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青岛胶州湾海底隧道LED照明应用

青岛胶州湾隧道是连接青岛市主城与辅城的重要通道,北起点在团岛路,南端在薛家岛于北庄村与后岔湾村之间出洞,下穿胶州湾湾口海域,纵断面采用“V”字坡,隧道全长约7800m,其中海底段隧道长约3950m,是我国最长,世界第三长的海底隧道,是青岛市规划的东西跨海通道“一路、一桥、一隧”中的“一隧”。设计道路为黑色沥青路面,路线等级为城市快速路,设计基准期为100年,中间设服务隧道,双向六车道,车道1 宽度为3.750m,车道2 与车道3 宽度分别为3.5m,隧道净宽13.5m,车速80km/h,灯具安装高度为5.2m。            

图1 隧道位置图
青岛胶州湾隧道工程全线采用LED隧道灯进行照明,设计使用LED灯具数量为7076套,是目前全球范围内单体隧道采用LED照明规模最大的项目,其中洞口采用140W加强照明来减低洞内外光照强度视觉差,洞内基本段采用70W基本照明,隧道里所有LED灯具具备调光功能,以进一步提高节能指标。


二、    隧道照明之现状与发展


传统隧道照明大都以高压钠灯为主,由于高压钠灯发光角度为360°致使光源利用率仅为40%-60%,因此灯具有效利用率较低;同时由于高压钠灯还存在着显色性差、功率因素低、启动时间长等缺点,实际使用寿命也远低于其标称的平均寿命20000H;所以长期以来,公路隧道的建设、管养单位一直都在关注新型隧道照明灯具的发展。
白光LED作为一种革命性的绿色光源产品,自2003年以来,在技术、制造和应用领域都取得了长足的发展。特别是在隧道照明领域,其应用技术日趋成熟。自2005年起,国内开始尝试采用LED作为隧道照明灯具,目前已在很多项目得到成功应用。如贵州乌龙山隧道、贵州贵广路全线隧道、广州新中轴隧道、广西广贺全线隧道、上海人民路隧道等等,实际应用效果得到了业主及广大驾乘人员的肯定,特别是2009年通车的上海长江隧道,长达8.9公里的基本照明全部采用LED隧道灯,通过近两年的运行,照明效果保持良好、故障率不足3%、光衰约为10%,整体节能近50%,取得了LED应用于隧道照明领域的巨大的成功,对于国内的LED照明应用起到了十分重要的推动作用。
    青岛胶州湾隧道的建设方在细致调研LED隧道照明产品技术和广泛考察LED隧道照明工程案例的基础上,结合胶州湾隧道实际通车总里程更大、照明灯具总量更多的特点,在总结部分成功案例经验的基础上,确定了采用LED隧道灯,以实现更优质的照明环境和较高的节能效果。


三、    青岛胶州湾海底隧道LED照明应用


3.1 隧道照明方案
    由于隧道洞口采取了遮光措施,洞外亮度相对偏低,根据《公路隧道通风照明设计规范》(JTJ 026.1-1999)中的规定“平均亮度与平均照度间的换算关系一般可按沥青路面(15—22)lx/cd.m-2”,且加强照明夜间不工作的特点,加强照明路段平均亮度与平均照度的换算系数考虑取低值15 lx/cd.m-2,维护系数取0.8;而基本照明路段平均亮度与平均照度的换算系数取20 lx/cd.m-2,维护系数取0.7;另外,匝道由于车流量相对于主线偏低,故匝道基本照明路段平均亮度与平均照度的换算系数可取值15 lx/cd.m-2,维护系数取0.7。


主隧道出入口加强段、过渡段采用同一种型号灯具对称布置的方式,灯具功率为140w,出入口加强段与过渡段的灯具布置采用单侧不超过两排的布置方式。入口段的加强照明所用灯具从洞口以内10 米处开始布设。匝道采用5.2米双侧布灯以提高均匀度。大断面由于处于主隧道与匝道交汇处,车道多,交通情况复杂,故采用单排拱顶布灯及双侧布灯,以增加亮度与均与度。隧道每隔24米双侧交错设置应急照明,以应付突发的断电情况。

 

隧道灯具光源采用德国OSRAM品牌的功率型LED芯片,允许工作结温≥125 ℃,在环境温度为25℃时,灯具满负荷稳定工作,其LED器件的结温的温升≤30℃,色温4000K﹤Tc﹤5700K,色温一致性﹤500K,确保灯具使用50000h前,光衰小于初始值的30%。灯具的各项性须符合国家的相关标准,其功率因数:≥0.90,电源效率大于85%,并具备调光功能。


3.2 照明调光系统方案  
为了进一步提高隧道节能指标,避免不必要的照明电能消耗,隧道所有LED灯具都具备调光功能,由国内领先水平的调光控制系统实现全部控制功能。系统调光采用PWM方式,在管理中心大楼中控室设置照明控制工作站一台,在隧道沿线分区域各设置照明调光控制箱共22台,通信箱1个,通过光缆连接组成现场照明调光控制环网,每个照明调光控制箱在各自控制区域内通过4条RS485总线方式分段方式接入本区段内的所有LED灯具的RS485智能接口。


调光控制系统可根据规范及运营要求,根据不同工况,对隧道基本照明所有LED灯具进行12级亮度调光,调光系统实现了灯具时间控制、集中远远程控及区域就地控制三种方式,时间控制参数可自行设置,系统故障消除以后可以自动恢复时控参数。调光系统提供开放协议,与设备监控系统接口为RJ45开放接口,以适应集成控制。LED调光系统如发生故障,故障区域内的LED隧道灯具100%光输出。调光系统充分考虑了电磁兼容和谐波问题,不影响隧道内监控设备的正常工作,也不会对供电电网造成污染。

 

4照明调光系统图

3.3 调光控制系统功能与优势
系统功能特性:
LED灯具采用PWM控制方式控制灯具输出电流来实现灯具的亮度级别变化,能及时响应外部控制系统信号指令并做出相应的动作,调光系统简捷、灵活,便于操作,维护简便,当系统发生故障时,LED灯具自动工作在100%输出状态,能有效的保证道路照明安全,电源切换时,灯具再启动时间及系统响应时间≤0.1s。系统可实现多级调光,级数如下:20%,30%,40%,50%,60%,70%,80%,90%,100%。可任意设置控制时间和调光级数,可满足任何不同工况的调光控制需求。
系统功能优势:


控制系统布线简单明了,易于施工,控制方式灵活,控制界面美观,方便识别与使用;可靠性高,系统软件内部增加了纠错算法,保证通信的可靠性;每个控制台与外界控制系统之间的通信设有RS485串口通信接口,对外提供开放式协议,控制灵活性高。可以任意在某个控制台进行现场区域控制,亦可以在总控制室对各个控制台进行远程控制;维护方便,更换或升级系统元件时,不需要关闭整个系统。

 

四、LED隧道照明系统安装调试问题探析


由于隧道工程的自身特点,LED隧道照明系统进行安装调试的时间往往处于通车前夕,工程施工时间紧迫,现场照明条件不足,很容易发生接线故障,具体如下:
1、由于灯具的照明用电属于强电范围,而调光系统的接线属于弱电部分,若出现灯具接线“强弱”不分的现象,一旦通电,整个RS485总线通道下所有的LED灯具电源弱电部分将被烧毁。


2、隧道用电设备众多,线路复杂,施工方接线时可能误将某相火线当成零线,将造成此两相火线上的所有灯具都接入380V高压,进而烧毁相应的全部电源。


3、灯具的调光系统每根调光总线根据设计连接数量不等的LED灯,当施工人员出现疏忽时,会将RS485总线里屏蔽层混淆,导致总线电阻及信号强弱的不同,致使总线上灯具在调光时会出现异常,或完全无反应,或部分无反应,或反应速度不一等,另外也可能导致控制台的RS485芯片发生故障。


4、隧道照明配电箱的强电电缆敷设一般采用三相五线制,这其中一相火线为黄色,当隧道照明条件不足时,施工人员易将黄色的火线与黄绿地线混淆,如果此组线缆的地线接地电阻过大,则灯具通电时极有可能在灯具外壳与火线之间形成通路,有大电流流过灯具表面及电缆线槽,使某些阻燃耐火等级低的材料起火。
综上,LED作为一种半导体器件,且灯具电源采用了IC等较多的精密电子器件,其耐受性与传统灯具不同,因此,应充分考虑安装调试的辨识度和纠错性,避免产生接线错误。具体办法如下:
1、设计联络时应进一步考虑接线方式和施工难度,加强技术工作,针对施工人员做好相关岗前培训;
2、强电接线可考虑穿刺线夹方式,减少接线错误;
3、控制线接线尽量采用端子方式,剥线时采用错位剥线;
4、系统通电前,应分段测试线路是否短路,避免烧毁灯具。

 

五、 结语
在“节能减排”政策的要求下,随着半导体技术的发展,作为“第4代光源”的LED在隧道照明等领域的应用日益广泛,从本工程应用的实际效果及初步测试数据来看,LED照明完全能符合照明设计规范的要求,其节能效果可达到50%左右,且产品的稳定性已经超过了传统灯具。

参考文献:
[1]蒋树屏,郑汉璋,刘伟,等.公路隧道通风照明设计规范(JTJ 026.1-1999) [M] .北京:人民交通出版社,2000年.
[2]程恒.LED隧道照明在贵州高速公路的应用尝试 [J] .中国交通信息产业,2007年,第11期:32-33.
[3]姜允肃,刘千伟,孙俊,刘木清,等.长江隧道LED照明工程 [J] .中国照明电器,2009年,第1期:1-5.
[4]张兴军,陈斌,庞云,刘木清,LED隧道照明均匀度研究.控制工程,2010年,第Vol.17 S2 :61-64
(本文作者来自广东中龙交通科技有限公司)

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