鐵路LED信號(hào)燈直流供電制式研究

畢 鵬，閔 亮

（西安交通大學(xué)城市學(xué)院, 陜西 西安 710018）

0 引言

傳統(tǒng)供電制式下，LED信號(hào)燈有諸多弊端[1]。文章針對(duì)供電制式對(duì)LED信號(hào)燈的嚴(yán)重影響，研究了一種新的供電制式，在站內(nèi)機(jī)房建立信號(hào)燈直流工作電源，將點(diǎn)燈控制與檢測(cè)電路放在站內(nèi)機(jī)房，僅將發(fā)光體（LED發(fā)光盤或LED串聯(lián)點(diǎn)式燈）及開關(guān)電源恒流電路安裝于各個(gè)信號(hào)燈燈位。

1 LED信號(hào)燈直流供電制式研究

這種供電制式要求在站內(nèi)建立信號(hào)燈直流供電電源，點(diǎn)燈電路組成示意圖如圖1所示。

圖1 點(diǎn)燈電路組成

（1）直流供電制式主要特點(diǎn)。

這種制式供給信號(hào)燈的是直流電。避免了交流供電沿線路分布電容的交流漏電流損耗，同時(shí)可以避免交流干擾。提高信號(hào)燈的抗干擾性能，杜絕干擾閃爍故障[2]。

這種制式能實(shí)現(xiàn)真正的節(jié)能降耗，減少信號(hào)燈組件的發(fā)熱量，改善信號(hào)燈電子元件的熱環(huán)境，減少故障，增強(qiáng)信號(hào)燈工作穩(wěn)定性和可靠性[3]。

（2）LED信號(hào)燈直流電源參數(shù)計(jì)算。

電源輸出電流計(jì)算：每一路信號(hào)燈要求供出電流穩(wěn)定在140 mA以上，考慮冗余，一般供出電流按照160 mA設(shè)計(jì)，使得信號(hào)繼電器J1能夠可靠吸起。這就要求在站內(nèi)建立點(diǎn)燈直流穩(wěn)壓電源。該電源總功率要按照本站所管轄的LED燈在同一時(shí)刻能點(diǎn)亮的最多燈數(shù)量的總功耗乘以一個(gè)合適的冗余系數(shù)。具體計(jì)算如下：

以西安北站為例，站內(nèi)為34線，每站進(jìn)站出站在同一時(shí)刻各亮一個(gè)燈時(shí)，有34×2=76個(gè)燈被點(diǎn)亮，還有一些其他指示燈也要考慮進(jìn)去，按照上行下行各5個(gè)燈計(jì)，則站內(nèi)共有76+5×2=86個(gè)同時(shí)點(diǎn)亮的燈。區(qū)間上行下行各管15 km，管段為30 km，每km上行下行各一個(gè)燈組，則管段內(nèi)區(qū)間燈組總數(shù)為30×2=60組。平時(shí)每個(gè)燈組總會(huì)有一個(gè)燈亮著，在列車運(yùn)行時(shí)，有些燈組內(nèi)還會(huì)有雙燈點(diǎn)亮的時(shí)刻，按1/3燈組有雙燈亮計(jì)算，則某時(shí)刻區(qū)間的亮燈數(shù)L1為：

L1=60×（1/3）×2+60×（2/3）=40+40=80

這樣西安北站同時(shí)點(diǎn)亮的信號(hào)燈總數(shù)LS約為

LS=86+80=166

機(jī)房?jī)?nèi)的點(diǎn)燈信號(hào)繼電器為H18型或H16型，其吸起電流為140 mA，通常工作電流為140 mA～180 mA。按照中間值160 mA計(jì)算，則166個(gè)信號(hào)燈同時(shí)點(diǎn)亮需要的電流IS為

IS=160×166=26 560 mA=26.56 A

根據(jù)鐵路系統(tǒng)要求，電源系統(tǒng)必須要有足夠的冗余，這里采用冗余系數(shù)為1.5，則要求該電源供出電流IS為

IS=26.56 A×1.5=39.84 A

據(jù)此可確定信號(hào)燈直流穩(wěn)壓電源輸出電流為40 A。

電源輸出電壓計(jì)算:

電源輸出電壓V1用反推法計(jì)算，點(diǎn)燈線路電壓分布示意圖如圖2所示。

圖2 點(diǎn)燈線路電壓分布

先確定點(diǎn)燈所需電壓V3+V4，再計(jì)算線路壓降V2，再確定電源輸出電壓V1。首先確定燈頭的電壓需求V4，對(duì)于點(diǎn)式LED信號(hào)燈，分為紅、綠、黃、白、藍(lán)等5種色燈。其中紅燈電壓最低，各色燈電壓、電流與功耗如表1所示。

表1 點(diǎn)式LED信號(hào)燈各色燈電壓、電流與功耗

從表1可見，對(duì)于點(diǎn)式LED信號(hào)燈，單燈電壓最高的是綠、黃、白、藍(lán)4種信號(hào)燈的主燈，為18 V，功耗最大的也是這4種色燈的主燈，為6.3 W。從電源供電能力上，只要滿足這4種燈的電力需求，那就能滿足所有其他色燈的電力需求。

接著是點(diǎn)燈控制電路，也必然會(huì)有一定的功耗和壓降。其原因是線路供給的直流電必須經(jīng)過開關(guān)電源恒流源調(diào)節(jié)才能保證每個(gè)LED燈串的350 mA恒定電流，從而保證發(fā)光的穩(wěn)定性。從表1可知，LED燈電壓最高的為18 V，因此點(diǎn)燈控制器供出電壓按照18 V計(jì)算，就可以滿足使用要求。點(diǎn)燈控制器的主要電路是開關(guān)電源式恒流源電路，其轉(zhuǎn)換效率在80%以上。按80%計(jì)算可以滿足要求。

則點(diǎn)燈單元總功耗P為：

P=6.3 W/80%=7.875 W

設(shè)計(jì)中按照8 W計(jì)算，可滿足要求。

線路上供來的電流為160 mA=0.16 A，按照8 W計(jì)算，點(diǎn)燈控制電路輸入端的電壓VIN應(yīng)該為

VIN=8 W/0.16=50 V

鐵路標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的信號(hào)燈供電線纜，其每芯線電阻為23.5 Ω/km，供電線路來回為雙線，所以線路電阻為23.5×2=47 Ω/km。根據(jù)前述可知，最遠(yuǎn)端的燈距離機(jī)房為15 km，則按照160 mA電流，其線路壓降計(jì)算如下。

15 km線路的電阻R為：

R=47×15=705 Ω

則線路壓降V2為：

V2=0.16 A×705 Ω=112.8 V

則集中供電電源的輸出電壓為：

V1=112.8+50=162.8 V。

在前面計(jì)算集中供電電源輸出電流時(shí)，已經(jīng)給了1.5的冗余系數(shù)。因此得到集中供電電源的基本技術(shù)參數(shù)為，輸入為AC220 V，額定輸出電壓為直流163 V，額定輸出電流為40 A。電源效率取為80%，則集中電源總功率為：

P=（163×40）/0.8=8 150 W=8.15 kW

相應(yīng)的保險(xiǎn)、閘刀、使用電線的線徑等等參數(shù)按照8.15 kW的電源取值即可。

這樣的電源必須有兩套，一用一備或熱備。也可以建立多個(gè)小功率電源，每個(gè)電源供給幾十個(gè)信號(hào)燈使用，以分散電源故障的風(fēng)險(xiǎn)。

因?yàn)殡娫磪?shù)是按照最遠(yuǎn)端的信號(hào)燈確定的，還需考慮機(jī)房附近的信號(hào)燈能否適用。這個(gè)在設(shè)計(jì)之初就考慮到了。所設(shè)計(jì)的點(diǎn)燈控制電路是開關(guān)電源恒流源調(diào)節(jié)電路，其輸入電壓范圍很寬，從50 V到170 V，這樣，車站管轄區(qū)間內(nèi)所有信號(hào)燈都可以適用這種電源。

2 實(shí)驗(yàn)及效果

實(shí)驗(yàn)采用的是可以同時(shí)點(diǎn)亮3個(gè)點(diǎn)式LED 信號(hào)燈的開關(guān)電源，其輸入為AC220 V 1 A，輸出為165 V 1 A。3個(gè)信號(hào)燈同時(shí)點(diǎn)亮，實(shí)驗(yàn)電路如圖3所示。

圖3 直流供電制式下信號(hào)燈的電路連接

圖3是實(shí)驗(yàn)電路，3個(gè)燈使用了一個(gè)開關(guān)，實(shí)際信號(hào)燈電路中，每個(gè)燈都有一個(gè)獨(dú)立開關(guān)，這些獨(dú)立開關(guān)由信號(hào)繼電器的觸頭擔(dān)當(dāng)。在實(shí)驗(yàn)中，測(cè)量了電源輸出給各個(gè)信號(hào)燈的電流和電壓，并分別測(cè)量了點(diǎn)燈單元主燈和副燈的電流，獲得數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 3個(gè)信號(hào)燈的電壓電流和各信號(hào)燈主燈副燈電流

由表2可見，輸出給3個(gè)燈的電壓都是164.2 V，就是這個(gè)開關(guān)電源的輸出電壓。輸出電流紅燈的偏小，是因?yàn)榧t燈主燈副燈工作電壓都遠(yuǎn)低于其他色燈，其總功耗比其他色燈小得多。從數(shù)據(jù)看，所有燈工作正常。從觀測(cè)看，所有燈燈光穩(wěn)定，無閃爍，無滅燈。

開燈3小時(shí)后與交流供電的點(diǎn)燈單元對(duì)比測(cè)量機(jī)殼溫度，結(jié)果如表3所示。

表3 點(diǎn)燈單元機(jī)殼溫度測(cè)量數(shù)據(jù) （單位：℃）

從溫度測(cè)量結(jié)果可見，直流供電點(diǎn)燈單元溫度明顯低于交流供電，表明其發(fā)熱少，其內(nèi)部的電子元件溫度環(huán)境好，因此，由于發(fā)熱和溫升產(chǎn)生的故障少，安全性和壽命有一定的提高。

節(jié)能效果，在供出電流相同的情況下，其功耗比就是其電壓比，為：

162.4/220=0.745

可見直流供電信號(hào)燈的功耗約為交流供電的75%，節(jié)約電能25%。

3 結(jié)語

本文對(duì)鐵路LED信號(hào)燈的供電制式進(jìn)行研究，提出直流供電方案，進(jìn)行了點(diǎn)燈電路設(shè)計(jì)、電源參數(shù)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的直流供電制式，能使LED信號(hào)燈減少發(fā)熱，減少故障，提高可靠性，節(jié)約電能、延長(zhǎng)使用壽命。