鐵路LED信號燈直流供電制式研究

畢 鵬，閔 亮

（西安交通大學城市學院, 陜西 西安 710018）

0 引言

傳統供電制式下，LED信號燈有諸多弊端[1]。文章針對供電制式對LED信號燈的嚴重影響，研究了一種新的供電制式，在站內機房建立信號燈直流工作電源，將點燈控制與檢測電路放在站內機房，僅將發光體（LED發光盤或LED串聯點式燈）及開關電源恒流電路安裝于各個信號燈燈位。

1 LED信號燈直流供電制式研究

這種供電制式要求在站內建立信號燈直流供電電源，點燈電路組成示意圖如圖1所示。

圖1 點燈電路組成

（1）直流供電制式主要特點。

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

這種制式能實現真正的節能降耗，減少信號燈組件的發熱量，改善信號燈電子元件的熱環境，減少故障，增強信號燈工作穩定性和可靠性[3]。

（2）LED信號燈直流電源參數計算。

電源輸出電流計算：每一路信號燈要求供出電流穩定在140 mA以上，考慮冗余，一般供出電流按照160 mA設計，使得信號繼電器J1能夠可靠吸起。這就要求在站內建立點燈直流穩壓電源。該電源總功率要按照本站所管轄的LED燈在同一時刻能點亮的最多燈數量的總功耗乘以一個合適的冗余系數。具體計算如下：

以西安北站為例，站內為34線，每站進站出站在同一時刻各亮一個燈時，有34×2=76個燈被點亮，還有一些其他指示燈也要考慮進去，按照上行下行各5個燈計，則站內共有76+5×2=86個同時點亮的燈。區間上行下行各管15 km，管段為30 km，每km上行下行各一個燈組，則管段內區間燈組總數為30×2=60組。平時每個燈組總會有一個燈亮著，在列車運行時，有些燈組內還會有雙燈點亮的時刻，按1/3燈組有雙燈亮計算，則某時刻區間的亮燈數L1為：

L1=60×（1/3）×2+60×（2/3）=40+40=80

這樣西安北站同時點亮的信號燈總數LS約為

LS=86+80=166

機房內的點燈信號繼電器為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計算，則166個信號燈同時點亮需要的電流IS為

IS=160×166=26 560 mA=26.56 A

根據鐵路系統要求，電源系統必須要有足夠的冗余，這里采用冗余系數為1.5，則要求該電源供出電流IS為

IS=26.56 A×1.5=39.84 A

據此可確定信號燈直流穩壓電源輸出電流為40 A。

電源輸出電壓計算:

電源輸出電壓V1用反推法計算，點燈線路電壓分布示意圖如圖2所示。

圖2 點燈線路電壓分布

先確定點燈所需電壓V3+V4，再計算線路壓降V2，再確定電源輸出電壓V1。首先確定燈頭的電壓需求V4，對于點式LED信號燈，分為紅、綠、黃、白、藍等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 點式LED信號燈各色燈電壓、電流與功耗

從表1可見，對于點式LED信號燈，單燈電壓最高的是綠、黃、白、藍4種信號燈的主燈，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。

接著是點燈控制電路，也必然會有一定的功耗和壓降。其原因是線路供給的直流電必須經過開關電源恒流源調節才能保證每個LED燈串的350 mA恒定電流，從而保證發光的穩定性。從表1可知，LED燈電壓最高的為18 V，因此點燈控制器供出電壓按照18 V計算，就可以滿足使用要求。點燈控制器的主要電路是開關電源式恒流源電路，其轉換效率在80%以上。按80%計算可以滿足要求。

則點燈單元總功耗P為：

P=6.3 W/80%=7.875 W

設計中按照8 W計算，可滿足要求。

線路上供來的電流為160 mA=0.16 A，按照8 W計算，點燈控制電路輸入端的電壓VIN應該為

VIN=8 W/0.16=50 V

鐵路標準規定的信號燈供電線纜，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。根據前述可知，最遠端的燈距離機房為15 km，則按照160 mA電流，其線路壓降計算如下。

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。

在前面計算集中供電電源輸出電流時，已經給了1.5的冗余系數。因此得到集中供電電源的基本技術參數為，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

相應的保險、閘刀、使用電線的線徑等等參數按照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。也可以建立多個小功率電源，每個電源供給幾十個信號燈使用，以分散電源故障的風險。

因為電源參數是按照最遠端的信號燈確定的，還需考慮機房附近的信號燈能否適用。這個在設計之初就考慮到了。所設計的點燈控制電路是開關電源恒流源調節電路，其輸入電壓范圍很寬，從50 V到170 V，這樣，車站管轄區間內所有信號燈都可以適用這種電源。

2 實驗及效果

實驗采用的是可以同時點亮3個點式LED 信號燈的開關電源，其輸入為AC220 V 1 A，輸出為165 V 1 A。3個信號燈同時點亮，實驗電路如圖3所示。

圖3 直流供電制式下信號燈的電路連接

圖3是實驗電路，3個燈使用了一個開關，實際信號燈電路中，每個燈都有一個獨立開關，這些獨立開關由信號繼電器的觸頭擔當。在實驗中，測量了電源輸出給各個信號燈的電流和電壓，并分別測量了點燈單元主燈和副燈的電流，獲得數據如表2所示。

表2 3個信號燈的電壓電流和各信號燈主燈副燈電流

由表2可見，輸出給3個燈的電壓都是164.2 V，就是這個開關電源的輸出電壓。輸出電流紅燈的偏小，是因為紅燈主燈副燈工作電壓都遠低于其他色燈，其總功耗比其他色燈小得多。從數據看，所有燈工作正常。從觀測看，所有燈燈光穩定，無閃爍，無滅燈。

開燈3小時后與交流供電的點燈單元對比測量機殼溫度，結果如表3所示。

表3 點燈單元機殼溫度測量數據 （單位：℃）

從溫度測量結果可見，直流供電點燈單元溫度明顯低于交流供電，表明其發熱少，其內部的電子元件溫度環境好，因此，由于發熱和溫升產生的故障少，安全性和壽命有一定的提高。

節能效果，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

可見直流供電信號燈的功耗約為交流供電的75%，節約電能25%。

3 結語

本文對鐵路LED信號燈的供電制式進行研究，提出直流供電方案，進行了點燈電路設計、電源參數計算和實驗研究。結果表明，所設計的直流供電制式，能使LED信號燈減少發熱，減少故障，提高可靠性，節約電能、延長使用壽命。