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公路隧道LED照明灯的检测与应用
韩 直1
,戚 飞
2
(1.招商局重庆交通科研设计院有限公司,重庆 400067;2.湖北省交通厅通讯信息中心,武汉 430030)
摘 要:将LED隧道灯分为光源、电源、灯具3个部分,论述这3个部分和整灯从光学、电学、机械、环境4个方面检测的项目与要求,分析应用中存在的主要问题,提出LED隧道灯标识的内容、方法与发展趋势。关键词:公路隧道;LED隧道照明灯;检测;应用;发展趋势
文章编号:1009-6477(2009)06-0129-04   中图分类号:U453.7   文献标识码:B
DetectionandApplicationofLEDIlluminatingLampsinHighwayTunnels
HANZhi1
,QIFei
2
  截止2007年底,全国公路隧道共4673处,总计255.55万延米,其中,特长隧道83处、36.10万延米,长隧道607处、100.11万延米,中隧道758处、53.68万延米,短隧道3225处、65.66万延米,比上年末隧道数量增加了885处(增加23.4%),长度增
加了71.37万延米(增加38.8%)。我国已成为世
界上公路隧道最多、最复杂、发展最快的国家,隧道节能已成为社会普遍关注的问题。鉴于此,全国已有20余个LED灯的企业进行了LED隧道照明灯的开发,国家也准备进行10万盏LED照明灯的示范(全国10个示范城市,每个城市1万盏)。然而,由于缺乏LED照明灯的产品标准、检测规程,给推广应用带来很多问题。本文就LED隧道照明灯检测、应用中存在的问题进行探讨。1 LED照明灯检测
为了满足隧道的土建结构特征(隧道宽度与高度)、环境条件、电网特征、照度要求、安装要求、运营要求(经济性与维护方便性),LED隧道照明灯应通过整灯检测和照明效果检测。1.1 整灯检测
整灯检测是为了了解LED的性能与功能,可从光学检测、电学检测、机械检测和环境检测4个方面,对光源、灯具、电源与整灯分别进行检测。1.1.1 光源部分
公路隧道LED照明灯应提供符合GB/T9468—1988《道路照明灯具光度测试》中第7章规定的光
度数据报告。主要检测配光曲线、横向光束角、纵向光束角、不同电流条件下单颗LED芯片的光效(lm/w)、色温、显色指数,并通过一段时间的疲劳试验,测试光衰减并进行寿命计算。
不同的照明段落其色温要求不同[1]
。不同的隧道断面特征与不同的安装方式,其横向光束角与纵向光束角的要求不同。但光效(lm/w)与显色指数则是越大越有利于节能。1.1.2 电源部分
[2-4]
电源部分主要检测功率因数、电源效率、电流与电压的适应范围、结温,推算电源的理论寿命。
除以上检测外,还要求过流保护,良好的抗振动性(振动频率20Hz,振幅±5mm);电源输入端与电源壳体之间或电源输出端之间的绝缘电阻不小于5MΩ;电源输出端与灯具壳体、散热体间的绝缘电阻
不小于1M
Ω;电源输入端与电源壳体之间或电源输出端之间应能承受1500V的工频电压,能防止开关冲击,通信接口满足或超出TIA/EIA-485A标准的要求并可编址,电磁兼容性为10V/m。1.1.3 灯具部分
灯具部分的检测包括外观质量、结构要求、防
护、安装等方面。
1)外观质量。
表面应光滑,以防污物堆积和便于清洗。无损伤、变形、涂层剥落。玻璃罩应无气泡、明显划痕和裂纹等缺陷。
2)材料。

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所采用的电线(缆)、光源和电器部件(如驱动
电源等)均应符合相应的国家标准或行业标准的规定要求,插销、铰链、螺钉和其他外部构件应用不锈钢或其他耐腐蚀(耐废气、盐和隧道中烟雾的腐蚀)材料制成,灯具及其安装构件不应受混凝土的化学反应腐蚀;密封件应耐温、耐老化和抵御隧道内的腐蚀性气体,并应方便更换。
3)结构要求。
灯具的结构应符合GB7000.1—2002《灯具一般安全要求与试验》中第4章的有关规定,同一企业相同型号的公路隧道LED照明灯具应有良好的互换性;反光器应结构牢固,表面应无明显划痕,清洗和拆装不变形,应便于灯具使用中的维护,便于更换光源和附件,宜采用前开门式;应安装方便,安装角度应能灵活调节;外部接线和内部接线穿过硬质材料时应有保护措施,其外部接线和内部接线的要求应符合GB7000.1—2002中第5章的有关规定。灯具内部所有型号的螺纹接线端子、无螺纹接线端子(或电气连接件)的要求应
符合GB7000.1—2002中第14章和第15章的有关规定,应有特设的导线出(入)口密封装置。
4)性能要求。灯具上的油漆部件、涂层应符合QB/T1551—1992 《灯具油漆涂层》中II类使用条件的要求。电镀或化学覆盖件、覆盖层应符合QB/T3741—1999《灯具电镀、化学覆盖层》中Ⅲ类使用条件的要求。玻璃罩特性与透射比:透射比应达到86%以上;光源在1列或1排LED损坏熄灭时不应影响其他未损坏LED的正常点亮;应有匹配的补偿电容,使功率因数不低于0.9。应配有熔断器,作短路保护;必须有良好接地措施,非带电金属应形成整体,要求应按GB7000.1—2002中第6章的有关规定进行,安装时其接地装置与隧道照明系统接地干线相连;防触电保护应达到GB7000.1—2002中第8章的I类防触电保护的要求;防尘和防水为IP65;绝缘电阻和电气强度的要求按GB7000.1—2002中第10章的规定;爬电距离和电气间隙的要求按GB700011—2002中第11章的规定;耐久性和耐热性
的要求按GB7000.1—2002中第12章的规定;绝缘材料制成的部件,其耐热、耐火和耐电痕的要求按GB7000.1—2002中第13章的规定。1.1.4 整灯要求主要对防护等级、适应温度范围进行检测。其他要求包括抗冲击性能不小于6J,电气保护类别为
Ⅰ类,湿态介电强度为3000V、50Hz、1min,湿态绝
缘电阻大于2ΜΩ,噪声低于55dB(A)(距灯具1m)。若作为应急照明使用,还应进行表1和表2的试验检测。
表1 消防应急照明灯具应耐受气候条件下的各项试验试验名称试验参数试验条件
工作状态高温试验温度持续时间(55±2)℃16h主电状态代温试验
温度持续时间(-10±1)℃
16h
主电状态
恒定湿热试验
相对湿度
温度持续时间
(91+2
-3)%
(40±2)℃4d
主电状态
1.2 效果检测
效果检测是对隧道LED照明灯在具体工程中的适应性进行检测。整灯检测只能说明该规格产品的性能与功能,不能说明其是否适应于具体的工程,是因为不同的工程,不但其断面特征、设计速度、交通量等参数可能不同,而且不同的照明段落对灯的要求也可能不同,因此应进行效果检测,以判断其在具体工程中的适应性。
效果检测项目可根据设计速度、路面类型、照明段落进行分类。一般只需对加强段、基本段和墙面的适应性进行检测,就可满足工程的需要。以D代表洞外亮度,W代表车道数,N代表交通量,ND代表大交通量(对于单向交通隧道,其高峰小时交通量大于2400辆/h),NX代表小交通量(对于单向交通隧道,其高峰小时交通量小于700辆/h),则检测报告可用D-W-N表示,检测项目与检测结论(假设某工程的洞外亮度为3500,单向双车道,高峰小时交通量小于700辆/h)的表格分别如表3和表4所示。由于是工程的适应性检测,故应根据检测的照度计算维护系数,根据JTJ026.1—1999《公路隧道
通风照明设计规范》[5]
,维护系数应不大于0.7。2 LED照明灯标识
LED隧道灯是新型光源,其性能不但与生产厂
家的技术水平、工艺水平、质量保证体系等相关,而且与材料的选择密切相关。例如,同样是50W的LED隧道灯,假设是同一厂家生产,选用的LED芯片不同,其价格相差很大,采用国产芯片的价格将远远小于采用进口芯片的价格。即使采用同一外国企
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表2 消防应急照明灯具应能耐受机械环境条件下的各项试验
试验名称
试验参数试验条件
工作状态
频率循环范围10～55Hz加速幅值
0.5g振动(正弦试验)
扫频速率
1倍频程/min
非工作状态
每个轴线循环扫频次数
20振动方向X、Y、Z
冲击试验
加速度g
100～20m脉冲持续时间11ms冲击次数3个面,3次
波形
半正弦波
非工作状态
      注:m为试样质量,kg。
表3 公路隧道LED照明灯检测项目
路面类型
设计速度/km
中间段加强段墙面沥青路面40项目ZL40项目JL40项目QL4060项目ZL60项目JL60项目QL6080项目ZL80
项目JL80
项目QL80
100
项目ZL100项目JL100项目QL100路面类型设计速度/km
中间段加强段水泥路面
40项目ZS40项目JS4060项目ZS60项目JS6080项目ZS80
项目JS80
100
项目Z100项目JS100
表4 XXX公路隧道LED照明灯检测结论(3500-2-NX)
检测项目项目ZL80
照度
均匀度
总均匀度
维护系数
项目JL80
照度
均匀度
总均匀度
维护系数
项目QL80照度
检测结论
业的芯片,选用不同的型号,例如,选用60lm/颗芯片和选用100lm/颗芯片制造的LED隧道灯,其价格也相差很大。对于建设与运营管理单位,60lm/颗制造50W的LED隧道灯,只能产生3000lm的光通量,而100lm/颗制造50W的LED隧道灯,却能产生5000lm的光通量。若前者每盏灯的价格是1500元,后者每盏灯的价格是2500元,看起来后者价格要高,而实际上采用后者的投资费用更省,因为前者达到同样的光通量,功率大于后者,对建设来说,在电缆与变压器的建设上需投资更多;对运营来说,需消耗更多的电能。因此,为了隧道建设与运营管理单位便于进行比较,应在以下几方面对LED隧道照明灯进行标识。
1)适应范围。
描述适应于隧道照明,还是道路照明,适应于环境腐蚀性较大的水下或海边隧道,还是环境腐蚀性较小的山岭隧道。隧道灯的代号为S,防腐能力用WF加数字来表示。例如,S-WF1表示可用于环境腐蚀性较大的隧道照明灯。
2)功率与光效。
描述单盏灯的总功率(含电源)以及光效(含电源,lm/W・盏)。
3)光源。
描述单盏灯采用的LED芯片的数量以及光源
的来源。目前,尚无LED隧道照明灯的标准,在结构上,各生产厂家各有特点,有些是若干个LED芯片组合成一个光源,整盏灯由若干个合成的光源组成,描述清楚合成光源的数量,有利于维护管理。
4)型号。
描述单盏灯的光源代号(N—钠灯;Y—荧光灯;L—LED灯)及变型代号(序号用阿拉伯数字表示,位数不限;变型代号用汉语拼音小写字母表示)。3 LED照明灯的应用
自2006年起,LED隧道照明灯已在上海、重庆、广州、陕西、云南、江西、福建等地进行了应用与试验。应用的隧道有城市道路隧道、高速公路隧道、国道主干线隧道,有单向2车道、单向3车道隧道、单向4车道隧道和双向交通隧道。应用的产品有条形灯(更趋向于光带照明)、矩形灯、梯形灯和圆形灯。产品在运营方面的技术特征有可进行自动调光控制与不可进行自动调光控制2个类型。
根据应用与试验,可得到以下4点结论:
1)光衰减在LED的老炼期内衰减量较大,大
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31 2009年 第6期      韩 直,等:公路隧道LED照明灯的检测与应用

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约为3.6%～8.8%,此后衰减率大大降低;
2)LED隧道照明灯在均匀性方面具有高压钠灯无可比拟的优势,纵向光束角能满足要求;
3)横向光束角的大小,直接影响墙面照明是否能满足需求;
4)LED隧道灯的结构对光衰减、照度、均匀度和节电率都有很大影响,需根据LED光源的特点进行专门研究。
4 LED照明灯存在的主要问题
LED隧道灯从研发到应用都存在许多问题,而
其核心是应该对隧道LED照明的需求有清晰的了
解,其应该满足隧道的土建结构特征、不同的安装方式、不同的照明段落、隧道电网的性能、隧道的环境条件、行车舒适的要求、维护管理的需要、运营管理的发展。这些问题概括起来,主要表现在以下6个方面:
1)散热与结构问题。工程应用表明,部分产品光衰减严重,不能满足消防与墙面照度的要求。
2)配光问题。没考虑隧道的结构特点、布灯方案特点与照明区域划分特点。
3)电源可靠性、效率、监测与控制问题。电源寿命低,不能进行灯状态实时检测与基于交通量与洞外亮度的自动调光控制,不满足隧道环境差、电网质量差、维护难产生的需求。
4)舒适性问题。没有将隧道照明灯与照明系统相结合,考虑色温对驾驶员行车心情与行车安全的影响,俗称鬼火现象。
5)维护问题。光源没有实现模块化设计,不便于像高压钠灯一样进行光源更换。
6)标准化问题。产品系列与规格不定型。5 LED照明技术发展趋势
中间视觉理论与LED照明灯的发展,为LED技
术在隧道照明中的应用提供了更广阔的发展空间,其发展趋势主要体现在以下几方面。
1)从主观亮度到客观亮度。
目前的照明标准没考虑显色性对视觉判断的影响,未将中间视觉理论应用于照明标准中,国内标准
远高于国际标准的要求[6-7]
,这使得规范的制订存
在一定问题。试验表明[8]
,在背景亮度约为3.0
cd・m-2
以下时,测试者在LED下的反应时间最短,
其次是MH(金卤灯);在背景亮度约为3.0cd・m-2
至4.0cd・m-2
时,测试者在MH下的反应时间最
短,其次是LED。这说明,测试的4种光源中,若以反应时间作为指标,在背景亮度大约3.0cd・m
-2
以下时,LED的照明效果最好,其次是MH;在背景亮度大约3.0～4.0cd・m-2
时,MH的照明效果最好,其次是LED;HPS(高压钠灯)和CFL(荧光灯)的照明效果没有明显差别,都比LED和MH要差一些。
2)从通用产品到专用产品。
这主要体现在以下4个方面。
(1)配光满足隧道照明特点。隧道照明布灯特点与LED光源及产品特点结合。
(2)散热满足环境要求。散热材料,散热结构,散热方式进行创新。
(3)电源提高功率因数与转换效率。优化驱动电路的拓扑结构,提高电路的集成度,开发专用电源芯片。采用有源或无源功率因数校正,进行谐波抑制。
(4)提高产品的可靠性、易维护性,逐步实现
“三化”:
①标准化。统一的规格尺寸,统一的标注方式,相对统一的芯片规格,统一的连接方式。
②智能化。智能化实时状态检测及无级调光系统。
③多元化。隧道段落日常LED照明、LED应急照明、横通道照明。
参考文献
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2
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