城市轨道交通控制系统LED信号灯电路应用解析

■ 初 帆

城市轨道交通控制系统LED信号灯电路应用解析

■ 初 帆

信号机显示关系到城市轨道交通运输作业的安全与运输效率，LED信号灯具有可靠性高、寿命长、节省能源等优点。通过对LED信号灯与传统点灯电路兼容的解析，提出电路中存在的问题，并指出了研究方向。

LED信号灯；LED信号机；城市轨道交通；故障；全电子信号控制

0 引言

信号机是指挥城市轨道交通列车运行的重要关键设备，是保障列车安全行驶的显示设备，是表达固定信号显示所用的机具，用来防护站内进路，防护区间，防护危险地点，具有严格的防护意义。多年来，我国铁路一直采用以白炽灯泡为光源的透镜式色灯信号机，其主要缺点是可靠性差、寿命短、易断丝、功效低。为了提高信号显示的可靠性和延长灯泡的使用寿命，提出采用LED技术研制开发了LED铁路信号机。目前LED信号机不仅在铁路中已有应用，在城市轨道交通中（如地铁、轻轨、空轨、有轨电车等）已被广泛使用，且效果显著。

LED色灯信号机具有节能、可视性好、免调整、寿命长等特点，除了可有效解决灯丝断丝问题外，还因其防水、防尘性能好，日常的巡检工作只需对机构的外观予以检查，防止底座螺栓松动而偏离显示方向，保持防尘镜面的清洁以获得最佳显示效果，大大降低了信号工的维修工作量。

1 传统信号机点灯电路

1.1 点灯电路

信号机点灯电路是故障-安全电路，所以对信号机点灯电路的要求是比较高的。设计电路时要考虑到各种故障状态下的电路安全。信号点灯电路断线，信号机就要灭灯。允许信号灭灯时，要使信号显示降级；禁止灯光灭灯时，不允许信号机再开放。一般在每一个信号灯泡的点灯电路中都串有灯丝继电器，灯丝继电器是电流继电器，当满足一定的电流值时，继电器才能保持在吸起状态，通过灯丝继电器检查电流值来监督灯泡的完整性，并判断灯泡是否处于点亮的状态。

以典型的、最简单的调车信号点灯电路为例（见图1），说明信号机点灯电路原理如下：

图1 典型的信号点灯电路

信号机点灯电路均采用集中供电制，由信号楼继电器室供给交流220 V点灯电源。由于信号灯泡是采用低压12 V，因此对应调车信号机灯泡分别设有一台信号变压器（BX-30型，初级为220 V，次级为13～14 V）。

禁止灯光蓝灯：XJZ220→熔断器RD1-2→DJ5-6→XJ61-63→蓝灯信号变压器→熔断器RD2-1→XJF220；

允许灯光白灯：XJZ220→熔断器RD1-2→DJ5-6→XJ61-62→白灯信号变压器→熔断器RD2-1→XJF220。

1.2 灯丝继电器

灯丝继电器（JZXC-H18）是信号点灯电路中的关键设备，每架信号机都设有灯丝继电器，用以监督信号灯丝的完整性。正是靠灯丝继电器的工作特性实现电路的故障安全设计。

信号点灯电路根据信号机的性质不同，灯丝继电器的配备也不同。图1中的调车信号点灯电路，设置一个灯丝继电器DJ监督信号灯状态即可。若是进路信号显示存在双显的情况时，设有1DJ和2DJ两个灯丝继电器，分别监测不同的点灯情况。例如，进站信号的1DJ用来监督红灯、绿灯和一黄灯的点灯情况，2DJ用来监督二黄灯和白灯的点灯情况。

JZXC-H18是整流式缓放重力型安全继电器，采用铜线圈架，接点系统为4QH接点组，一般用于站内。其工作原理为：信号点灯电路输入AC 220 V的交流电，JZXC-H18继电器将输入的交流电通过其内部的全波整流电路（在继电器接电组上方，安装由二极管2CP25组成的桥式整流电路）整流为直流电后再送入线圈。当线圈两端的电压值达到其工作电压值时，继电器励磁吸起；当流经线圈的电流达到一定值时，继电器保持在励磁吸起状态。同理，当送入线圈的电流值降到一定值时，其依靠重力实现衔铁的释放。同时利用电流通过线圈产生的交变磁场与其翼板中的另一交变磁场所感应的电流相互作用，使翼板转动而达到缓放的目的。其机械寿命为2×106次。

2 LED信号机

2.1 LED简介

LED（Light Emitting Diode）即发光二极管，是一种新型的固态冷光源，利用固体半导体芯片作为发光材料，在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射产生可见光。它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，其核心部件是一个PN结，当正向通过电流时，可以把电能直接转换为光能。PN结四周用环氧树脂密封起来，所以LED的抗震性能较好。

2.2 LED信号机

LED信号机主要由点灯单元和发光盘组成。点灯单元主要完成电源转换、电源检测、LED检测和故障告警。LED信号机采用LED发光二极管制成铁路信号机的新光源，期望可以取代传统的灯泡方式，以从根本上解决灯丝断丝故障。典型的LED灯盘联结方式见图2。从电路设计原理可知，LED信号灯有很多优点：

（1）可靠性高：发光盘用几十只或上百只发光二极管组成串并联电路，使用中个别发光二极管或支路发生故障不影响信号的正常显示，提高了信号的可靠性。

（2）寿命长：传统灯丝灯泡的主丝寿命一般约为1 000 h，而发光二极管寿命可达到100 000 h，是灯泡的100倍，可以大大免除经常更换灯泡，减少维修工作量。

（3）环保节能：LED是电致发光，不像白炽灯是热辐射发光，且不含汞等有害物质，没有污染，是由绿色能源转变而来的光源。传统灯泡耗电为25 W，发光二极管的耗电量不足灯泡的一半。

（4）轻巧便利：LED是半导体材料，其体积非常小，质量轻，可灵活使用，根据不同需要配置成不同形状。

（5）响应速度快：白炽灯的响应时间为ms级，LED灯的响应时间为ns级，接通电源后，灯亮时间仅为60 ns。

（6）聚焦稳定：发光盘的聚焦状态一旦调整好，无需现场再调整。

图2 典型的LED灯盘联结方式

（7）无冲击电流：点灯时没有灯泡冷丝状态的冲击电流，有利于延长供电装置使用寿命。

由LED发光管组成的信号光源，与传统的色灯信号机相比，具有显示效果好、寿命长、节能、免维护的特点。信号机显示颜色包括红、黄、绿、白（月白）、蓝5种颜色。零部件均采用防高温老化、耐腐蚀的材料，机构表面采用喷塑处理，确保设备在恶劣环境中使用期内无维修。设备配置合理、功能齐全、技术先进、性能优良、使用维修方便、运行安全可靠。

2.3 国外LED信号机发展现状

LED具有诸多优点，受到铁路信号器材公司的青睐。在美国、英国、德国等国的铁路信号器材公司纷纷致力于研发LED铁路信号机。LED铁路信号机相对于传统的灯丝信号机具有长寿性、可视性好、无需滤光透镜、无“假”显示、免维护、节能环保等诸多优点。这些优点使得LED铁路信号机在美国、英国、德国、瑞士等国铁铁路得到迅速推广应用[1]。

同时，LED信号机已经由原先的LED铁路信号机，慢慢地发展成为轨道交通使用的信号机。LED信号机给城市轨道交通的运行带来了很大便利，并推动了城市轨道交通的发展。

2.4 我国LED信号机发展现状

目前我国铁路有约20万台各种色灯信号机，这些信号机还是以白炽灯为光源。鉴于LED众所周知的优点，一些单位从20世纪90年代后期就开始进行这种新型光源在铁路信号领域的实验和研制，取得明显进展，目前从各种指标来看，已经达到国外主流厂家的先进水平。

但由于各种原因没有在铁路上得到大量应用，反而在地铁、有轨电车等城市轨道交通领域得到广泛应用。目前沈阳浑南有轨电车、淮安有轨电车、青岛有轨电车、杭州地铁、深圳地铁、沈阳地铁、重庆地铁等信号系统使用的都是LED信号机。由于地铁大部分设处地下，光线暗，对于地下车站来说，LED信号机的优势更为突出，其在地铁领域的使用情况良好。

3 LED信号灯电路分析

虽然LED信号灯已经得到大量应用，但其使用仍存在一些问题，是影响其在城市轨道交通推广的障碍。

3.1 与传统点灯电路兼容

在传统的信号点灯电路中，色灯灯泡的故障模式相对单一，只需考虑灯泡断丝故障即可，当灯泡断丝后，电路完整性破坏，不构成回路，没有点灯电流，灯丝继电器无法维持吸起状态而落下，可以顺利地切换到降级信号显示。

对于LED信号灯来说，其点亮时所需的电流大大小于色灯灯泡所用的电流，在不改变室内AC 220 V供电条件的情况下，点灯电流只有几十毫安，不足以让灯丝继电器吸起并保持。为与原电路兼容，许多厂家在信号机一侧采用耗能设备的方式，将主电路中的电流提高，以达到灯丝继电器的工作电流要求。这种方式，牺牲了LED信号灯节能的优点来满足既有设备的限制条件，没有发挥出LED信号灯的优势。

有些厂家采取降低室内供电条件的方式，室内采用AC 110 V供电方案，电路其他参数不变，这样可有效地提高主电路中的电流值，使其满足灯丝继电器的工作要求。这种方法即满足了原设备的限制条件，也发挥了LED信号灯节能的优点，是一个较好的解决办法。

3.2 LED信号灯电流监督

由于传统信号机采用白炽灯作为信号光源，寿命短，故障率高，因而需要配备信号点灯电流监测设备。虽然LED具有体积小、寿命长、响应速度快等优点，但由于LED电子元器件的PN结特性，同时也增加了故障发生的模式和可能性。因此，同样也需要配备信号电流监测设备，以此来确保信号系统能够准确、及时、可靠地指挥线路安全运行。

LED信号灯一般都配有灯丝检测报警设备。集中报警电路取样在室内点灯电路中，采用感应测流方式，当某一灯位发光管损坏到一定数量时，该点灯回路中感应电流变小，经放大、比较，用单片机判断哪个信号灯发生了故障，并发出报警信号。可报到每一个灯位，也可报到每一架信号机。

根据LED信号灯的特点，当有25%～35%的发光二极管断路时，灭灯数量达到（30±5）%时，报警电路接通，并发出声光报警信号；当发光二极管灭灯损坏数量超过（50±5）%时，灯丝继电器可靠落下。通过报警装置，可实现LED信号灯的状态修，在不影响使用的情况下，对损坏达30%的LED灯盘进行维修更换。

当发光二极管灭灯损坏数量超过（50±5）%时，LED信号灯电流监测设备会认定信号灯断丝，并将监测到的报警信息给联锁系统。联锁系统以此作为信号处理的联锁条件之一，对信号点灯进行故障导向安全处理（如信号点灯降级处理），保证列车行车安全。但电流监测是监测设备，只是为联锁提供“安全信息”，具体的行车安全由联锁系统负责提供保障。因此监测设备与其所承担的责任并不匹配。与联锁设备不同，它只是保障行车安全的一个手段而已，无安全完整性等级要求。

3.3 直流LED信号灯电路在某些LED信号灯的工程设计中，采用室内直流供电的方式，可节省室内隔离变压器和室外点灯单元中的隔离降压变压器，降低了设备造价，这种设计方案在无地面敷设电缆的地铁中应用较多。在有地面电缆的场合，由于取消了室外隔离降压变压器，则需重点考虑对线路引入干扰和防雷的防护措施。

3.4 存在信号升级的安全隐患

对于LED信号灯来说，有电流情况下，不能确定LED灯是亮的。这个问题会导致电路点双信号显示时，有可能一个LED信号灯检测到电流值正常，但其实并没有亮灯（或很低亮度显示），使得信号灯处于显示升级的危险状态。由此可以认为，LED信号灯与传统信号点灯电路其实并不匹配，应该为新型LED信号灯的使用研究新型配套的LED点灯电路。

4 全电子信号控制是发展趋势

为解决上述隐患，将现有的LED继电器控制模式升级为全电子信号控制模块控制是未来的发展趋势。传统设备室有继电器组合及组合架、电源屏、分线盘等设备，占用空间大，维护难度偏高，同时也影响着城市轨道交通的发展。随着计算机技术、电子技术的发展和普及以及安全型继电器的出现，设备室完全可以被电子执行部件取代。

4.1 全电子信号控制的优点

全电子联锁集成度高、安装速度快、模块化设计、维护范围小且便利等优点尤为突出。采用相应的技术手段，如自诊断、运算结果比较、逻辑判断、控制输出等，并从配线等各个环节可部分减少或避免错误的产生，大大提高整个系统的可维护性和可靠性，达到市场需求的安全完整性等级。

全电子联锁信号系统解决了造价高、占用资源大的问题，其经济意义巨大。目前车站基本采用计算机联锁，底层控制设备的全电子化是必然趋势。但是，在全电子化的信号驱动单元研究中，需认真研究新产品新设备的特性和应用条件，对不同电子元器件的性能分析及其应用环境等应分析透彻。

4.2 全电子信号驱动模块研究方向

全电子信号驱动模块研发要求所采用的新设备能够满足原有信号点灯电路的功能需求，满足故障导向安全的设计原则。但这并不意味着仅仅局限于传统的点灯电路模式去研究全电子的信号点灯设备。应针对不同的新设备、电子元器件进行深入分析，对点灯控制电路进行必要的调整，以减少或避免因元器件/设备性能与既有的点灯电路模式不兼容而导致的错误或故障。亦可深入研究，利用新电子控制模块解决目前既有点灯控制电路中遗留的问题，解决可能存在的信号点灯升级的安全隐患，进一步提高信号点灯系统的安全性与可靠性。

全电子信号控制方式不仅能满足且超出现有的控制模式功能需求，无论是在铁路还是在城市轨道交通的发展中必然成为主流，具有巨大的市场潜力，同时将推动轨道交通的科技进步，使信号技术革新换代。

[1] 张锡弟．铁路信号发展展望[J]．中国铁路，1995(6)：7-8．

初帆：中国铁路通信信号股份有限公司经营计划部，副部长，北京，100166

责任编辑 卢敏

U284.1；U231

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