武汉北编组站灯桥灯塔节能改造可行性分析及建议

段建国， 罗学平， 郭金彪， 金睿， 陆中玏

（中国铁路武汉局集团有限公司，湖北武汉430071）

0 引言

武汉北编组站地处京广铁路在沪汉蓉沿江经济带的武汉市境内，是我国一次性整体建成的亚洲规模最大、现代化程度最高的编组站，是全国主要路网性编组站之一［1-2］。武汉北编组站承担着繁重的解体、编组任务，对照明设备的要求极高，但现有照明设备老化严重、故障频发、耗能较大。因此，开展武汉北编组站灯桥灯塔节能改造具有良好的综合效益和远期示范效益，可为其他编组站、车站的灯桥灯塔节能改造提供借鉴。

1 编组站概况及节能改造方案

1.1 基本情况

2009年5月18日，武汉北编组站正式投入使用，改变了原来华中地区路网能力限制而产生的不合理运输组织方式，保证了武汉铁路枢纽运输的畅通［3］。武汉北编组站，三级七场规模，负责江村、株洲北等12 个方向的直达、直通列车集结、编组任务，同时也负责管内武昌东、铁山等7个方向的区段及小运转列车集结、编组任务（见图1）。全站日均解体、编组能力为178、171 列，办理能力日均25364 辆。2018年日均解体、编组分别是115、116列，办理车18074辆。

1.2 照明设备现状

调车工作对现场作业环境的照明有很高的要求。武汉北编组站内灯桥灯塔灯具为高压钠灯，共有1052 盏，采用“远程控制+时间控制”系统管理模式。编组站灯桥灯塔灯具自开通运行至今，已服役11年，期间未对灯具进行过整体检修更换，仅零星替换部分灯具及易损件。

（1）设备故障。目前，在武汉北编组站灯桥灯塔1052 盏灯具中，已有417 盏无法正常照明，故障率高达39.6%（为保障作业安全，对照度不够的点位，已将其中108 盏零星更换为200 W 的LED 节能灯），剩余正在使用的635 盏灯具，使用时间也已远超7年质保期。灯具损坏及老化带来站场照明不均问题，导致站场行车及作业安全存在隐患。

（2）设备能耗。武汉北编组站现有额定功率400 W的高压钠灯944 盏（另外108 盏为零星更换的200 W 的LED 节能灯），高压钠灯年用电量约181.93 万kW·h，年用电费约178.29万元（电费单价0.98元/（kW·h）），占编组站总电费支出的71%，灯具用电成本居高不下。

（3）设备管理。武汉北编组站灯桥灯塔灯具开关采用的“远程控制+时间控制”系统管理模式，存在无法根据季节、天气状况变化准确调整开关灯时间的问题，出错率高，存在安全隐患，且高度依赖人工管理，成本支出较大。

1.3 节能改造方案

TB 10089—2015《铁路照明设计规范》第3.2.1 条：铁路照明光源选择应根据不同场所的特点，在满足照明的显色性、色温、启动时间和再启动时间等要求条件下，结合光源、灯具及镇流器的效率、光通量维持率、寿命和价格进行综合技术经济分析比较后确定［4］。根据武汉北编组站灯具目前存在的问题，综合考虑技术和经济因素后，提出以下节能改造方案：

（1）使用LED 节能灯替换高压钠灯。大功率LED节能灯在安装时，不改变原有灯桥灯塔的电路原状，使用原有的接地装置，只要换上灯具即可，且功率比原有的金卤灯或高压钠灯小，不会产生原有设备设施超负荷的问题。大功率LED 节能灯主体材料是金属导电材料且同时接地，不会产生静电干扰［5］。因此，现有基础条件支持使用LED 节能灯替换高压钠灯。

（2）采用“光控+远程智能监控”模式替换现有的“远程控制+时间控制”管理模式。通过论证，既有编组站的视频监控系统和供电段的远程控制系统支持实现模式替换。

2 灯具技术、成本分析

以光源功率400 W的高压钠灯与200 W的LED节能灯为例，从技术指标和综合成本2个方面对节能改造方案采用灯具和现有灯具进行对比分析。

2.1 技术指标对比

LED节能灯作为第4代照明光源，在照明领域具有广阔的发展前景，已逐渐成为全球最热门、最受瞩目的光源［6］。LED 节能灯已在铁路站房、站场、隧道、桥梁等场所照明中得到了广泛应用，其本身的安全性已在实际应用中得到了验证。高压钠灯和LED 节能灯光源参数（来源：主流灯具厂商技术规格书）及特性对比见表1。

表1 高压钠灯和LED节能灯光源参数及特性对比

照度测试方法：以垂直于光源的方向为照度测量面，沿股道方向布点，分为水平和垂直股道方向放置照度计，测试结果的最大值作为最大照度值；以平行于灯桥方向，等间距测量照度来计算照度均匀度（开灯后2 h 左右进行测量）［7］。现场测试2000 m2平均照度，LED 节能灯照度更高，照明效果更好。LED 节能灯在更换后不存在明显光感变化，对整体平均照度影响更小，整体观感更统一。

灯具炫光值与均匀度与光源关系不大，主要由灯具设计、配光曲线及灯具布置方案确定。TB 10089—2015 表4.5.3 中规定：编发场驼峰顶50～60 m 范围、编发场道岔区首端，照度均匀度不低于0.25，炫光值不大于50；存轮场、客车整备线、机车整备台位、列检作业场所、转车盘等场所照度均匀度不低于0.25，炫光值不大于45。本次灯具更换灯具布置间距不变，高压钠灯更换为LED 灯具后，照明均匀度及炫光值满足规范设计要求。

通过对比说明：LED 节能灯额定功率较小、耗电量小，额外损耗比钠灯低、更节能，光衰（减）更小、照明运行成本更低，故障率更低，相同功率相比LED节能灯光通量更高、平均使用寿命更长。在符合TB 10089—2015 相关标准的情况下，LED 节能灯在技术指标上全面优于高压钠灯，使用LED 节能灯替换高压钠灯可显著提升编组站照明水平，节能效果明显，且具有较好的雾天穿透性［7］，可减少站场行车及作业安全隐患。

2.2 综合成本对比

选取质量、商誉、销售业绩等方面较好的3个品牌（品牌A、品牌B、品牌C），以某电商集采平台价格为基准，从采购成本、维修成本、用电成本3个方面进行对比分析。

（1）采购成本：高压钠灯与LED 节能灯的平均价格分别为3146元和3865元。以编组站现有944盏高压钠灯计算，全部替换为LED 节能灯的采购成本为355.79 万元，更换为新高压钠灯的采购成本为296.98万元。

（2）维修成本：高压钠灯主要部件包含光源、镇流器、触发器、电容。目前，高压钠灯售后三包为7年，其中易损件售后三包为1年，1年后更换非常频繁［8］。高压钠灯易损件费用按均价计算，光源为242 元、镇流器678 元、触发器140 元、电容器145 元，每年灯具易损件的往年平均损坏率为11.2%，考虑更换灯具人工费200元/盏，944盏高压钠灯易损件售后以外的6年更换维修成本约为89.13 万元。LED 节能灯售后三包7年，厂家免费维修更换，维修成本为0。

（3）用电成本：根据武汉北编组站灯桥灯塔灯具照明时间设定，全年日均照明时间约12 h，附加10%电损，按电费单价0.98 元/（kW·h）计算，高压钠灯7年用电成本约为1248.02 万元，LED 节能灯7年用电成本约为624.02万元。

对比采购成本，购置LED 节能灯成本略高于高压钠灯，投入使用后长期维修成本和用电成本却远低于高压钠灯。三者综合对比，LED 节能灯替换高压钠灯7年共计可节约654.32万元，平均每年综合成本可节约93.47万元，经济效益明显（见表2）。

表2 7年综合成本对比 万元

3 方案实施

武汉北编组站面积大、作业量多，人员穿行平交道与股道频繁，特别是夜间作业对灯桥灯塔灯具照明要求较高。尽管LED 节能灯在各项指标上优于高压钠灯，但是为了保证运输生产及作业人员安全，本次节能改造方案实施采取“三步走”策略：

第1步：先进行多种场景试验，取得第三方检测报告。选择专业资质强、声誉良好的第三方检测机构，按照TB 10089—2015 相关标准，测试LED 节能灯与高压钠灯相关参数，并对试验全程数据的真实性、可靠性负责。将测试数据与铁路照明设计规范标准进行对比，出具具有法律效力的检测报告。

选取作业任务相对较少的场区，将其中1座灯桥上2 排平行灯具中的1 排更换为A 品牌的LED 节能灯。分天气状态、时间段，对该座灯桥2 排灯具进行对照试验，对比光通量、光效、显示指数、色温、启动时间、功率因数、电压及温度变化影响等参数数据，对LED节能灯和高压钠灯的性能进行全方位对比。同理，换装B品牌LED节能灯，进行对比试验。

第2步：走访调研排除安全隐患，逐步全面替换现有灯具。选定武汉北编组站Ⅳ场灯桥作为测试区域，按照依法合规采购方式，选定A、B 两种品牌，各采购LED 节能灯38 盏，安装并进行对照性试用。在试用1个季度后，采用问卷调查、座谈访问等多种形式，对武汉北编组站职工进行调研，了解职工在LED 节能灯具使用中发现的问题，征询职工对LED 节能灯具的接受度，确定LED 节能灯对现场作业安全有无风险隐患。在充分调研确定职工接受度高并排除安全风险隐患后，对武汉北编组站灯桥灯塔灯具等设备逐步进行替换更新。第1阶段对Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ场灯桥灯塔灯具及附属设备进行更新，共计灯桥6 座，灯塔9 座，更换472 盏LED节能灯及附属设备。第2阶段更换Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ场灯桥灯塔灯具及附属设备进行更新，共计灯桥7座，灯塔10座，更换472盏LED节能灯及附属设备。

第3步：复核照明检测和节能效果，推广至其他编组站。完成武汉北编组站的灯桥灯塔灯具及附属设备更换后，对照明监测和节能效果进行复核，达到照明预期和节能效果后，按上述模式全面推广至铁路局集团公司其他编组站。当前中国铁路武汉局集团有限公司所有供电段管辖的编组站共有高压钠灯2170 盏，若全部替换为LED 节能灯，预计全年综合成本可节约约204.92万元。

4 管理维护模式

为彻底解决武汉北编组站所用的“远程控制+时间控制”系统管理模式存在灯具无法准确根据季节、天气状况适时调整开关灯时间，且高度依赖人工管理，成本支出大，出错率高等问题，将现有管理模式升级为“光控+远程智能监控”式，即利用既有编组站的视频监控系统和武汉供电段的远程控制系统，加装智能电表，将监控数据和图像通过远程控制系统接入武汉供电段安全生产指挥中心，以实现智能化管理，最终实现无线抄表、智能监控、远程指挥、实时维修。基于编组站内既有灯桥灯塔控制系统现状，对编组站内站场照明智能监视及控制系统架构方案进行了重点研究，提出近期和远期的可行方案。

4.1 近期方案：基于电力远动通道方案

在近期，可采用基于电力远动通道方案，对13 座灯桥（含17 套照明控制箱，其中4 座超长灯桥各设置2套照明控制箱）、19 座灯塔（含19 套照明控制箱）进行集中更换。基于电力远动通道方案系统架构见图2。控制箱内设置电力远动终端RTU并配置光时控制模块。各控制箱内的RTU 通过敷设光纤至就近10.0 kV/0.4 kV变电所接入电力远动通道。编组站设置站场照明智能监视及控制主站（简称监控主站），通过视频监控改造工程设置的视频监控复示终端实现对灯桥灯塔状态的实时监视。监视主站将灯桥灯塔监视及控制信息接入武汉供电段安全生产指挥中心，与拟建的灯桥、灯塔照明远程抄表及节能监控系统进行功能组合，最终实现编组站内灯桥、灯塔照明光时自动控制、编组站就地级控制及供电段级集中控制。

图2 基于电力远动通道方案系统架构

4.2 远期方案：基于无线公网通道方案

在远期，可采用基于无线公网通道方案，方案的灯桥灯塔照明控制箱数量及位置均与近期方案一致，对36套照明控制箱（13座灯桥内含17套、19座灯塔内含19 套）进行集中更换，照明控制箱内设置无线终端并配置光时控制模块，无线终端具备公网通信接口，通过4G 公网通信通道实现监视及控制数据上传下发。编组站智能监视及控制系统架构与主要功能与近期方案一致，编组站智能监视及控制系统至现场级无线终端及远方武汉供电段智能监视及控制平台间均设置公网无线通信接口。基于无线公网通道方案系统架构见图3。

远期方案和近期方案均能实现通过监视主站将灯桥灯塔控制及监视信息接入武汉供电段安全生产指挥中心，与灯桥、灯塔照明远程抄表及节能监控系统进行功能组合，最终实现编组站内灯桥灯塔特殊点位开关灯数量及光强调控。远期方案与近期方案主要区别如下：

（1）远期方案通信通道均采用基于4G 公网的无线通道方案，近期方案采用的远动光纤传输通道。

图3 基于无线公网通道方案架构图

（2）远期方案现场照明控制箱监控数据，不经过站场低压变电所汇聚，直接点对点传输至编组站智能监控系统。

5 结束语

武汉北编组站灯桥灯塔节能改造以问题为导向，从技术指标、综合成本、方案实施和控制管理方面进行综合考虑，采用更为经济节能的LED 照明灯具，大幅降低了电能消耗和电费支出。改造后灯具寿命、照明经济效益、安全性及未来运营管控等方面较现状均得到提升。

在深入贯彻落实习近平生态文明思想的时代背景下，认真落实中国国家铁路集团有限公司2020年节支降耗要求，武汉北编组站在照明设备节能改造方面的研究与探索具有十分重要的意义：

（1）武汉北编组站照明设备的成功改造，可为其他编组站、车站提供借鉴和参考，大幅提升节能改造效果，精准实现节支降耗目标。

（2）通过此次照明设备节能改造的逐步推广与应用，编组站照明能耗量将持续降低，并在较大程度上减少铁路非牵引耗电量，促进铁路整体能效水平的提升。

（3）在践行“交通强国、铁路先行”的发展理念背景下，构建经济、高效、节能的照明系统能够有效提升铁路绿色发展水平，在一定程度上扩大铁路在“绿色高效”方面的比较优势，体现铁路构建“绿色交通运输体系”、建设“交通强国”的使命与担当［9-10］。