铁路信号灯技术报告.doc

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：<AC130V；4：抗电磁（17KV-35KV）干扰和雷电干扰：符合GB/T17626.51999、TB/T3073、IEC61000-4-5 等标准， 大于三级A级；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；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 40WAC220V ：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%<18%寿命（hr）<3000>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 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<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；(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。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.功率因素矫正无有3.输出短路保护功能无有4.光强受线路长度影响有无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.电网电压兼容性差好7.驱动灯具(寿命hr)白炽灯(理论使用寿命为10003000)可兼容现有白炽灯和LED固态发光管(理论寿命为60000100000)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)低10.新老技术兼容性差好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,10kA1.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.使用环境温度0-70按-40-85设计3.高低温测试无80环境连续工作150小时实验4.所采用电容寿命2000-4000小时8000-10000小时5.转换效率>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)AC130-265VAC220V±15%合格灯工作电压（V）DC14.5±0.3VAC13-16V合格负载电流工作频率（Hz）50±350Hz合格1:工作电流(mA) <90（供电AC220V） 合格负载为大功率LED2:工作电流（mA）<180（上同）<180合格负载为白炽灯泡稳定性（在额定电压、额定负载下）额定电压（输入）AC130V-265V合格输出功率P灯>50W(3.5A)合格输出电压（V）DC14.5±0.3V合格自保护功能电压反向保护有合格短路保护有合格开路保护有合格瞬间过电压（V）AC2701分钟1分钟合格环境温度 检测40通电检测铁道部产品质量检测中心检测站存贮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）<10%合格LED制造商提供数据十二：大功率LED信号灯原理简介说明：1、具体研究开发内容和要重点解决的关键技术问题；1）、LED信号灯特性研究：由于小功率LED铁路信号灯从2002年技术的发明，但内就有一些企业和科研单位跟进，2003年开始在铁路上使用。经过这几年铁路部门的使用结果来看，小功率LED信号灯由于技术、制造工艺、原材料选用等原因，出现工作不可靠、性能不稳定、发光强度低、光衰色衰大、抗雷击抗电磁干扰不过关等。对大功率LED信号灯特性研究光衰、色衰和抗雷击、抗电磁干扰是个关键和迫切的问题。2）、电路设计：针对LED信号灯特定的工作过程，设计出简单可靠、效率高，成本低并且电磁辐射小、抗电磁、雷击干扰的特殊电路。3）、控制模式与设计：采用了EMI、PFC和AC/DC、DC/DC新技术，引入智能控制方案，在国内处于领先地位。4）、大功率LED驱动电路，采用单个LED恒流驱动形式。2、产品技术特色：1、工作电压：要求宽电压范围能正常工作在AC130V-265V的交流电压下，大功率LED铁路信号灯正常稳定工作；本产品制造的电源电子变压器，能在AC130V-AC270V的交流电压下正常工作。2、电源电子变压器保护功能：（1）、低电压工作及保护：要求当电源交流电压处于AC130V时能工作，低于AC125V时，电源自动停止工作，避免损坏。（2）、空载保护：当电源未接负载，处于空载状态时，控制器自动停止工作，避免伤害操作人员。（3）、短路保护：当电源遇意外情况，处于短路状态时，自动保护停止工作，避免损坏。（4）、防潮湿性能：采用环氧涂封电路板及进出线口，保证信号灯防潮湿现象。3、电源及信号灯控制电路辐射干扰：（1）、通行标准无线电干扰相对值不超过70dB,绝对值小于20微瓦，实际使用时调频收音机无杂音出现。本产品对无线电干扰小于90dB小于5微瓦。（2）、反灌电流干扰：控制器工作时在接线处测量纹波不超过70mV,实测约为50mV。4、快速启动性能：电源输入电流为标准电压AC220V时，电流不大于实测小于75mA，使所接LED信号灯在启动0.2秒内，光通量达到标准亮度的100%。5、电源恒压性能：当输入电压在AC130V-AC265V时，电源输出功率可恒定保持在DC14.5V、3.5A、51W(偏差正负不超过1.5W)左右，保护白炽灯、卤素灯使用寿命在恒压状态下得以延长。LED信号灯为恒流工作状态。6、大功率LED铁路信号灯，1000小时连续工作温升不超过+70（9PCS LED发光盘上） ，大大地低于LED结温（理论上设计为80）。每一颗大功率LED工作电流恒定在250mA±2mA，是其满负载电流的<72%。采用独特的LED散热条件，最大限度上使LED工作散热效果更好。发光盘示意图见附件。 7、本产品大功率LED铁路信号灯拥有自主知识产权：完全独立的电路系统及控制方式等。已向国家申请实用新型专利。3、主要技术： 1）、适用白炽灯、卤素灯功率：25W-35W±1.5%；大功率LED信号灯耗散总功率：<7W(红/黄色)、<13W（绿/蓝/白色）； 2）、启动时间：纳秒级迅速启动型； 3）、大功率LED信号灯有效光通量：190流明（红、绿、黄色）；>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）、有利于铁路信号的保护。本项目产品独有的特殊安全设计电路，短路保护装置，无负载保护措施，逆压保护设计，高新科技芯片控制，大大提升了大功率LED信号灯的自身安全性。并且提供了亮度更高、显色更清晰，更远的可视距离。常州市良久机械制造有限公司小批量生产了大功率LED铁路信号灯及电源电子变换器，并进行产品多功能测试和铁路现场试用，效果明显，在技术上完全可行。在国内市场，成熟的小功率LED铁路信号灯产品，已经使用在铁路部门，常州市良久机械制造有限公司生产的高性能大功率LED铁路信号灯及电源电子变换器，质量过硬，成本比国内企业生产的小功率LED信号灯低。产品技术在国内领先。