金鹵燈在鐵路機車前照燈上的應用

(邯鄲市大力公司   李志祥)

一、目前鐵路機車前照燈現狀
我國鐵路自內燃、電力機車問世以來,其照明光源由六十年代的白熾燈、七十年代的碘鎢燈、八十年代的汞氙燈、九十年代的鹵鎢燈經過多次改變,到目前大部分鐵路機車照明仍然使用的還是鹵鎢燈.
上世紀八十年代初,超高壓球型汞氙燈(氣體放電燈)開始用于機車前照燈,球型汞氙燈是利用氙氣作為基本氣體,并充入適量的汞制成的球型弧光放電燈.這是一種體積小,亮度很高的電光源.由于汞的引入,它既具有氙燈即開即亮的優點,還具有汞燈較高的發光效率(光效45流明/瓦).因此汞氙燈在當時以其絕對的高亮度得到機車乘務員的歡迎.很快在全國各機車制造廠和機務段的運用機車上得到普遍應用,就連當時還在運行的蒸汽機車也都將前照燈更換成汞氙燈.
由于超高壓汞氙燈和日光之間有相當大的差別,藍綠色的光比較強,顯色性不好,色彩失真,乘務員可能會對機車前方的物體或信號燈顏色產生錯誤的判斷.因此鐵道部在上世紀九十年代初下達文件不再將氙汞燈用于機車前照燈,而開始推廣鹵鎢燈.
鹵鎢燈屬熱輻射光源,它體積小,重量輕,使用安全方便(無需附件),光通維持率高,是顯色性最好的人造光源(顯色指數Ra=100).有效的解決了氙汞燈顯色性不好,色彩失真的弊端,但鹵鎢燈與氙汞燈相比亮度低,光效低,只有汞氙燈的一半.
十多年過去了,汞氙燈用于機車前照燈照明仍沒有被徹底淘汰,原因是有著較高的亮度;鹵鎢燈雖然有效的解決了汞氙燈顯色性不好,色彩失真的弊端,但鹵鎢燈亮度低,光效低( 只有20流明/瓦),與鐵路機車不斷的提速形成突出的矛盾.
本世紀初,將放映用球形氙燈用于機車前照燈倍受人們關注.球型氙燈是一種日光色,亮度高的點光源,是電影放映、探照、攝影、光學儀器、紅外照明、模擬日光用光源.近似日光色,色溫5500K-6000K,顯色指數>85,光效30流明/瓦以上,燈的壽命中,顏色保持不變.由于球型氙燈具有鹵鎢燈不可比擬的顯著優點,因此有的鐵路機車制造廠家也開始使用.但由于它的工作電壓低,工作電流大,工作于直流狀態,燈壽命短(平均壽命只有700小時);恒功率電源與觸發器設計不夠完善,可靠性低,故障率較高,對機車監控裝置有時也有干擾,因此氙燈沒有很快的在機車照明上推廣應用.使用過氙燈的鐵路機車制造廠家目前大都也不再使用.
那么,研制一種既有極高的亮度和發光效率,又有著良好的顯色性能的機車前照燈光源是擺在每一個關注機車照明的技術人員面前的迫切任務.

二、將金屬鹵化物燈用于機車前照燈
金屬鹵化物燈(以下簡稱金鹵燈)是高強度氣體放電光源,被視為“21世紀最有發展前景的光源產品”.其特點是:體積小,光效高,顯色性好,壽命長.冷熱狀態均能可靠點燃,平均壽命1500h.金鹵燈的功率從35W到2000W成系列產品,35W的金鹵燈已被廣泛應用于高級汽車前大燈照明.其他不同功率的金鹵燈在各個照明領域也逐漸被廣泛應用.
將金鹵燈用于機車前照燈具有以下顯著優點:
1、亮度高:400瓦的金鹵燈,可發出34000流明的光通量.比同功率的汞氙燈還要高10000流明.亮度是同功率鹵鎢燈的四倍.
2、壽命長:金鹵燈的使用壽命在1500小時以上,而其他用于機車照明的光源平均壽命都不超過800小時.
3、光效高:金鹵燈光效85流明/瓦以上,汞氙燈光效是45流明/瓦,鹵鎢燈是20流明/瓦,一只400W金鹵燈的亮度相當于2只800W鹵鎢燈的亮度,而耗電確只有它的一半,節電效果相當顯著.
4、顯色性好:顯色指數達85以上,色溫6000K,適用于光色要求高的場所.用于機車照明可以正確觀察各種物體和信號燈的顏色.
5、先進的電路設計可以使金鹵燈工作在恒功率狀態:當機車電源在75V~135V變化時燈功率的變化不大于2%.燈的工作狀態幾乎不受輸入電壓變化的影響.
6、減光不消耗電能.當減光狀態時,輸入功率隨之降低,不消耗電功率;而鹵鎢燈靠串聯電阻降壓減光,消耗電功率.
7、用電子觸發器點燃,無火花放電干擾,對機車監控裝置不造成干擾,全屏蔽封裝,電磁兼容好.
由于金鹵燈有以上其他燈不可比擬的優點,因此將它用于鐵路機車上,將是對機車夜間照明的一次歷史性變革,必將迅速得到普及.鐵道部有關部門也已經預見到這一變革的必然性,近期制定了“機車動車組前照燈”的新標準,在新標準中專門列入“金鹵燈”光源,不久將會發布與實施.

三、金鹵燈用于機車前照燈需要解決的問題
將金鹵燈用于機車前照燈需要解決以下問題:
1、工作電壓的匹配.金鹵燈的工作電壓一般為65~105V,而機車的供電電壓為110V,我們知道,氣體放電燈的供電電壓應為工作電壓的3倍以上才可以可靠點燃,因此110V電壓不能滿足點燃要求.首先應將供電電壓升高為300V以上.
2、工作狀態的匹配.由于金鹵燈工作在低頻交流狀態而使其壽命大大延長,而機車的供電電源為直流110V,為滿足這一條件,必須要設計一個低頻逆變電源提供給金鹵燈.
3、恒功率控制.根據新標準要求,機車前照燈的電壓適應范圍是DC77~137.5V,在此電壓范圍內燈功率變化不得大于7%,因此必須將燈電壓和燈電流信號取出通過處理送入乘法器,其輸出信號控制低頻逆變器使得燈工作在恒功率狀態.
4、熱啟動問題.首先應選擇能夠熱啟動的金鹵燈用于機車前照燈作為光源,其次要設計一個性能優良的電子觸發器,必須滿足燈穩定工作3min后,斷電10s再次啟動時3s內點燃金鹵燈.電子觸發器的可靠點燃燈次數不能少于100000次.
5、滿足電磁兼容要求.由于機車上安裝的電子、微機設備越來越多,因此鐵道部前照燈新標準對電磁兼容提出了技術要求.在金鹵燈電源的電路設計和制造工藝上必須考慮,滿足技術條件.
以上問題邯鄲市大力公司技術人員經過多年刻苦公關已經全部解決,目前制造的樣機已經通過鐵道部產品質量監督檢驗中心通信信號檢驗站的檢驗,并且在5臺內燃、電力機車上安裝試用.

附錄1:幾種機車用前照燈光源的比較

金鹵燈 氙燈 鹵鎢燈
燈功率(W) 400 400 800
燈電壓(V) 68 19 110
燈電流(A) 5.9 21 7.3
光通量(lm) 34000 11400 16000
發光效率(Im/W) 80 40 20
顯色指數(Ra) 95 95 100
色   溫(K) 6000 6000 3200
平均壽命(h) ≥1500 800 500
輸入80~125V
燈功率變化 不大于2% 40%
減光方式 電子調整
     不消耗功率 電子調整
      不消耗功率 電阻降壓      消耗功率


附錄2:JQD-400-G金屬鹵化物機車前照燈恒功率性能實測數據

輸入電壓
(V) 輸入電流
(A) 輸入功率
(W) 燈電流
(A) 燈電壓
(V) 燈功率
(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


附錄3:JQD-400-G金屬鹵化物機車前照燈光照性能測試結果