铁路信号继电器接点问题研究

杨军

摘要： 继电器是自动控制系统中常用的电器，它用于接通和断开电路，用以发布控制命令和反映设备状态，以构成自动控制和远程控制电路。铁路信号继电器是将电信号从一个导体传向另—个导体，在导体与导体的连接处就会产生电接触。这种传导是借助于继电器接点完成的，接点直接承担着接通和分断这种传导，它的性能是影响传导工作可靠性、稳定性和精确性的关键因素。

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.

关键词： 信号继电器；接点；材料；研究

Key words： signal relay；contact；material；research

中圖分类号：U28 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）20-0274-02

0 引言

继电器是铁路信号设备中的主要器材之一，在全路安装使用超过1000万台。其工作的可靠及安全性是保证铁路自动控制、远程控制信号设备正常工作的必要条件。随着我国铁路事业的发展，列车速度的不断提高，不仅对信号继电器耐环境条件、性能要求提高，而且对其安全性提出了更高的要求。接点是继电器的关键部件之一，其性能的好坏直接影响信号系统的安全性及可靠性，从多年现场使用情况来看，继电器接点在接点电阻、接点粘连等方面存在很多问题，为了更好的提高系统可靠性，满足铁路高速发展的要求，有必要对继电器接点进行深入研究。

1 国产信号继电器接点使用现状

UIC标准要求“非熔焊性的动合接点，采用适当的接点材料”。即要求继电器前接点采用非熔接性的材料。我国六十年代初研制成功的AX型继电器，当初设计的前接点是银碳（含石墨20%）——银。文化大革命期间改为银——银氧化铬（Cd——20%）。银氧化铬是一种银铬合金，用金属陶制法（既粉末冶金法）制成，基本物质为银（85%～88%）起导电作用，氧化铬（12%～15%）则起导热作用。Ag/CdO接点材料在金属氧化物材料中具有高的导热性和导电性，低而稳定的接触电阻，在中等电流下的熔焊倾向和电侵蚀较小。这主要是因为氧化铬和其它金属氧化物不同，氧化铬的分解温度低，在电弧的高温作用下，它分解成铬和氧的蒸汽（铬在770℃就汽化），铬的蒸汽在高温下体积可膨胀1万倍，以此来起吸弧和消除电离的作用，故抗熔性较高。铁路信号继电器接点材料主要选用Ag/CdO触头，该材料在接通和断开都具有良好的电性能，所以，Ag/CdO材料十分适用于很多接触应用领域，尤其是电流在5～50A范围内时。截至目前，触头材料领域Ag/CdO材料的应用依然十分普遍。

2 国产信号继电器接点使用中存在的问题及原因分析

目前我国生产铁路信号继电器的厂家主要有西安铁路信号有限责任公司和沈阳铁路信号有限责任公司。继电器接点使用的材料都是Ag/CdO材料。在现场使用过程中，各铁路都存在继电器接点发黑、接点接触电阻大、甚至接点粘连现象。

2.1 继电器接点发黑

①若长时间放置继电器，银接点可能会变成黑色。这是由于大气中的硫化燃气和银发生反应，生成硫化银。

②由于开关负载时电弧放电，与空气中有机燃气生成了碳（碳素）、碳化银及接点的飞散粉末。

2.2 继电器接点接触电阻增大

继电器接点接触电阻的大小，直接关系到电路的通断。接点接触电阻的构成主要包括导体电阻、集中电阻、边界电阻。导体电阻是根据接点端子、接点导体的导电率、长度及截面面积求得的电阻；集中电阻是接点材质、曲率半径及接触力求得接点接触部的接触面积，以非常微小的面积进行接触，由于电流集中在这个微小面积上，电流束被扭曲而产生的电阻；边界电阻是接点表面产生硫化银、积碳等物质产生的电阻。造成继电器接触电阻增大的主要原因是集中电阻和边界电阻。

①集中电阻。继电器作为开关负载，在接点触头分离而电路开断和闭合时都会发生电弧，这将引起触头材料的熔化或汽化，甚至会从触头间隙中喷溅出来。电弧的放电就会引起接点材料的转移。部分接点表面移动到相对接点。移动方向由负载的电压、电流、接点材质决定，由于直流负载（在交流负载中开关相位一定的情况下也相同）中这些情况一定，因此一方的接点像富士山一样突起，相对方向的接点上就产生了一个缺口。在电弧放电时，接点氧化燃烧空气中的可燃性物质，生成积碳，就会在附着在接点表面，甚至造成接点不通（如图1、图2）。

②边界电阻。对于现场使用而言，接点的清洁度至关重要，若接点处存在附着物，形成不导通物质，并生成不导通的保护膜，很容易出现接点接触不良问题。银接点一般容易氧化、硫化。其中硫化保护膜对于接触性有较大的影响，而氧化保护膜没有较大的影响。当接点在工作状态时，电流通过接点表面产生焦耳热，特别是两个触头接触或分离得瞬间会引起电弧并产生高温，从而使触头表面所吸附的杂质及气体焦化，生成碳化保护膜。碳化保护膜不是完全的绝缘体，有时可达到数十至数百欧姆。

2.3 继电器接点粘连

继电器接点粘接主要是指接点动熔焊。它是指继电器正常工作的两个接点突然不再断开，接点在承载电流时存在短暂的间隔（反跳）引起，在接点闭合过程中，接点的跳跃产生一连串的放电而使接点熔接。

Ag/CdO接点在电源有平滑电容情况下，控制电容负载时，容易粘连。负载为阻性负载时，在技术标准规定的额定电流情况下是不会发生粘连的。Ag/CdO接点粘连与通过的电流极性有关，当Ag接点接“正”时，Ag/CdO（动接点）接“负”时容易发生粘连；接点粘连一般发生在接点闭合时，因为在接点闭合瞬间接点通过的电流很大，瞬间电流可达到85A以上。在接点闭合瞬间有很大的能量，当接点闭合到间隙小于自由电子行程即10-5cm，电场强度为106V/cm时，就要发生电离，形成电弧，电子就能自由通过这一间隙轰击到阳极上，金属由阳极转移到阴极上。当Ag接点接“正”Ag/CdO（中接点）接“负”时，阳极银正离子向阴极转移，与此同时，由于高温作用，Ag/CdO接点中有CdO汽化、噴溅，使Ag/CdO接点表面银增多。随动作次数增多，金属转移量增加，Ag/CdO接点表面Ag密集。同时由于接点对间能量足够大产生的热，使两接点接触表面的银熔化，而产生熔焊。同时阳极和阴极都严重侵蚀，阳极的侵蚀比阴极更为严重。

为了防止接点粘接，在线圈并联电容的控制电路中，可串联大于1Ω的电阻及二极管。电阻的作用是减少接点闭合过程中的充电电流，电阻及二极管一起构成续流电路，防止电压电流突变，提供通路，起到平滑电流的作用。在直流电路中必须注意接点的电流方向，采用Ag接点（静接点）接“负极”， Ag/CdO接点（动接点）接“正极”，可以提高接点的耐熔性和减轻接点的侵蚀。

3 新接点材料的研究与发展前景

鉴于Ag—Ag/CdO接点使用中存在的问题，我们必须寻找一种新的接点材料。国际公认的铁路信号继电器标准是国际铁路联盟UIC736i标准，UIC标准要求“非熔焊性的动合接点，采用适当的接点材料（例如银石墨，当石墨的含量超过一定的百分比时，即无熔焊现象），为此，必须对继电器银碳接点的应用、接点材料、接点的抗熔焊能力及试验方法等进行研究，以提高继电器接点接触的可靠性，适应我国铁路事业的发展，满足现场使用的要求。目前，国内研制与生产的银碳触头碳含量仅为5%，在对AgC5与Ag、AgNi10、AgCdO12配对进行抗熔焊试验，在特定情况下均出现熔焊现象，不满足铁路信号继电器的使用要求。我们使用大电容充放电电路，产生脉冲电流通过测试接点，对含碳量不同的银碳接点进行了大量的抗熔焊试验，碳含量愈高，抗熔焊性愈好。银碳接点采取烧结压制工艺和烧结挤压工艺生产普通型银碳接点，不烧结压制工艺受碳含量限制；烧结挤压工艺生产纤维型银碳接点，此工艺受碳含量的约束，一般认为含量不大于10%。在碳含量相等的情况下，对于相同尺寸的接点来说，普通型的电阻率较高，耐磨性较差；而纤维型的密度较高，电阻率较小，耐磨损较好。英国摩根公司生产的银碳触头含碳量为55%，电阻较小，耐磨损较好，可以取代Ag/CdO材料，在安全型继电器的结构上进行新的设计，完成符合6502电路要求的新型继电器。

4 结束语

结合目前国内铁路信号继电器使用情况，对接点使用中存在的问题进行了总结和分析，提出了对新型银碳触头材料的研究和应用，引进国外银碳接点，制造新型的银碳接点国产信号电器，更加有效的保证铁路运输安全。

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