电气化铁路隧道照明节能探讨 电气化铁路隧道照明节能探讨
司马玉山
（中铁二十一局集团 电务电化工程有限公司，甘肃 兰州 730000）
摘 要：近年来，随着我国电气化铁路的迅速发展，特别是铁路长大隧道的记录不断被刷新，电气化铁路隧道照明系统也随之增多。目前，在节能减排已成为我国经济发展的主基调背景下，如何提高隧道照明系统的利用率、解决实际运营过程中节能和安全运营的矛盾，已成为当前迫切需要解决的问题。本论述就有效节约电能降低运营成本、提高铁路运营的安全性，从而达到提高电气化铁路运营社会效益和经济效益的目标进行探讨，在设计阶段采用以下方法进行节能控制：将隧道划分为四个段，根据不同段的亮度合理布置灯具；选用特殊声控照明系统、LED灯、特殊反光材料节约电能。
关键词：节能；隧道照明；自动控制；LED；节约能耗；声控
本论述就电气化隧道照明节能问题从设计阶段和运营管理阶段，通过不同的节能控制方法进行节能控制。
1 电气化铁路隧道照明设计阶段
1.1 电气化铁路隧道照明系统区段划分及取值
在设计阶段把电气化铁路隧道划分为入口段、过渡段、中间段、出口段等部分，根据规范要求的各个段最低亮度要求，分别设计各段照明系统布置。
入口段亮度计算公式：Lth=K×L20（S），式中Lth为入口段亮度（cd/m2）；K为入口段亮度折减系数，可根据规范查表取值；L20（S）洞外亮度（cd/m2）。
过渡段由TR1、TR2、TR3三个照明段组成，其中Ltr1=0.3 Lth、Ltr2=0.1 Lth、Ltr3=0.035 Lth。
根据以上公式，在设计阶段对各段的照明灯具、开关箱、插座箱、配电箱进行合理设计，达到合理布局、节约电能的要求。
1.2 电气化铁路隧道照明系统控制系统选取
在设计阶段选用合理的隧道照明控制方式和控制系统是电气化隧道照明节能的关键所在。
目前国内隧道照明系统的控制方式主要有三种：手动控制、分时段进行的时序控制和分级控制。
手动控制：在电气化铁路隧道中，通过设置在隧道口的电源开关箱及洞内的照明控制箱，人工进行照明系统的逐级控制。这种只使用于线路检修人员检修线路，但在电气化铁路正常运行时，为了保障列车的安全运行，一般设置为长明灯，这就造成了巨大的电能浪费。手动照明控制控制点分散、管理不便、电能浪费大，因此不宜在电气化隧道照明中单独采用手动控制系统。
分级控制的工作原理为：在隧道口、隧道外合理位置布设检测照度的仪器，将隧道外、隧道入口处的光强度数据信息传输到主控制系统进行处理，分别逐级控制电气化隧道内各区段的照明强度。电气化铁路隧道照明系统在设计阶段，为了保证列车的运行安全，其设计参数值取值较大。隧道外照度的取值，往往是按夏季日照时间最长时提取最大亮度，用来设计隧道内灯具的布置位置及所采用的灯具功率。而在电气化铁路运行中，设计值偏大而实际光强度需求量较小，这样就造成了大量电能的浪费。在隧道因布局限制，大量回路线无法布置安装，一般只能做到人工控制2-3级，隧道内灯具基本都处于最大亮度，无法对整个隧道的照明进行有效的节能控制，因此分级控制不宜在电气化铁路隧道照明系统中采用。
分时控制系统：分时段照明控制方式吸纳了传统照明控制方式，具有节约电能、灵活多变的特点，其基本原理是依靠中心控制系统，通过数字模拟转换器来控制隧道的配电照明。所谓的分时段智能照明控制系统就是实现了照明开关的自主控制、告别了传统照明方式的手动、人工控制。该系统虽然很好地解决了传统照明控制方式对“照明控制相对分散和不利于有效管理”等问题，照明控制的集中高效管理的问题得到有效解决，但电气化隧道照明系统主要用于列车通过时的照明和日常检修时的照明，因列车表、检修时间不固定，无法对照明系统进行准确控制，因此分时段进行的时序控制，也不适用于电气化铁路隧道照明。
根据以上隧道照明系统的控制方式的优劣势对比分析及满足电气化铁路隧道照明的需求，可采用特殊声控和手动控制相结合的综合控制系统。
特殊声控照明系统工作原理：列车驶入隧道前应鸣笛，距离隧道口262.5 m处司机因鸣笛，鸣笛时空气被压缩，气流加快，也就是风速变大。火车鸣笛的声音是有方向性的，在它正前方30 m 90度内为107～120 dB，列车在隧道内行驶时车轮撞击铁轨的声音70～85 dB。而检修人员在隧道内行走检修时的分贝在15～50 dB，因此可根据隧道内列车运行时速、分贝范围及检修时的分贝范围，设置双层声控系统。当列车靠近隧道口时，高分贝控制系统启动，当列车驶出隧道时，隧道照明系统自动停止。在同一个隧道设计多段底分贝隧道照明声控系统，当人工检修到达隧道里程时，通过低分贝控制系统单独启动该处隧道照明系统，到达下一个隧道里程时该处隧道照明系统启动，同时上一处隧道照明系统自动停止。特殊声控照明系统最大限度地解决了电能浪费的缺点，同时一次性设备投入较小，经济适用，最适合作为电气化隧道照明的控制系统。
1.3 电气化铁路隧道照明系统照明灯具的选型
隧道照明属于定向照明的范畴，现有的隧道照明主要采用高压钠灯或直管型荧光灯，高压钠灯的优点是光效较高，缺点是光源的显色性不好，高压钠灯发黄光也导致隧道照明的视觉效果不佳，影响行车安全，直管型荧光灯光源显色性良好，但光效略低，具体指标见表1。
表1 照明灯主要技术指标
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采用新型照明灯具和经济适用的控制系统是保证电气化隧道安全、节能运行的重要控制环节。高频无极灯、LED灯在道路、隧道中已越来越多地被使用，而且节能效果和亮度效果有明显改进。LED灯产品应用到电气化铁路隧道照明，不但能满足隧道光效、光通量、光色、显色性的要求，而且能节约能耗降低正常维护支出，从而达到节能且安全运行的目标。
LED灯工作原理：LED（Light Emitting Diode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它直接把电能转化为光能。LED的控制中心是一个半导体的晶片，两端分别连接电源正负极，用环氧树脂把整个晶片密封。半导体晶片由三部分组成，即P型半导体（空穴）、N型半导体（主要是电子），中间是1至5个周期的量子阱。当电流作用于晶片时，电子和空穴就会被推向量子阱，在量子阱内电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量。LED光效可达到370 lm/W以上，理论上比白炽灯节约能耗11%，比荧光灯节约能耗45%。随着LED价格的快速下降，与传统光源相比，LED具有显著的优点：效率高、使用方便、环保、寿命长，特别是在电气化隧道照明等定向照明等领域中将迅速得以推广。
1.4 电气化铁路隧道反射布置
电气化隧道照明系统，在不增加负荷和照明灯具的前提下，通过隧道的光源反射布置也可以达到降低能耗的效果。首先选择合适的灯具，然后重点调整其安装角度，达到最佳的光强度效果。另外在隧道顶部与隧道壁做反光处理增大反光比，通过隧道顶和隧道壁的多次反射可使隧道照明反射光增量系数将比表面未作处理的隧道节约用电15%左右。
2 运营阶段节约能耗
运营阶段通过管理手段可以达到节约能耗的目的，即在电气化隧道照明系统投运后，对隧道内光源、灯具进行定期维护，要做到对灯具进行定期清洁工作，对光源和附件进行检修，尤其是要重点检查气体放电光源的无功补偿电容是否有击穿现象，此外还可以根据列车通行量及检修频率，适度调整照明控制系统。对电气化隧道照明系统进行维护的主要目的是为了提高照明灯具的维护系数，使照明系统始终处于良好的工作状态下，从而达到节约电能的目的。
3 结束语
通过采用以上节能方案和节能措施，可大大的提高隧道照明质量、降低能耗与隧道运营成本。在经济技术迅猛发展的今天，通过不断研究与总结，提高电气化隧道照明节能技术，从而达到提高电气化铁路运营社会效益和经济效益的目的。
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中图分类号：U453.7
文献标识码：A
DOI：10.3969/j.issn.1672-6375.2016.04.009
收稿日期：2016-3-1
作者简介：司马玉山（1982-），男，土族，甘肃临夏人，大学本科，工程师，主要从事铁路电气化工作。