS电源柜内。EPS电源柜设置在洞口附近的南侧，距洞口约10m。从LED控制卡装置到隧道的另一端，控制线长度约220m。为了确保控制信号能够长距离传输而不会衰减，我们要求在采用0～5V的直流模拟电压传输控制信号时，其首尾出入口的控制误差不大于2%。信号能够长距离传输的先觉条件是灯具的控制输入端具有很高的输入阻抗。灯具的控制输入端阻抗越高，其吸入电流就越小，则控制信号总线上的电压衰减也就越小，控制信号的传输距离就越远。从一些厂家提供的灯具技术资料来看，有几家的灯具控制输入端的输入阻抗非常高;这使得每盏灯所需的控制电流非常微小，从而确保了信号经长距离传输后衰减微不足道。有的厂家能在控制3000盏灯的情况下，有效控制距离长达30km。这一控制距离几乎可以满足所有隧道和绝大多数城市道路的调光控制要求。

　　(3)电压与亮度对应关系

　　为了避免系统断电，设计时采用了EPS电源为基本照明灯具供电，从而确保了电源不会中断。但另一方面，在电源正常供电情况下，如果照明LED控制卡装置发生某种故障，使得其无输出(这是一些电子系统的常见故障模式，如控制器电源故障等)，仍然可能造成隧道内的照明强度突然低于应急照明的要求。为此，我们要求LED控制卡信号的0V对应灯具的最大亮度，5V对应灯具的最小亮度，且灯具的最小亮度不得低于额定亮度的10%。这一要求确保了任何故障状态下，只要EPS电源工作正常，隧道内的照明就会始终存在，从而最大限度地保障了行车安全。

　　3.应用情况介绍

　　隧道LED照明亮度智能无级LED控制卡系统全部安装完成后，我们对系统的控制性能进行了验证。系统加强照明灯具的亮度白天可随着洞外亮度的变化而变化，在阴天还可看到加强照明灯具亮度明显低于基本照明，实现了无级调光。系统基本照明灯具白天的功率相对较高;在午夜23时至清晨5时车流量较小时，基本照明灯具均以白天功率的50%工作。在市电断电后，应急电源瞬间启动，所有基本照明灯具的功率均降至额定功率的20%。LED控制卡系统避免了过度照明所产生的电能浪费现象，实现了业界长期追求的按需照明的理想。系统与原分级调光的钠灯照明相比，每年可节省电能70%以上。

　　4.结束语

　　隧道中成功地采用了隧道LED照明亮度智能无级控制系统。它的投入使用，将大幅降低隧道的照明能耗，减小LED灯具的光衰，延长灯具和电源的使用寿命;同时也为关注照明节能的业内人士提供了一种可供借鉴的城市隧道智能化照明工程案例，为隧道实现按需照明开辟了全新的途径。