城市轨道交通照明无极灯启动过程研究

　　近年来，随着我国经济的高速发展和城镇化进程的不断加快，中大城市的人口规模急剧膨胀，城市的交通供需矛盾日趋突出。由于城市轨道交通特别是地铁具有运量大、速度快、安全、节约用地等优点，日益受到越来越多城市规划者的青睐。截至2013年3月，我国已有35个城市在着手进行轨道交通的规划和建设，我国地铁进入一个快速的发展阶段，预计国家投资将达到1.5万亿，大量的城市轨道交通运输系统逐渐成为消耗电能的大户。地铁运营的能耗主要集中在牵引机车、内部照明、空调系统3个方面。目前牵引机车、空调系统的各项技术已经成熟，相关新技术无法在已完工的地铁中大规模应用，节能潜力不大。由于地铁环境中无法应用自然光，车厢、站台、通道内必须使用人工光源进行24h照明，内部照明系统的能耗甚至要高于空调系统。因此，地铁系统中能进一步挖掘节能潜力的就是内部照明[1]。

　　高效光源是照明节能的首要因素，根据城市轨道照明的需要，地铁照明光源应具有长寿命、低能耗、可靠性高、显色性好和无频闪等特点。参照GB50034-2004 《建筑照明设计标准》，大力推广绿色照明，倡导节约能源，提高照明能效。照明产品选择高效、节能、寿命长的灯具，如LED灯具、无极灯等[2]。因此，节能环保的绿色照明光源如无极灯和LED 灯将成为城市轨道照明的热门光源。与LED相比, 无极灯具有散热容易、单体功率大、无频闪等优点，而且其电磁干扰问题也可以通过提高高频发生器的工作稳定性、给发生器增加金属屏蔽外壳以及给泡壳增加导电金属膜来有效降低[3]。采用电感耦合方式的无极灯与电容耦合的介质阻挡放电[4]不同，前者是正常工作时为感性放电，而后者为容性放电。感性放电无极灯节能效果取决于其光效的高低，光效越高，节能效果越好。光效的高低与无极灯的启动、稳定性[5] 和放电参数[6]等因素有关。尤其是无极灯的启动过程决定着无极灯能否点亮的问题，是无极灯能否顺利广泛应用和提高光效的前提，因此对其进行深入研究具有重要的意义。本文采用高速摄像机和示波器等设备研究无极灯的启动过程，并对该过程的一些结果进行了讨论。

　　1　实验装置

　　为研究无极灯的启动过程，采用一种类似QL85型的无极灯进行实验，实验装置原理如图1所示。工频市电经高频电子镇流器产生2.65MHz的高频电流，当该高频电流流经耦合器线圈时，在耦合器周围产生变化的电磁场，将电能传入无极灯泡体内，加速灯体内部放电空间的电子，当电子能量足够高时与泡体内的低压Ar气分子发生碰撞，使灯泡内的气体雪崩电离，形成等离子体。等离子激发跃迁辐射出的紫外光子激发灯泡壳内壁的荧光粉产生可见光。泡体内启动过程的放电区域的大小和发光的强弱根据拍摄到的放电图片来确定。放电图片由美国VRI公司生产的Phantom V12摄像机进行拍摄，该相机全幅分辨率为1280×1280 pixels，最短曝光时间1μs，对于300～800nm波段的光的平均相应度为0.26A/W，无极灯距相机3米。TektronixTCPA300 电流探头(采用10A/V量程)、Tektronix P6015A 高压探头和Tektronix TPS 2014(100MHz,1Gs/s) 四通道示波器测量电子镇流器输出端的电压、电流和功率等放电参数。此外，在泡体径向距泡体表面30厘米处放置一光敏电阻将其变化用同轴电缆连接于示波器端口以记录光强度信号的变化(图中未示出)。

　　图1实验装置原理图

2 结果与讨论

　　2.1 启动过程的发光照片

　　在环境温度为8℃的情况下，将Phantom V12高速摄像设置成连续拍摄模式，拍摄间隔为14μs，在点灯前先打开摄像机，点灯后，摄像机自动捕捉不同点亮时刻的发光图像。通过高速摄像机拍摄到不同时间的无极灯发光图像，经origin8.0软件将图像转化成彩色填充等高线图，处理后的图像如图2所示。

　　图2 启动过程中不同时间的发光图像

　　从图2(a)可以看出，无极灯没点亮时未有任何的发光，因此发光图像没有一点光强。随着输入泡体内的能量的增加，耦合器线圈上下两端的电压差增加到足以击穿泡体内的工作气体Ar气而发生彭宁电离使Ar气击穿放电，在14μs时形成电容耦合的E型放电，这从图2(b)中由多个发光点组成的断续光环可以看出，此时气体放电是由耦合器线圈轴向的电压差引起的场强造成的，而耦合器径向方向电场没有或很弱无法引起径向的气体击穿放电，于是此时只有沿耦合器方向的放电等离子激发荧光粉发出的沿着耦合器轴向的光，因此在发光图像上得到的光仅为断续的环形光点。随着放电时间的增加，耦合器线圈轴向的电场强度因离子通道导通而逐渐减弱，而耦合器线圈产生的磁场感应的电场逐渐增强，当该感应电场强度超过气体的击穿场强时，使得环绕耦合器线圈的泡体内的放电外的工作气体Ar气逐渐被击穿，从而形成环形的以电感耦合为主导的H型放电，但放电区域外部的某些区域仍未发生放电，形成的发光区域是类似齿轮的形状，这从放电28μs的图2(c)中可很容易地看出。随着放电时间的增加，无极灯泡体内的发光区域逐渐扩大，在56μs时径向的环形放电区域基本上连成一个完整的环形。在396μs时径向的放电区域基本上充满泡体径向的整个环形区域，在596μs放电时刻放电发光进一步扩到增强。比较图2中的过程发现，在无极灯启动阶段，气体放电是发生从未击穿到E型放电，再到H环形放电的放电的模式转变[7]。

　　2.2 电压对启动过程的电压电流波形及光强度信号的影响

　　为了分析放电启动过程光电参数的变化，采用高压探头、电流探头和数字示波器测量了放电启动阶段的电压、电流波形以及光强度信号，测量结果如图3所示。

　　图3 放电电压、电流和光强度信号随工作电压的变化

　　(ch1: 光强度信号l; ch2: 放电电压; ch3: 放电电流)

　　从图3(a)-(d)可以看出，通电后，无极灯迅速从未放电过渡到放电发光状态。在图3(a)工作电压为120V时，放电电压峰值约300V，电流峰值约为15A，由光敏电阻测量到的光强度信号约为170mV;在图3(b)工作电压为160V时，放电电压峰值约350V，电流峰值约为18A，光强度信号约为195mV;在图3(c)工作电压为200V时，放电电压峰值约400V，电流峰值约为19A，光强度信号约为200mV;而在图3(d)工作电压为220V时，放电电压峰值约350V，电流峰值约为19A，光强度信号约为175mV。这说明，随着工作电压的增加，放电电压峰值先增加后减少，放电电流峰值增加到稳定状态，而光强度信号也是先增后减。这是因为在放电趋于稳定之前，随高频发生器输入端工作电压的增加，高频发生器输出端的放电电压和电流增加，输入到泡体内气体放电等离子体获得的能量增加，由此产生的高能粒子密度和能量增加，使得等离子体激发荧光粉发出光的强度增加，光敏电阻感受到的光亮增加，因而光强度信号增加;当放电到达某一工作电压时，随高频发生器输入端工作电压的增加，泡体内等离子体的负阻抗增加，使得高频发生器输出端的放电电压减少而电流基本维持不变，同时整体输入到泡体内气体放电等离子体的能量减弱，因此使得等离子体激发荧光粉发出光的强度略有下降。

　　3 结论

　　光源的节能效果主要取决于其光效，而无极灯的光效受启动过程、放电参数、工作气体、环境条件等因素的影响。因此对无极灯而言，启动过程是非常重要的。无极灯的启动过程的变化可从多个参数来分析，此处首次采用高速摄像机研究了了放电启动过程初期的E-H模式转变，同时也通过放电波形分析无极灯在不同工作电压下的放电波形和光强度信号的变化情况，其中，在研究的范围内，电压峰值和光强度信号随工作电压增加先增加后减少，而放电电流是逐渐增加至稳定状态。

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