大功率LED节能灯在铁路灯桥灯塔应用研究

李宝文

(兰州铁路局计划统计处，甘肃 兰州 730000)

目前国内外节能产品LED在通用照明上已有较大突破，并已逐步推广运用。但由于LED节能灯作为点光源，目前只能运用在室内和低空照明场所，在特定场合下(照射高度超过20 m，照射距离超过200 m)、具有特殊用途、满足特殊作业需求的LED照明，尚处于研制阶段。尤其是对铁路灯桥灯塔等高空下的站场照明，尚无成功的LED节能灯产品供现场运用。为此，兰州铁路局计统处与局老科协、扬州市朝阳铁路信号设备有限公司合作，研制了适合铁路灯桥灯塔应用的LED节能灯，本文对此进行了总结。

1 研制目标

研制150 W左右LED节能灯，以400 W金卤灯为改造单元，在同等照度、亮度条件下，节电达到60%以上，使用寿命不低于50 000 h，能满足铁路作业的要求，符合TB10008—2007《铁路电力设计规范》、TB/T494—1997《铁路照明照度标准》的要求。

2 技术方法

2.1 研究解决光照均匀度

本课题技术难点之一就是光照均匀度的问题，如果采用平常锥形设计照明灯的形式，就形成了照远不能照近，或调整角度，又形成照近不能照远。因而课题组设计了近似外圆弧形的灯具模板，经过多次模拟试验，成功地解决了光照均匀度的问题，其技术方法为:

2.1.1 设计一种近似外圆弧形安装LED灯的模板，弧形模板按垂直角度计算，分别从5～80°由7块不同尺寸的模块组成，模板上部照远的光区段角度较小，照近的光区段的角度较大。在7块模块上安装不同数量的LED灯，形成了远近都能照到的7个光区，从根本上解决了光照均匀度的问题。

2.1.2 在近似外圆弧形的7块模板上，小角度照远距离的光区安装的 LED灯数量占总量的约50%，中角度照中等距离的光区安装LED灯数量占总量的约37%，大角度照近距离的光区安装LED灯数量占总量的约13%。

2.1.3 近似外圆弧形的模板宽260 mm，总长度为660 mm，厚度为60 mm，主材料为高导热的散热器，7块模块用螺栓固定在外圆弧形的柜架上，形成一个整体。

2.2 研究解决 LED节能灯普遍存在的眩光、刺眼、“斑马线”、散光角度不足和光照度不足的问题，经多次试验，采用了以下的方法:

2.2.1 采取二次配光的方法，在每个 LED灯泡上配上凸透镜，使光的照度达到设定的理想值，解决了光照度不足的问题。

2.2.2 选择定制LED灯泡为90°，凸透镜选择5～35°不同角度的透镜，通过透镜射出来的光，相互叠加形成了如下特色:整个光源融为一体，不眩光、不刺眼;散光角度充足;无“斑马线”;远近光射区域选择的透镜角度不同，在二次配光的作用下，光照度达到了理想的效果。

2.2.3 相关电子元器件选用的是军品级产品，LED灯泡选用目前市场质量好、性能稳定的3W LED灯泡，单个光通量达到 160～180 lm，整个LED节能灯的光通量达到11 000 lm。

2.2.4 为保证作业场所色温科学合理，本课题的色温设计经多次测定在6 210～6 300 K之间。

2.3 研究解决散热问题

大功率LED节能灯的散热问题是涉及到其使用寿命长短和光照度衰减的核心问题，根据相关标准，LED的工作环境温度适宜在－30～+75℃，超过80℃就会影响灯具的使用寿命。经科学攻关，采取了以下技术方案:

2.3.1 选用了特殊的、高导热、快传递的材料定制散热器。

2.3.2 在结构上作了要求设定，散热体积较大。

2.3.3 在电路设计上，采取了低电压供电、功耗小，达到了工作温度低的效果。

2.3.4 设计的大功率LED节能灯的工作环境温度为－40～+75℃，课题组经30多天的连续测试，150 W的LED节能灯的工作环境温度未超过48℃，属科学合理的工作环境温度。

2.3.5 课题组设计的散热器，采用自然散热的技术，非人工强制散热的方式。

2.4 研究解决恒压恒流的技术问题

根据西北地区高海拔、空气干燥、昼夜温差大、季节风沙大、铁路站场又有高压接触网及电压波动大、静电干扰防护等问题，采取了以下的技术方案:

2.4.1 与电源生产专业科技人员联合设计了宽电压高频输入技术，利用源效应的科学原理，在电压波动值不稳定时，波动值在20%～30%的范围内，输出电压稳定，达到了恒压效果，有效解决了铁路站场电压波动大的问题。设计输入电压为110～330 V，输出电压为25～28 V，而且输出电流可根据实际需要作调整。

2.4.2 课题组设计的大功率 LED节能灯，为了达到低功耗、保安全、长寿命，采用8个一串联，5路一并联的布局模式。既降低了LED节能灯在工作中产生的热量，又不会因个别灯泡偶然损坏而影响整体光照效果。

2.4.3 课题组设计的大功率 LED节能灯，经测试3 000 V高压过电在60 s不受损，8 000 V高压瞬间过电不影响灯具质量。LED的无功消耗极低，经测试，本课题研发的大功率LED节能灯功率因数达到0.94。

2.4.4 关于防雷、防静电干扰以及安全问题:课题组研发的大功率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，而且功率比原有的金卤灯或高压钠灯小得多，故不会产生对原有设备设施超负荷问题。因大功率LED节能灯主体材料是金属导电材料，同时又接地，故不会产生静电干扰。

2.4.5 兰州地区高海拔、空气干燥、昼夜温差大，不会对大功率LED节能灯的使用产生影响。首先，高海拔的地区紫外线较强，而课题组设计的LED节能灯做了防护外罩，故紫外线辐射不会影响灯具的内在质量。其次，兰州地区气候干燥，这比较适合LED节能灯需防雨防湿的要求。还有昼夜温差大的区域气候特点，也不会影响LED节能灯的使用寿命，因灯具是在晚间工作，而且又产生一定的热量，夜间在温度低的时间，能起到较好的散热降温效果。

2.4.6 针对兰州地区季节风沙大的特点，课题组针对大功率LED节能灯设计了防护罩，既能防尘防雨，又保证了正常透气散热。

3 成果检测分析

经具有专业检测资质的机构现场检测，由表1可见，本课题研发的大功率(150 W)LED节能灯，在照射高度20 m，照射距离200 m的灯桥灯塔上使用，近距离(距离灯桥5 m)照度为156 lx，中间距离(25～125 m)照度为130～146 lx，远距离(150～200 m)照度为34～78 lx，即最高值为156 lx，最低值为34 lx。而高压钠灯近距离为350 lx，远距离(100～200 m)为3～43 lx，高压钠灯远距离照度不足。大功率(150 W)LED节能灯取9个点(5～200 m，每25 m一个点)测试，平均值为113.6 lx，完全符合 TB10008—2007、TB/T494—1997规范标准。

表1 150 W LED节能灯与400 W高压钠灯照度测试

4 效益分析

研发的大功率(150W)LED节能灯从2011年1月初在兰州车务段颍川堡车站灯桥1－4股道投产运行9个多月来，安全可靠，未产生任何维修费用，极大地改善了夜间站场照明条件，受到了现场作业人员的一致好评。经兰州车务段实际测算，节能效果显著。经济效益从表2可以反映:

表2 两类灯具经济指标对比

4.1 大功率(150 W)LED节能灯使用寿命长，可以50 000 h以上基本免维护，极大地降低了运营成本，单盏灯10年可节约维护成本52 750元，如果大批量使用LED节能灯，其经济效益是十分巨大的。

4.2 大功率(150 W)LED节能灯功耗低、超节能，本课题的LED节能灯每年的耗电量只有金卤灯或高压钠灯的29.8%。

4.3 从能耗和维护成本的综合因素考虑，一盏金卤灯或高压钠灯10年的综合费用是75 434.25元，而一盏 LED节能灯10年的综合费用是13 774.25元，两相比较，课题组研发的大功率LED节能灯综合费用只占金卤灯或高压钠灯的18.26%，一盏灯的10年综合费用可节省61 660元。

4.4 推广大功率 LED节能灯，不仅有巨大的经济效益，而且有十分广阔的社会效益。与传统金卤灯比，一盏大功率 LED节能灯，一年可节电1 460 kW·h，全国高空照明需要的大功率照明灯非常多，如果都换成LED照明灯，一年节电的数量惊人;大功率LED节能灯无紫外线辐射、无废弃物污染，不会对人体产生任何污染和伤害，真正达到了绿色照明的要求。

2011年4月《大功率LED节能灯在铁路灯桥灯塔应用》课题通过了兰州铁路局科委组织的专家评审。同年6月，国家知识产权局授予该技术专利权(专利号:201020699782X);7月该课题获得兰州铁路局第九届企业管理现代化创新成果一等奖。

5 尚需完善的问题

兰州局研发大功率LED节能灯项目，尽管达到了预先设定的目标，但也有许多问题尚需进一步研发完善:

5.1 安装LED灯的近似外圆弧形模板:目前由7块模块组成，以后可以通过模压，形成一块整体的、分成不同光区段的外圆弧形模板，这样就可以制作方便、操作简捷、重量减轻、安装灵巧。

5.2 大功率LED灯的控制:可以研发设计成智能控制系统，根据自然光照的强弱程度调节照明需求，实现自动开灯关灯，这样既节约了能源，又方便了现场作业对照明的需求。