城市軌道交通照明無極燈啟動(dòng)過程研究

王長(zhǎng)全，張貴新，王新新，寧玉紅，馬碩堯

(1.北京勞動(dòng)保障職業(yè)學(xué)院機(jī)電系，北京 100029；2.清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京 10084;3.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027 )

1 引言

近年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷加快，中大城市的人口規(guī)模急劇膨脹，城市的交通供需矛盾日趨突出。由于城市軌道交通特別是地鐵具有運(yùn)量大、速度快、安全、節(jié)約用地等優(yōu)點(diǎn)，日益受到越來越多城市規(guī)劃者的青睞。截至2013年3月，我國(guó)已有35個(gè)城市在著手進(jìn)行軌道交通的規(guī)劃和建設(shè)，我國(guó)地鐵進(jìn)入一個(gè)快速的發(fā)展階段，預(yù)計(jì)國(guó)家投資將達(dá)到1.5萬億，大量的城市軌道交通運(yùn)輸系統(tǒng)逐漸成為消耗電能的大戶。地鐵運(yùn)營(yíng)的能耗主要集中在牽引機(jī)車、內(nèi)部照明、空調(diào)系統(tǒng)3個(gè)方面。目前牽引機(jī)車、空調(diào)系統(tǒng)的各項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成熟，相關(guān)新技術(shù)無法在已完工的地鐵中大規(guī)模應(yīng)用，節(jié)能潛力不大。由于地鐵環(huán)境中無法應(yīng)用自然光，車廂、站臺(tái)、通道內(nèi)必須使用人工光源進(jìn)行24h照明，內(nèi)部照明系統(tǒng)的能耗甚至要高于空調(diào)系統(tǒng)。因此，地鐵系統(tǒng)中能進(jìn)一步挖掘節(jié)能潛力的就是內(nèi)部照明[1]。

高效光源是照明節(jié)能的首要因素，根據(jù)城市軌道照明的需要，地鐵照明光源應(yīng)具有長(zhǎng)壽命、低能耗、可靠性高、顯色性好和無頻閃等特點(diǎn)。參照GB50034—2004 《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，大力推廣綠色照明，倡導(dǎo)節(jié)約能源，提高照明能效。照明產(chǎn)品選擇高效、節(jié)能、壽命長(zhǎng)的燈具，如LED燈具、無極燈等[2]。因此，節(jié)能環(huán)保的綠色照明光源如無極燈和LED 燈將成為城市軌道照明的熱門光源。與LED相比, 無極燈具有散熱容易、單體功率大、無頻閃等優(yōu)點(diǎn)，而且其電磁干擾問題也可以通過提高高頻發(fā)生器的工作穩(wěn)定性、給發(fā)生器增加金屬屏蔽外殼以及給泡殼增加導(dǎo)電金屬膜來有效降低[3]。采用電感耦合方式的無極燈與電容耦合的介質(zhì)阻擋放電[4]不同，前者是正常工作時(shí)為感性放電，而后者為容性放電。感性放電無極燈節(jié)能效果取決于其光效的高低，光效越高，節(jié)能效果越好。光效的高低與無極燈的啟動(dòng)、穩(wěn)定性[5]和放電參數(shù)[6]等因素有關(guān)。尤其是無極燈的啟動(dòng)過程決定著無極燈能否點(diǎn)亮的問題，是無極燈能否順利廣泛應(yīng)用和提高光效的前提，因此對(duì)其進(jìn)行深入研究具有重要的意義。本文采用高速攝像機(jī)和示波器等設(shè)備研究無極燈的啟動(dòng)過程，并對(duì)該過程的一些結(jié)果進(jìn)行了討論。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

為研究無極燈的啟動(dòng)過程，采用一種類似QL85型的無極燈進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置原理如圖1所示。工頻市電經(jīng)高頻電子鎮(zhèn)流器產(chǎn)生2.65MHz的高頻電流，當(dāng)該高頻電流流經(jīng)耦合器線圈時(shí)，在耦合器周圍產(chǎn)生變化的電磁場(chǎng)，將電能傳入無極燈泡體內(nèi)，加速燈體內(nèi)部放電空間的電子，當(dāng)電子能量足夠高時(shí)與泡體內(nèi)的低壓Ar氣分子發(fā)生碰撞，使燈泡內(nèi)的氣體雪崩電離，形成等離子體。等離子激發(fā)躍遷輻射出的紫外光子激發(fā)燈泡殼內(nèi)壁的熒光粉產(chǎn)生可見光。泡體內(nèi)啟動(dòng)過程的放電區(qū)域的大小和發(fā)光的強(qiáng)弱根據(jù)拍攝到的放電圖片來確定。放電圖片由美國(guó)VRI公司生產(chǎn)的Phantom V12攝像機(jī)進(jìn)行拍攝，該相機(jī)全幅分辨率為1280×1280 pixels，最短曝光時(shí)間1μs，對(duì)于300～800nm波段的光的平均相應(yīng)度為0.26A/W，無極燈距相機(jī)3米。TektronixTCPA300 電流探頭(采用10A/V量程)、Tektronix P6015A 高壓探頭和Tektronix TPS 2014(100MHz,1Gs/s) 四通道示波器測(cè)量電子鎮(zhèn)流器輸出端的電壓、電流和功率等放電參數(shù)。此外，在泡體徑向距泡體表面30厘米處放置一光敏電阻將其變化用同軸電纜連接于示波器端口以記錄光強(qiáng)度信號(hào)的變化(圖1中未示出)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置原理圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental set-up

3 結(jié)果與討論

3.1 啟動(dòng)過程的發(fā)光照片

在環(huán)境溫度為8℃的情況下，將Phantom V12高速攝像設(shè)置成連續(xù)拍攝模式，拍攝間隔為14μs，在點(diǎn)燈前先打開攝像機(jī)，點(diǎn)燈后，攝像機(jī)自動(dòng)捕捉不同點(diǎn)亮?xí)r刻的發(fā)光圖像。通過高速攝像機(jī)拍攝到不同時(shí)間的無極燈發(fā)光圖像，經(jīng)origin8.0軟件將圖像轉(zhuǎn)化成彩色填充等高線圖，處理后的圖像如圖2所示。

從圖2(a)可以看出，無極燈沒點(diǎn)亮?xí)r未有任何的發(fā)光，因此發(fā)光圖像沒有一點(diǎn)光強(qiáng)。隨著輸入泡體內(nèi)的能量的增加，耦合器線圈上下兩端的電壓差增加到足以擊穿泡體內(nèi)的工作氣體Ar氣而發(fā)生彭寧電離使Ar氣擊穿放電，在14μs時(shí)形成電容耦合的E型放電，這從圖2(b)中由多個(gè)發(fā)光點(diǎn)組成的斷續(xù)光環(huán)可以看出，此時(shí)氣體放電是由耦合器線圈軸向的電壓差引起的場(chǎng)強(qiáng)造成的，而耦合器徑向方向電場(chǎng)沒有或很弱無法引起徑向的氣體擊穿放電，于是此時(shí)只有沿耦合器方向的放電等離子激發(fā)熒光粉發(fā)出的沿著耦合器軸向的光，因此在發(fā)光圖像上得到的光僅為斷續(xù)的環(huán)形光點(diǎn)。隨著放電時(shí)間的增加，耦合器線圈軸向的電場(chǎng)強(qiáng)度因離子通道導(dǎo)通而逐漸減弱，而耦合器線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)感應(yīng)的電場(chǎng)逐漸增強(qiáng)，當(dāng)該感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度超過氣體的擊穿場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，使得環(huán)繞耦合器線圈的泡體內(nèi)的放電外的工作氣體Ar氣逐漸被擊穿，從而形成環(huán)形的以電感耦合為主導(dǎo)的H型放電，但放電區(qū)域外部的某些區(qū)域仍未發(fā)生放電，形成的發(fā)光區(qū)域是類似齒輪的形狀，這從放電28μs的圖2(c)中可很容易地看出。隨著放電時(shí)間的增加，無極燈泡體內(nèi)的發(fā)光區(qū)域逐漸擴(kuò)大，在56μs時(shí)徑向的環(huán)形放電區(qū)域基本上連成一個(gè)完整的環(huán)形。在396μs時(shí)徑向的放電區(qū)域基本上充滿泡體徑向的整個(gè)環(huán)形區(qū)域，在596μs放電時(shí)刻放電發(fā)光進(jìn)一步擴(kuò)到增強(qiáng)。比較圖2中的過程發(fā)現(xiàn)，在無極燈啟動(dòng)階段，氣體放電是發(fā)生從未擊穿到E型放電，再到H環(huán)形放電的放電的模式轉(zhuǎn)變[7]。

圖2 啟動(dòng)過程中不同時(shí)間的發(fā)光圖像Fig.2 Luminous photographs at different time in starting process

3.2 電壓對(duì)啟動(dòng)過程的電壓電流波形及光強(qiáng)度信號(hào)的影響

為了分析放電啟動(dòng)過程光電參數(shù)的變化，采用高壓探頭、電流探頭和數(shù)字示波器測(cè)量了放電啟動(dòng)階段的電壓、電流波形以及光強(qiáng)度信號(hào)，測(cè)量結(jié)果如圖3所示。

圖3 放電電壓、電流和光強(qiáng)度信號(hào)隨工作電壓的變化(ch1: 光強(qiáng)度信號(hào)l; ch2: 放電電壓; ch3: 放電電流)Fig.3 the change of voltage, current and light intensity signal with working voltage (ch1: light intensity signal; ch2: discharge voltage; ch3: discharge current)

從圖3(a)～(d)可以看出，通電后，無極燈迅速從未放電過渡到放電發(fā)光狀態(tài)。在圖3(a)工作電壓為120V時(shí)，放電電壓峰值約300V，電流峰值約為15A，由光敏電阻測(cè)量到的光強(qiáng)度信號(hào)約為170mV；在圖3(b)工作電壓為160V時(shí)，放電電壓峰值約350V，電流峰值約為18A，光強(qiáng)度信號(hào)約為195mV；在圖3(c)工作電壓為200V時(shí)，放電電壓峰值約400V，電流峰值約為19A，光強(qiáng)度信號(hào)約為200mV；而在圖3(d)工作電壓為220V時(shí)，放電電壓峰值約350V，電流峰值約為19A，光強(qiáng)度信號(hào)約為175mV。這說明，隨著工作電壓的增加，放電電壓峰值先增加后減少，放電電流峰值增加到穩(wěn)定狀態(tài)，而光強(qiáng)度信號(hào)也是先增后減。這是因?yàn)樵诜烹娳呌诜€(wěn)定之前，隨高頻發(fā)生器輸入端工作電壓的增加，高頻發(fā)生器輸出端的放電電壓和電流增加，輸入到泡體內(nèi)氣體放電等離子體獲得的能量增加，由此產(chǎn)生的高能粒子密度和能量增加，使得等離子體激發(fā)熒光粉發(fā)出光的強(qiáng)度增加，光敏電阻感受到的光亮增加，因而光強(qiáng)度信號(hào)增加；當(dāng)放電到達(dá)某一工作電壓時(shí)，隨高頻發(fā)生器輸入端工作電壓的增加，泡體內(nèi)等離子體的負(fù)阻抗增加，使得高頻發(fā)生器輸出端的放電電壓減少而電流基本維持不變，同時(shí)整體輸入到泡體內(nèi)氣體放電等離子體的能量減弱，因此使得等離子體激發(fā)熒光粉發(fā)出光的強(qiáng)度略有下降。

4 結(jié)論

光源的節(jié)能效果主要取決于其光效，而無極燈的光效受啟動(dòng)過程、放電參數(shù)、工作氣體、環(huán)境條件等因素的影響。因此對(duì)無極燈而言，啟動(dòng)過程是非常重要的。無極燈的啟動(dòng)過程的變化可從多個(gè)參數(shù)來分析，此處首次采用高速攝像機(jī)研究了了放電啟動(dòng)過程初期的E-H模式轉(zhuǎn)變，同時(shí)也通過放電波形分析無極燈在不同工作電壓下的放電波形和光強(qiáng)度信號(hào)的變化情況，其中，在研究的范圍內(nèi)，電壓峰值和光強(qiáng)度信號(hào)隨工作電壓增加先增加后減少，而放電電流是逐漸增加至穩(wěn)定狀態(tài)。

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