继电时序电路中RC(电阻-电容)电路的作用

2021-04-27晏子峰叶云龙杨卫东

城市轨道交通研究 2021年4期

晏子峰叶云龙杨卫东

(1.上海轨道交通无人驾驶列控系统工程技术研究中心，200071，上海；2.卡斯柯信号有限公司,200071,上海 ∥ 第一作者，高级工程师)

我国城市轨道交通车站的计算机联锁系统多采用继电器电路来驱动室外设备。继电器电路通过改变继电器的铁心结构，使继电器具备一定的缓吸和缓放特性，且该缓吸和缓放时间一般在1 s以内。对于特定的继电器电路来说，该延时的时间太短，不能满足继电器电路的时序要求。这就需要在继电器线圈两端并联RC(电阻-电容)电路来延长继电器的缓放时间。

1 继电器电路中的RC电路

计算机联锁系统的继电器电路并联的RC电路是由1个电容器和1个电阻器组成的一阶RC串联电路。略去QDJ(切断继电器)电路串接的相关接点，得到典型的RC电路如图1所示。图中，C为电容，R为电阻，KZ表示控正，KF表示控负。

图1 QDJ的RC电路原理图

RC电路的特点：由于有电容存在，所以不能流过直流电流；电阻和电容都对电流存在阻碍作用；总阻抗由电阻和容抗确定，且总阻抗随电流频率变化而变化。

RC电路的主要作用：

1) 吸收回路。在电路关断的瞬间，感性负载(继电器线圈)会产生1个自感电动势，对外界释放磁场储能； RC电路作为吸收回路，可将这部分能量以热能的方式消耗掉。

2) 延时电路。这也是继电器电路中使用RC电路的主要目的。RC电路通过放电来实现延时。延时时间可通过调整电容或电阻的大小来调整。

一阶RC电路的零输入响应计算式如下：

式中：

UR+r——RC电路中电阻与继电器线圈两端的电压；

U0——电路初始电压；

t——RC电路的缓放时间；

Rr——继电器线圈电阻；

C——RC电路的电容。

当继电器线圈的电压为Ur时，继电器线圈电流为：

Ir=Ur/Rr=UR+r/(R+Rr)

以图1中的QDJ电路为例，计算该RC电路的t。

QDJ为JWXC-1700无极继电器，其R=850 Ω。根据GB/T 7417—2010《铁路信号AX系列继电器》的定义，此型号继电器落下时的线圈电压Ur=3.4 V[1]。QDJ的落下时间就是QDJ线圈上的电压从24.0 V降为3.4 V时的时间，故U0=24.0 V。当R=51 Ω，C=1 000 μF时，由式(1)及式(2)计算可得，该RC电路t=1.7 s。

根据时序要求，应通过选择R和C来确定QDJ要吸起的时间。

2 典型继电器中RC电路的作用

2.1 QDJ中RC电路作用

在联锁系统交流道岔控制电路中的多机牵引切断保护电路中， QDJ线圈两端的并联RC支路的作用有两个：①当多机牵引道岔刚启动时，如QDJ可靠吸起，则可确认每个牵引点的转辙机正常工作；②当道岔刚启动时，如有个别牵引点的转辙机发生故障，则QDJ及时落下；因每个牵引点的DQJ1(1#道岔启动继电器)自闭电路中都串入了QDJ的前接点，故可通过切断所有牵引点的动作电路，来防止尖轨被正常工作的转辙机拉弯，从而起到了保护尖轨的作用。

当联锁系统发出道岔转换动作指令时，各个牵引点的DQJ1错峰吸起， BHJ(保护继电器)也依次吸起；当所有牵引点的BHJ吸起后， ZBHJ(总保护继电器)吸起。从第一个开始动作的牵引点BHJ吸起到ZBHJ吸起的这段时间里，QDJ通过线圈两端并联的电容放电来保持吸起。当ZBHJ吸起后，QDJ通过ZBHJ的前接点继续吸起，用QDJ前接点来构成各牵引点DQJ1线圈的自闭电路。

该电路电容大小选用的原则是，电容放电时间需大于第一个开始动作的牵引点BHJ吸起到ZBHJ吸起的时间差。多机牵引道岔每个牵引点间的错峰动作时间为0.1 s，因此，两机牵引和三机牵引的道岔电容从开始放电到QDJ落下的时间应控制在1 s以内，超过三机牵引的道岔电容从开始放电到QDJ落下的时间应控制在2 s以内。这对于切断保护电路的时序是比较合理的，既能满足电路正常动作时序，又能在电路发生故障时起到切断保护的作用。

经计算，两机牵引和三机牵引的道岔电容量选500 μF，超过三机牵引的道岔电容量选1 000 μF。

2.2 接码继电器中的RC电路作用

在25 Hz相敏轨道电路叠加电码化电路[2]中，正向接车进路电码化中的JMJ(接码继电器)为JWXC-1700无极继电器，其动作原理如图2所示。首先，当LXJ(列车信号继电器)吸起、ZXJ(正线信号继电器)吸起后，JMJ励磁吸起；随后，列车依次通过道岔区段轨道继电器DGJ1、DGJ3和DGJ5。因无极继电器无延缓落下性能，故在列车通过时一旦出现轻车跳动情况， JMJ就会短暂落下，从而导致发送器到室外的发码通道断开，使机车信号收不到码，出现掉码故障。

常规缓放继电器断电后的缓放时间在1 s以内，无法满足JMJ电路要求。为此，在JMJ线圈两端并联RC支路(如图3所示)，使JMJ缓放时间达到2～3 s。这样，列车在依次通过DGJ1、DGJ3和DGJ5的过程中，即使出现轻车跳动情况，JMJ仍能够稳定吸起，保证机车信号不出现掉码故障。

图3 正向接车进路JMJ改进原理图

2.3 在道岔启动继电器电路中RC电路的负面作用

在交流道岔控制电路中，DQJ1自闭电路中增设了时间继电器TJ。当道岔在规定的时间内动作到位时，TJ只计时不吸起;当道岔在规定的时间内无法动作到位时，TJ计时并吸起，以切断DQJ1的自闭电路，使DQJ1落下道岔停止动作[3]。

如图4所示，计算机联锁系统检查道岔动作条件满足后，DQJ1通过3-4线圈得电吸起，TJ在BHJ吸起后开始计时。若道岔在设定的时间(13 s或30 s)未转换到位，则TJ吸起并用其后接点切断DQJ1的1-2线圈自闭电路，使DQJ1落下，切断电动机电路，从而使转辙机停止转动，起到超时保护的作用。

图4 DQJ1自闭电路中增设TJ原理图

TJ中的局部计时电路如图5所示。当DQJ1吸起时，通过接点62和接点73，以24 V电压为电容C1充电。

图5 TJ计时电路原理图

在DQJ1的自闭电路中串接TJ的后接点时，道岔动作计时的过程也是TJ中电容C1充电的过程。在充电电路接通瞬间用示波器测试可得，DQJ1前接点闭合时通过接点的冲击电流峰值为6 A。该冲击电流持续时间虽然非常短，但电流值超过了DQJ1普通接点承受的最大电流值(1 A)。而且，每次道岔动作，TJ内电容的充放电都会对DQJ1的该组接点造成冲击。当通过继电器接点的电流超过接点的耐流值时，每次电流通过接点都对接点上的金属材质产生熔化过程。经过多次冲刷熔化后，接点表面粗糙不平，前接点和中接点接触时的接触电阻逐渐发生变化。对于道岔动作频繁的车站，继电器接点长期工作在此工况下，接点阻值逐渐增大，阻值超标的概率也会增大，严重时会出现DQJ1自闭电路异常，进而导致道岔因故中途停止转换。

为了避免这类问题，可使用带限时保护功能的DBQ(道岔断相保护器)。DBQ可以替代DQJ1自闭电路中的TJ(如图6所示)，DQJ1的1-2线圈自闭电路只串接BHJ的接点。当DQJ1吸起并转入自闭电路、道岔开始动作后，DBQ内的计时器开始计时。若道岔在设定的时间(13 s或30 s)内未转换到位，则DBQ停止直流电压输出并控制BHJ落下，使BHJ前接点切断DQJ1的自闭电路，使DQJ1落下，进而切断电动机电路，以防止电动机因长时间运行而烧毁。