滕展
佛山市轨道交通发展有限公司 广东佛山
摘要：随着城市轨道交通的快速发展和国家大力推行倡导绿色、节能的环保理念，落实节约资源和保护环境的基本国策成为了主旋律。电客车作为地铁运营电能消耗的重要一个部分，在满足日常运营基本要求的同时，开展电客车能源消耗的相关技术特点和节能措施研究十分必要。
关键词：地铁运营；电能；照明
1．引言
本文针对目前在城市轨道交通车辆上普遍采用的多种照明方案，以及各方案中存在的优缺点进行简要分析，并结合佛山地铁电客车照明方案开展LED集中供电自适应调光控制技术的研究，进行LED为光源的节能灯与传统荧光灯的节能效果对比和LED为光源多种照明升级方案与传统荧光灯照明方式的节能效果对比，最后得出最优节能照明方案的结论。
2．电客车客室照明方案
目前城市轨道交通车辆上采用的照明方式主要有四种，分别是荧光灯照明方案、LED分散驱动电源供电照明方案、LED集中驱动电源供电照明方案、LED集中供电及自适应照明方案。不同照明方案从供电方式、控制方式、光源介质等均有差异，这些差异直接影响了照明系统的节能性和稳定性。佛山地铁2号线、3号线电客车车辆为中车青岛四方机车车辆股份有限公司生产的四动两拖B型动车组，客室照明均是采用了相对先进的LED集中供电及自适应照明方案，以下就以上四种照明方案进行简单介绍。
2.1荧光灯照明方案
荧光灯即低压汞灯，是利用低气压的汞蒸气在通电后释放紫外线，从而使荧光粉发出可见光的原理发光。荧光灯照明通常是由头车24个36W的管状荧光灯（其中8个用于紧急照明），中间车26个36W的管状荧光灯（其中8个用于紧急照明）组成，电路组成是二路正常照明电路和一路紧急照明电路，正常照明电路布置是沿着天花板排列的2条由荧光灯组成的灯带，同时与紧急照明交叉排列。正常照明时，除紧急照明灯具外供电电源均为AC220V，紧急照明灯具供电为DC110V。
2.2 LED分散驱动电源供电照明方案
分散驱动电源供电相对于传统的荧光灯照明方案供不同点在于将发光源由荧光灯变成了LED。该方案每盏灯自带驱动电源，灯带分三路供电并交叉布置，每对门间隔布置一盏紧急照明灯。当高压断电启动紧急照明时，门驱的紧急照明由蓄电池提供110V的电源，其他灯具均熄灭。
2.3 LED 集中驱动电源供电照明方案
LED集中式驱动电源供电方案，是由发光二极管LED作为灯具的集中式供电的照明方式，其车厢内灯具在电气结构上分为4路灯带分别都由直流110V供电，车内左右两侧各2路灯具，且间隔分布，每路灯具的电源由一个集中式驱动电源供电。当某一路灯具损故障若干盏，由于每路灯带中的每盏灯在电气回路上属于并联连接，剩余的灯具都会继续点亮，并且由于驱动电源内部设置有自动的电源电压检测回路，如检测电压异常则自动断开，不会出现烧灯或灯具寿命迅速缩短的情况，而间隔的另一路灯带中的灯具将正常工作，完全不受任何影响。当需要紧急照明时，通过车厢内的4台驱动器紧急信号输入端同时输入紧急照明信号，即可使整车实现30%的输出功率，从而减少对蓄电池的消耗。
2.4 LED集中供电及自适应照明方案
该方案在2.3 LED集中驱动电源供电照明方案的基础上增加了感光器和调光控制器，也是目前佛山2号线、3号线电客车客室照明的使用方案。系统由客室LED照明灯具、集中电源、调光控制器及光感器四部分构成。集中电源采用冗余备份设计，为客室主照明灯具及门区照明灯具提供电源；调光控制器安装于客室电气柜中，主要用于对照度、控制信号的分析处理，同时控制集中电源的输出功率，从而实现灯具亮度的调节；光感器布置在两端的顶板上，用于检测车厢内的照度水平，并将信息传输至调光控制器。
在此需要说明的是，智能调节亮度技术是一种恒定照度的负反馈控制技术，由传感器（环境光传感器）、控制器（照明调光控制器+大功率驱动电源）和执行器（平面光源顶灯）组成。
它的工作原理如下图1所示，光感器不断检测车厢内的照度值，并传输至调光控制器。调光控制器的调光输出总是极力平衡外界环境光对客室照度的影响，它通过将检测值与预设值（300Lx~400Lx）进行比较，来控制驱动电源的输出，从而使平面光源顶灯的照度能够稳定在设定值上。当车辆在明线上运行时，调光控制器根据光传感器传输的环境光信号来控制电源降低功率或关闭电源输出。
图1 智能亮度调节控制图
3．照明方案性能及能耗比较
对照四种照明方案的照度和能效，计算得出四种照明方案的能耗比。因目前尚不具备进行实地测试照明能耗的条件，根据行业内对四种照明方案的进行相关的测试，按照《地铁应用：公共交通系统车辆电气照明》标准要求，在满足离地板高800mm处平均照度为300lx~400lx的前提下，测试每种方案下的能耗情况，现就以上四种方案进行如下分析：
3.1 测试设备
测试工具包括1个电压表、1个电流表、1个数据采集器和1台笔记本电脑。其中，电压表用于测试照明电源输入端电压，电流表用于测试照明灯具输入端电流，数据采集器用于将测出的电流和电压信号传入计算机，并经过计算最终得出某一节车的照明能耗。测试持续时间需模拟列车的实际运行情况，照度测试至少需要测试15天的数据；能耗测试模拟列车实际往返运行情况，并持续记录5天。
3.2 荧光灯与LED能耗对比
经过试验证明，分散供电的LED灯具照明与列车荧光灯照明能耗对比，采用分散供电的 LED灯具照明节能效果是荧光灯照明的 1.7 倍；采用集中供电的LED灯具照明节能效果是荧光灯照明的1.8倍；采用集中供电的 LED 灯具照明相比采用分散供电的 LED灯具照明，平均节能4.5%左右。
3.3 自适应调光与非自适应调光对比
自适应调光方案与非自适应调光的集中供电 LED 方案试验数据对比如下：普通集中供电方案的平均照度530lx，平均功率470W；采用自适应调光方案，实际运行区间全部为隧道时，平均照度 390lx，平均功率350W；通过模拟列车在高架和隧道内运行的工况（高架和隧道比率按 1∶3计）对自适应调光方案进行测试，测得平均照度570lx，平均功率330W。当线路为全隧道时，采用自适应调光方案与非自适应调光方案的能效比（功率/照度）约为 0.99∶1，即两种方案差别不大，反而无调光功能的方案能效比高一些，其主要是因为调光功能模块本身也需要耗电，但由于始终在隧道内工作，实际没有发挥调光的功能。
3.4 结论
根据以上的试验数据可以得出以下结论：
（1）采用集中供电的的LED照明能效最高，其次是采用分散供电的LED照明，最后是采用荧光灯照明，3 种照明方案能效比约为 1.8∶1.7∶1。
（2）当线路为高架（或地面）加隧道时，采用自适应调光方案与非自适应调光方案的能效比约为1.53∶1，此时，采用自适应调光方案明显比非自适应调光的方案更有优势。
4．总结
根据以上的分析，电客车客室照明采用LED作为光源节能性普遍优于荧光灯，同时采用集中供电并具有自适应调光功能的LED照明方式是最优方案，这个方案在具有高架、地面和隧道线路的地铁项目中更加适用。
参考文献
［1］英国标准协会，《公共交通系统车辆电气照明》（中文版），2012
［2］段洪亮.城市轨道交通车辆照明系统节能方案研究［J］.城市轨道交通研究，10：37，2018
［3］张国富.上海地铁 3 号线列车客室照明节能方案设计［J］. 上海工程技术大学学报，25（1）：21-22，2011