大功率LED路灯应急移动照明系统设计

　　摘要：在分析传统保供电方式存在问题的基础上，设计开发了大功率LED 路灯应急移动照明系统，介绍了其技术要求、设计方案及主要参数，并阐述了其实际应用情况和所获得的经济效益。

　　0 引言

　　2010年广州举办了第16 届亚洲运动会，广州供电局路灯管理所负责亚运会开闭幕式及期间城市照明的保供电、亮灯工作，其中亚运会开闭幕式的保供电、亮灯工作尤为重要。按保供电方案，在出现故障时，备用照明要能瞬时启动，提供应急照明。为适应保供电快速反应的要求，广州供电局路灯管理所设计开发了大功率LED 路灯应急移动照明系统。该系统具有自带电源、瞬时启动、高亮度、移动方便、运行时间长等优点，操作简易方便，适用于规格高、范围广的道路照明保供电场合。

　　1 传统保供电方式分析

　　传统保供电方式主要是确保电源的可靠运行，一般临时增加应急电源，在原电源供电故障时投入应急电源以保证供电连续。传统保供电方式在有效提高供电可靠性的同时，也存在着以下问题：

　　（1）为了确保可靠性，对保供电区域的路灯临时增加一路电源或备用回路，保供电准备工作耗时长、成本高、难度大，而为此投入巨大人力、物力安装的临时照明在活动结束后就不再使用，从而造成浪费。

　　（2）以现场抢修为主，发生电源性故障时，各类控制机构切换繁复，可能会发生误操作，导致设备或人身事故。

　　（3）一般道路照明系统的光源为气体放电灯，熄灭后不能即时重启动。即便快速完成应急电源的切换重启动也需要5~10 min的时间。在人流密集的场所突然失去照明，人们在黑暗环境下会出现恐慌情绪，极易发生群伤事件。

　　（4）在采用小型发电机做应急电源时，因功率较低，难以提供稳定可靠的备用电源。且220 V 发电机在复杂现场使用时，若行人不小心碰触，会造成触电事故。

　　因此，单纯依靠传统保供电方式已不能满足亚运会期间保供电要求，在备用电源切换重新启动期间，应有临时应急照明系统作为照明持续的保证。

　　2 应急移动照明系统技术要求、设计方案及主要参数

　　2.1 应急移动照明系统技术要求

　　传统保供电方式不能保证照明不间断，应急照明要弥补这个不足，提供持续的照明，必须满足以下技术要求：

　　（1）在正常照明故障熄灯时光源瞬时启动，并达到光效；

　　（2）光源高亮度，发光效率高，灯具综合效率≥70 lm/W,能满足道路应急安全照明需要；

　　（3）系统自带电源启动，电源要求安全、可靠、稳定，并能满足长时间供电要求；

　　（4）系统模块化、单元化设计安装简易，可快速运输、移动，防水、防尘，适合于现场户外环境使用；

　　（5）低成本、维护便利，能长期重复使用。

　　针对以上技术要求，传统气体放电灯虽然亮度高，但不能瞬时启动，对电源要求也较高；而新型LED 路灯具有瞬时启动、高效节能、高亮度、系统供电简单等优点。比较后，我们认为LED 路灯更能满足应急照明的要求。

　　2.2 大功率LED 路灯应急移动照明系统设计方案

　　2.2.1 照明灯具光源功率、配光设计。

　　作为新的照明光源，LED 在路灯中开始广泛应用，其特点决定了其适合作为应急照明使用。在系统设计中，我们根据应急照明的要求对灯具功率、配光进行了重新设计，按16 m 宽道路、30 m间距、平均照度15 lx、灯具综合效率70 lm/W、利用系数0.5,计算灯具光源功率P:

　　P=（16×30×15）/（70×0.5）=205.7 W.

　　按计算结果，考虑灯具结构、散热等因素，再加上灯具功率不宜太大，故确定采用双灯具布置，每套灯具功率为110 W,系统光源功率为220 W.

　　为便于运输、移动，应急照明系统的安装高度不应高于4.5 m.

　　为了得到较好的照明均匀度，在原有光学系统基础上重新进行灯具配光设计，加大光强角，照度计算结果为：Eav=13 lx;Emin=2.36 lx.

　　照度均匀度为0.182;平均照度虽然低于15 lx,但作为应急照明还是可以满足要求的。

　　2.2.2 电源系统设计。

　　系统电源要求安全、可靠、稳定，并能保证较长时间的供电。针对LED 路灯直流供电的特点，系统采用12 V 可充蓄电池供电，加上系统损耗，单个系统总功率为240W.按供电12 h 计算，系统供电能力不应低于2.76 kW·h.LED 灯具采用24 V 直流供电，选定12 V、200AH×2 可充电型蓄电池，合计总电量达到4.8 kW·h,在保守使用放电深度为60%的情况下，即可满足运行12 h 的要求，并为灯杆自动升降系统提供工作电源。为延长蓄电池使用寿命，保证系统正常供电，开发了嵌入式系统（ARM）对蓄电池充放电进行优化管理，在充电时对充电速度进行控制，放电时对放电深度进行调整，以延长蓄电池的使用寿命，同时显示蓄电池当前状态参数。

　　2.2.3 灯杆自动升降系统设计。

　　为达到照明效果，道路照明灯具需要安装在一定高度的灯杆上。本系统在考虑灯杆配置的同时，要兼顾设备运输便利性和现场操作简易性，因此使用气动式可升降灯杆。该灯杆降下时高度为1.1 m,加上移动小车高度、灯具高度及运输车辆本身高度（1.2 m），其总高度为2.9 m,可以不受限制地通过城市内桥梁、隧道，方便运输。升降杆的灯具底座是可旋转的，便于照明。灯杆通过12 V 气动泵来实现自动升降，升杆后可以达到4.5 m.

　　为便于运输、移动，本系统采用一体化设计，电源系统安装在电源箱内，灯杆、灯具可拆装固定，结构坚固耐用，且安装轮子便可随意移动，同时具有防尘、防水功能。

　　2.3 大功率LED 应急移动照明系统主要技术参数

　　（1）充电电压：210~240 V（单相）；工作电压：24 V 直流。

　　（2）总功率：240 W.

　　（3）工作寿命：LED 为5 万h,蓄电池寿命为充放500 次。

　　（4）具有欠压、过压保护功能，过充、过放保护功能。

　　（5）可长期连续工作，具有缺相、相序错误保护功能。

　　（6）动作响应时间≤0.2 s,过载保护功能保护应变时间≤0.3 s.

　　（7）工作环境温度：-15~+60 ℃。

　　（8）海拔高度不超过2 000 m.

　　（9）湿月的平均相对湿度：90%.

　　（10）安装场所应无严重影响稳压器绝缘的气体、蒸汽、化学性沉积及其他爆炸性或侵蚀性介质，安装场所应无严重的振动或颠簸。

　　3 实际应用

　　在亚运会开闭幕式保供电工作中，对海心沙周边道路临江大道、华夏路、冼村路进行保供电，现场布置30 台大功率应急移动道路照明系统。对重点区域约1 000 m 路段，按照每30~45 m 的间距布置1 台大功率应急移动道路照明系统。现总结效果如下：

　　（1）配置快速：从接到指令到现场就位、升杆、照明，只需10 min,完全满足应急需要，如在现场预布置好，则可立即启动亮灯。

　　（2）安全可靠：移动照明车采用进口胶体蓄电池供电，整个系统为24 V 供电，无触电隐患；采用嵌入式系统对电源进行充- 放电控制，具有短路保护、过流保护、过压保护、过热保护等安全保护功能；可以保证稳定提供12 h 以上的应急照明。

　　（3）方便环保：由于采用进口蓄电池供电，相比传统柴油发电机具有无噪声污染、无需操作发电机等优点；LED 不含有害金属汞，不像高压钠灯或金属卤化物灯那样在报废时会对环境造成危害，既方便又环保，真正做到了应急照明、绿色照明。

　　（4）照度均匀：具体照明部件由空压伸缩杆、可调节支架、2 盏110W的LED 路灯组成。4.5 m 空压伸缩杆保证了照明范围，可调节支架可对照明的均匀度进行微调，2 盏110 W 的LED 路灯保证了路面的光照度。LED 不加透镜，不为提高亮度而牺牲均匀光色，从而保证了无光圈、光色均匀，完满足道路行人、行车要求。

　　（5）移动应急照明车具有IP54 的防护等级，完全可在室外使用，运输方便。在现场实际应用过程中，该应急移动道路照明系统充分体现了"应急照明"的方便、快捷、安全、环保等优点，得到了一致好评。

　　4 经济效益分析

　　该系统的设计不仅满足了保供电工作快速、安全、可靠的要求，而且和传统保供电方式相比，其经济效益显着。以广州市1 年2 次重大节日或活动保供电计，传统保供电主要成本包括租用发电机设备、增加保供电人员和车辆，每年费用约27.5 万元；而采用大功率LED 路灯应急移动系统后，性投资约70 万元，不到3 年即可回收投资，同时，该系统设备正常使用寿命达8 年之久，具有较高的经济效益。

　　5 结语

　　大功率LED 应急移动照明系统为城市重大节日或庆典活动时的道路照明保供电提供了可靠、稳定的保障，具有反应迅速、启动快、供电时间长、使用灵活方便、操作简单等优点。保供电人员可以根据现场情况及时调整方案，提高效率，大大降低了保供电工作量、时间、成本，同时减少了现场施工作业及其对交通、环境的影响。该系统没有使用发电设备，因此不会产生噪音或造成环境污染，为实现绿色环保的道路照明保供电提供了有力武器。