金卤灯在铁路机车前照灯上的应用

金卤灯在铁路机车前照灯上的应用

(邯郸市大力公司   李志祥)

一、目前铁路机车前照灯现状
我国铁路自内燃、电力机车问世以来,其照明光源由六十年代的白炽灯、七十年代的碘钨灯、八十年代的汞氙灯、九十年代的卤钨灯经过多次改变,到目前大部分铁路机车照明仍然使用的还是卤钨灯.
上世纪八十年代初,超高压球型汞氙灯(气体放电灯)开始用于机车前照灯,球型汞氙灯是利用氙气作为基本气体,并充入适量的汞制成的球型弧光放电灯.这是一种体积小,亮度很高的电光源.由于汞的引入,它既具有氙灯即开即亮的优点,还具有汞灯较高的发光效率(光效45流明/瓦).因此汞氙灯在当时以其绝对的高亮度得到机车乘务员的欢迎.很快在全国各机车制造厂和机务段的运用机车上得到普遍应用,就连当时还在运行的蒸汽机车也都将前照灯更换成汞氙灯.
由于超高压汞氙灯和日光之间有相当大的差别,蓝绿色的光比较强,显色性不好,色彩失真,乘务员可能会对机车前方的物体或信号灯颜色产生错误的判断.因此铁道部在上世纪九十年代初下达文件不再将氙汞灯用于机车前照灯,而开始推广卤钨灯.
卤钨灯属热辐射光源,它体积小,重量轻,使用安全方便(无需附件),光通维持率高,是显色性最好的人造光源(显色指数Ra=100).有效的解决了氙汞灯显色性不好,色彩失真的弊端,但卤钨灯与氙汞灯相比亮度低,光效低,只有汞氙灯的一半.
十多年过去了,汞氙灯用于机车前照灯照明仍没有被彻底淘汰,原因是有着较高的亮度;卤钨灯虽然有效的解决了汞氙灯显色性不好,色彩失真的弊端,但卤钨灯亮度低,光效低( 只有20流明/瓦),与铁路机车不断的提速形成突出的矛盾.
本世纪初,将放映用球形氙灯用于机车前照灯倍受人们关注.球型氙灯是一种日光色,亮度高的点光源,是电影放映、探照、摄影、光学仪器、红外照明、模拟日光用光源.近似日光色,色温5500K-6000K,显色指数>85,光效30流明/瓦以上,灯的寿命中,颜色保持不变.由于球型氙灯具有卤钨灯不可比拟的显著优点,因此有的铁路机车制造厂家也开始使用.但由于它的工作电压低,工作电流大,工作于直流状态,灯寿命短(平均寿命只有700小时);恒功率电源与触发器设计不够完善,可靠性低,故障率较高,对机车监控装置有时也有干扰,因此氙灯没有很快的在机车照明上推广应用.使用过氙灯的铁路机车制造厂家目前大都也不再使用.
那么,研制一种既有极高的亮度和发光效率,又有着良好的显色性能的机车前照灯光源是摆在每一个关注机车照明的技术人员面前的迫切任务.

二、将金属卤化物灯用于机车前照灯
金属卤化物灯(以下简称金卤灯)是高强度气体放电光源,被视为“21世纪最有发展前景的光源产品”.其特点是:体积小,光效高,显色性好,寿命长.冷热状态均能可靠点燃,平均寿命1500h.金卤灯的功率从35W到2000W成系列产品,35W的金卤灯已被广泛应用于高级汽车前大灯照明.其他不同功率的金卤灯在各个照明领域也逐渐被广泛应用.
将金卤灯用于机车前照灯具有以下显著优点:
1、亮度高:400瓦的金卤灯,可发出34000流明的光通量.比同功率的汞氙灯还要高10000流明.亮度是同功率卤钨灯的四倍.
2、寿命长:金卤灯的使用寿命在1500小时以上,而其他用于机车照明的光源平均寿命都不超过800小时.
3、光效高:金卤灯光效85流明/瓦以上,汞氙灯光效是45流明/瓦,卤钨灯是20流明/瓦,一只400W金卤灯的亮度相当于2只800W卤钨灯的亮度,而耗电确只有它的一半,节电效果相当显著.
4、显色性好:显色指数达85以上,色温6000K,适用于光色要求高的场所.用于机车照明可以正确观察各种物体和信号灯的颜色.
5、先进的电路设计可以使金卤灯工作在恒功率状态:当机车电源在75V~135V变化时灯功率的变化不大于2%.灯的工作状态几乎不受输入电压变化的影响.
6、减光不消耗电能.当减光状态时,输入功率随之降低,不消耗电功率;而卤钨灯靠串联电阻降压减光,消耗电功率.
7、用电子触发器点燃,无火花放电干扰,对机车监控装置不造成干扰,全屏蔽封装,电磁兼容好.
由于金卤灯有以上其他灯不可比拟的优点,因此将它用于铁路机车上,将是对机车夜间照明的一次历史性变革,必将迅速得到普及.铁道部有关部门也已经预见到这一变革的必然性,近期制定了“机车动车组前照灯”的新标准,在新标准中专门列入“金卤灯”光源,不久将会发布与实施.

三、金卤灯用于机车前照灯需要解决的问题
将金卤灯用于机车前照灯需要解决以下问题:
1、工作电压的匹配.金卤灯的工作电压一般为65~105V,而机车的供电电压为110V,我们知道,气体放电灯的供电电压应为工作电压的3倍以上才可以可靠点燃,因此110V电压不能满足点燃要求.首先应将供电电压升高为300V以上.
2、工作状态的匹配.由于金卤灯工作在低频交流状态而使其寿命大大延长,而机车的供电电源为直流110V,为满足这一条件,必须要设计一个低频逆变电源提供给金卤灯.
3、恒功率控制.根据新标准要求,机车前照灯的电压适应范围是DC77~137.5V,在此电压范围内灯功率变化不得大于7%,因此必须将灯电压和灯电流信号取出通过处理送入乘法器,其输出信号控制低频逆变器使得灯工作在恒功率状态.
4、热启动问题.首先应选择能够热启动的金卤灯用于机车前照灯作为光源,其次要设计一个性能优良的电子触发器,必须满足灯稳定工作3min后,断电10s再次启动时3s内点燃金卤灯.电子触发器的可靠点燃灯次数不能少于100000次.
5、满足电磁兼容要求.由于机车上安装的电子、微机设备越来越多,因此铁道部前照灯新标准对电磁兼容提出了技术要求.在金卤灯电源的电路设计和制造工艺上必须考虑,满足技术条件.
以上问题邯郸市大力公司技术人员经过多年刻苦公关已经全部解决,目前制造的样机已经通过铁道部产品质量监督检验中心通信信号检验站的检验,并且在5台内燃、电力机车上安装试用.

附录1:几种机车用前照灯光源的比较

金卤灯 氙灯 卤钨灯
灯功率(W) 400 400 800
灯电压(V) 68 19 110
灯电流(A) 5.9 21 7.3
光通量(lm) 34000 11400 16000
发光效率(Im/W) 80 40 20
显色指数(Ra) 95 95 100
色   温(K) 6000 6000 3200
平均寿命(h) ≥1500 800 500
输入80~125V
灯功率变化 不大于2% 40%
减光方式 电子调整
     不消耗功率 电子调整
      不消耗功率 电阻降压      消耗功率


附录2:JQD-400-G金属卤化物机车前照灯恒功率性能实测数据

输入电压
(V) 输入电流
(A) 输入功率
(W) 灯电流
(A) 灯电压
(V) 灯功率
(W)
70 6.50 455 5.88 67.7 398
80 5.60 448 5.90 67.8 400
90 4.95 445 5.91 67.8 401
100 4.43 443 5.92 67.9 402
110 4.02 442 5.92 67.9 402
120 3.67 441 5.92 67.9 402
130 3.37 438 5.92 67.9 402
140 3.12 437 5.92 67.9 402


附录3:JQD-400-G金属卤化物机车前照灯光照性能测试结果