鐵路信號燈技術報告

1、鐵路燈絲信號燈與大功率LED鐵路信號燈技術及應用 常州市良久機械制造有限公司電子部 張福章（213177） 一：研發(fā)背景： 鐵路事業(yè)的高速發(fā)展對鐵路信號燈及鐵路行車安全提出更高的要求。鐵路信號燈以往使用單一的白熾燈，使用壽命短、更換頻繁、勞動強度大、無論是行車還是維修人員的安全存在很多的危險。白熾燈的發(fā)光原理都是利用物體受熱發(fā)光原理和熱輻射原理而實現(xiàn)的。普通白熾燈具有：簡單、成本低廉、亮度容易調整和控制、顯色性好（Ra=100）等等，但同時有很多缺點：使用壽命短（1000小時-3000小時）、發(fā)光效率低（僅有12%-18%可轉化為光能，其余部分都以熱能的形式散失）、色溫低（2700-3100K

2、），電源電壓的波動使之使用壽命更短。隨著照明產品技術的提高，金屬鹵素燈（白光燈，簡稱鹵素燈，又稱鎢鹵燈泡、鹵素石英燈泡，是白熾燈的一個變種）由高壓水銀燈發(fā)展而來，由高純度石英管材制造而成，石英管材內充入了含有汞、氬、鎵的碘化物、鐵的碘化物以及一些稀有金屬鹵化物。鎢電極通過鉬帶密封后形成電路，并以金屬燈頭帶引線作為末端。鹵素燈泡與白熾燈的最大差別在于：就是鹵素燈的玻璃外殼中充有一些鹵族元素氣體（通常是碘或溴），其工作原理為：當燈絲發(fā)熱時，鎢原子被蒸發(fā)后向玻璃管壁方向移動，當接近玻璃管壁時，鎢蒸汽被冷卻到大約800度并和鹵素原子結合在一起，形成鹵化鎢（碘化鎢或溴化鎢）。鹵化鎢向玻璃管中央繼續(xù)移動，

3、又重新回到被氧化的燈絲上，由于鹵化鎢是一種很不穩(wěn)定的化合物，其遇熱后又會重新分解成鹵素蒸汽和鎢，這樣鎢又在燈絲上沉積下來，彌補被蒸發(fā)掉的部分，通過再生循環(huán)過程，燈絲的使用壽命不僅得到了大大延長（幾乎是白熾燈的四倍），同時由于燈絲可以工作在更高溫度下，從而得到了更高的亮度，更高的色溫和更高的發(fā)光效率。但是，因鐵路信號供電電源波動大（AC170V-AC250V），同樣影響鹵素燈使用壽命和發(fā)光效率。半導體LED發(fā)光二極管照明技術，是近幾年發(fā)展起來的新型綠色照明產業(yè)。在20世紀90年代，隨著氮化物LED的發(fā)明，LED的發(fā)光效率有了質的飛躍。作為光源，LED的優(yōu)勢體現(xiàn)在三個方面：節(jié)能、環(huán)保和長壽命。LE

4、D不依靠燈絲發(fā)熱來發(fā)光，能量轉換效率非常高，它只需要白熾燈15%-20%的耗能，與節(jié)能式熒光燈相比也只需要40%-50%左右的耗能。在使用壽命方面，LED采用固體封裝，結構牢固，壽命可達數(shù)萬小時，是熒光燈壽命的數(shù)10倍和白熾燈壽命的近百倍。又由于制造熒光燈和白熾燈材料含汞的成份，在生產和使用中破裂而溢出汞從而造成對環(huán)境二次污染。常州市良久機械制造有限公司根據(jù)我國鐵路事業(yè)的大力發(fā)展，傳統(tǒng)的鹵素燈與白熾燈、小功率LED信號燈已經(jīng)遠不能適應鐵路高速運輸?shù)男蝿?，?005年初就開始研發(fā)大功率LED鐵路信號燈。眾所周知，半導體LED發(fā)光二極管由于制造工藝和半導體的特性，pn結溫越高，其使用壽命越短，發(fā)光

5、效率衰減嚴重。另一方面，LED信號燈控制電路受環(huán)境和電磁干擾、雷電干擾等其它因素影響，使LED信號燈發(fā)生誤點和滅燈等現(xiàn)象，造成了鐵路停車等事故。為此，我們進行若干次試驗和修改，特別在抗17KV-35KV電磁場干擾、抗雷擊干擾、使用環(huán)境等方面，結合現(xiàn)有的小功率LED鐵路信號燈優(yōu)缺點，研制了大功率LED信號燈和鹵素燈點燈二合一控制單元，取消現(xiàn)有燈絲變壓器，既可控制大功率LED信號燈，又可使用在現(xiàn)有鹵素信號燈單元，不改變鐵路部門原有的信號燈信號開放及控制模式。我們研制的點燈控制單元，采用電源寬電壓輸入（AC130V-265V），直流恒壓輸出，對鹵素信號燈泡正常工作和延長使用壽命起到了很好的作用，解決

6、了以往變壓器單一供電，電源電壓波動大，影響燈泡使用壽命和發(fā)光效率。對大功率LED鐵路信號燈采用恒壓供電，對每只LED發(fā)光管則采取恒流驅動、檢測取樣，使每只LED工作狀態(tài)受檢測控制電路監(jiān)測，當30%LED開路或30%LED短路損壞時，點燈單元發(fā)出報警。點燈控制單元設計技術參數(shù)：1：輸入電源電壓：AC130VAC265V，50Hz；輸入電流：AC30mA-75mA；2：輸出電壓、電流： DC14.5V，3.5A（適用鹵素燈泡與白熾燈鐵路信號燈、小功率LED信號燈）；3：可控截止電壓：<AC130V；4：抗電磁（17KV-35KV）干擾和雷電干擾：符合GB/T17626.51999、TB/T3

7、073、IEC61000-4-5 等標準， 大于三級A級；5：工作環(huán)境溫度：-40-+80度；6：工作環(huán)境濕度：<95%；7：整機耗散功率：<13W；8：發(fā)光面直徑：130mm；9：信號燈燈光散角（垂直、水平）：4-10度；10：總有效光通量：>190lm/9顆1WLED、240lm/12顆；11：總有效光強20000小時衰減小于10%；12：可視距離：>1800m/高柱、>600m/矮型；發(fā)光強度遠遠地高于白熾燈和鹵素燈信號燈，也是現(xiàn)有小功率LED信號燈2倍以上，經(jīng)檢測完全符合TB/T2353中規(guī)定的標準。燈光顏色特別是LED信號燈的顏色在使用過程中，色衰率在2

8、0000小時<10%；光衰率在20000小時<10%。二：電源及LED信號燈檢測后的技術參數(shù)（見表）：鹵素燈、白熾燈大功率LED鐵路信號燈發(fā)光體鹵鎢燈絲半導體發(fā)光方式燃燒燈絲熱光源半導體發(fā)光冷光源用點規(guī)格（有效）AC220V 40WAC220V ：13W無透鏡光通量（流明）285 Lm>240Lm（9PCS）有效光通量<80 Lm>190Lm光衰率（透鏡）>75%<18%壽命（hr）<3000>60000節(jié)能效果0>70% 很明顯環(huán)保有污染無污染三、技術背景在國內，目前鐵路信號燈電源變換器仍然普遍采用20世紀60 年代的線性電源技術(

9、使用工頻變換器進行變壓和抗干擾隔離)。雖然這種技術具有較好的抗干擾性能。但是，其缺點也非常明顯，主要表現(xiàn)為：(1)該技術的典型的轉換效率為40%左右，無功率因素矯正功能。已滿足不了當今世界范圍內對節(jié)能和綠色用電的要求；(2)傳統(tǒng)的鐵路信號燈采用的是壽命為10003000小時，發(fā)光效率為15lm/W的白熾燈，其發(fā)光效率比較低，使用壽命短，容易造成意外事故；(3)該技術的首次建設投入和維護費用較高。鐵路信號燈電源電子變換器是基于解決上述問題而進行的。基本研究設計思路為：采用轉換效率很高的電源電子變換器將220V交流轉換為信號燈電源電壓(輸出電壓與現(xiàn)有鐵路信號白熾燈兼容)。再使用該電源系統(tǒng)為信號燈(

10、現(xiàn)有鐵路信號白熾燈和新型的LED系統(tǒng))供電。項目綜合采用的技術有：抗雷擊浪涌、功率因素矯正(PFC)、開關電源、功率LED驅動DC-DC、LED光學透鏡、電流電壓檢測控制以及抗鐵路電氣化干擾等。四、技術優(yōu)勢所涉及的技術優(yōu)勢很明顯，主要體現(xiàn)為：(1)信號燈電源變換器轉換效率可達到88%及以上，節(jié)能效果顯著；(2)電源電子變換器系統(tǒng)的輸出電源電壓與現(xiàn)有的鐵路信號白熾燈電壓兼容，可在一定程度上實現(xiàn)新老技術平穩(wěn)過渡；(3)系統(tǒng)的功率因素矯正器可以有效的提高交流電網(wǎng)輸入的功率利用，將無功功率降低到最小。同時，功率因素矯正器也可以有效阻止信號燈系統(tǒng)對交流電網(wǎng)造成的高頻污染，以達到綠色用電的要求；(3)與傳

11、統(tǒng)的鐵路信號白熾燈相比，LED信號燈具有壽命可達60000100000小時，發(fā)光效率可達35lm/W的絕對優(yōu)勢；(4) 新技術投入使用和維護費用較低。五、相關技術要求、指標及測試標準1.技術要求(1)開關電源電子變換器系統(tǒng)滿足AC130-265V電源輸入，穩(wěn)定輸出DC14.5V(誤差小于1.5%)，其功率足夠驅動現(xiàn)有的鐵路白熾信號燈和新型LED鐵路信號燈；(2)電源電子變換器和LED信號燈系統(tǒng)的工作環(huán)境溫度按工業(yè)級85ºC設計(鐵路部門提出70ºC環(huán)境要求)，正常使用溫升不超過40ºC；(3) 電源電子變換器和LED照明燈系統(tǒng)具有抗鐵路電氣化干擾功能；(4)電源電

12、子變換器采用三級抗浪涌設計，第一級能抵抗4/300uS波形10kV幅值沖擊(通流容量設計為5kA)，第二級抗雷擊浪涌通流容量設計為20kA(8/20uS波形)，第三級抗雷擊浪涌通流容量設計為10kA(8/20uS波形)；(5)電源電子變換器和LED照明燈系統(tǒng)能耐受加速度幅值為10m/S2，頻率為100Hz正弦波振動測試；(6)當輸入電壓低于AC125V+/-5V時，電源電子變換器具有關斷功能；(7)機構的外客防護等級應該符合GB/T4208中的IP53級；(8)機構正常絕緣電阻不小于50 M，經(jīng)交變濕熱后絕緣電阻不小于1.5M；(9)絕緣耐壓：能承受50Hz，1000V有效值，歷時1min測試

13、無擊穿或閃絡(重復電壓為原試驗電壓的80%)。2.技術內容綜合采用抗雷擊浪涌、功率因素矯正(PFC)、開關電源、功率LED驅動DC-DC、散熱、LED光學透鏡、電流電壓檢測控制以及抗鐵路電氣化干擾等。技術綜合性強，難度高。所設計的開關電源變換器需滿足GB/T17626.5-1999和TB/T3073-2003的相關規(guī)定。3.相關測試標準(1)GB/T17626.5-1999 電磁兼容 實驗和測試技術 浪涌(沖擊)抗擾度試驗(2)TB/T3073-2003 鐵路信號電氣設備電磁兼容性試驗及限值(3)TB/T2353-93 鐵路信號燈發(fā)光強度(4)GB2423.1-2001 電工電子產品環(huán)境試驗

14、第二部分：試驗方法 試驗A：低溫(5)GB2423.2-2001 電工電子產品環(huán)境試驗 第二部分：試驗方法 試驗B：高溫(6)GB/T2423.4-1993 電工電子產品基本環(huán)境試驗規(guī)程 第二部分：試驗方法 試驗Fc和導則：振動(正弦)(7)GB/T2423.10-1995電工電子產品基本環(huán)境試驗規(guī)程 試驗M：底氣壓實驗方法(8)TB2081-89 鐵路信號燈顏色(9)TB1448-82 通信信號產品的絕緣耐壓(10)2002年11月20日鐵道部運輸局LED鐵路信號機構技術條件(暫行)和運基信號2003114號文件。六、目前研發(fā)及測試情況：鐵路信號燈電源電子變換器部分，已實現(xiàn)大部分方案測試工作

15、，并對部分方案的性能參數(shù)進行了試驗。其基本情況如下：(1) 電源電子變換器在AC130-265V輸入，加載大功率LED鐵路信號燈工作時，其輸出電壓為DC14.5V，誤差<1.0%；測試方法為：交流220V送調壓器，經(jīng)調壓器在AC130-265V之間變化后送電子變換器，用4位半數(shù)字電壓表監(jiān)視負載兩端電壓500小時觀測DC輸出電壓變化；(2) 電子變換器連續(xù)工作5000小時無故障，變換器溫升<35oC； (3) 變換器在輸入電壓低于AC125V時能自動關斷，誤差為±5V；(3) 經(jīng)過振動臺10min測試后系統(tǒng)工作正常；(4) 整個機構的絕緣等級，耐壓等級、抗雷擊浪涌和抗鐵路電

16、氣化干擾經(jīng)室內測試符合上述相關標準。七、技術展望能量效率更高、功能更強的新型LED固態(tài)發(fā)光(SSL)產品的發(fā)展很快，被認為是照明市場上的主要革命性進步。在許多應用中，如信號燈、汽車、LCD TV背光，LED已經(jīng)毫無爭議地成為傳統(tǒng)光源的替代品。大功率LED在鐵路信號燈的應用具有節(jié)能環(huán)保的特點，是技術發(fā)展的必然。八、部分技術對比1.傳統(tǒng)線性變壓器技術和電源電子變換器技術對比對比項目傳統(tǒng)線性變壓器電源電子變換器1.轉換效率40%左右可達到88%及以上2.功率因素矯正無有3.輸出短路保護功能無有4.光強受線路長度影響有無5.抗雷擊浪涌性能較好(工頻隔離變壓器)由系統(tǒng)所采用的防雷器(SPD)參數(shù)決定6.

17、電網(wǎng)電壓兼容性差好7.驅動燈具(壽命hr)白熾燈(理論使用壽命為10003000)可兼容現(xiàn)有白熾燈和LED固態(tài)發(fā)光管(理論壽命為60000100000)8.控制連線復雜(不同安裝距離連線不同)簡單(連線方式與安裝距離無關)9.設備維護成本高(燈具易損壞，更換頻繁)低10.新老技術兼容性差好2.一般小功率開關電源系統(tǒng)與鐵路信號燈電源電子變換器技術對比對比項目一般小功率開關電源系統(tǒng)本項目電源系統(tǒng)1.抗雷擊浪涌1.按室內防雷等級設計；2.一般耐受8/20uS波形2kV,10kA1.按照野外防雷等級設計；2.按耐受8/20uS波形10kV,90kA(或4/300uS波形10kV ,15kA)設計2.使

18、用環(huán)境溫度0-70按-40-85設計3.高低溫測試無80環(huán)境連續(xù)工作150小時實驗4.所采用電容壽命2000-4000小時8000-10000小時5.轉換效率>50%>88%6.功率因素矯正無有7.相關標準國內大多數(shù)電源產品未經(jīng)過相關標準測試,且無鐵路相關標準限制。按照以下國家標準進行設計：(1)GB/T17626.5-1999 電磁兼容 實驗和測試技術 浪涌(沖擊)抗擾度試驗；(2)TB/T3073-2003 鐵路信號電氣設備電磁兼容性試驗及限值；(3)TB/T2353-93 鐵路信號燈發(fā)光強度；(4)GB2423.1-2001電工電子產品環(huán)境試驗第二部分：試驗方法試驗A：低溫；

19、(5)GB2423.2-2001 電工電子產品環(huán)境試驗第二部分：試驗方法試驗B：高溫；(6)GB/T2423.4-1993電工電子產品基本環(huán)境試驗規(guī)程 第二部分：試驗方法 試驗Fc和導則：振動(正弦)。九：白熾燈及大功率LED信號燈電源變換器方框圖見下圖： 十：LED信號燈外形圖： 大功率LED鐵路信號燈實景圖： 十一：大功率LED信號燈檢測數(shù)據(jù)： 檢測項目企業(yè)標準GB/TB標準檢測結果備 注輸入功率（W）15合格負載為大功率LED功率因數(shù)0.88合格具有功率因素校正功能工作電壓范圍(V)AC130-265VAC220V±15%合格燈工作電壓（V）DC14.5±0.3VAC

20、13-16V合格負載電流工作頻率（Hz）50±350Hz合格1:工作電流(mA) <90（供電AC220V） 合格負載為大功率LED2:工作電流（mA）<180（上同）<180合格負載為白熾燈泡穩(wěn)定性（在額定電壓、額定負載下）額定電壓（輸入）AC130V-265V合格輸出功率P燈>50W(3.5A)合格輸出電壓（V）DC14.5±0.3V合格自保護功能電壓反向保護有合格短路保護有合格開路保護有合格瞬間過電壓（V）AC2701分鐘1分鐘合格環(huán)境溫度 檢測40通電檢測鐵道部產品質量檢測中心檢測站存貯150小時合格70通電檢測+70合格鐵道部產品質量檢測中

21、心檢測站常溫（25°）通電00小時合格鹽霧測試 35 25小時5%濃度 通電合格鐵道部產品質量檢測中心檢測站振動測試頻率10-200Hz10-200Hz合格鐵道部產品質量檢測中心檢測站碰撞測試合格透鏡除外沖擊試驗gn=50合格透鏡除外跌落試驗跌落高度200cm合格透鏡除外電磁兼容性、抗雷擊TB/T3073合格鐵道部產品質量檢測中心檢測站燈光散角（/Z）>4°合格鐵道部產品質量檢測中心檢測站有效發(fā)光強度（） >190合格鐵道部產品質量檢測中心檢測站色、光衰度（20000小時）<10%合格LED制造商提供數(shù)據(jù)十二：大功率LED信號燈原理簡介說明：1、具體研究開

22、發(fā)內容和要重點解決的關鍵技術問題；1）、LED信號燈特性研究：由于小功率LED鐵路信號燈從2002年技術的發(fā)明，但內就有一些企業(yè)和科研單位跟進，2003年開始在鐵路上使用。經(jīng)過這幾年鐵路部門的使用結果來看，小功率LED信號燈由于技術、制造工藝、原材料選用等原因，出現(xiàn)工作不可靠、性能不穩(wěn)定、發(fā)光強度低、光衰色衰大、抗雷擊抗電磁干擾不過關等。對大功率LED信號燈特性研究光衰、色衰和抗雷擊、抗電磁干擾是個關鍵和迫切的問題。2）、電路設計：針對LED信號燈特定的工作過程，設計出簡單可靠、效率高，成本低并且電磁輻射小、抗電磁、雷擊干擾的特殊電路。3）、控制模式與設計：采用了EMI、PFC和AC/DC、D

23、C/DC新技術，引入智能控制方案，在國內處于領先地位。4）、大功率LED驅動電路，采用單個LED恒流驅動形式。2、產品技術特色：1、工作電壓：要求寬電壓范圍能正常工作在AC130V-265V的交流電壓下，大功率LED鐵路信號燈正常穩(wěn)定工作；本產品制造的電源電子變壓器，能在AC130V-AC270V的交流電壓下正常工作。2、電源電子變壓器保護功能：（1）、低電壓工作及保護：要求當電源交流電壓處于AC130V時能工作，低于AC125V時，電源自動停止工作，避免損壞。（2）、空載保護：當電源未接負載，處于空載狀態(tài)時，控制器自動停止工作，避免傷害操作人員。（3）、短路保護：當電源遇意外情況，處于短路狀

24、態(tài)時，自動保護停止工作，避免損壞。（4）、防潮濕性能：采用環(huán)氧涂封電路板及進出線口，保證信號燈防潮濕現(xiàn)象。3、電源及信號燈控制電路輻射干擾：（1）、通行標準無線電干擾相對值不超過70dB,絕對值小于20微瓦，實際使用時調頻收音機無雜音出現(xiàn)。本產品對無線電干擾小于90dB小于5微瓦。（2）、反灌電流干擾：控制器工作時在接線處測量紋波不超過70mV,實測約為50mV。4、快速啟動性能：電源輸入電流為標準電壓AC220V時，電流不大于實測小于75mA，使所接LED信號燈在啟動0.2秒內，光通量達到標準亮度的100%。5、電源恒壓性能：當輸入電壓在AC130V-AC265V時，電源輸出功率可恒定保持在

25、DC14.5V、3.5A、51W(偏差正負不超過1.5W)左右，保護白熾燈、鹵素燈使用壽命在恒壓狀態(tài)下得以延長。LED信號燈為恒流工作狀態(tài)。6、大功率LED鐵路信號燈，1000小時連續(xù)工作溫升不超過+70（9PCS LED發(fā)光盤上） ，大大地低于LED結溫（理論上設計為80）。每一顆大功率LED工作電流恒定在250mA±2mA，是其滿負載電流的<72%。采用獨特的LED散熱條件，最大限度上使LED工作散熱效果更好。發(fā)光盤示意圖見附件。 7、本產品大功率LED鐵路信號燈擁有自主知識產權：完全獨立的電路系統(tǒng)及控制方式等。已向國家申請實用新型專利。3、主要技術： 1）、適用白熾燈、鹵素燈功率：25W-35W±1.5%；大功率LED信號燈耗散總功率：<7W(紅/黃色)、<13W（綠/藍/白色）； 2）、啟動時間：納秒級迅速啟動型； 3）、大功率LED信號燈有效光通量：190流明（紅、綠、黃色）；>90流明（藍色）；>3300K（白色）； 4）、電源轉換效率：88%； 5）、工作電壓：輸入AC130V-AC265V；輸出DC14.5V ； 6）、電源和控制部分設計平