轨道交通直流照明系统研究综述

许琼果，刘光伟，周斌

(1.苏州市轨道交通集团有限公司，江苏 苏州 215026；
2.国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京 210016)

交流供电系统中大量电力电子转换装置的使用，使得系统中各个设备间的交互作用越来越复杂，降低了系统调节能力，导致电能质量下降，严重威胁着电力系统的安全稳定运行。相比交流供电，直流供电系统在电能质量及源荷兼容性方面优势显著[1-3]，目前直流供电方式已经在数据中心[4-5]、电动汽车[6]、智能家居[7]、船舶供用电系统[8]以及轨道交通系统[9-10]中成功应用。文献[11]在“新基建”领域进行了低压直流供用电系统的应用技术分析，提出低压直流供用电系统可直接助力“新基建”的发展，辅助或替代交流电源，并有望成为新型数字化供用电系统。

轨道交通具有污染小、能耗低、占用土地少等独特优势，属绿色环保交通体系，符合可持续发展的原则，已经成为城市化进程中不可或缺的关键环节[12]。城市轨道交通的光环境较为特殊，主要表现为没有自然光导致车站内外光照强度差异较大；
因此，轨道交通照明系统需要进行细致的设计，它对保障轨道交通运营安全、美化轨道交通运营环境，以及为乘客提供良好的乘坐体验起到至关重要的作用。随着半导体器件工艺的发展和LED灯具全寿命周期综合成本的下降，LED逐渐取代传统荧光灯具成为理想的照明光源，促使直流供电照明系统的技术优势开始显现。

综上所述，直流供电照明系统作为重要发展方向，对轨道交通行业的健康发展、光环境质量提高，以及降低运营维护成本方面具有积极作用。本研究首先阐述直流照明系统发展现状，然后分别综述低压直流供电照明系统的关键技术和设备研制情况，并结合工程实际展望轨道交通直流照明系统未来的研究，为后续轨道交通低压直流照明系统的研究与应用提供参考。

轨道交通照明系统采用直流供电方式优势显著，主要表现为以下几个方面：

a)直流供电线路与大地隔离，实际应用中直流发生的事故相比交流供电要少得多。

b)直流供电的灯具不需要整流模块，解决了电解电容容易损坏的问题，延长了灯具寿命。进一步优化，采用三相全波整流可大幅减少谐波含量，提高光线质量。

c)直流配电可实现两芯线供电，便于智能化控制。不存在相序问题也不需无功补偿器件，减少投资。

鉴于此，许多国家致力于推广应用直流照明系统。本章综合国内外文献资料，在直流照明可靠性和LED灯具的驱动电路研究2个方面展开综述。

1.1 直流照明可靠性研究

目前，直流照明在市政设施、公路隧道、办公大楼等公共场所的应用相继出现，为了提高直流照明系统的可靠性并延长灯具使用寿命，学者们进行了相关研究。文献[13]考察了不同色温LED路灯的照明性能，模拟具有不同相关色温LED的光谱功率分布情况，并比较了它们的性能，最后提出色温低于3 000 K的LED更适合于路灯照明。为了真正实现在照明领域的应用，文献[14]考虑到LED驱动电源故障率高、维护难的问题，提出双电平直流供电技术，可实现大功率远距离输电，通过改变驱动电流占空比的方式控制LED发光效率和调光效果。

1.2 照明驱动电路研究

驱动电路在提高LED照明效率、降低功耗等方面发挥着重要作用，在直流照明驱动电路的研究中，国内外学者取得了众多研究成果。文献[15]基于交错并联技术和LLC谐振变换器，提出一种用于LED路灯驱动的单级交直流变换器，可实现系统软开关，降低开关管的电压应力和电流应力，具有低成本和高效率的特点。文献[16]将改进的无桥式PFC交流-直流变换器与半桥式直流-直流谐振变换器集成到单级转换电路拓扑中，提出一种新型的单级LED驱动器(如图1所示)，具备功率因数校正的功能，可应用于路灯照明系统。

图1 单级LED驱动电路[16]Fig.1 Single-stage LED driver[16]

为了解决LED照明灯具在市电照明应用中面临的高降压和多路驱动等问题，文献[17]提出一种高降压恒流LED驱动电源(拓扑结构如图2所示)，具有多路驱动的功能，并可降低开关器件的电压应力。文献[18]提出一种适用于路灯照明系统的LED两级驱动电路，前级使用常规的升压变换器，后级采用不对称半桥结构(如图3所示)，并根据街道照明应用的需求和特点进行优化，能够将传导损耗降至最低，此外构建了暂态模型，用于设计过程中减少开关损耗。文献[19]提出一种三级驱动电路，由升压变换器实现功率因数校正，由电子变压器作为第2级实现电流隔离，第3级采用双输入Buck变换器用于消除低频纹波，该驱动电路不需要电解电容，可提高可靠性。

图2 2路高降压恒流LED驱动电源[17]Fig.2 High step-down LED driver with dual-output[17]

图3 后级非对称半桥驱动电路[18]Fig.3 Second-stage asymmetrical half bridge driver[18]

2.1 低压直流照明系统的整流方案

目前有2种轨道交通全直流照明系统方案[20]：一种是直接将轨道交通主变电站提供的高压电降压至400 V，然后在变电所内使用模块化整流装置集中整流[21]，并将整流后的直流电引至普通照明配电室和应急照明配电室，在室内实现电能的控制和进一步分配；
另一种是分散式整流，在不改变变电所内设备结构的前提下，将交流电从变电所引入普通照明配电室及应急照明配电室，在各室内整流装置中实现集中整流、配电和控制[22]。

2.1.1 变电所集中整流方案

目前在轨道交通的变电所结构设计中，常常是在配电柜内集中所有照明负荷，其变电所架构如图4所示。为了提高设备的可靠性和可维护性，在整流装置中可以采用模块化设计，将交流电整流为直流电之后再分配至各配电室。

图4 变电所集中整流架构[20]Fig.4 Framework of centralized rectifier in substation[20]

根据户外照明的特点，文献[23]采用了低压直流集中供电方案，可有效满足智慧城市道路照明需求，不仅能提高用电安全性，还能提高用电效率。文献[24]在轨道交通的直流照明系统中也采用了集中式供电方案。根据当前的应用反馈[25]，轨道交通直流照明系统合理利用集中式供电方案，可以提高轨道交通照明系统的可靠性和管理效率，独立性强，不易受到外界干扰，因此，其安全性和稳定性表现较为突出。

在文献[26-27]采用的变电所集中整流方案中，整流装置需要放置在变电所内，便于变电站集中谐波治理。集中整流方案可以提高检修作业的独立性，提高轨道交通照明系统的可靠性和灵活性，但其缺陷是投资比分散式供电方式要大些；
因此，在客流量较大的轨道交通运输站内采用集中式供电方式较为合适，截止目前，上海、广州以及西安地铁[28]等少数城市采用集中整流方案。

上海轨道交通14号线中宁路站采用变电所集中整流方案[29]。为了充分利用土地资源、减轻城市电网的负担、方便车站的运营管理，以及后期的拓展维护，该方案在车站地下2层处设置了专用的变电所设备用房，将照明配电箱置于其中，为轨道交通站内的照明系统供电并进行谐波处理，可在提高供电可靠性的同时，避免车站在不同发展时期输电线路选择问题。除此之外，该车站根据照明亮度和均匀度来选取公共区使用的LED灯具，可极大地提升乘客的舒适度。

2.1.2 分散整流方案

分散整流又称配电室集中整流。与变电所集中整流不同的是，该整流方案是在配电室内通过整流装置将交流电整流成直流电，再重新分配至各灯具。

文献[30-31]采用配电室集中整流方案，集中配置分散在每盏灯具末端的AC-DC模块，统一整合在一套电气设备中，其结构如图5所示。该方案先将交流集中整流再输出直流到各个灯具，即通过集中整流、分布驱动的架构，为照明系统供电。

图5 轨道交通直流集中控制原理[30]Fig.5 Schematic diagram of DC centralized control of rail transit[30]

合肥轨道交通4号线中创新大道站为避免调整变电站设备结构[32]，照明配电方面采用分散式整流方案，在站厅和站台的左右两端分别安装2套直流配电箱。由变电站提供的交流电源经过上述直流配电箱的AC/DC模块输出直流电源，为站厅公共区域、站台公共区域、车站出入口的直流LED灯供电，同时直流智能控制系统可实现对直流LED灯具的按需控制，保证车站基本功能的正常运行和车站人员的生命安全。

太原地铁2号线车站的直流照明系统也采用了配电室集中整流方案[33]，通过在公共区照明系统设置2个直流集中供电箱，分别从2个总照明配电箱引电，交叉向公共区内的照明设备供电。直流智慧照明控制系统可对LED灯具进行智能化控制(例如智能调光、开关、数据采集、绝缘监察、过压过流短路等保护)、故障报警、防雷等，从而实现直流照明控制单元的照明开、关、调光等每个回路的就地控制功能。配电室集中整流解决方案不仅应用于城市轨道交通的直流照明系统，也应用于隧道轨道交通的照明系统[34]。

2.1.3 整流方案小结

集中整流方案和分散整流方案目前都有项目在试用，集中整流方案可以提高照明系统的可靠性和灵活性，具有较大优势，该种方式也必将成为未来直流照明系统主流的供电方案。在降低造价的问题上，各城市可以根据现存变电站的位置规划轨道交通站，或者将变电所建在轨道交通站的地下位置，在不影响轨道交通站正常运行的同时也便于后期管理维护，尽可能提升整个系统的经济性。分散整流方案可以作为一种过渡方案，随着试用项目所得经验的积累和相关技术标准的完善，过渡到变电所集中整流方案。

2.2 低压直流系统与照明系统的接口类型

低压直流系统与城市轨道交通照明系统的接口主要包括其与供电系统、配电系统、弱电系统、接地系统以及施工安装工程的接口，如图6所示。以下对这几种类型的主要接口进行分析和梳理[35]。

图6 轨道交通直流照明系统接口示意图Fig.6 Schematic diagram of rail transit DC lighting system interface

2.2.1 与供电系统的接口

低压直流供电系统直流母线的电压经配电变换器完成变换后，达到适用于轨道交通直流照明系统需要的电压等级，而后通过接口与其连接在一起，为其提供优质的电能[36]；
因此，此接口不仅要保障供电方提供的电能满足用电可靠性、经济性、安全性的要求[37]，而且使得用电方能够合理地调配电能，延长设备的使用寿命。

2.2.2 与配电系统的接口

按照功能及重要性的不同，可将轨道交通低压直流照明系统的照明负荷划分为3级[38]，与配电系统衔接：一级负荷包括节电照明、公共区照明、疏散指示照明以及发生事故时紧急照明等，一级负荷重要等级非常高，应配备备用电源保证供电的连续性；
二级负荷包括设备区一般照明以及各类指示牌照明，其对供电指标具有较高要求[39]；
三级负荷包括广告照明等，可根据需求将其关断。配电接口的功能是为照明系统各等级负荷及相应的配套设施提供电能，保障各工作区按要求工作。

2.2.3 与弱电系统的接口

轨道交通低压直流照明系统与弱电系统的接口，主要包括与监控设备以及通信系统的接口。面临突发灾害时，控制室能合理调配各照明设备诸如应急安全指示灯及后备电源等，及时有效地疏散乘客，提高城市轨道交通系统的安全性[40]。通信系统可通过信号的反馈控制相应的照明系统，尤其是未来将要推广应用的5G技术将更加迅速准确地传递信号[41]，照明区域一旦接受到相关信号，会立即控制该区域的照明系统的LED灯，大幅提高旅客出行的舒适性。通过车站照明系统与综合监控系统以及通信系统的结合，不但可以大幅降低系统造价，增加系统维护的便捷性，同时也有利于控制和管理整个车站。

2.2.4 与接地系统的接口

接地系统接口的主要功能是为直流供电系统及照明系统的各种设备提供接地点，从而保证各系统设备运行安全，并且保证极端情况下的人身安全[42-43]。根据系统的供电连续性与对人体安全的要求来选取接地形式，重点考虑人身安全。在保障接地系统安全可靠的情况下可兼顾经济性，逐步优化系统的建造。

2.2.5 与施工安装工程的接口

施工安装接口基本涵盖轨道交通各直流照明系统的全部范围，同时要兼顾诸如与自动扶梯、电梯等设备的接口。只要有照明系统设备的地方，都应预先设置好与直流母线配电的接口。接口的位置即照明设备安装布放的位置，不仅要充分考虑到后期维护的便捷性，还应在此基础上做美观处理，并注意接口位置的隐蔽性，提升旅客及工作人员的舒适度[44]。

3.1 LED灯具

轨道交通的照明系统多采用直流电源，通过DC/DC降压转换电路后连接照明灯具，可以有效简化电路，减少灯具损耗，提高电能质量和用电安全，与LED灯具有较高的契合度[45]。LED灯具在轨道交通照明中的应用日趋广泛，据不完全统计，近年来轨道交通的照明系统中约80%的光源为LED光源，在公共区的使用率达到了100%，在设备区大部分使用LED光源，在广告和导向方面的照明也基本使用LED光源。

城市轨道交通的照明产品多选用以白光LED为光源的成套LED综合节能照明装置，其具有节能高效、防潮湿、耐腐蚀等优点，能够长期稳定工作，方便安装和更换[46]。南宁市轨道交通1号线[47]、广州市轨道交通21号线[48]和上海地铁12号线[49]等交通站点的公共区均大面积采用LED光源，通过使用配套的控制系统充分发挥LED在照明方面的优势，在提高乘客舒适度的前提下大幅降低能源的消耗。

3.2 直流断路器

直流断路器作为直流电网中有选择性隔离直流侧故障的关键设备，已经成为研究热点[50-51]。目前已经提出的直流断路器主要分为3种类型，分别是机械式直流断路器、固态直流断路器和混合式直流断路器[52]。

常规的机械式直流断路器损耗低，但响应时间相对较慢且电流分断能力较差[53]。文献[54]提出一种改进的机械式直流断路器(如图7所示)，其可以在使用低额定功率机械开关的同时，中断较高的直流电压/电流，使其保持较低的成本且电压变化率始终保持在较低的水平。该改进方法也可以应用于混合式直流断路器中。

图7 机械式直流断路器[54]Fig.7 Mechanical DC circuit breaker[54]

固态直流断路器用静态半导体开关替换机械开关，具有较低的导通损耗，可用于电压更高的场所中。文献[55]研究出一种全固态直流断路器，开关元件选用了绝缘栅双极晶体管(insulate-gate bipolar transistor，IGBT)，可以快速分断故障，但仍存在成本过高的缺点。

混合直流断路器是将机械断路器与固态断路器结合的新型断路器[56-57]，稳态过程主要依靠机械开关，动态过程主要依靠静态半导体开关[58]。文献[59]针对电感故障电流，提出一种使用双灭磁器和消弧电路的混合式直流断路器(如图8所示)，能够有效减少直流断路器在感性负载下的跳闸时间和电弧电压。

图8 混合式直流断路器[59]Fig.8 Hybrid extinguishing DC circuit breaker[59]

对于轨道交通的低压直流照明系统，在断路器选型方面应切实考虑系统的接地形式、额定电压等级、负载电流和安装处的预期短路电流，同时需根据正负极性接线，以保证供电可靠性。此外，目前应用于轨道交通中直流断路器的研究主要存在的问题是缺少实际应用样本量，受限于参数估计方法和故障统计数据分类。为了解决上述问题，可进行如下改进：将同型号低压直流断路器和相似项目的失效数据进行整合，同时增大时间跨度来提高样本量；
将多种参数估计方法进行对比以提高参数估计的准确性；
将失效模型应用于数据分类，改进设计阶段的元器件失效率预测结果、失效模式影响及危害度分析，提高设计的可靠性。

3.3 剩余电流保护装置

在城市轨道交通低压配电系统的插座回路、室外照明、室内照明、广告照明，以及潮湿环境的配电回路中，均需要采用剩余电流动作保护装置[60]，其可以预防各类电气事故的发生，及时切断电路，保障人员和设备的安全[61]。剩余电流保护装置的原理如图9所示。

图9 剩余电流保护装置的原理[61]Fig.9 Principle chart of residual current protection device[61]

根据剩余电流保护装置的工作原理可以分为电压动作型和电流动作型，其中电压动作型存在着许多不足，因此主要使用的是电流动作型。在电流动作型基础上，又相继研究出了脉冲动作型、鉴幅鉴相动作型和电流分离型等[62]。

常规的电流动作型剩余电流保护装置只能进行局部检测，存在保护死区，在实际应用中容易出现拒动、误动等现象。脉冲动作型剩余电流保护装置是利用触电电流或漏电故障电流为突变信号这一特征设计制作的，存在2个动作区，可以有效缩短动作死区，但不能从根本上消除装置的动作死区[62]。

在脉冲动作型剩余电流保护装置的基础上，采用鉴相技术提出了一种可区分电流幅值和相位的剩余电流保护装置[63-64]。虽然其运行特性仍不理想，但对比脉冲动作型剩余电流保护装置，其能够进一步减少动作死区。

对于电流分离型剩余电流保护装置，文献[65]提出了一种结合小波变换、李雅普诺夫指数和混沌理论的方法，通过对总剩余电流信息进行消噪和滤波，分离出触电信号，进而控制系统的保护装置。该方法可以有效提升系统的安全性，解决误动作和正确投运率低的问题。

当前阶段剩余电流保护装置的保护特性均不理想，根本原因是触电信号的检测和处理存在缺陷，从而制约触电保护动作。随着单片机技术在电气装置领域的广泛应用，电气设备的发展方向趋向于数字化和智能化，而智能化剩余电流保护装置成为目前的研究热点。单片机控制可以有效简化电路结构，提高信号检测的精度，提升抗干扰性能，若将其与剩余电流保护装置的分离机理相结合，可以有效实现剩余电流保护装置的延时动作、自动重合闸、漏电流的存储和数字显示、保护器间通信等功能的智能化，有效解决剩余电流保护装置的死区问题。

4.1 完善轨道交通直流照明系统相关标准体系

我国轨道交通直流照明系统的标准化工作，正随着城市轨道交通技术的进步和建设的快速发展稳步推进，可以将其分为照明配电箱标准化、控制系统标准化、照明灯具标准化。对配电箱体进行标准化，可以有效减少城市轨道交通照明系统的设计、产品制造及后期运营维护的工作量。此外，为了实现控制系统的标准化，可将照明控制系统的各个控制模块统一安装到照明控制箱中，实现照明系统控制目的同时，有效简化系统结构，减少系统接口。实现照明灯具的标准化应从其设计到生产制造的各个过程入手，目前IEC、美国和日本都已制定了LED相关标准。我国虽也制定了一些相关标准，但存在标准和规范的内容重复或矛盾的问题，需进行进一步修订。将标准化落实到实际中可以有效缩短设计周期，降低产品的生产制造成本，降低后期运营维护与管理的成本。

4.2 建立可信度高的轨道交通直流照明系统故障诊断模型

随着我国“双碳”目标的提出，各行各业均向着低碳方向转型。轨道交通直流照明系统作为新型的照明方式，可以有效降低碳排放量，符合国家的发展战略，也越来越多地影响着乘客的舒适度及车辆的安全行驶。建立可信度高的轨道交通直流照明系统故障诊断模型，一方面能够精准诊断照明系统中发生的故障，另一方面还可以预测将要发生的故障，配合检修人员及时发现并消除隐患，对于轨道交通行业的发展大有裨益。目前尚无研究构建应用于轨道交通直流照明系统的故障诊断模型，建立可信度高的故障诊断模型，有利于降低轨道交通站的事故概率和人工成本。

4.3 轨道交通直流照明系统健康状态评估

对照明系统中各设备(尤其是供电系统中变压器以及照明系统中整流设备)的健康状态进行评估，可以有效降低照明故障发生的概率。此外，处于正常运营情况下的轨道交通站，不可避免会有突发事故的发生，而有效的直流照明系统健康评估方法可以通过科学的方法统筹站内各种资源，既提高轨道交通站的运营安全性，又最小化突发事故造成的影响，最大程度上保障市民的人身安全。目前尚无研究建立针对于轨道交通直流照明系统的健康状态评估体系，因此需对此深入研究，有助于轨道交通系统的健康发展。

城市轨道交通的发展日新月异，对于轨道交通低压直流照明系统的设计考量也在不断完善，不但要简单、可靠，便于运营维护，而且要适应技术发展的需要。本文从直流照明系统的运行可靠性、照明驱动电路、整流方案、接口类型，以及保护设备等多方面对轨道交通低压直流照明系统进行了阐述。在实际工程应用中，轨道交通低压直流照明系统需结合实际情况灵活设计，不断引入新技术、新材料，并在发现问题时不断反馈调整，积累经验，保证照明技术更好地发展。