鐵路信號繼電器接點問題研究

楊軍

摘要： 繼電器是自動控制系統(tǒng)中常用的電器，它用于接通和斷開電路，用以發(fā)布控制命令和反映設備狀態(tài)，以構成自動控制和遠程控制電路。鐵路信號繼電器是將電信號從一個導體傳向另—個導體，在導體與導體的連接處就會產(chǎn)生電接觸。這種傳導是借助于繼電器接點完成的，接點直接承擔著接通和分斷這種傳導，它的性能是影響傳導工作可靠性、穩(wěn)定性和精確性的關鍵因素。

Abstract： A relay is a commonly used electrical appliance in an automatic control system. It is used to turn on and off a circuit to issue control commands and reflect the status of equipment to form an automatic control and remote control circuit. A railway signal relay relays electrical signals from one conductor to another， and electrical contact occurs between the conductor and the conductor. This conduction is accomplished by means of a relay contact， which is directly responsible for making and breaking such conduction. Its performance is a key factor that affects the reliability， stability and accuracy of the conduction operation.

關鍵詞： 信號繼電器；接點；材料；研究

Key words： signal relay；contact；material；research

中圖分類號：U28 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）20-0274-02

0 引言

繼電器是鐵路信號設備中的主要器材之一，在全路安裝使用超過1000萬臺。其工作的可靠及安全性是保證鐵路自動控制、遠程控制信號設備正常工作的必要條件。隨著我國鐵路事業(yè)的發(fā)展，列車速度的不斷提高，不僅對信號繼電器耐環(huán)境條件、性能要求提高，而且對其安全性提出了更高的要求。接點是繼電器的關鍵部件之一，其性能的好壞直接影響信號系統(tǒng)的安全性及可靠性，從多年現(xiàn)場使用情況來看，繼電器接點在接點電阻、接點粘連等方面存在很多問題，為了更好的提高系統(tǒng)可靠性，滿足鐵路高速發(fā)展的要求，有必要對繼電器接點進行深入研究。

1 國產(chǎn)信號繼電器接點使用現(xiàn)狀

UIC標準要求“非熔焊性的動合接點，采用適當?shù)慕狱c材料”。即要求繼電器前接點采用非熔接性的材料。我國六十年代初研制成功的AX型繼電器，當初設計的前接點是銀碳（含石墨20%）——銀。文化大革命期間改為銀——銀氧化鉻（Cd——20%）。銀氧化鉻是一種銀鉻合金，用金屬陶制法（既粉末冶金法）制成，基本物質為銀（85%～88%）起導電作用，氧化鉻（12%～15%）則起導熱作用。Ag/CdO接點材料在金屬氧化物材料中具有高的導熱性和導電性，低而穩(wěn)定的接觸電阻，在中等電流下的熔焊傾向和電侵蝕較小。這主要是因為氧化鉻和其它金屬氧化物不同，氧化鉻的分解溫度低，在電弧的高溫作用下，它分解成鉻和氧的蒸汽（鉻在770℃就汽化），鉻的蒸汽在高溫下體積可膨脹1萬倍，以此來起吸弧和消除電離的作用，故抗熔性較高。鐵路信號繼電器接點材料主要選用Ag/CdO觸頭，該材料在接通和斷開都具有良好的電性能，所以，Ag/CdO材料十分適用于很多接觸應用領域，尤其是電流在5～50A范圍內(nèi)時。截至目前，觸頭材料領域Ag/CdO材料的應用依然十分普遍。

2 國產(chǎn)信號繼電器接點使用中存在的問題及原因分析

目前我國生產(chǎn)鐵路信號繼電器的廠家主要有西安鐵路信號有限責任公司和沈陽鐵路信號有限責任公司。繼電器接點使用的材料都是Ag/CdO材料。在現(xiàn)場使用過程中，各鐵路都存在繼電器接點發(fā)黑、接點接觸電阻大、甚至接點粘連現(xiàn)象。

2.1 繼電器接點發(fā)黑

①若長時間放置繼電器，銀接點可能會變成黑色。這是由于大氣中的硫化燃氣和銀發(fā)生反應，生成硫化銀。

②由于開關負載時電弧放電，與空氣中有機燃氣生成了碳（碳素）、碳化銀及接點的飛散粉末。

2.2 繼電器接點接觸電阻增大

繼電器接點接觸電阻的大小，直接關系到電路的通斷。接點接觸電阻的構成主要包括導體電阻、集中電阻、邊界電阻。導體電阻是根據(jù)接點端子、接點導體的導電率、長度及截面面積求得的電阻；集中電阻是接點材質、曲率半徑及接觸力求得接點接觸部的接觸面積，以非常微小的面積進行接觸，由于電流集中在這個微小面積上，電流束被扭曲而產(chǎn)生的電阻；邊界電阻是接點表面產(chǎn)生硫化銀、積碳等物質產(chǎn)生的電阻。造成繼電器接觸電阻增大的主要原因是集中電阻和邊界電阻。

①集中電阻。繼電器作為開關負載，在接點觸頭分離而電路開斷和閉合時都會發(fā)生電弧，這將引起觸頭材料的熔化或汽化，甚至會從觸頭間隙中噴濺出來。電弧的放電就會引起接點材料的轉移。部分接點表面移動到相對接點。移動方向由負載的電壓、電流、接點材質決定，由于直流負載（在交流負載中開關相位一定的情況下也相同）中這些情況一定，因此一方的接點像富士山一樣突起，相對方向的接點上就產(chǎn)生了一個缺口。在電弧放電時，接點氧化燃燒空氣中的可燃性物質，生成積碳，就會在附著在接點表面，甚至造成接點不通（如圖1、圖2）。

②邊界電阻。對于現(xiàn)場使用而言，接點的清潔度至關重要，若接點處存在附著物，形成不導通物質，并生成不導通的保護膜，很容易出現(xiàn)接點接觸不良問題。銀接點一般容易氧化、硫化。其中硫化保護膜對于接觸性有較大的影響，而氧化保護膜沒有較大的影響。當接點在工作狀態(tài)時，電流通過接點表面產(chǎn)生焦耳熱，特別是兩個觸頭接觸或分離得瞬間會引起電弧并產(chǎn)生高溫，從而使觸頭表面所吸附的雜質及氣體焦化，生成碳化保護膜。碳化保護膜不是完全的絕緣體，有時可達到數(shù)十至數(shù)百歐姆。

2.3 繼電器接點粘連

繼電器接點粘接主要是指接點動熔焊。它是指繼電器正常工作的兩個接點突然不再斷開，接點在承載電流時存在短暫的間隔（反跳）引起，在接點閉合過程中，接點的跳躍產(chǎn)生一連串的放電而使接點熔接。

Ag/CdO接點在電源有平滑電容情況下，控制電容負載時，容易粘連。負載為阻性負載時，在技術標準規(guī)定的額定電流情況下是不會發(fā)生粘連的。Ag/CdO接點粘連與通過的電流極性有關，當Ag接點接“正”時，Ag/CdO（動接點）接“負”時容易發(fā)生粘連；接點粘連一般發(fā)生在接點閉合時，因為在接點閉合瞬間接點通過的電流很大，瞬間電流可達到85A以上。在接點閉合瞬間有很大的能量，當接點閉合到間隙小于自由電子行程即10-5cm，電場強度為106V/cm時，就要發(fā)生電離，形成電弧，電子就能自由通過這一間隙轟擊到陽極上，金屬由陽極轉移到陰極上。當Ag接點接“正”Ag/CdO（中接點）接“負”時，陽極銀正離子向陰極轉移，與此同時，由于高溫作用，Ag/CdO接點中有CdO汽化、噴濺，使Ag/CdO接點表面銀增多。隨動作次數(shù)增多，金屬轉移量增加，Ag/CdO接點表面Ag密集。同時由于接點對間能量足夠大產(chǎn)生的熱，使兩接點接觸表面的銀熔化，而產(chǎn)生熔焊。同時陽極和陰極都嚴重侵蝕，陽極的侵蝕比陰極更為嚴重。

為了防止接點粘接，在線圈并聯(lián)電容的控制電路中，可串聯(lián)大于1Ω的電阻及二極管。電阻的作用是減少接點閉合過程中的充電電流，電阻及二極管一起構成續(xù)流電路，防止電壓電流突變，提供通路，起到平滑電流的作用。在直流電路中必須注意接點的電流方向，采用Ag接點（靜接點）接“負極”， Ag/CdO接點（動接點）接“正極”，可以提高接點的耐熔性和減輕接點的侵蝕。

3 新接點材料的研究與發(fā)展前景

鑒于Ag—Ag/CdO接點使用中存在的問題，我們必須尋找一種新的接點材料。國際公認的鐵路信號繼電器標準是國際鐵路聯(lián)盟UIC736i標準，UIC標準要求“非熔焊性的動合接點，采用適當?shù)慕狱c材料（例如銀石墨，當石墨的含量超過一定的百分比時，即無熔焊現(xiàn)象），為此，必須對繼電器銀碳接點的應用、接點材料、接點的抗熔焊能力及試驗方法等進行研究，以提高繼電器接點接觸的可靠性，適應我國鐵路事業(yè)的發(fā)展，滿足現(xiàn)場使用的要求。目前，國內(nèi)研制與生產(chǎn)的銀碳觸頭碳含量僅為5%，在對AgC5與Ag、AgNi10、AgCdO12配對進行抗熔焊試驗，在特定情況下均出現(xiàn)熔焊現(xiàn)象，不滿足鐵路信號繼電器的使用要求。我們使用大電容充放電電路，產(chǎn)生脈沖電流通過測試接點，對含碳量不同的銀碳接點進行了大量的抗熔焊試驗，碳含量愈高，抗熔焊性愈好。銀碳接點采取燒結壓制工藝和燒結擠壓工藝生產(chǎn)普通型銀碳接點，不燒結壓制工藝受碳含量限制；燒結擠壓工藝生產(chǎn)纖維型銀碳接點，此工藝受碳含量的約束，一般認為含量不大于10%。在碳含量相等的情況下，對于相同尺寸的接點來說，普通型的電阻率較高，耐磨性較差；而纖維型的密度較高，電阻率較小，耐磨損較好。英國摩根公司生產(chǎn)的銀碳觸頭含碳量為55%，電阻較小，耐磨損較好，可以取代Ag/CdO材料，在安全型繼電器的結構上進行新的設計，完成符合6502電路要求的新型繼電器。

4 結束語

結合目前國內(nèi)鐵路信號繼電器使用情況，對接點使用中存在的問題進行了總結和分析，提出了對新型銀碳觸頭材料的研究和應用，引進國外銀碳接點，制造新型的銀碳接點國產(chǎn)信號電器，更加有效的保證鐵路運輸安全。

參考文獻：

[1]王其平.電器電弧理論[M].機械工業(yè)出版社.

[2]程禮椿.電接觸理論及應用[M].機械工業(yè)出版社.

[3]胡耀華.信號繼電器及檢修[M].中國鐵道出版社.

[4]秦清根.鐵道信號基礎設備及原理[M].蘭州交通大學自動化與電氣工程學院.

[5]蘭耀庭，張?zhí)烨?鐵路通信信號器材[M].中國鐵道出版社.

[6]鐵路信號維護規(guī)則[S].中國鐵道出版社.