Развитие релейной аппаратуры железнодорожной автоматики и телемеханики

Реле́ от французского слова relais — электромеханическое устройство (переключатель), предназначенное для коммутации электрических цепей при заданных изменениях электрических или неэлектрических входных величин. Созданию первого реле предшествовало изобретение 1824 года. Англичанин В.Старджен разработал электромагнитное устройство, преобразующее входной электрический ток проволочной катушки, намотанной на железный сердечник, в магнитное поле, образующееся внутри и вне этого сердечника. Магнитное поле фиксировалось своим воздействием на ферромагнитный материал, расположенный вблизи сердечника. Этот материал притягивался к сердечнику электромагнита. В 1825 году в Лондоне за это изобретатель получил серебряную медаль Британского Королевского общества искусств. [2]

Впоследствии эффект преобразования энергии электрического тока в механическую энергию лег в основу различных электромеханических устройств электросвязи, телеграфии и телефонии, электротехники, электроэнергетики. Одним из первых таких устройств было электромагнитное реле, изобретенное американцем Джозефом Генри в 1831 году. Следует отметить, что первое реле было не коммутационным, а первое коммутационное реле изобретено американцем Бризом Морзе в 1837 году которое впоследствии он использовал в телеграфном аппарате.

Движение поездов на железных дорогах России в 20-е годы прошлого столетия осуществлялось по средствам телефонной связи и электрожезловой системы. Эти устройства не могли в полной мере обеспечить нужную пропускную способность на железных дорогах. Нужны были принципиально новые устройства. Используя важное свойство реле, возможность дистанционного управления различными объектами с помощью достаточно небольших токов и напряжений с середины тридцатых годов в России начинается массовое строительство систем сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ) управляющих движением поездов на основе реле. [1]

Наиболее распространенными приборами в системах железнодорожной автоматики и телемеханики по настоящее время являются именно реле, при помощи которых осуществляются процессы автоматического управления, регулирования и контроля движения поездов, выполняются зависимости, необходимые для обеспечения безопасности движения поездов. На железных дорогах нашей страны находятся в эксплуатации десятки миллионов реле.

Реле железнодорожной автоматики и телемеханики, выпускаемые электротехническими заводами, по надежности действия являются приборами первого класса. Основные части современного электромагнитного реле это электромагнит, якорь и переключатель. Электромагнит представляет собой электрический провод, намотанный на катушку с сердечником из магнитного материала. Якорь — пластина из магнитного материала, через толкатель управляющая контактами. При пропускании электрического тока через обмотку электромагнита возникающее магнитное поле притягивает к сердечнику якорь, который через толкатель смещает, и тем самым переключает контакты. Переключатели могут быть замыкающими, размыкающими, переключающими.[3, с.4]

К реле I класса надежности относятся реле, для которых не требуется дополнительный схемный контроль отпускания якоря или дублирование в электрических схемах, у которых возврат якоря при выключении тока в обмотках обеспечивается с максимальной гарантией и осуществляется под действием собственного веса якоря.

Реле I класса надежности обладают такими дополнительными свойствами, обеспечивающими высокую надежность их действия как несвариваемость фронтовых контактов, замыкающих наиболее ответственные цепи при включенном состоянии реле. Для этого фронтовые контакты изготовляют из графита с примесью серебра, а остальные контакты — из серебра. Исключение залипания якоря при выключении тока в обмотках реле обеспечивается наличием антимагнитных штифтов на якоре.

Реле I класса надежности применяют в аппаратуре СЦБ, обеспечивающей безопасность движения поездов, поэтому предъявляются особые требования к выполнению ремонта реле и тщательному соблюдению при этом технических условий.

В настоящее время на железных дорогах находятся в эксплуатации реле I класса надежности четырех поколений: реле группы HP, НШ, НМШ и РЭЛ. Все эти реле предназначены для установки как на стативах, так и в релейных шкафах. На их основе строятся рабочие и контрольные цепи управления светофорами и стрелками, рельсовые цепи, а также логические схемы, непосредственно обеспечивающие безопасность движения поездов. [3, с.5]

Реле группы НР первого поколения нештепсельные. Реле имеют стеклянный кожух, предохраняющий его от механических повреждений и проникновения пыли и влаги. Для включения в электрические схемы контакты реле выводятся на наружные болты с гайками, расположенные на верхней бакелитовой плате. Реле имеет две крупные наружные катушки. Каждая обмотка реле намотана на шпулю, изготовленную из пластмассы, пропитана битумом и сверху покрыта хлопчатобумажной лентой. Это реле не надежно, поэтому нашло ограниченное применение. [4, с. 502]

В период с 1954 по1955 год начато серийное производство штепсельных реле второго поколения группы НШ. Наименование типа реле состоит из букв, обозначающих конструктивный тип реле и временные его характеристики, и цифр, показывающих число кон­тактных групп и сопротивление катушек реле. По роду управляющего тока штепсельные реле разделяются на реле постоянного, переменного и постоянного и переменного тока. Это реле имеет большие размеры и массу. Конструкция реле НШ не сильно отличается по конструкции от реле НР, только катушки теперь были размещены под общим колпаком реле, а подключение стало штепсельным облегчающее замену реле в эксплуатационных условиях. Это реле также нашло ограниченное применение в устройствах СЦБ. [4, с. 421]

Реле модернизировались все последующие годы. Качественным прорывом стало изобретение малогабаритных реле третьего поколения группы НМШ. Малогабаритные реле нашли самое широкое применение в устройствах железнодорожной автоматики и телемеханики.

Их серийное производство начато в 1959 году. Они изготовляются двух видов штепсельные в индивидуальном колпаке для установки на стативах и в релейных шкафах, а также нештепсельные открытые для установки в релейных блоках. По электрическим и механическим характеристикам реле штепсельного типа и соответственно реле нештепсельного типа аналогичны. В отличие от реле НР и НШ, по роду управляющего тока малогабаритные реле разделяются только на реле постоянного и переменного токов. Катушки реле НМШ намотаны на шпули, изготовленные из фенопласта, а не из пластмассы, как у реле НШ. [4, с. 305]

В начале 80-х годов освоено производство новых разновидностей электромагнитных реле четвёртого поколения, входящих в комплекс новой релейной элементной базы систем железнодорожной автоматики и телемеханики. Они обладают важными техническими и эксплуатационными преимуществами по сравнению с реле НШ и НМШ второго и третьего поколений. Реле четвёртого поколения группы РЭЛ удовлетворяют всем требованиям, предъявляемым к приборам 1-го класса, предназначенным для обеспечения безопасности движения поездов. Электромагнитные реле имеют такую надежность действия, что не требуется дополнительный схемный контроль отпускания якоря или дублирование контактов в электрических схемах. Конструкция реле исключает возможность замыкания фронтового контакта при сваривании в аварийных случаях тылового и подвижного контактов. Новое реле так же не допускает несрабатывание при снятии напряжения с обмоток (залипание якоря, механические заклинивания, затирания). Реле четвёртого поколения имеет две независимые обмотки, каждая из которых размещена на двух катушках, расположенных на разных сердечниках.

Впервые в конструкции реле для железнодорожной автоматики и телемеханики предусмотрена избирательность реле с помощью специальной планки избирательности с целью исключения ошибочной установки реле одного типа вместо другого.

Несмотря на уменьшение размеров контактов, за счет изменения конструкции крепления грузов и других подвижных элементов реле увеличены коммутационный ресурс и виброустойчивость, уменьшен дребезг контактов.

Реле четвёртого поколения занимают на стативе в 1,7 раза меньшую площадь, в 2 раза уменьшен его объем, в 1,5 раза снижена масса реле по сравнению с малогабаритными реле НМШ, сокращен расход пластмасс и цветных металлов, в том числе серебра. Повышена надежность штепсельного соединения реле с розеткой, стабильность его электрических и механических параметров. [4, с. 253]

С 2002 года при проектировании устройств железнодорожной автоматики и телемеханики вместо первых реле типа РЭЛ применяются модернизированные. При модернизации реле типа РЭЛ были изменены схема магнитопровода реле и конструкция обмоток реле – реле имеют неразветвлённую магнитную систему с одним сердечником вместо двух и двумя катушками вместо четырёх. В модернизированных реле сокращён более чем в 1,8 раза расход обмоточного провода, в 1.4 раза расход электрической стали, в 1.2 раза вес реле, уменьшено в 2 раза количество паечных соединений, повышена их ремонтопригодность.

С целью высвобождения производственных мощностей для расширения производства современных реле объединённые электротехнические заводы автоматики и телемеханики ОАО "ЭЛТЕЗА" с 2010 года сняло с производства морально устаревшие первые реле группы РЭЛ(БН) и их разновидности. Потому как на данный момент времени значительно расширился ассортимент реле, произведена их модернизация, созданы новые поколения реле. Таким принципиально новым реле разработанным в 2011 году стало реле модернизированное электромагнитное нейтральное постоянного тока четвёртого поколения типа М. Модернизация предполагает повышение надёжности работы реле, сокращение расхода серебра, повышение технологичности его изготовления, сокращение затрат ручного труда при его изготовлении и последующей эксплуатации, и, как следствие, снижение себестоимости продукции.

В процессе модернизации был внесён целый ряд изменения в основные системы реле. Сборная стержневая магнитная система заменена на плоскую, с П-образным сердечником, выполненную из листового или спеченного композиционного материала. Узел подвеса якоря модернизирован с целью исключения вероятности его заклинивания.

В контактной системе в первую очередь модернизация коснулась узла крепления угольного контакта к фронтовым пружинам реле. Предполагается повышение надежности закрепления и снижение переходного сопротивления в узле и в паре с серебряными контактами. Так же в новом типе реле выполнена замена существующего контактного граффито - серебряного материала на новый более прочный композиционный материал.

Основными преимуществами современного реле М, по сравнению с аналогами, являются его высокая технологичность, меньшее количество деталей и материалоемкость, увеличенная долговечность контактных групп, хорошая видимость состояния контактов, доступ к их регулировке, сокращенный объем обслуживания. [5]

В последние годы всё более широкое применение получают реле, созданные на основе новых принципов действия. К ним относятся, например, герконовые, гибридные и другие реле, имеющие повышенную износостойкость по числу коммутаций, более высокое быстродействие, более полную конструктивную и параметрическую совместимость с интегральными микросхемами и другими элементами электронной техники применяемой в устройствах автоматики и телемеханики.

Необходимо также отметить, что современные реле с магнитной блокировкой позволяют резко уменьшать расход электроэнергии и снижать тепловые перегревы внутри блоков аппаратуры, что, в свою очередь, приводит к увеличению срока службы аппаратуры. Среди реле с магнитной блокировкой появились конструкции, имеющие встроенные контакты для отключения собственных обмоток управления, сигнализацию о положении якоря и другие особенности, расширяющие их функциональные возможности.

Несмотря на все более и более широкое применение микропроцессорной техники в системах железнодорожной автоматики и телемеханики и положительные перспективы ее развития в будущем реле СЦБ 1 класса надежности последнего поколения будут продолжать находиться в эксплуатации десятилетиями. Они выполняют важнейшую функцию обеспечение безопасности движения поездов, поэтому работы по дальнейшему совершенствованию реле являются актуальными и необходимыми.[3, с.5]

Литература:

1. Реле. wikipedia.org

2. История реле. Museumrza.ru

3. Сороко В.И. Реле железнодорожной автоматики и телемеханики. М.: НПФ «Планета», 2002.

4. Аппаратура железнодорожной автоматики и телемеханики. В.И. Сороко, Е.Н. Розенберг, 3-е издание, том 1.

5. Реле модернизированное электрокоммутационное типа Н: ntc-infotech.ru