铁路LED信号灯直流供电制式研究

毕 鹏，闵 亮

（西安交通大学城市学院, 陕西 西安 710018）

0 引言

传统供电制式下，LED信号灯有诸多弊端[1]。文章针对供电制式对LED信号灯的严重影响，研究了一种新的供电制式，在站内机房建立信号灯直流工作电源，将点灯控制与检测电路放在站内机房，仅将发光体（LED发光盘或LED串联点式灯）及开关电源恒流电路安装于各个信号灯灯位。

1 LED信号灯直流供电制式研究

这种供电制式要求在站内建立信号灯直流供电电源，点灯电路组成示意图如图1所示。

图1 点灯电路组成

（1）直流供电制式主要特点。

这种制式供给信号灯的是直流电。避免了交流供电沿线路分布电容的交流漏电流损耗，同时可以避免交流干扰。提高信号灯的抗干扰性能，杜绝干扰闪烁故障[2]。

这种制式能实现真正的节能降耗，减少信号灯组件的发热量，改善信号灯电子元件的热环境，减少故障，增强信号灯工作稳定性和可靠性[3]。

（2）LED信号灯直流电源参数计算。

电源输出电流计算：每一路信号灯要求供出电流稳定在140 mA以上，考虑冗余，一般供出电流按照160 mA设计，使得信号继电器J1能够可靠吸起。这就要求在站内建立点灯直流稳压电源。该电源总功率要按照本站所管辖的LED灯在同一时刻能点亮的最多灯数量的总功耗乘以一个合适的冗余系数。具体计算如下：

以西安北站为例，站内为34线，每站进站出站在同一时刻各亮一个灯时，有34×2=76个灯被点亮，还有一些其他指示灯也要考虑进去，按照上行下行各5个灯计，则站内共有76+5×2=86个同时点亮的灯。区间上行下行各管15 km，管段为30 km，每km上行下行各一个灯组，则管段内区间灯组总数为30×2=60组。平时每个灯组总会有一个灯亮着，在列车运行时，有些灯组内还会有双灯点亮的时刻，按1/3灯组有双灯亮计算，则某时刻区间的亮灯数L1为：

L1=60×（1/3）×2+60×（2/3）=40+40=80

这样西安北站同时点亮的信号灯总数LS约为

LS=86+80=166

机房内的点灯信号继电器为H18型或H16型，其吸起电流为140 mA，通常工作电流为140 mA～180 mA。按照中间值160 mA计算，则166个信号灯同时点亮需要的电流IS为

IS=160×166=26 560 mA=26.56 A

根据铁路系统要求，电源系统必须要有足够的冗余，这里采用冗余系数为1.5，则要求该电源供出电流IS为

IS=26.56 A×1.5=39.84 A

据此可确定信号灯直流稳压电源输出电流为40 A。

电源输出电压计算:

电源输出电压V1用反推法计算，点灯线路电压分布示意图如图2所示。

图2 点灯线路电压分布

先确定点灯所需电压V3+V4，再计算线路压降V2，再确定电源输出电压V1。首先确定灯头的电压需求V4，对于点式LED信号灯，分为红、绿、黄、白、蓝等5种色灯。其中红灯电压最低，各色灯电压、电流与功耗如表1所示。

表1 点式LED信号灯各色灯电压、电流与功耗

从表1可见，对于点式LED信号灯，单灯电压最高的是绿、黄、白、蓝4种信号灯的主灯，为18 V，功耗最大的也是这4种色灯的主灯，为6.3 W。从电源供电能力上，只要满足这4种灯的电力需求，那就能满足所有其他色灯的电力需求。

接着是点灯控制电路，也必然会有一定的功耗和压降。其原因是线路供给的直流电必须经过开关电源恒流源调节才能保证每个LED灯串的350 mA恒定电流，从而保证发光的稳定性。从表1可知，LED灯电压最高的为18 V，因此点灯控制器供出电压按照18 V计算，就可以满足使用要求。点灯控制器的主要电路是开关电源式恒流源电路，其转换效率在80%以上。按80%计算可以满足要求。

则点灯单元总功耗P为：

P=6.3 W/80%=7.875 W

设计中按照8 W计算，可满足要求。

线路上供来的电流为160 mA=0.16 A，按照8 W计算，点灯控制电路输入端的电压VIN应该为

VIN=8 W/0.16=50 V

铁路标准规定的信号灯供电线缆，其每芯线电阻为23.5 Ω/km，供电线路来回为双线，所以线路电阻为23.5×2=47 Ω/km。根据前述可知，最远端的灯距离机房为15 km，则按照160 mA电流，其线路压降计算如下。

15 km线路的电阻R为：

R=47×15=705 Ω

则线路压降V2为：

V2=0.16 A×705 Ω=112.8 V

则集中供电电源的输出电压为：

V1=112.8+50=162.8 V。

在前面计算集中供电电源输出电流时，已经给了1.5的冗余系数。因此得到集中供电电源的基本技术参数为，输入为AC220 V，额定输出电压为直流163 V，额定输出电流为40 A。电源效率取为80%，则集中电源总功率为：

P=（163×40）/0.8=8 150 W=8.15 kW

相应的保险、闸刀、使用电线的线径等等参数按照8.15 kW的电源取值即可。

这样的电源必须有两套，一用一备或热备。也可以建立多个小功率电源，每个电源供给几十个信号灯使用，以分散电源故障的风险。

因为电源参数是按照最远端的信号灯确定的，还需考虑机房附近的信号灯能否适用。这个在设计之初就考虑到了。所设计的点灯控制电路是开关电源恒流源调节电路，其输入电压范围很宽，从50 V到170 V，这样，车站管辖区间内所有信号灯都可以适用这种电源。

2 实验及效果

实验采用的是可以同时点亮3个点式LED 信号灯的开关电源，其输入为AC220 V 1 A，输出为165 V 1 A。3个信号灯同时点亮，实验电路如图3所示。

图3 直流供电制式下信号灯的电路连接

图3是实验电路，3个灯使用了一个开关，实际信号灯电路中，每个灯都有一个独立开关，这些独立开关由信号继电器的触头担当。在实验中，测量了电源输出给各个信号灯的电流和电压，并分别测量了点灯单元主灯和副灯的电流，获得数据如表2所示。

表2 3个信号灯的电压电流和各信号灯主灯副灯电流

由表2可见，输出给3个灯的电压都是164.2 V，就是这个开关电源的输出电压。输出电流红灯的偏小，是因为红灯主灯副灯工作电压都远低于其他色灯，其总功耗比其他色灯小得多。从数据看，所有灯工作正常。从观测看，所有灯灯光稳定，无闪烁，无灭灯。

开灯3小时后与交流供电的点灯单元对比测量机壳温度，结果如表3所示。

表3 点灯单元机壳温度测量数据 （单位：℃）

从温度测量结果可见，直流供电点灯单元温度明显低于交流供电，表明其发热少，其内部的电子元件温度环境好，因此，由于发热和温升产生的故障少，安全性和寿命有一定的提高。

节能效果，在供出电流相同的情况下，其功耗比就是其电压比，为：

162.4/220=0.745

可见直流供电信号灯的功耗约为交流供电的75%，节约电能25%。

3 结语

本文对铁路LED信号灯的供电制式进行研究，提出直流供电方案，进行了点灯电路设计、电源参数计算和实验研究。结果表明，所设计的直流供电制式，能使LED信号灯减少发热，减少故障，提高可靠性，节约电能、延长使用寿命。