智能化隧道高压直流照明系统研究与经济分析

田胜利（甘肃紫光智能交通与控制技术有限公司，甘肃 兰州 730010）

1 引言

现阶段隧道照明系统仍然采用传统高压经过变电站变为低压交流，在灯具处通过AC-DC的供电方式；灯具采用直接用LED照明灯替换高压钠灯灯具的方式进行改造；由于整套照明系统最终是通过直流供电，如果在供电段进行改造，直接通过直流电源对设备供电，可以从根本上降低灯具的成本和电源的转化效率，提高隧道照明系统的运行效率。通过对高压直流供电方式的研究，改变传统的隧道LED灯具供电方式，对LED隧道照明灯具提供一个稳定、可靠的供电电源，从而提高LED隧道照明灯具的使用寿命，减少灯具的维护量，提高隧道照明系统的技术和运维水平；同时通过对单个灯具运行状态的检测，可以提升隧道照明系统管理水平，由现在对照明系统的粗放型管理到精细化管理的进步。

理论需要试验数据的支撑和验证，本文通过对G312线平凉公路总段祁家大山隧道进行改造，将原有设计LED隧道照明灯具供电方式改为高压直流供电模式，采用比较性的方法，即用高压直流供电方案与普通交流供电方案进行比较，如果系统中采用了同样的物料或部件，则不进行比较，只比较与供电相关的二者差异的地方。在交流系统中，需要比较的部件就是供电电缆和驱动电源；在直流系统中对应的部件是供电电缆、集中供电电源、直流驱动电源。通过物料比较，可以得出初始成本的比较，然后通过效率的比较，可以得出运营成本的比较。

2 隧道情况

祁家大山隧道总长800m，共有5条照明回路，213盏LED隧道灯具。

3 经济分析

表1 隧道功率

3.1 建设成本分析

在祁家大山隧道LED照明项目中采用一台20kW和一台5kW集中电源。20kW集中电源用于主要照明电源，5kW用于应急照明电源。电源都是为一条800m长的隧道内部照明进行供电。25kW电源的输出分为四条支路，分别为M1-1，M1-2，M1-3，和M1-4。每条支路都是1100m。5kW电源输出为一条支路ME1-1，长度也是1100m。各支路上灯具和功率情况如表2所示。

表2 灯具与功率

120W和104W灯具侧DC/DC驱动电源效率为94.5%，28W驱动电源效率为89%，估算25kW最大输出功率时，采用90%作为驱动电源效率，并且假定线路上电缆损耗不超过5%，这样25kW电源的输出功率为 Pout，25 =（1920+2544+3760+3704）/90%/（1 ～5%）=13.95kW。用同样方法计算5kW输出功率Pout，5=3764/90%/（1 ～ 5%）=4.4kW。

20kW和5kW电源的性能参数如表3所示。

表3 电源比较

从表3可见，其电网接口的性能指标（即功率因数和谐波含量）显著好于交流方案下的LED照明系统。同时98%的电源转换效率也明显高于交流驱动电源内的AC/DC变换部分的效率。原设计电缆如表4。

表4 电缆清单

由于更换LED灯具线缆，故只更换阻燃电力电缆（ZR-YJV-1KV-5×16）、耐火电力电缆（NH-YJV-1KV-5×16）两种线缆即可，其余线缆不变更。更换线缆数量见表5。

表5 电缆更换清单

故线缆成本约降低30%，但是由于需要增加AC-DC高压直流设备，预算需要增加，故祁家大山隧道造价成本基本持平。

3.2 运营成本比较

从运营角度来看，单纯电费支出高压直流照明灯具并无显著电费节约。系统优势在于灯具维修次数减少，同时在智能化管理方面具有优势。

表6 运营成本比较

4 系统效率分析

在祁家大山项目中用到的灯具功率为120W，104W，28W。在交流系统中，120W和104W驱动电源的典型效率为90%，28W驱动电源的典型效率为85%。 采用直流供电后，集中电源的效率为98%，120W和104W驱动电源效率为94%，28W驱动电源效率为89%。这样折合的系统效率对于120W和104W电源为98%×94%=92.1%，对于28W电源为98%×89%=87.2%。比对应的交流电源效率都高了2%以上，也就是说可以从总功率中节省2%以上。

之前提到120W和104W的交流驱动电源效率为90%，28W交流驱动电源效率为85%。从表3可以算出其系统等效效率，即：Eff.ac=11928/（60×120/90%+1 8×104/90%+102×28/85%）=89%取其平均效率约为89%，功率因数典型值为0.95，总输出功率11928W，交流系统标称电压220V，线长1100m，通过表2的公式，可以算出在交流供电条件下，需要的电缆为5×16平方的三相五芯电缆，其压降比例为5.8%，电缆损耗比例为总功率的4.6%。

表7 功率比较

当采用直流供电方案时，120W和104W的直流驱动电源效率为94.5%，28W直流驱动电源效率为89%。从表3可以算出M1-4和M1-3的系统等效效率为94.5%；M1-2的系统等效效率为：

Eff.dc=（14×120+6×104+50×28）/（（14×120+6×104）/94.5%+50×28/89%）=92%，M1-1的 系 统等效效率为：

Eff.dc=（14×120+6×104+52×28）/（（14×120+6×104）/94.5%+52×28/89%）=92%，把等效效率代入公式，可以计算出每条线路所需的电缆及其压降比例和损耗比例，计算结果汇总见表7。总体来看能够节省约2%的电能。

5 结语

从实际项目中的经济分析可以看出，高压直流隧道照明系统在祁家大山项目中通过建设期和运维期的经济效益较好。由于祁家大山隧道为800m短隧道，而高压直流设备是按照2000m隧道功率进行的配置，节省电缆费用可以与增加的高压直流变压器、灯具费用相平，而在后期维护方面应强于交流供电系统，经济性具有较强的竞争力。