铁路信号灯技术报告

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常州市良久机械制造有限公司根据我国铁路事业的大力发展,传统的卤素灯与白炽灯、小功率LED信号灯已经远不能适应铁路高速运输的形势,在2005年初就开始研发大功率LED铁路信号灯。
众所周知,半导体LED发光二极管由于制造工艺和半导体的特性,pn结温越高,其使用寿命越短,发光效率衰减严重。另一方面,LED信号灯控制电路受环境和电磁干扰、雷电干扰等其它因素影响,使LED信号灯发生误点和灭灯等现象,造成了铁路停车等事故。为此,我们进行若干次试验和修改,特别在抗17KV-35KV电磁场干扰、抗雷击干扰、使用环境等方面,结合现有的小功率LED铁路信号灯优缺点,研制了大功率LED信号灯和卤素灯点灯二合一控制单元,取消现有灯丝变压器,既可控制大功率LED信号灯,又可使用在现有卤素信号灯单元,不改变铁路部门原有的信号灯信号开放及控制模式。
铁路信号灯电源电子变换器是基于解决上述问题而进行的。基本研究设计思路为:采用转换效率很高的电源电子变换器将220V交流转换为信号灯电源电压(输出电压与现有铁路信号白炽灯兼容)。再使用该电源系统为信号灯(现有铁路信号白炽灯和新型的LED系统)供电。项目综合采用的技术有:抗雷击浪涌、功率因素矫正(PFC)、开关电源、功率LED驱动DC-DC、LED光学透镜、电流电压检测控制以及抗铁路电气化干扰等。
发光体
卤钨灯丝
半导体
发光方式
燃烧灯丝热光源
半导体发光冷光源
用点规格(有效)
AC220V 40W
AC220V :<13W
无透镜光通量(流明)
285 Lm
>240Lm(9PCS)
有效光通量
<80 Lm
>190Lm
光衰率(透镜)
>75%
<Байду номын сангаас8%
寿命(hr)
<3000
>60000
节能效果
0
>70% 很明显
环保
随着照明产品技术的提高,金属卤素灯(白光灯,简称卤素灯,又称钨卤灯泡、卤素石英灯泡,是白炽灯的一个变种)由高压水银灯发展而来,由高纯度石英管材制造而成,石英管材内充入了含有汞、氩、镓的碘化物、铁的碘化物以及一些稀有金属卤化物。钨电极通过钼带密封后形成电路,并以金属灯头带引线作为末端。卤素灯泡与白炽灯的最大差别在于:就是卤素灯的玻璃外壳中充有一些卤族元素气体(通常是碘或溴),其工作原理为:当灯丝发热时,钨原子被蒸发后向玻璃管壁方向移动,当接近玻璃管壁时,钨蒸汽被冷却到大约800度并和卤素原子结合在一起,形成卤化钨(碘化钨或溴化钨)。卤化钨向玻璃管中央继续移动,又重新回到被氧化的灯丝上,由于卤化钨是一种很不稳定的化合物,其遇热后又会重新分解成卤素蒸汽和钨,这样钨又在灯丝上沉积下来,弥补被蒸发掉的部分,通过再生循环过程,灯丝的使用寿命不仅得到了大大延长(几乎是白炽灯的四倍),同时由于灯丝可以工作在更高温度下,从而得到了更高的亮度,更高的色温和更高的发光效率。但是,因铁路信号供电电源波动大(AC170V-AC250V),同样影响卤素灯使用寿命和发光效率。
有污染
无污染
三、技术背景
在国内,目前铁路信号灯电源变换器仍然普遍采用20世纪60年代的线性电源技术(使用工频变换器进行变压和抗干扰隔离)。虽然这种技术具有较好的抗干扰性能。但是,其缺点也非常明显,主要表现为:(1)该技术的典型的转换效率为40%左右,无功率因素矫正功能。已满足不了当今世界范围内对节能和绿色用电的要求;(2)传统的铁路信号灯采用的是寿命为1000~3000小时,发光效率为15lm/W的白炽灯,其发光效率比较低,使用寿命短,容易造成意外事故;(3)该技术的首次建设投入和维护费用较高。
(2)TB/T3073-2003铁路信号电气设备电磁兼容性试验及限值
(3)TB/T2353-93铁路信号灯发光强度
(4)GB2423.1-2001电工电子产品环境试验第二部分:试验方法试验A:低温
(5)GB2423.2-2001电工电子产品环境试验第二部分:试验方法试验B:高温
(6)GB/T2423.4-1993电工电子产品基本环境试验规程第二部分:试验方法试验Fc和导则:振动(正弦)
(7)GB/T2423.10-1995电工电子产品基本环境试验规程试验M:底气压实验方法
(8)TB2081-89铁路信号灯颜色
(9)TB1448-82通信信号产品的绝缘耐压
(10)2002年11月20日铁道部运输局《LED铁路信号机构技术条件(暂行)》和「运基信号[2003]114号」文件。
六、目前研发及测试情况:
5:工作环境温度:-40---+80度;
6:工作环境湿度:<95%;
7:整机耗散功率:<13W;
8:发光面直径:130mm;
9:信号灯灯光散角(垂直、水平):4-10度;
10:总有效光通量:>190lm/9颗1WLED、240lm/12颗;
11:总有效光强20000小时衰减小于10%;
12:可视距离:>1800m/高柱、>600m/矮型;
五、相关技术要求、指标及测试标准
1.技术要求
(1)开关电源电子变换器系统满足AC130-265V电源输入,稳定输出DC14.5V(误差小于1.5%),其功率足够驱动现有的铁路白炽信号灯和新型LED铁路信号灯;(2)电源电子变换器和LED信号灯系统的工作环境温度按工业级85ºC设计(铁路部门提出70ºC环境要求),正常使用温升不超过40ºC;(3)电源电子变换器和LED照明灯系统具有抗铁路电气化干扰功能;(4)电源电子变换器采用三级抗浪涌设计,第一级能抵抗4/300uS波形10kV幅值冲击(通流容量设计为5kA),第二级抗雷击浪涌通流容量设计为20kA(8/20uS波形),第三级抗雷击浪涌通流容量设计为10kA(8/20uS波形);(5)电源电子变换器和LED照明灯系统能耐受加速度幅值为10m/S2,频率为100Hz正弦波振动测试;(6)当输入电压低于AC125V+/-5V时,电源电子变换器具有关断功能;(7)机构的外客防护等级应该符合GB/T4208中的IP53级;(8)机构正常绝缘电阻不小于50 MΩ,经交变湿热后绝缘电阻不小于1.5MΩ;(9)绝缘耐压:能承受50Hz,1000V有效值,历时1min测试无击穿或闪络(重复电压为原试验电压的80%)。
对比项目
一般小功率开关电源系统
本项目电源系统
1.抗雷击浪涌
1.按室内防雷等级设计;
2.一般耐受8/20uS波形2kV,10kA
1.按照野外防雷等级设计;
2.按耐受8/20uS波形10kV,90kA(或4/300uS波形10kV,15kA)设计
(2)电子变换器连续工作5000小时无故障,变换器温升<35oC;
(3)变换器在输入电压低于AC125V时能自动关断,误差为±5V;
(3)经过振动台10min测试后系统工作正常;
(4)整个机构的绝缘等级,耐压等级、抗雷击浪涌和抗铁路电气化干扰经室内测试符合上述相关标准。
七、技术展望
能量效率更高、功能更强的新型LED固态发光(SSL)产品的发展很快,被认为是照明市场上的主要革命性进步。在许多应用中,如信号灯、汽车、LCD TV背光,LED已经毫无争议地成为传统光源的替代品。大功率LED在铁路信号灯的应用具有节能环保的特点,是技术发展的必然。
铁路灯丝信号灯与大功率LED铁路信号灯
技术及应用
常州市良久机械制造有限公司电子部张福章(213177)
一:研发背景:
铁路事业的高速发展对铁路信号灯及铁路行车安全提出更高的要求。铁路信号灯以往使用单一的白炽灯,使用寿命短、更换频繁、劳动强度大、无论是行车还是维修人员的安全存在很多的危险。
白炽灯的发光原理都是利用物体受热发光原理和热辐射原理而实现的。普通白炽灯具有:简单、成本低廉、亮度容易调整和控制、显色性好(Ra=100)等等,但同时有很多缺点:使用寿命短(1000小时-3000小时)、发光效率低(仅有12%--18%可转化为光能,其余部分都以热能的形式散失)、色温低(2700-3100K),电源电压的波动使之使用寿命更短。
八、部分技术对比
1.传统线性变压器技术和电源电子变换器技术对比
对比项目
传统线性变压器
电源电子变换器
1.转换效率
40%左右
可达到88%及以上
2.功率因素矫正


3.输出短路保护功能


4.光强受线路长度影响


5.抗雷击浪涌
性能较好(工频隔离变压器)
由系统所采用的防雷器(SPD)参数决定
6.电网电压兼容性
2.技术内容
综合采用抗雷击浪涌、功率因素矫正(PFC)、开关电源、功率LED驱动DC-DC、散热、LED光学透镜、电流电压检测控制以及抗铁路电气化干扰等。技术综合性强,难度高。所设计的开关电源变换器需满足GB/T17626.5-1999和TB/T3073-2003的相关规定。
3.相关测试标准
(1)GB/T17626.5-1999电磁兼容实验和测试技术浪涌(冲击)抗扰度试验
铁路信号灯电源电子变换器部分,已实现大部分方案测试工作,并对部分方案的性能参数进行了试验。其基本情况如下:
(1)电源电子变换器在AC130-265V输入,加载大功率LED铁路信号灯工作时,其输出电压为DC14.5V,误差<1.0%;测试方法为:交流220V送调压器,经调压器在AC130-265V之间变化后送电子变换器,用4位半数字电压表监视负载两端电压500小时观测DC输出电压变化;
半导体LED发光二极管照明技术,是近几年发展起来的新型绿色照明产业。在20世纪90年代,随着氮化物LED的发明,LED的发光效率有了质的飞跃。作为光源,LED的优势体现在三个方面:节能、环保和长寿命。LED不依靠灯丝发热来发光,能量转换效率非常高,它只需要白炽灯15%--20%的耗能,与节能式荧光灯相比也只需要40%-50%左右的耗能。在使用寿命方面,LED采用固体封装,结构牢固,寿命可达数万小时,是荧光灯寿命的数10倍和白炽灯寿命的近百倍。又由于制造荧光灯和白炽灯材料含汞的成份,在生产和使用中破裂而溢出汞从而造成对环境二次污染。
我们研制的点灯控制单元,采用电源宽电压输入(AC130V-265V),直流恒压输出,对卤素信号灯泡正常工作和延长使用寿命起到了很好的作用,解决了以往变压器单一供电,电源电压波动大,影响灯泡使用寿命和发光效率。对大功率LED铁路信号灯采用恒压供电,对每只LED发光管则采取恒流驱动、检测取样,使每只LED工作状态受检测控制电路监测,当30%LED开路或30%LED短路损坏时,点灯单元发出报警。


7.驱动灯具(寿命hr)
白炽灯(理论使用寿命为1000~3000)
可兼容现有白炽灯和LED固态发光管(理论寿命为60000~100000)
8.控制连线
复杂(不同安装距离连线不同)
简单(连线方式与安装距离无关)
9.设备维护成本
高(灯具易损坏,更换频繁)

10.新老技术兼容性


2.一般小功率开关电源系统与铁路信号灯电源电子变换器技术对比
四、技术优势
所涉及的技术优势很明显,主要体现为:(1)信号灯电源变换器转换效率可达到88%及以上,节能效果显著;(2)电源电子变换器系统的输出电源电压与现有的铁路信号白炽灯电压兼容,可在一定程度上实现新老技术平稳过渡;(3)系统的功率因素矫正器可以有效的提高交流电网输入的功率利用,将无功功率降低到最小。同时,功率因素矫正器也可以有效阻止信号灯系统对交流电网造成的高频污染,以达到绿色用电的要求;(3)与传统的铁路信号白炽灯相比,LED信号灯具有寿命可达60000~100000小时,发光效率可达35lm/W的绝对优势;(4)新技术投入使用和维护费用较低。
点灯控制单元设计技术参数:
1:输入电源电压:AC130V—AC265V,50Hz;输入电流:AC30mA-75mA;
2:输出电压、电流:DC14.5V,3.5A(适用卤素灯泡与白炽灯铁路信号灯、小功率LED信号灯);
3:可控截止电压:<AC130V;
4:抗电磁(17KV-35KV)干扰和雷电干扰:符合GB/T17626.5—1999、TB/T3073、IEC61000-4-5等标准,大于三级A级;
发光强度远远地高于白炽灯和卤素灯信号灯,也是现有小功率LED信号灯2倍以上,经检测完全符合TB/T2353中规定的标准。灯光颜色特别是LED信号灯的颜色在使用过程中,色衰率在20000小时<10%;光衰率在20000小时<10%。
二:电源及LED信号灯检测后的技术参数(见表):
卤素灯、白炽灯
大功率LED铁路信号灯
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