Общие сведения о реле железнодорожной автоматики

Реле и приборы релейного действия широко распространены в устройствах ЖАТ из-за простоты конструкции, надежности и длительности срока службы в различных климатических условиях. Они являются основными элементами, посредством которых создаются электрические схемы автоматики и телемеханики. Под элементами понимаются простейшие для системы устройства, преобразующие входную величину в выходную.

Принцип действия релейного элемента заключается в скачкообразном изменении выходной величины при плавном изменении входной величины. Входными электрическими величинами являются напряжение и ток. Скачкообразное изменение тока выходной цепи достигается физическим размыканием электрической цепи контактами, вследствие чего такой элемент автоматики называют контактным реле. В основу работы контактного реле заложен принцип действия электромагнита, в котором электромагнитная энергия преобразуется в механическое перемещение, поэтому реле на-

зывают электромагнитными.

Рис. 1.1. Элементы контактного реле

Основными частями электромагнитного реле (рис. 1.1) являются: обмотка 1 (катушка), намотанная на фенопластовую шпулю и установленная на сердечнике 2, подвижная часть реле — якорь 4, который воздействует на исполнительный орган — контакты 5 и ярмо 3, на котором крепятся основные элементы. Действие реле заключается в следующем: при пропускании тока по катушке в сердечнике создается магнитный поток, направление которого определяется по правилу «буравчика». Вектор магнитного потока направлен по элементам — сердечник, воздушный зазор, якорь, ярмо. Под действием магнитного потока сердечник намагничивается, притягивается якорь, который воздействует на переключающиеся (общие) контакты. Состояние реле, при котором якорь притягивается, называется возбуждением или срабатыванием. При выключении тока в катушке исчезает магнитный поток, якорь под действием собственного веса и под действием реакции контактных пружин возвращается в исходное состояние. Возвращение якоря в исходное состояние называется обесточиванием (отпусканием) реле. Состояние реле записывается символами: реле возбуждено — Т или 1; реле обесточено — I или 0.

Реле железнодорожной автоматики классифицируются по ряду признаков:

• по принципу действия реле подразделяются на электромагнитные, в основу действия которых положен принцип работы электромагнита; индукционные (двухэлементные), работающие от переменного тока, принцип которых основан на взаимодействии сдвинутых по фазе переменных магнитных потоков элементов с токами, индуцированными в подвижном алюминиевом секторе; электротермические, действие которых основано на расширении тел при нагревании; в электротермических реле используют биметаллические пластины, изгибающиеся при нагревании и замыкающие контакты с другим линейным расширением;
• по надежности действия реле подразделяются на реле первого класса и низшие классы. К реле первого класса надежности относят реле, у которых при выключении тока в обмотках обеспечивается 100%-ное отпускание якоря под действием собственного веса. Реле 1 класса выпускаются в защитном кожухе и устанавливаются в релейных шкафах или на стативах релейных помещений; реле первого класса без кожуха устанавливаются в блоках электрической и горочной централизации. Реле этого класса обладают дополнительными свойствами, обеспечивающими высокую надежность:
  • несвариваемость фронтовых контактов с общими контактами; фронтовые контакты изготавливаются из графито-серебряного композита, остальные контакты из серебра;
  • надежное контактное нажатие на фронтовые контакты составляет 0,3 Н (30 гс), на тыловые — 0,15 Н (15 гс);
  • межконтактное расстояние должно быть не менее 1,3 мм;
  • наличие антимагнитного штифта на якоре, исключающего залипание якоря при выключении тока из-за явления остаточной индукции;
  • исключение неодновременного переключения контактов;
  • реле первого класса используются в ответственных схемах без использования дополнительного контроля отпускания якоря.

У реле низших классов отпускание якоря при выключении тока обеспечивается под действием реакции контактных пружин. Эти реле не используются в ответственных схемах, непосредственно обеспечивающих безопасность движения поездов. При использовании этих реле в ответственных схемах действие по переключению контактов проверяется дополнительно схемным путем;

• по роду питающего тока реле делятся на реле постоянного и переменного тока. Реле постоянного тока подразделяют на нейтральные, поляризованные и комбинированные; реле переменного тока являются только индукционными;
• по времени срабатывания реле делят на быстродействующие с временем срабатывания на притяжение и отпускание якоря до 0,03 с; нормальнодействующие с временем срабатывания 0,03—0,3 с; медленнодействующие с временем срабатывания 0,3—1,5 с; временные с временем срабатывания более 1,5 с;
• по конструкции реле подразделяют на большие, малогабаритные, реле типа РЭЛ. Промышленностью выпущено четвертого поколения реле. К первому поколению относят реле с подключением в схему под гайку или с разборным болтовым подключением. Ко второму поколению относят большие штепсельные и нештепсельные реле. К реле третьего поколения относят малогабаритные реле, а к реле четвертого поколения — реле РЭЛ. Кроме контактных реле, широкое распространение получила бесконтактная аппаратура: реле, датчики, генераторы, приемники, бесконтактные трансмиттеры и др.;
• по способу включения в электрическую схему реле делят на штепсельные, нештепсельные (монтажные провода припаиваются к выводам контактов реле) и с болтовым соединением монтажных проводов (разборное соединение).

Маркировка реле. Все реле автоматики и телемеханики имеют специальную маркировку, состоящую из букв и цифр, занимающих определенное место в обозначении, однако система обозначений выдерживается не для всех типов реле.

Первая буква или сочетание двух букв указывают на принцип действия реле; вторая буква указывает на конструкцию реле (малогабаритные), у больших и автоблокировочных реле эта буква отсутствует. Например, первые буквы обозначают: Н — нейтральное, П — поляризованное, К — комбинированное, И — импульсное, СК — самоудерживающее комбинированное, ДС — двухэлементное секторное, А — автоблокировочное, В — с выпрямителем, Т — с термоэлементом, Ш — штепсельное, Р — с разборным болтовым соединением, М — малогабаритное, вторая буква М — медленнодействующее.

Аббревиатуры некоторых реле можно расшифровать так: НМШ — нейтральное малогабаритное штепсельное; НМПШ — нейтральное малогабаритное пусковое штепсельное; ИМВШ — импульсное малогабаритное с выпрямителем штепсельное; НМШМ — нейтральное малогабаритное штепсельное медленнодействующее; ДСШ — двухэлементное секторное штепсельное.

После буквенного обозначения указываются цифры. Если после букв стоит цифра 1 — это означает, что реле имеет 8 групп (8 фт) контактов; в каждую группу входит 1 фронтовой, 1 перекидной (общий, осевой, подвижный) и 1 тыловой контакт. Цифра 2 означает, что реле имеет 4 группы контактов 4 фт. Цифра 3 означает, что реле имеет 2 полных группы контактов 2 фт и 2 группы 2 ф, состоящие из фронтового и перекидного контактов. Цифра 4 означает, что реле имеет 4 полных группы контактов 4 фт и 4 неполных группы 4 ф, состоящих из фронтовых и перекидных контактов. Цифра 5 означает, что контактная система реле состоит из двух полных групп контактов 2 фт и двух неполных групп контактов 2 т, состоящих из перекидного и тылового.

Последнее число в обозначении реле указывает на величину сопротивления обмоток при их последовательном соединении. Если реле имеет обмотки с разной величиной сопротивления, то их обозначение записывается дробью АОШ2-180/0,45.

Особенности обозначения реле с разборным болтовым подключением: цифра 1 означает наличие 6 групп контактов, цифра 2 и цифра 3 — наличие 2 групп контактов.

Реле автоматики и телемеханики, применяемые в электрических схемах, имеют условные графические обозначения, которые приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Наименование реле	Условные обозначения
1. Нейтральные реле постоянного тока
Общее обозначение
С двумя раздельными обмотками
С двумя параллельно соединенными обмотками
С нагревательным элементом
С выпрямительным элементом
С замедлением на отпускание
С замедление при срабатывании
2. Поляризованные реле постоянного тока
Нормального действия
С преобладанием полярности
С выпрямительным элементом
3. Комбинированные реле постоянного тока
Нормального действия
С замедлением при отпускании нейтрального якоря
С самоудержанием нейтрального якоря при смене полярности
4. С магнитной системой, реагирующей на ток одной полярности
Нормального действия

Наименование реле	Условные обозначения
7. Реле кодовые
Общее обозначение (цифрой внутри указывается активное сопротивление обмотки)
С двумя раздельными обмотками
Обладающие остаточным намагничиванием
С замедлением при отпускании
С замедлением при срабатывании
С замедлением при срабатывании и отпускании

Магнитная система реле. К магнитной системе реле предъявляются жесткие требования, которые заключаются в следующем. Для изготовления магнитных систем реле используются магнитомягкие материалы (низкоуглеродистая сталь марки Э), которые обладают высокой относительной проницаемостью, малой коэрцитивной силой, большим удельным электрическим сопротивлением для уменьшения потерь на вихревые токи, хорошей способностью сохранения магнитных свойств.

Наличие остаточной индукции (намагничивания) ухудшает стабильность параметров, снижает коэффициент возврата, увеличивает время отпускания якоря, что может привести к залипанию якоря. Для исключения залипания на якоре установлен антимагнитный штифт из бронзы, обеспечивающий минимальный зазор между якорем и сердечником.

Элементы магнитных систем реле переменного тока изготавливают из отдельных пластин электротехнической стали толщиной 0,35—0,5 мм. Постоянные магниты выполняют из магнитотвердых материалов (альникосплав, содержащий алюминий, никель, кобальт).

Электрические и механические характеристики реле. Каждое реле имеет два состояния — рабочее (возбужденное) и нерабочее (обесточенное) состояние. В рабочем состоянии реле возбуждено, якорь притянут, замкнуты фронтовые контакты реле. Напряжение и ток, при которых якорь реле надежно притянут до упора, замкнуты фронтовые контакты реле, называют напряжением (?/_прит) и током (/_прит) притяжения или срабатывания (U_cpaб), (/_сраб)- Напряжение и ток, при которых происходит отпускание якоря и замыкание тыловых контактов называют напряжением и током отпускания (U_OTn) (/_отп). Отношение напряжения (тока) отпускания к напряжению (току) притяжения характеризует коэффициент возврата реле:

Для реле устройств СЦБ коэффициент возврата реле находится в пределах 0,25—0,5. Номинальное напряжение на реле, работающих в схемах станционных устройств в основном составляет 24 В, перегонных — 12 В. Электрические характеристики тесно связаны с механическими характеристиками реле.

Работа реле в основном определяется тяговой и механической характеристиками. Тяговая характеристика выражает зависимость электромагнитного усилия от величины воздушного зазора между якорем и сердечником. Усилие при уменьшении воздушного зазора непрерывно возрастает, так как с уменьшением воздушного зазора увеличивается магнитный поток и падает сопротивление магнитной цепи.

Механическая характеристика выражает зависимость противодействующего усилия от размера зазора между якорем и сердечником. Механическая характеристика зависит от типа и конструкции реле. Реле сработает в том случае, если тяговая характеристика будет выше механической, т.е. величина противодействующего усилия будет меньше магнитного усилия.

Контактная система реле. В устройствах СЦБ находят применение следующие виды контактов, которые используются в контактных группах разного типа реле, их условные графические обозначения приведены в табл. 1.2 и 1.3.

Таблица 1.2

Тип контактов	Состояние контактов
	без тока	под током
Контакты нейтрального якоря:
замыкающий (фронтовой Ф)
размыкающий (тыловой, Т)
переключающий
Усиленные контакты:
замыкающий
размыкающий
переключающий
переключающий с магнитным гашением
переключающий с безобрыв- ным переключением

Условные обозначения контактов реле с поляризованной системой показаны в табл. 1.3.

Контактная система нейтральных реле рассчитана на переключение электричеких цепей постоянного тока при нагрузке 2 А. Использование контактов реле в цепях значительной мощности требует мощной защиты от эрозии, поэтому в таких цепях применяют усиленные контакты из металлокерамических сплавов с увеличенным межконтактным расстоянием, большим контактным нажатием и магнитным дугогашением. В электрических схемах контакты

Тип контактов	Полярность тока
	прямая	обратная
Контакты поляризованного якоря поляризованного или комбинированного реле:
переключающий
переключающий с магнитным гашением дуги
переключающий усиленный

реле имеют цифровое обозначение: фронтовые контакты обозначаются цифрой 2, перекидные — цифрой 1, тыловые — цифрой 3.

Фронтовой, перекидной и тыловой контакты образуют группу (тройник). Максимальное количество контактных групп — 8.

Кроме типа контакта в обозначении указывается номер группы: например, пятая группа контактов состоит из фронтового контакта 52, перекидного — 51 и тылового — 53. Для контактов поляризованной системы введено трехзначное обозначение — первая цифра указывает на тип системы, вторая номер группы, третья тип контакта. Например: 122; 121; 123. Срок службы реле определяет контактная система, работающая на переключение электрических цепей. К основным параметрам контактов относятся — переходное сопротивление, контактное нажатие, межконтактное расстояние, температура нагрева и коммутируемая мощность.

Переходное сопротивление должно быть незначительным для уменьшения выделяемой тепловой энергии контактного перехода, поэтому контакты выполняют из материалов, обладающих низким сопротивлением — серебра, золота, платины, некоторых сплавов, графито-серебряных и металлокерамических композитов. По техническим условиям величины переходного сопротивления контактов составляют: 7?_псрсх (серебро-серебро) — 0,03 Ом; /?_псрсх (графито-серебряная композиция-серебро) — 0,25 Ом; /?_перех (металлокерамических контактов) — 0,15 Ом.

Контакты должны соприкасаться друг с другом с определенным нажатием. Величина усилия контактного нажатия на фронтовые контакты должна составлять 0,3 Н (30 гс); на тыловые — 0,15 Н (15 гс). Межконтактное расстояние должно обеспечивать надежное размыкание и составлять для большинства реле 1,3 мм. Для усиленных контактов расстояние может увеличиваться до 5—7 мм. Температура нагрева контактов не должна превышать 100 °С. Повышение температуры нагрева может привести к разрушению контакта из-за увеличения переходного сопротивления и большой величины выделяемой тепловой энергии.

Контактная система реле работает на переключение электрических цепей постоянного тока напряжением 12 В и 24 В при максимальном токе в цепи 2 А. При переключении цепей переменного тока напряжением 220 В величина тока, пропускаемого через контакт, должна быть не более 0,5 А. Через усиленные контакты можно пропустить ток 15 А при напряжении 220 В переменного тока.

Эрозия контактов. Самым неблагоприятным режимом работы контактов является размыкание электрической цепи постоянного тока. В момент размыкания цепи нажатие на контактах уменьшается, что приводит к увеличению сопротивления перехода, при этом ток в цепи практически остается неизменным. Напряжение и мощность, выделяемые на переходе, резко возрастают, выделяется значительное количество тепловой энергии, материал контакта плавится, между размыкающимися контактами появляется жидкий мостик, который при дальнейшем размыкании сопровождается разрядом и появлением искры. Искрение вызывает эрозию контактов, т.е. перенос металла с одного контакта на другой, происходит изменение формы контакта (на одном контакте появляется кратер, а на другом нарост, появляется возможность сваривания контактов). Для уменьшения искрообразования контакты изготавливают из тугоплавких металлов. Для каждого типа материала контактов существуют значения напряжения и тока, при превышении которых загорается дуга. Для большинства реле дуга загорается при напряжении 300 В.

Для уменьшения эрозии контактов используют конструктивные и схемные способы искрогашения. К конструктивным методам ис- крогашения относят применение тугоплавких металлов для изготовления контактов, использование особых форм контактов, увеличенное межконтактное расстояние до 5—7 мм, магнитное дутье. Уменьшение искры схемным способом достигается включением параллельно контакту или обмотке реле элементов: резистора, конденсатора, диода, варистора (рис. 1.2).

Защита контактов от эрозии включением резистора параллельно контакту или нагрузке (рис. 1.2, а) происходит следующим образом: при размыкании контакта К уменьшающийся во времени ток (как бы становится переменным) наводит в катушке ЭДС самоиндукции и ток, препятствующий уменьшению основного тока. Цепь обратного тока будет замыкаться не через увеличивающееся сопротивление размыкающегося контактного перехода, а через резистор. Однако необходимо сопротивление резистора подобрать так, чтобы напряжение на контакте не превышало 300 В. Для расчета воспользуемся формулой

где U_K — напряжение на контакте;

U_n — напряжение питания;

R — сопротивление обмотки реле (нагрузки);

г — сопротивление искрогасящего резистора.

Для подбора сопротивления искрогасящего резистора необходимо воспользоваться формулой

Рассмотрим схему защиты при шунтировании контакта К или обмотки реле конденсатором (рис. 1.2. б, е). В этом случае цепь тока ЭДС самоиндукции будет замыкаться не через увеличивающееся сопротивление размыкающегося контакта, а через конденсатор и энергия расходуется на заряд конденсатора. Однако эта схема имеет следующий недостаток: при последующем замыкании контакта К заряжается конденсатор С через незначительное сопротивление замкнутого контакта, что может привести к пробою конденсатора. Для исключения этого явления в цепь конденсатора устанавливают последовательно резистор, ограничивающий ток заряда конденсатора (рис. 1.2. в, ж). Величины значений элементов определяют методом подбора. Для схем СЦБ величину значения емкости конденсатора С берут равной 0,25 мкФ, а сопротивление резистора г — 30—200 Ом.

При включении параллельно контакту или нагрузке варистора (нелинейного сопротивления) в момент размыкания контакта К напряжение на сопротивлении перехода резко увеличивается, а со-

Рис. 1.2. Схемы защиты контактов реле от эрозии

противление варистора уменьшается и цепь тока, вызванного ЭДС самоиндукции, замыкается через варистор (рис. 1.2, г, з).

При включении цепи, состоящей из резистора и диода (рис. 1.2, и), эффект искрогашения аналогичен рис. 1.2, з. Диод включают по отношению к источнику тока во встречном направлении, его обратное сопротивление велико. При размыкании контакта К возникающая ЭДС самоиндукции имеет обратное направление и ток замыкается через диод.

Методы изменения временных параметров реле. В ряде случаев для выполнения схемных зависимостей требуется замедление на отпускание или притяжение якоря реле. Используют два способа изменения временных параметров реле — конструктивный и схемный.

К конструктивному способу изменения временных параметров относится использование медной гильзы и медных шпуль. Медная гильза — короткозамкнутый виток — устанавливается на месте первой катушки и в зависимости от массы гильзы может обеспечить замедление на отпускание якоря у реле НМШМ до 0,6 с, у реле АНШМ до 0,9 с; при установке медной шпули — до 0,2 с.

Действие медной гильзы по изменению временных параметров следующее.

При выключении питания катушки в сердечнике создается изменяющееся во времени магнитное поле, которое наводит в медной гильзе ЭДС, и в замкнутой цепи витка протекает ток, который, в свою очередь, создает магнитный поток, направленный на поддержание убывающего магнитного потока катушки, создавая замедление на отпускание якоря. При включении тока в катушку магнитный поток короткозамкнутого витка будет направлен навстречу нарастающему потоку, создаваемому током катушки, обеспечивая замедление на притяжение якоря.

Применение короткозамкнутой обмотки. Действие коротко- замкнутой обмотки (рис. 1.3, а) аналогично действию короткозамкнутого витка, который создает замедление на притяжение и отпускание якоря. Схема (рис. 1.3, б) обеспечивает замедление только на отпускание якоря, так как при включении тока вторая обмотка отключена фронтовым контактом собственного реле. Схема (рис. 1.3, в) обеспечивает замедление на притяжение якоря, так как тыловым контактом реле в цепь включена вторая катушка, которая выполняет функцию короткозамкнутого витка при включении тока. Использование короткозамкнутой обмотки обеспечивает замедление на отпускание якоря примерно 0,2 с.

Рис. 1.3. Схемные методы изменения временных параметров реле

Роль короткозамкнутого витка (рис. 1.3, г) может выполнять рабочая обмотка. При включении резистора параллельно обмотке (рис. 1.3, д) роль короткозамкнутого витка выполняет рабочая катушка. В схеме (рис. 1.3, е) параллельно катушке включена цепь с конденсатором и резистором. Эта схема имеет замедление на притяжение и отпускание якоря. В момент включения питания уменьшается величина тока, протекающего по рабочей обмотке, тем самым уменьшается величина магнитного потока и якорь притягивается с замедлением. При выключении тока конденсатор С разряжается на обмотку реле, увеличивая время на отпускание якоря. При включении второго резистора последовательно с обмоткой реле (рис. 1.3, ж) достигается замедление на отпускание и притяжение якоря.

Для получения замедления до одной минуты используют схему (рис. 1.3, з), действие которой следующее: при включении питания конденсатор С быстро заряжается через малое сопротивление резистора R1 и диод VD. При выключении тока конденсатор С разряжается на обмотку реле через резистор R2 с большим сопротивлением, следовательно, увеличивается время на отпускание якоря реле.

Схема (рис. 1.3, и) применяется для получения значительных замедлений (в системах переездной сигнализации и др.). В этом случае используют реле НМШТ с термоэлементом и вспомогательное нейтральное реле В. Это реле имеет группу биметаллических контактов, не связанную с его электромагнитной системой, на общем контакте группы установлен нагревательный элемент. При нагревании общий контакт изменяет свое состояние и замыкает контакт, имеющий меньшее линейное расширение. При замыкании контакта К создается цепь питания реле В. Фронтовыми контактами реле В замыкается цепь питания нагрева термоэлемента, нагрев которого находится в пределах 4—18 с. После нагрева он замыкает контакт 51-52 и включает обмотку реле НМШТ, которое, замыкая фронтовой контакт 61-62, обеспечивает отключение питания нагревательного элемента. Реле В отключается от питания контактом 51-52 термоэлемента. Остывание нагревательного элемента происходит за 5—7 мин. Затем схему снова можно использовать.

Контрольные вопросы

1. Назовите входные величины релейного элемента.
2. Дайте определение контактного реле.
3. Поясните принцип действия реле.
4. Поясните, какие требования предъявляются к реле первого класса надежности.
5. Дайте классификацию реле по конструкции.
6. Дайте классификацию реле по времени срабатывания.
7. Дайте классификацию реле по способу включения в электрическую схему.
8. Поясните, что означают цифры в условном обозначении реле.
9. Назовите электрические характеристики реле.
10. Назовите механические характеристики реле.
11. Поясните, что означает «срабатывание реле».
12. Назовите цифровое обозначение контактов нейтрального якоря.
13. Назовите цифровое обозначение контактов поляризованного якоря.
14. Назовите материалы для изготовления разного типа контактов.
15. Назовите величины переходного сопротивления контактного перехода.
16. Назовите величины межконтактного расстояния для разного типа контактов.
17. Поясните эрозию контактов.
18. Назовите способы защиты от эрозии.
19. Назовите схемные методы изменения временных параметров реле.

• 2014 Январь