鐵路信號點燈單元的可靠性探討

宋玉鼎

摘要：我國普速鐵路信號顯示，依然依靠地面信號機，信號機能否正常工作，直接影響行車安全與運輸效率。為了保證鐵路信號機的可靠工作，必須要有穩定可靠的信號光源，而點燈單元是信號光源的核心部分。針對目前鐵路信號點燈單元可靠性低的情況，通過認真分析，從探討燈絲轉換器件的選取、燈絲轉換繼電器的驅動原理上做出改進，并且提出利用載波通信為監測單元提供可靠電源，提高了信號點燈單元的可靠性，為鐵路信號點燈單元實現“故障修”提供技術保障。

關鍵詞：鐵路信號點燈單元信號光源可靠性

中圖分類號：U284

Discussion?on?the?Reliability?of?Railway?Signal?Lighting?Units

SONG?Yuding

（Luoyang?Railway?Information?Engineering?School，?Luoyang，?Henan?Province，?471000?China）

Abstract：?The?signal?display?of?ordinary-speed?railways?still?depends?on?ground?signals?in?China，?and?whether?signals?can?work?normally?directly?affects?traffic?safety?and?transportation?efficiency.?In?order?to?ensure?the?reliable?work?of?railway?signals，?it?is?necessary?to?have?stable?and?reliable?signal?light?sources，?and?the?lighting?unit?is?the?core?part?of?signal?light?sources.?In?view?of?the?low?reliability?of?railway?signal?lighting?units?at?present，?through?careful?analysis，?this?paper?discusses?and?improves?the?selection?of?filament?conversion?devices?and?the?driving?principle?of?filament?conversion?relays，?and?proproses?to?use?carrier?communication?to?provide?reliable?power?supply?for?the?monitoring?unit，?which?improves?the?reliability?of?signal?lighting?units?and?provides?technical?guarantee?for?the?realization?of?the?"fault?repair"?of?railway?signal?lighting?units.

KeyWords：?Railway?signal;?Lighting?unit;?Signal?light?source;?Reliability

鐵路在我國經濟發展過程中起著舉足輕重的作用，鐵路信號設備是保證鐵路安全、快速、穩定運輸的關鍵技術裝備。鐵路信號設備的穩定可靠工作是鐵路安全指揮信息傳遞的重要保障，信號機是安全信息載體之一，作為信號機工作狀態的監測裝置，點燈單元的可靠性不言而喻。

鐵路信號故障--安全原則，要求信號機點燈必須安全可靠，目前所使用的信號機燈泡為雙燈絲，正常狀態下主燈絲點亮，主燈絲斷絲瞬間必須自動轉換到副燈絲，由副絲繼續完成信號顯示任務，并給出報警提醒維護部門及時更換信號燈泡，防止發生滅燈故障影響行車。上述功能均由信號點燈單元完成。本文從目前點燈單元主要存在的燈絲轉換繼電器可靠性問題、監測單元電源問題、監測單元自檢問題出發，探討點燈單元的可靠性。

1現有點燈單元存在的問題

1.1現有燈絲轉換繼電器可靠性低

目前國家鐵路集團公司要求鐵路信號點燈單元的使用壽命15年，2015版《普速鐵路信號維護規則技術標準》2.4.1和TB/T3202-2008《鐵路信號點燈單元》4.10，均要求點燈單元中燈絲轉換繼電器的無故障轉換次數不應少于50萬次，2015版《普速鐵路信號維護規則技術標準》11.5.5規定燈絲轉換繼電器的電壽命為30萬次，TB/T2657-2016《JZSJC型交流燈絲轉換繼電器》4.21規定燈絲轉換繼電器的電壽命大于50萬次，以上規定要求點燈單元中的重要元件燈絲轉換繼電器的可靠性必須達標。目前鐵路現場燈絲轉換繼電器受現場環境因素的影響可靠性降低，難以滿足總公司15年的使用要求。如果定期送檢，則維護工作量加大，給現場維護帶來極大的不便。

燈絲轉換繼電器為電流型繼電器，雖然在設計時已經考慮了發熱問題[1]，采用硅鋼片疊成非整塊鐵芯，減小渦流發熱。但是在信號機點燈電路中，燈絲轉換繼電器的線圈串接在信號燈泡的主燈絲電路中，主燈絲工作時線圈電流2A左右，線圈持續發熱。燈絲轉換繼電器安裝在點燈單元內，被固定在信號機機構、信號變壓器箱等有限空間內，繼電器工作所產生的熱量無法及時的散發出去，導致線圈和鐵芯溫度過高[2]，熱量通過導熱、熱對流、熱輻射的方式傳遞至接點系統，整個繼電器的溫度將升高。

我國南方地區夏季潮濕多雨，水蒸氣及空氣中的有害氣體容易進入燈絲轉換繼電器，在高溫情況下，觸點表面極易發生腐蝕，在銀-銀氧化鎘觸點表面生成氧化物，觸點接觸電阻增大，造成觸點失效。除此之外，高溫、潮濕、污染的環境還會造成繼電器的機械傳動部件生銹腐蝕，造成機械卡組，使繼電器的勵磁所需要的電磁力變大，影響繼電器動作。

另外，我國的北方冬季易出現-30℃以下極端天氣，低溫將導致燈絲轉換繼電器尾部的反力彈簧收縮力下降，主燈絲熔斷后，反力彈簧收縮力變小，將導致繼電器無法釋放，造成主絲斷絲后無法轉換到副燈絲，使信號機滅燈，影響行車。

1.2監測單元沒有單獨電源，無法實現自檢

目前監測單元的電源沒有專門供給，均來自于點燈電源，一般有兩種獲取方法：第一種，通過整流器把點燈變壓器二次側交流電整流成12V直流電，供控制繼電器吸起用，5V三端穩壓器把直流12V穩壓成5V直流電，給單片微機及其附屬電路供電[3]。第二種，通過點燈變壓器的二次側線圈抽頭，調整后獲得監測單元所需電源。

點燈單元在主絲斷絲后，燈絲轉換繼電器落下接通副絲電路，同時啟動監測單元向室內發送主絲斷絲信息。監測單元在主絲正常工作的情況下，處于不工作狀態，不發送任何信息。監測單元是否完好，在很長一段時間內處于未知的狀態，一旦監測單元在主絲正常的情況下發生故障，若此時發生主絲斷絲，將無法產生主絲斷絲報警，維護人員無法及時發現主絲斷絲，極易造成主副絲雙斷故障。

以上問題導致了點燈單元的可靠性低，改進現有點燈單元，提高點燈單元的可靠性、降低點燈單元的故障率，勢在必行。

2問題解決方案

2.1選擇密封繼電器

針對現有燈絲轉換繼電器可靠性低的問題，可采用小型密封繼電器作為燈絲轉換繼電器來提高點燈單元的可靠性。據某鐵路集團公司統計，管內所用該設計思路的點燈單元，三年內只有一臺出現故障，故障率極低。

鐵路現場現有燈絲轉換繼電器為非密封繼電器，對外界環境變化的敏感性較強，容易受列車振動、氣溫變化、空氣濕度，空氣污染等因素影響，造成線圈受潮、接點腐蝕、機械卡組、穩定性和可靠性下降。

密封繼電器性能優異，已廣泛應用在航天等領域。密封繼電器具有全密封的機構，對外界惡劣環境的抵抗性能強，內部充以保護性氣體來保護觸頭，延長觸頭使用壽命，接觸穩定性高，且電壽命和機械壽命長、抗振性能優良，所以密封繼電器能適應鐵路沿線長期存在的氣候應力、環境應力，而且小型密封繼電器的價格遠低于燈絲轉換繼電器，是傳統燈絲轉換電路改進的優選元器件。

2.2燈絲轉換繼電器由電流驅動轉變為電壓驅動

現有燈絲轉換繼電器為電流型繼電器，線圈串接在信號燈泡主燈絲電路中，由電流驅動工作，電流較大，發熱問題難以克服。為了解決現有燈絲轉換繼電器的發熱問題，可在主燈絲電路中串接一個TB變壓器。當主燈絲正常工作時，TB變壓器將主燈絲電路中2A的電流信號轉換為穩定的電壓信號輸出，用電壓信號驅動歐姆龍小型密封繼電器勵磁，切斷副燈絲電路；當主燈絲斷絲時，TB變壓器輸出側電壓信號消失，小型密封繼電器落下，接通副燈絲電路，原理框圖如圖1所示。

利用TB變壓器，將原燈絲轉換電路中電流信號驅動燈絲轉換繼電器，轉變成了利用穩定的電壓信號驅動歐姆龍小型密封繼電器，TB變壓器輸出側輸出的電流為毫安級，降低了燈絲轉換器件中的電流值，有效解決了原燈絲轉換繼電器發熱帶來的問題，提高了鐵路信號點燈單元的可靠性。

2.3利用電力載波通信，實現監測單元獨立供電

2.3.1什么是電力載波通信

電力載波通信，是利用電力線作為信息傳輸媒介，進行語音或數據傳輸的一種特殊通信方式。載波通信技術在發送側將需要發送的數據調制為符合要求的高頻信號，經耦合器耦合到作為通道的電力線上，傳輸至接收側后，經接收側耦合器解耦，調制解調器解調，還原出原始數據，完成數據傳輸。

將電力載波通信技術應用在鐵路信號點燈單元中，實現監測單元與點燈電路主電路完全隔離，消除了監測單元對主電路的影響。

2.3.2電力載波通信通道的選擇

鐵路信號點燈電路中現有的電力通道主要有兩條：第一條為點燈回路，室內通過繼電器檢查聯鎖條件后，再通過電纜將信號機點燈電源送至室外點燈單元內的點燈變壓器，每架信號機具備相對獨立的點燈回路，但點燈回路作為鐵路信號系統的主電路，嚴格要求其安全性，因此不應將點燈回路作為載波通信的通道；第二條為燈絲報警通道，燈絲報警通道按咽喉區從室內燈絲報警電纜出發，在室外電纜盒處發生分支，然后到達信號點燈變壓器，整個咽喉的報警通道呈樹狀分布，電纜傳輸線路負載相對較小，信道阻抗特性相對較好[4]，利于載波信號傳輸。所以，載波通信傳輸通道應選擇既有的燈絲報警通道比較合理。。

2.3.3監測單元實現自檢測

利用電力線載波通信技術，為監測單元提供連續可靠的電源，設置監測單元的自檢機制，使監測單元周期性自檢[5]，并將自檢狀態信息通過載波通信信道周期性的發送至室內報警總機，報警總機收到室外監測單元自檢狀態信息后，給出監測單元狀態判斷。當監測單元出現故障，報警總機收不到監測單元的自檢信息時，輸出監測單元故障信息，通知維護人員及時更換，提高信號點燈單元的工作可靠性。

在監測單元具備持續工作的基礎上，還可拓展監測單元監測的數據內容，比如：點燈單元Ⅰ次側電壓電流，點燈單元Ⅱ次側主、副燈絲電壓電流等數據，為未來集中監測智能故障診提供可靠的信號機室外監測數據。

3結論

綜上，選用成熟穩定的小型密封繼電器，提高點燈單元壽命，實現點燈單元“故障修”；利用TB變壓器，將電流驅動燈絲轉換繼電器轉變為電壓驅動小型密封繼電器，解決了原點燈單元中燈絲轉換繼電器發熱問題；引入電力載波通信技術，給監測單元單獨供電，避免了監測電路對點燈主電路的影響；監測單元平時工作在帶電狀態，實現了自檢測功能。鐵路信號點燈單元經改進后，能克服現有技術缺點，可靠性大幅提高，能更好的適應各種使用環境，故障率大幅降低。

參考文獻

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