铁路信号灯技术报告

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。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。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。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。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。点灯控制单元设计技术参数：1：输入电源电压：AC130VAC265V ，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：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；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240Lm（ 9PCS）有效光通量 190Lm光衰率（透镜） 75% 60000节能效果 0 70% 很明显环保 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 10003000 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。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。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 60000100000 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。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 85C 设计(铁路部门提出70C 环境要求)，正常使用温升不超过 40C；(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 M，经交变湿热后绝缘电阻不小于 1.5M；(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%)。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(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2003114 号文件。六、目前研发及测试情况：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50% 88%6.功率因素矫正 无 有7.相关标准 国内大多数电源产品未经过相关标准测试,且无铁路相关标准限制。按照以下国家标准进行设计：(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；(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) 。九：白炽灯及大功率 LED 信号灯电源变换器方框图见下图：十：LED 信号灯外形图：大功率 LED 铁路信号灯实景图：十一：大功率 LED 信号灯检测数据：检测项目 企业标准 GB/TB标准检测结果 备 注输入功率（ W） 15 合格 负载为大功率LED功率因数 0.88 合格 具有功率因素校正功能工作电压范围 (V) AC130-265V AC220V15%合格灯工作电压（ V） DC14.50.3VAC13-16V合格工作频率（ Hz）503 50Hz 合格1:工作电流(mA) 50W(3.5A) 合格稳定性（在额定电压、额定负载下） 输出电压（ V）DC14.50.3V合格电压反向保护 有 合格短路保护 有 合格开路保护 有 合格AC270 1分钟 1分钟 合格自保护功能瞬间过电压（ V）通电检测铁道部产品质量检测中心检测站 40存贮 150小时 合格 70通电检测+70 合格 铁道部产品质量检测中心检测站常温（ 25）通电 00小时 合格盐雾测试 35 25小时5%浓度 通电合格 铁道部产品质量检测中心检测站振动测试 频率 10-200Hz10-200Hz合格 铁道部产品质量检测中心检测站环境温度检测碰撞测试 合格 透镜除外冲击试验 gn=50 合格 透镜除外跌落试验 跌落高度200cm合格 透镜除外电磁兼容性、抗雷击 TB/T3073 合格 铁道部产品质量检测中心检测站灯光散角（ /Z） 4 合格 铁道部产品质量检测中心检测站有效发光强度（） 190 合格 铁道部产品质量检测中心检测站色、光衰度（ 20000小时） 90流明（蓝色） ； 3300K（白色） ；4） 、电源转换效率： 88% ； 5） 、工作电压：输入 AC130V-AC265V；输出 DC14.5V ；6） 、电源和控制部分设计平均无故障时间： 10000 小时；7） 、高压测试：输入对地， 1000vdc/1分钟 /大于 100M；8)、输入防反接保护：输入反接不损坏，不影响产品性能，输入全范围。9） 、短路保护：输出具有连续短路和长时间短路保护，输入全范围；10） 、报警内容： 30%短路， 30%开路， 20%开路 + 10%短路即报警输出；11） 、 LED工作电流检测电路采用微电子集成芯片组成，它具有高精度、高工作可靠性、高低温环境下（ -40 +80 ）等特点。十三：本技术的意义 :1)、有利于铁路信号灯使用操作方便、使用时间（寿命）是白炽灯、卤素灯使用寿命的近百倍和数十倍，使铁路运输更安全。2） 、有利于降低能耗。一般的卤素灯功率为 25W-35W，而大功率 LED信号灯小于13W，大大减轻铁路电力系统的负担，节省电能约 2/5-1/3,节能效果相当明显。3）