城市軌道交通照明無極燈啟動過程研究

王長全，張貴新，王新新，寧玉紅，馬碩堯

(1.北京勞動保障職業學院機電系，北京 100029；2.清華大學電機工程與應用電子技術系，北京 10084;3.浙江大學電氣工程學院，浙江 杭州 310027 )

1 引言

近年來，隨著我國經濟的高速發展和城鎮化進程的不斷加快，中大城市的人口規模急劇膨脹，城市的交通供需矛盾日趨突出。由于城市軌道交通特別是地鐵具有運量大、速度快、安全、節約用地等優點，日益受到越來越多城市規劃者的青睞。截至2013年3月，我國已有35個城市在著手進行軌道交通的規劃和建設，我國地鐵進入一個快速的發展階段，預計國家投資將達到1.5萬億，大量的城市軌道交通運輸系統逐漸成為消耗電能的大戶。地鐵運營的能耗主要集中在牽引機車、內部照明、空調系統3個方面。目前牽引機車、空調系統的各項技術已經成熟，相關新技術無法在已完工的地鐵中大規模應用，節能潛力不大。由于地鐵環境中無法應用自然光，車廂、站臺、通道內必須使用人工光源進行24h照明，內部照明系統的能耗甚至要高于空調系統。因此，地鐵系統中能進一步挖掘節能潛力的就是內部照明[1]。

高效光源是照明節能的首要因素，根據城市軌道照明的需要，地鐵照明光源應具有長壽命、低能耗、可靠性高、顯色性好和無頻閃等特點。參照GB50034—2004 《建筑照明設計標準》，大力推廣綠色照明，倡導節約能源，提高照明能效。照明產品選擇高效、節能、壽命長的燈具，如LED燈具、無極燈等[2]。因此，節能環保的綠色照明光源如無極燈和LED 燈將成為城市軌道照明的熱門光源。與LED相比, 無極燈具有散熱容易、單體功率大、無頻閃等優點，而且其電磁干擾問題也可以通過提高高頻發生器的工作穩定性、給發生器增加金屬屏蔽外殼以及給泡殼增加導電金屬膜來有效降低[3]。采用電感耦合方式的無極燈與電容耦合的介質阻擋放電[4]不同，前者是正常工作時為感性放電，而后者為容性放電。感性放電無極燈節能效果取決于其光效的高低，光效越高，節能效果越好。光效的高低與無極燈的啟動、穩定性[5]和放電參數[6]等因素有關。尤其是無極燈的啟動過程決定著無極燈能否點亮的問題，是無極燈能否順利廣泛應用和提高光效的前提，因此對其進行深入研究具有重要的意義。本文采用高速攝像機和示波器等設備研究無極燈的啟動過程，并對該過程的一些結果進行了討論。

2 實驗裝置

為研究無極燈的啟動過程，采用一種類似QL85型的無極燈進行實驗，實驗裝置原理如圖1所示。工頻市電經高頻電子鎮流器產生2.65MHz的高頻電流，當該高頻電流流經耦合器線圈時，在耦合器周圍產生變化的電磁場，將電能傳入無極燈泡體內，加速燈體內部放電空間的電子，當電子能量足夠高時與泡體內的低壓Ar氣分子發生碰撞，使燈泡內的氣體雪崩電離，形成等離子體。等離子激發躍遷輻射出的紫外光子激發燈泡殼內壁的熒光粉產生可見光。泡體內啟動過程的放電區域的大小和發光的強弱根據拍攝到的放電圖片來確定。放電圖片由美國VRI公司生產的Phantom V12攝像機進行拍攝，該相機全幅分辨率為1280×1280 pixels，最短曝光時間1μs，對于300～800nm波段的光的平均相應度為0.26A/W，無極燈距相機3米。TektronixTCPA300 電流探頭(采用10A/V量程)、Tektronix P6015A 高壓探頭和Tektronix TPS 2014(100MHz,1Gs/s) 四通道示波器測量電子鎮流器輸出端的電壓、電流和功率等放電參數。此外，在泡體徑向距泡體表面30厘米處放置一光敏電阻將其變化用同軸電纜連接于示波器端口以記錄光強度信號的變化(圖1中未示出)。

圖1 實驗裝置原理圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental set-up

3 結果與討論

3.1 啟動過程的發光照片

在環境溫度為8℃的情況下，將Phantom V12高速攝像設置成連續拍攝模式，拍攝間隔為14μs，在點燈前先打開攝像機，點燈后，攝像機自動捕捉不同點亮時刻的發光圖像。通過高速攝像機拍攝到不同時間的無極燈發光圖像，經origin8.0軟件將圖像轉化成彩色填充等高線圖，處理后的圖像如圖2所示。

從圖2(a)可以看出，無極燈沒點亮時未有任何的發光，因此發光圖像沒有一點光強。隨著輸入泡體內的能量的增加，耦合器線圈上下兩端的電壓差增加到足以擊穿泡體內的工作氣體Ar氣而發生彭寧電離使Ar氣擊穿放電，在14μs時形成電容耦合的E型放電，這從圖2(b)中由多個發光點組成的斷續光環可以看出，此時氣體放電是由耦合器線圈軸向的電壓差引起的場強造成的，而耦合器徑向方向電場沒有或很弱無法引起徑向的氣體擊穿放電，于是此時只有沿耦合器方向的放電等離子激發熒光粉發出的沿著耦合器軸向的光，因此在發光圖像上得到的光僅為斷續的環形光點。隨著放電時間的增加，耦合器線圈軸向的電場強度因離子通道導通而逐漸減弱，而耦合器線圈產生的磁場感應的電場逐漸增強，當該感應電場強度超過氣體的擊穿場強時，使得環繞耦合器線圈的泡體內的放電外的工作氣體Ar氣逐漸被擊穿，從而形成環形的以電感耦合為主導的H型放電，但放電區域外部的某些區域仍未發生放電，形成的發光區域是類似齒輪的形狀，這從放電28μs的圖2(c)中可很容易地看出。隨著放電時間的增加，無極燈泡體內的發光區域逐漸擴大，在56μs時徑向的環形放電區域基本上連成一個完整的環形。在396μs時徑向的放電區域基本上充滿泡體徑向的整個環形區域，在596μs放電時刻放電發光進一步擴到增強。比較圖2中的過程發現，在無極燈啟動階段，氣體放電是發生從未擊穿到E型放電，再到H環形放電的放電的模式轉變[7]。

圖2 啟動過程中不同時間的發光圖像Fig.2 Luminous photographs at different time in starting process

3.2 電壓對啟動過程的電壓電流波形及光強度信號的影響

為了分析放電啟動過程光電參數的變化，采用高壓探頭、電流探頭和數字示波器測量了放電啟動階段的電壓、電流波形以及光強度信號，測量結果如圖3所示。

圖3 放電電壓、電流和光強度信號隨工作電壓的變化(ch1: 光強度信號l; ch2: 放電電壓; ch3: 放電電流)Fig.3 the change of voltage, current and light intensity signal with working voltage (ch1: light intensity signal; ch2: discharge voltage; ch3: discharge current)

從圖3(a)～(d)可以看出，通電后，無極燈迅速從未放電過渡到放電發光狀態。在圖3(a)工作電壓為120V時，放電電壓峰值約300V，電流峰值約為15A，由光敏電阻測量到的光強度信號約為170mV；在圖3(b)工作電壓為160V時，放電電壓峰值約350V，電流峰值約為18A，光強度信號約為195mV；在圖3(c)工作電壓為200V時，放電電壓峰值約400V，電流峰值約為19A，光強度信號約為200mV；而在圖3(d)工作電壓為220V時，放電電壓峰值約350V，電流峰值約為19A，光強度信號約為175mV。這說明，隨著工作電壓的增加，放電電壓峰值先增加后減少，放電電流峰值增加到穩定狀態，而光強度信號也是先增后減。這是因為在放電趨于穩定之前，隨高頻發生器輸入端工作電壓的增加，高頻發生器輸出端的放電電壓和電流增加，輸入到泡體內氣體放電等離子體獲得的能量增加，由此產生的高能粒子密度和能量增加，使得等離子體激發熒光粉發出光的強度增加，光敏電阻感受到的光亮增加，因而光強度信號增加；當放電到達某一工作電壓時，隨高頻發生器輸入端工作電壓的增加，泡體內等離子體的負阻抗增加，使得高頻發生器輸出端的放電電壓減少而電流基本維持不變，同時整體輸入到泡體內氣體放電等離子體的能量減弱，因此使得等離子體激發熒光粉發出光的強度略有下降。

4 結論

光源的節能效果主要取決于其光效，而無極燈的光效受啟動過程、放電參數、工作氣體、環境條件等因素的影響。因此對無極燈而言，啟動過程是非常重要的。無極燈的啟動過程的變化可從多個參數來分析，此處首次采用高速攝像機研究了了放電啟動過程初期的E-H模式轉變，同時也通過放電波形分析無極燈在不同工作電壓下的放電波形和光強度信號的變化情況，其中，在研究的范圍內，電壓峰值和光強度信號隨工作電壓增加先增加后減少，而放電電流是逐漸增加至穩定狀態。

[1] 張新星，孫志鋒. 無極燈應用于軌道交通照明的可行性探究[J]. 中國照明電器,2012,(2): 13～16.

[2] 蔡昌俊，鐘素銀. 軌道交通節能減排分析與實施.鐵路技術創新,2011,(5):5～10.

[3] 王長全,張貴新,董晉陽，等.無極燈啟動特性研究[J].真空科學與技術學報，2011，31(5)：536～539.

[4] 王長全,張貴新,方志，等.常壓介質阻擋放電對聚苯乙烯表面改性研究[J].真空科學與技術學報,2009,29(6):695～699.

[5] 王長全，張貴新，董晉陽，等.無極燈穩定性研究[J]. 照明工程學報,2010,21(6):81～83.

[6] 王長全, 張貴新,董晉陽，等. 無極燈光效的影響因素分析[J]. 高電壓技術,2011,37(6): 1446～1451.

[7] Yu Chen, Guo Zhigang, Zhu Ximing, et al. Spatially resolved optical emission spectroseopy investigation of E and H Modes in cylindrical inductively coupled plasmas [J]. Journal of Physics D: Appllied Physics, 2007, 40(7): 5112～ 5116.