铁路信号继电器接点问题探析

铁路信号继电器接点问题探析

谢艳红

中国神华能源股份有限公司神朔铁路分公司陕西神木719316

摘要：在自动控制系统运行过程中继电器是一种比较常见的电器元件，继电器主要的作用就是接通和断开电路，同时还能发布来自控制系统的控制命令，并将设备的具体运行状态进行反馈，在此基础上实现电路的远程控制以及自动控制。而铁路信号继电器主要是将铁路的电信号从一个导体向另一个导体进行传输，这样在两个不同的导体之间就会产生电接触，而整个电信号的传导过程是在继电器的作用下完成的，而导体之间的接点就是用来完成电信号传导的接通和分断的，因此继电器的接点性能的好坏直接对铁路电信号传导的稳定、精确有重要的影响。

关键词：铁路；信号继电器；接点

引言

在铁路运行过程中涉及到的所有的信号设备中继电器是非常重要的一种信号器材之一，继电器在铁路中有非常广泛的应用。继电器在运行过程中具有可靠、安全等一些特性，这些特征也保证了铁路的远程控制以及自动控制相关的信号传输设备能够实现正常的运行。随着我国经济的不断发展，铁路运输事业的发展非常迅速，而铁路列车的速度也有了较大的提升，这就要求铁路继电器必须要具备对环境较强的适应性，同时其性能也要达到铁路运行的要求，而继电器的安全性能也是铁路实现顺利运行的必要条件之一。在继电器运行的过程中，接点是一个非常重要的部件，接点性能的优劣能够直接对铁路信号系统安全、稳定运行造成严重的影响。通过对继电器在铁路多年的运行情况来看，继电器的接点电阻以及接点粘连等几个方面是故障出现频率比较高的地方，为了不断提升铁路信号系统运行的可靠性、安全性，同时也能满足铁路快速发展的实际需求，针对铁路继电器的接点进行深入的研究时非常有必要的。

1国产铁路信号继电器接点的应用现状

针对铁路继电器的接点在UIC标准中有这样的要求“非熔接性的动合接点，采用适当的接点材料”。根据要求继电器的前接点材料应该采用非熔接性材料。在上世纪的流失年代，我国自行研发出了一种AX型继电器，在进行AX型继电器设计的时候，研发人员将其前接点的材料设计为银碳（石墨含量为20%）－银。在上世纪的七十年代又将继电器的前接点材料更改为银－银氧化镉（Cd的含量为20%）。银氧化镉是采用金属陶制法制成的银铬合金，这种合金的组成成分中银的含量占到了85%-88%，银在其中起到了导电的作用，氧化镉在合金中占到了12%-15%，氧化镉的主要起到的作用是导热。以银氧化镉为主要材料的前接点不仅导热、导电性能表现良好，而且其接触电阻相对较低，且电阻值比较稳定，在电路中导通中等电流的情况下，其熔焊倾向以及电侵蚀非常小。银氧化镉前接点之所有有这样的性能，是因为氧化镉相较于其他的金属氧化物其分解温度较低，如果在高温的电弧作用下，氧化镉会自行分解成铬蒸汽和氧蒸汽，而在高温的环境下，铬蒸汽的体积变化非常发，甚至能膨胀一万倍以上，膨胀的铬蒸汽能过能够吸收电弧并将电离作用消除，因此其在实际的使用过程中具有非常好的抗融性。银氧化铬材料作为铁路继电器的接点材料在进行电路的接通和断开时具有良好的导电性能，因此其在很多接触应用领域中银氧化铬材料都得到了非常广泛的应用，而在电路中电流为5-50A范围内的电路中应用更多[1]。到目前为止，在接触领域的触头材料使用中银氧化镉的应用仍然非常普遍。

2国产信号继电器接点应用过程中存在的问题及原因分析

在铁路信号继电器的生产制造领域，主要有西安铁路信号有限责任公司以及沈阳铁路信号有限责任公司两家生产厂商。而针对铁力继电器基点的材料两家公司使用的都是银氧化镉材料。银氧化镉材料铁路继电器接点在实际的应用过程中经常会出现接点发黑、接触电阻较大、接点粘连等一些现象，这对继电器接点的性能造成了一定的影响。

2.1继电器接点发黑

（1）铁路继电器在长期的使用过程中，银接点会逐渐变成黑色。其主要的原因是因为银接点材料长期暴露在大气中，会与大气中的硫化物发生化学反应从而生成了硫化银，使得银接点的颜色变黑。

（2）在铁路继电器进行负载的开关操作时会产生一定的电弧，电弧在放电的过程中与空气中的有机物发生反应，生成了碳、碳银化合物，同时，接点也会产生一些飞散的粉末，从而造成了银接点颜色变黑。

2.2继电器接点接触电阻增大

继电器在运行的过程中，其接点接触电阻的大小会对整个电路的通断情况造成严重的影响。而继电器接点的接触电阻主要有导体电阻、集中电阻以及边界电阻等三部分组成。其中导体电阻是通过接点的端子、导体的导电率、接点的长度以及接点的实际截面面积等相关数据来求得的；而集中电阻是通过接点的材质、接点的曲率半径、接点接触是的接触力等参数进行接触部位实际的接触面积的计算，而接触部位的接触面积非常小，当电流通过接触部位的时候，电流就会集中到这个微笑的面积上，电流束就会出现扭曲从而会产生额外的电阻；边界电阻主要是因为接点的表面会产生硫化银以及部分积碳从而产生了额外的电阻。而在上述的集中电阻中集中电阻以及边界电阻是造成铁路继电器接点接触电阻增加的主要原因。

2.2.1集中电阻

继电器作为一种开关型负载，在节点的触头分离、接触的过程中电路的接通和断开都会引发电弧的产生，在电弧的作用下接点触头的材料会出现通话或者气化的现象，在电弧严重的情况下触头的材料甚至会透过触头的空隙喷溅出来。另外，在电弧放电的过程中接点的材料会在放电作用下产生转移。接点表面的部分材料会向相对接点处进行移动，而移动的方向完全由负载产生电压、电流、接点的材料等相关的因素来决定，由于这种情况的出现是的接点中的一方通过材料的转移形成了凸起，而另一方就会相应的产生一个缺口。此外，接点在电弧放电的过程中空气中的一些可燃物质会产生氧化燃烧作用，形成了积碳，积碳会在接点的表面进行附着，附着严重的情况下会导致接点不同的情况出现。

2.2.2边界电阻

经过对铁路继电器实际使用现场的调查分析后发现，接点保持一定的清洁型对继电器的安全、稳定运行有非常重要的作用，如果在铁路继电器的运行过程中，接点处出现了大量的附着物导致不导通物质的累积，并在长期的使用过程中形成了一层保护性的膜，这样就很容易导致继电器在使用过程中出现接点接触不良的情况出现。银材质的接点在实际的使用过程中非常容易发生氧化以及硫化反应，形成氧化物以及硫化物，这些氧化物或者硫化物会对接点的导通性能产生一定的影响，尤其时硫化物，其形成的保护博对接点的接触性能影响非常大，而银的氧化物形成的保护博一般对接点的接触性不会产生较大的影响，。当铁路继电器在运行的过程中，电流会在通过接点的时候在接点的表面产生焦耳热，而在接点的两个触头在进行解除或者在分离的过程中由于会产生电弧，形成放电作用，因此会产生较高的温度，如果接点的表面不能保持良好的清洁性，附着了一定的杂质，那么这部分杂质以及空气中的一些气体物质就会在电弧放电的产生的高温环境下产生焦化作用，从而在接点的表面形成了一层碳化的保护膜。碳化的保护膜对不是一种完全的绝缘体，但是其实际的电阻值最大能够达到几十甚至几百欧姆。

2.3铁路继电器接点黏连

铁路继电器在运行过程中出现的节点粘连现象主要是指接点出现了动熔焊。去主要的表现就是继电器在正常工作的过程中两个接点之间出现了不能断开的现象，电流在通过接点的时候，接点就会出现一个时间非常短暂的反跳现象，当接点在执行闭合电路的操作时，接点的反跳会导致两个接点之间出现放电从而导致两个接点出现了熔接的现象。

当铁路继电器的电源中存在平滑的电容时，银氧化镉在进行电容负载的控制时非常容易出现粘连的现象。但是当电路中得负载为阻性负载的时候，如果电流处在额定电流且电流符合相关的技术标准要求情况下，接点在控制电路的情况下就不会出现接点你粘连的现象。另外，银氧化镉出现粘连的情况还与通过继电器接点的电流极性有非常机密的关系，比如，当银-银氧化镉接点继电器中银接点连接的是电流的正极，而银氧化镉连接的是电流的负极时，接点之间就非常容易出现粘连的现象。接点出现粘连现象比较频繁的是接点在进行电路闭合的过程中，这主要是因为接点在进行电路闭合的过程中会有较大的电流通过接点，因此产生的瞬时电流量非常大，该瞬时电流可能达到85A以上。因此，在接点闭合电路的瞬间产生的能量非常大，接点在闭合的过程中，接点之间的间隙会逐渐缩小，当接点的间隙缩小到下雨10-5cm时，该间隙的距离就小于了自由电子的形成，因此其产生的电场强度也非常大，瞬时的电厂强度能够达到106V/cm，这时候接点之间就会产生电离作用，从而导致电弧的产生，而自由电子在这时候就能很容易的通过间隙并对阳极产生一个较大的冲击，接点表面的金属就会从阳极向阴极进行转移。如果将两个接点的银接点接“正极”而银氧化镉接点接“负极”时进行闭合的时候，那么阳极基点上的正银离子就会在冲击作用下向阴极进行转移，此外，在电弧放电的作用下，银氧化镉接点会产生高温并将氧化镉汽化，产生喷溅，这样银氧化镉接点表面的银就会不断的增多，在铁路继电器的正常工作状态下，接点不断的开闭操作会导致接点表面的金属转移逐渐增多，在银氧化镉接点表面就会堆集大量的银。与此同时，两个接点之间存在的高能量会导致大量热量的产生，从而使的两个接点表面的银出现融化，这就导致了接点的熔焊。而在这个过程中接点的阴阳极也出现了严重的侵蚀情况，但是阴极的侵蚀情况相对较轻[2]。

铁路继电器接点粘连现象对继电器的正常工作造成了一定的影响，因此，为了避免接点粘连现象的出现，针对一些控制电路中存在线圈并联电容的情况，可以采取在电路中使用一个不小于1欧姆的电阻以及二极管进行并联使用。其中电阻能够在接点闭合的过程中充分的降低充电电流值，而二极管跟电阻并立案后就共同构成了一个续流电路，这样就可以避免电路在操作控制的过程中出现电压以及电流的突然变化，充分的保证电路在接通和关断的过程中能够保证电流的平滑。如果继电器是在直流电路中使用时，在进行接点的连接是必要注意电流的方向，为了保证接点在电路通断过程中不会出现粘连的现象，就要保证接点的银接点要连接电流的“负极”，而银氧化镉接点就要连接电流的“正极”，这样不仅可以有效的提升节点的耐融性，还可以减低电路对接点的侵蚀作用。

3新节点材料的研发与发展前景

目前在我国的铁路继电器中主要使用的接点材料为银-银氧化镉，但是银-银氧化镉接点在实际的使用过程中出现了不少问题，为了更好的适应铁路发展的需求，我们需要加大对接点新材料的研究，找出一种能够使用与铁路继电器的新接点材料。国际铁路联盟的UIC736i标准是目前国际上关于铁路继信号继电器相关标准标准要求的国际标准，根据该标准的要求，我们需要加大对银碳材质接点铁路信号继电器的应用，加强对接点材料的研究，并加强对接点抗熔焊性能以及相关的试验方式等内容的研究，这样才能不断的提升铁路信号继电器的可靠性，为我国的不断发展的铁路事业提供更加安全、可靠的铁路信号继电器，这样才能真正满足铁路信号继电器现场的应用需求。但是，目前我国根据国际铁路联盟相关标准的要求开展的银碳接点的研究中，实际在银碳触头中碳的含量仅仅达到了5%，在大量的铁路信号继电器实验过程中，针对AgC5与Ag、AgNi10、AgCd12等几种材料的结合抗熔焊试验过程中，当达到某一特定的条件是，以上材质的触头组合都出现了不同程度的熔焊现象[3]。因此，这种接点材料组合也不能满足铁路信号继电器现场使用的需求。随后，我们在接点的试验过程中主要使用了一种大电容的充放电电路，利用该电路产生的脉冲电流通过含碳量不同的银碳接点，对不同含碳量的节点抗熔焊性进行了试验。通过试验表面，银碳接点中碳的含量增加，接点的抗熔焊性也相应的提升。银碳接点在进行烧制的时候主要的使用的工艺有压制以及挤压工艺，而不烧结压制工艺的实施会受到碳含量的严重影响。而烧结挤压工艺也会受到碳含量的影响，一般情况下，烧结后碳的含量不会超过10%。普通的银碳接点电阻率大而且耐磨性偏差，而纤维性银碳接点的电阻值小、耐磨性表现较好。摩根公司生产的银碳触头中碳的含量达到了55%，在实际的使用过程中电阻较小，而且耐磨损性好。完全可以取代目前铁路继电器中的银氧化镉接点。

4结束语

新型的银碳触头能够很好的使用现代铁路信号继电器的现场使用的需求，因此应该加强对改型基点的研究，制造国产的银碳接点继电器，这样才能保证铁路的安全运行。

参考文献

[1]张钦.铁路继电器自动测试装置的研究[D].沈阳工业大学,2015.

[2]关高磊.铁路信号继电器机械特性的研究[D].沈阳工业大学,2016.

[3]刘炜.探讨提高信号继电器技术性能的方法与途径[J].铁路通信信号工程技术,2010,7(03):75-77.