Study on Road Tunnel Light -pipe Lighting SystemXiang Dong （Guangzhou Metro Design &Research Institute Co.，Ltd.，Guangzhou510010，China ）向东（广州地铁设计研究院有限公司，广州市510010）作者信息向东，男，广州地铁设计研究院有限公司，高级工程师。

Abstract The road tunnel light -pipe lightingsystem is studied based on the tunnels of South Fengling Road in Nanning.An energy -saving solution is proposed for 24-hours tunnels lightings ，which means the light -pipe lighting system is applied in the daytime while the LED lighting in the nighttime.Key words Road tunnelLight -pipe lightingLED lighting Intelligent lighting controlEnergy -saving摘要以南宁市凤岭南隧道为例，开展公路隧道光导照明系统研究，提出一种针对隧道24h 照明的节能解决方案，白天利用光导照明系统，夜间利用LED 照明。

关键词公路隧道光导照明LED 照明智能照明控制节能1概述南宁市凤岭南隧道位于南宁市青秀山坡南，西侧始于会展路K1+224，东侧终于青秀路K2+296，隧道单洞长1076m ，属长隧道设计范畴，如图1所示。

南宁市凤岭南隧道是我国第一条开展光导照明系统研究的公路隧道，研究的目的是探寻对天然光的利用，提出一种针对隧道24h 照明的节能解决方案。

本文主要阐述此隧道光导照明系统及与其相关的供配电研究。

2光导照明实施场所白天利用光导照明，保证隧道入口段、过渡段、中间段、出口段，与外界天然光的平稳过渡；夜间采用LED 照明，利用智能照明控制系统的照度感应器，自动开启LED 照明。

隧道中间段白天（阴天）照明如图2所示。

公路隧道光导照明系统研究图1凤岭南隧道Fig.1Tunnels of South Fengling Road图2隧道中间段Fig.2Middle section of the tunnel公路隧道光导照明系统研究（向东）465412012Vol.31No.7Jul.BUILDINGELECTRICITY2012年第7期3隧道配电系统设计3.1负荷等级及变压器容量根据隧道和设备管理区各类设备的用途和重要性，设备负荷等级为：①一级负荷：隧道应急照明、隧道一般照明、综合监控系统、隧道通风系统、消防泵、大型显示屏等；②二级负荷：管理设备区通风、照明、插座等；③三级负荷：隧道维修电源、室外照明等。

隧道和设备管理区用电负荷合计为717kW ，预留其他市政用电，变压器容量为2台1250kVA 。

3.2配电系统设备管理区变配电所进线，采用两路来自不同区域开关站或者同一区域开关站不同母线段的10kV 电源，以电缆沿沟敷设进入变配电所。

变配电所内设置7面10kV 开关柜、2台1250kVA 变压器、12面低压配电柜。

平时2台变压器分列运行，当一台变压器故障停运时，另一台变压器能保证隧道一、二级负荷的用电需求。

配电系统如图3所示。

3.2.1配电系统保护设置变配电所设有数据采集与监控系统，变压器低压侧为单母线分段运行，低压配电柜总进线开关QA1、QA2与母联开关QA3联锁，仅当总进线开关QA1或QA2任一开关失压（非故障）断开时，QA3自动投入，带自复功能。

低压配电柜三级负荷总开关QA -1、QA -2与总进线开关QA1、QA2联锁，当总进线开关QA1或QA2任一开关断开时，三级负荷总开关QA -1、QA -2同时断开。

当恢复两路电源供电时，由SCADA （Supervisory Control And Data Acquisition ，数据采集与监控）系统自动或就地手动合闸三级负荷总开关QA -1、QA -2。

由SCADA 系统监控的开关有：低压配电柜总进线开关QA1、QA2，母联开关QA3，三级负荷总开关QA -1、QA -2。

变电所10kV 系统，进线开关设带时限速断保护、过电流保护，出线开关设速断保护、过电流保护、单相接地保护。

低压系统，进线开关设短路瞬时保护、短路短延时保护、过负荷保护、失压脱扣，出线开关设短路瞬时保护、过负荷保护。

3.2.2无功补偿采用在低压侧集中补偿，10kV 侧功率因数大于0.9。

3.3LED 灯具采用交叉配电隧道应急照明、一般照明均采用LED 灯具，按隧道分侧采用三相电源交叉配电，应急照明负荷占隧道照明负荷的10%，作为应急照明的LED 灯自带蓄电池，备用时间不少于60min 。

4隧道光导照明4.1光导照明原理光导照明是通过隧道外的采光罩捕获天然光，经过光导管高效传输后，由漫射器将天然光均匀扩散，导入隧道内。

从黎明到黄昏，甚至雨天、阴天，光导照明导入隧道内的天然光都能得到充分利用。

4.2光导照明装置结构组成光导照明装置主要由以下几部分组成：采光罩、光导管、漫射器等。

结构组成如图4所示，从上往下的结构分别为：采光罩、防雨板、光导管、光导弯管、光导管、固定环、漫射器。

4.2.1采光罩安装于光导照明装置的入口端部，用于采集来图3配电系统Fig.3Power distribution system46642自不同方向的天然光。

一般为PC材料，厚度均匀，透光率高；抗老化、抗冲击、耐摩擦，能过滤90%以上的紫外线。

采光罩的外形多为半球形，表面平滑，具有自洁功能。

4.2.2光导管安装于隧道顶端与地面之间的波纹管中，波纹管的一端与隧道内部相接，另一端通往地面与外界相通。

全反射率可达99.8%，可任意转弯。

外层一般为0.3mm厚的铝材，内层一般为0.1mm厚的10层反光薄膜。

光导管直径越大，反射的次数越少，光的利用率越高。

4.2.3漫射器安装于光导照明装置的出口端，由很多个透镜组成，将光线均匀折射到各种角度，扩散到隧道内。

具有高透光，显色性好，光线柔和，无眩光的特点。

4.2.4其他防雨板、固定环为光导照明装置的配套设施。

5智能照明控制对光导照明系统及每个LED灯回路实施智能照明控制，照明模式和实现方式如表1所示。

光导照明装置可以根据隧道内的照度感应器，自动控制驱动电机，带动遮光片旋转，对导入隧道内的天然光进行调节，调光示意如图5所示。

6光导照明设置在本隧道内共设置235套光导照明装置，光导照明装置距地面6m。

在隧道的入口段，平行安装3套光导照明装置；在隧道的出口段、过渡段，平行安装2套光导照明装置；在隧道的中间段，安装1套光导照明装置。

实现隧道入口段、过渡段、中间段、出口段，与外界天然光的平稳过渡，形成整个隧道的光线渐变过程，避免因为光线骤变导致驾驶者视觉的不适应。

光导照明装置在隧道各功能段的布置剖面如图6~图8所示。

需要注意的是，隧道外地面景观绿化设计时，考虑光导孔在隧道上部纵向布置的位置，在光导孔附近，应以草地和低矮植物为主，避免光线被植被遮挡。

夜间隧道内的灯光通过光导照明装置逆向反射，在隧道外部形成夜间灯光景观，成为新的景观亮点。

图4光导照明装置结构组成Fig.4Structural composition of light-pipe lighting device照明模式光导照明LED灯回路1LED灯回路2实现方式白天开启关闭关闭通过隧道外的照度感应器，关闭全部LED灯夜间开启开启开启通过隧道外的照度感应器，开启全部LED灯黎明、黄昏、雨天、阴天开启开启关闭通过隧道外的照度感应器，开启1/2LED灯，使隧道内平均照度保持稳定白天全黑极端天气开启开启开启通过隧道外的照度感应器，开启全部LED灯表1照明模式和实现方式Tab.1Lighting model and implementation approach图5光导照明装置调光示意Fig.5Schematic diagram of dimming oflight-pipe lighting device公路隧道光导照明系统研究（向东）467432012Vol.31No.7Jul.BUILDINGELECTRICITY2012年第7期图7隧道出口段、过渡段照明布置剖面Fig.7Profile of exit and transition section lighting layout of the tunnel图6隧道入口段照明布置剖面Fig.6Profile of entrance section lighting layout of the tunnel图8隧道中间段照明布置剖面Fig.8Profile of middle section lighting layout of the tunnel468447采用光导照明的照度计算7.1计算光导照明装置漫射器的输出光通量ΦuΦu=E s×A t×η式中：Φu———光导照明装置漫射器输出光通量，lm；E s———隧道内天然光设计照度，lx；A t———光导照明装置的有效采光面积，m2，可用半球面积公式A t=πD22计算，D为光导管直径（m）；η———光导照明装置效率。

7.2光导照明装置的效率ηη=α×β×γ式中：α———采光罩的透射率，一般来说，PC（聚碳酸酯，即工程塑料）材料取0.88，PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯，无毒环保）材料取0.92；β———光导管总反射率，根据不同长度l，不同直径D取值；γ———漫射器的透过率，一般取0.80。

7.3光导管总反射率β光导管的一次反射率β0为99.7%，取春分、夏至、秋分、冬至日太阳光的入射角均值作为条件。

在不考虑采光罩折射的条件下，计算太阳光在光导管中的反射次数，得出总反射率。

太阳高度角为θ，θ取值如图9所示，反射次数N（取整数）为：N=lD×tanθ式中：θ———太阳高度角。

得光导管总反射率β为：β=β0N7.4平均水平照度E h·avE h·av=n×Φu×U×Kl×b式中：E h·av———平均水平照度，lx；n———拟采用的光导照明装置数量；K———维护系数，一般取0.7～0.8；l———建筑长度，m；b———建筑宽度，m；U———利用系数，见表2。

图9太阳高度角θ取值Fig.9Value of solar altitude angleθ顶棚反射比室空间比RCR墙面反射比50%30%10%80%0 1.19 1.19 1.191 1.05 1.000.9720.930.860.8130.830.760.7040.760.670.6050.670.590.5360.620.530.4770.570.490.4380.540.470.4190.530.460.41100.520.450.4050%0 1.11 1.11 1.1110.980.950.9220.870.830.7830.790.730.6840.710.640.5950.640.570.5260.590.520.4770.550.480.4380.520.460.4190.510.450.40100.500.440.4020%0 1.04 1.04 1.0410.920.900.8820.830.790.7530.750.700.6640.680.620.5850.610.560.5160.570.510.4670.530.470.4380.510.450.4190.500.440.40100.490.440.40注：地面反射比为20%。