直流集中供电技术在地铁车辆段照明中的实践研究

引言：伴随地铁线网规模的持续扩大，作为核心运维基地的车辆段，其照明系统的能耗占比逐渐突出。传统交流供电模式存在对电压波动敏感、线路损耗较高、多级转换效率偏低等问题。直流集中供电技术凭借电压适应性广、配电结构简洁、天然适配新能源与储能设备等优势，成为照明系统升级的重要方向。

一、直流集中供电技术在地铁车辆段照明中的深化设计参数

根据直流集中供电系统的核心设计参数，直流集中供电技术在地铁车辆段照明中的实践需严格依照轨道交通照明负荷特性及安全规范展开，其中深化设计中380VDC 母线电压的选择，参照基于IEC TS 63222 标准对大功率直流配电的指导，该电压等级在传输损耗与经济性之间达成最优平衡：同等功率下，相比 220VAC 系统电流降低 43% ，可使用截面积减少 35% 的YJV-0.6/1kV 电缆（由原来的 150mm² 降至 95mm². ），单米线缆成本节约 18元。整流柜采用 2×200kW 模块化并联架构，基于第三代半导体SiC MOSFET技术实现 97.5% 的转换效率（EN 50530 测试条件下），较传统IGBT 整流提升 6.2 个百分点[1]。 _N+1 冗余配置确保单模块出现故障时，系统仍能承载100% 的设计负荷，且通过均流控制技术，将并联模块电流不均衡度控制在1% 以内。照明分区按功能差异配置：检修库部署380V 直驱LED 工矿灯，单灯功率 180W ，光效 >150lm/W ，配备 120^∘ 蝙蝠翼配光透镜，满足 15m 高空间照度均匀度 0.7 以上；停车列检库采用 IP66 防护等级灯具，抗震动性能达到 IEC 61373 Category 1 Class B 标准；办公区选用 DC48V 平板灯，色温 4000K±5% ，显色指数 Ra>90 。系统设计容量预留 20% 裕度，支持未来接入光伏直并系统，实测动态响应时间 <100ms ，电压调整率优于 ±1.5% 。

二、电压分层适配

电压分层适配技术借助拓扑优化，能够同时提升系统的安全性与能源效率。高空间作业区采用380V 直流直驱方案，省去AC-DC 驱动电源环节：LED 模组采用 108 串 3.5V 芯片直接串联（ Vf=378V. ），匹配母线电压 ±10% 的浮动范围。该设计消除了传统驱动电源约 12% 的转换损耗，使系统效率提升至 96.8% ，同时避开电解电容失效导致的 30000 小时寿命瓶颈。直驱方案配合主动式恒流控制IC（如TI LM3464），在320-420V 输入范围内，维持输出电流波动 <±1.5% ，确保光通量稳定。办公区等人员密集场所则通过非隔离Buck 变换器降压至48V SELV 安全电压：采用多相交错并联架构（4 相），基于 GaN HEMT 器件实现 98.2% 的转换效率，输出纹波 < 50mVp^[2]. 。关键保护设计包括：1 输入欠压锁定（UVLO）阈值设定为300V，防止电压跌落造成照明中断；2 输出短路保护响应时间 <10μs ；3 热插拔控制避免电弧风险。实测显示，该方案使低压区域布线成本降低 40% （允许使用 0.75mm² 线缆），触电风险降至AC 系统的1/20，同时维持系统整体效率 >94%^[3 ]。

三、智能调光策略

智能调光系统凭借多传感器融合与边缘计算，实现了精准的能耗控制。核心控制单元采用ARM Cortex-M7 处理器，运行实时操作系统（RTOS），处理来自毫米波雷达（ 60GHz⋅ ）、PIR 红外传感器及照度计（0-2000lx 量程）的多维数据。检修库实施分级调光策略：当毫米波雷达检测到 5m 范围内有人体移动（精度 ±0.3m. ），立即切换至 100% 全功率模式（ ∇⋅00lx ）；无动作信号持续10 分钟后，降至 30% 值守亮度（ ），此模式较常亮方案节能68% 。停车列检库采用列车关联控制：通过 LoRaWAN 接收车辆段调度系统的列车在位信号，有车时维持 70% 亮度（ 300lxi ），无车时切换至 10% 基础照明（43lx），结合照度传感器实现晨昏补偿。调光执行采用高精度PWM控制（16 位分辨率），频闪指数 <0.1% （符合IEEE 1789 标准），响应时间<100ms^[4] 。能源管理平台实施负荷整形算法：基于历史数据训练LSTM 神经网络预测各区域人流量，在电价峰值时段自动下调非关键区域亮度 15% ，实测峰值负荷削减 18.7% 。系统支持10 万节点接入，端到端延迟 <50ms ，试运行期间年调节次数达260 万次且无故障。

四、安全参数的审核

直流系统的安全审核，需要针对性地应对电弧故障与绝缘失效风险。电弧故障检测（AFCI）采用时频域联合分析算法：通过 0.1mΩ 分流电阻采样电流波形，经2048 点FFT 提取 2⋅100kHz 高频分量，当特定频段能量突变超过基线值 15dB 且持续 >2ms 时，判定为串联电弧；并联电弧则通过di/dt 斜率监测（阈值 >5A/μs ）结合电压跌落特征（ >10%ΔU/ms ）识别。AFCI 模块采用FPGA 实现硬件加速，动作时间 <3ms ，较交流系统提速10倍。双重绝缘监测系统向正负母线分别注入 12.5Hz 方波信号（幅值 <5V ），通过测量对地阻抗实现实时监测：当正极绝缘阻值 <50kΩ 或负极 <40kΩ （符合 IEC 62103 Class B）时，在 0.5s 内触发报警并定位故障分区。防极性反接保护采用N 沟道MOSFET 背靠背拓扑，集成电荷泵驱动电路，在检测到反向电压时以 <100ns 速度关断通路，耐受 10kA/20μs 浪涌电流。三级电涌防护设计：1）母线入口处40kA 气体放电管；2）压敏电阻阵列（385V钳位电压）；3）TVS 二极管吸收残余能量。系统通过EN 50155 轨道交通电磁兼容认证，辐射骚扰较标准限值低6dB。

结束语

直流集中供电技术在该地铁车辆段照明中的系统性实践应用，证实了其具有革命性价值：通过构建380V 直流母线架构，集成SiC 高频整流（效率 597.5% ）、电压分层直驱（高区380V 直驱省去 12% 驱动损耗，低区GaN降压至 48V SELV 安全电压）及多模态智能调光（毫米波雷达联动 16 位PWM 控制），成功实现系统综合能效 96.8% ，较传统 AC 供电节能 30% 以上，电缆截面需求缩减 35% 。关键安全防护设计包括μs 级AFCI 电弧故障检测（动作时间 <3ms. ）、双母线绝缘监测（阈值 50kΩ ）及纳秒级防反接保护（ <100ns) ），满足直流集中供电技术在地铁车辆段照明中的实践需要。

参考文献：

[1]刘颖. 低压直流配电设备在地铁照明系统中的应用[J]. 灯与照明,2025, 49 (1): 23-26.

[2]靳雨航. 地铁智能照明系统能耗分析及节能优化策略[J]. 光源与照明, 2025, (1): 22-24.

[3]曹阳. 地铁供电系统中杂散电流对照明电源的影响及应对措施[J].光源与照明, 2024, (12): 150-152.

[4]李家旭, 李小亚, 刘海浪, 詹浩杰, 韦晶. 地铁直流智能照明系统的调光应用分析[J]. 照明工程学报, 2022, 33 (2): 76-83.