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控制信號設備的信號繼電器      

福田光芳　信号通信技術研究部（信号　主任研究員）／翻譯：一期一會

簡介

信號設備是扮演一個防止列車與列車之間發生衝撞及控制列車間距，並引導列車沿著正確路線安全進入車站的角色。

為了列車行駛上的安全與穩定，信號設備必須具備安全性與可靠性兩個層面。換言之，信號設備是在一般正常的情況之下發揮正常的控制功能；在信號設備發生故障之時，皆具有安全保護措施的機制。像這樣的在信號設備發生故障的時候，將其控制導致安全側的措施的機制，稱之為「失效安全」或「故障保險」

信號設備的控制方式，自古以來都是以繼電器為主下去設計的。雖然近年來，大量導入以電腦控制信號設備的方式，但即便使用電腦控制系統，仍少不了繼電器的使用，即使是電腦控制的信號設備系統這樣的技術，繼電器仍是扮演著相當重要的角色。

信號繼電器

繼電器是根據輸入的信號源(電力、光源等)，將輸出部電氣迴路的開關做切換的動作。在此僅介紹信號控制系統中最廣泛運用的電磁繼電器。電磁繼電器是一種透過輸入電力使電磁石產生勵磁作用，透過電磁石的力量以機械式的方式將接點產生開閉的一種繼電器。

電磁式繼電器分為由ON側接點(導通狀態)構成及OFF接點構成的兩種狀態。

信號繼電器也是同理，輸入迴路和輸出迴路成絕緣狀態，容易達到「故障保險性」的原因之下，採用電磁式繼電器。

用於一般弱電迴路的繼電器，通常體積並不大，而信號繼電器使用上常為如圖2般外型碩大的繼電器。圖2的繼電器稱之為插入型繼電器，從底部盤的地方插入螺桿後鎖上可完成安裝的動作。

繼電器安裝通常以如圖2的方向(橫向)直接於端子插入座插入後安裝。信號繼電器發揮了信號機指示燈ON、OFF般之現場設備對應的開關的作用，同時也扮演了信號設備是如何形成動作原理的角色。

繼電器也能衍生一套理論，或許有點難以想像，但繼電器透過各種控制條件及記憶時素狀態等功用，也是可以組成一套複雜又龐大的控制理論的!

只是，繼電器組成的各種條件之下仍以最基礎的ON、OFF功能為主體，小型車站的連動裝置(電氣轉轍器、信號機對策安全上的控制)也是如此，需要使用到大量的信號繼電器，只要一設置好前進路線的指令，繼電器便會喀喀喀……開始運作。

表1 依功能來區分信號繼電器的分類

表2 依用途來區分信號繼電器的分類

表1、表2介紹了常見的信號繼電器的種類，而軌道繼電器的功能與其它繼電器有些微的不同。於一般的信號繼電器電器迴路中加入電源(ON與OFF)，可以使繼電器的接點產生閉合的動作，軌道繼電器如圖4，電流一旦流經鐵軌在流回來產生的迴路，其電流可以使繼電器接點產生閉合的作用。這種可以偵測軌道上有沒有列車行駛的功能結構，稱之為軌道迴路。列車不在軌道迴路範圍上時，電流會流經軌道繼電器使軌道繼電器程ON(導通)的狀態；然而，列車若行駛在軌道迴路的範圍之上時，由於列車的輪軸使鐵軌兩端產生短路現象致使電流無法流經軌道繼電器，此時軌道繼電器呈OFF(斷開)狀態。這種構造的設計，可以偵測判斷軌道上是否有列車行經。

軌道繼電器分為直流與交流兩種種類，一般而言，交流軌道繼電器較為廣泛運用。交流的軌道繼電器是少數可以透過兩種不同電源都能產生動作的繼電器。

像圖4這樣電源直接輸入至軌道繼電器的方式稱之為局部側；由軌道輸入至軌道繼電器的方式稱之為軌道側。用二元方程式方式，將圖5稱做葉輪的扇形鋁板穿裝一個軸柱，形成一可以迴轉的構造。這是個軸柱一旦轉動可使接點切換成ON或OFF的設計。葉輪的兩側裝有電磁石。各種電磁石電流可以流經與剛才所述不同的兩種類電源。根據兩種不同電源的相位差與電磁石的形狀，葉輪的渦電流發生變化產生迴轉力量，接點成ON狀態。某一處的電源切斷、相位超出範圍域之外，葉輪轉動的力量將會減弱，受到重力的影響，葉輪會復歸初始狀態，此時接點成OFF狀態。

為了達到使葉輪動作，大半的能源由局部側供給，軌道側只要能供應輸入微小的電流即可，此種動作原理可以使得軌道迴路的壽命長久的優點。

失效安全

為了確保列車運行的安全，當信號裝置發生故障時，該裝置需能轉換到安全測的狀態。例如:即使信號機控制裝置發生故障，也能顯示停止使列車安全的停下來。像這樣的性直稱作為「失效安全」或「故障保險」。「失效安全」是由非常多的方式來達成的，以前的例子，將球用電線吊起來，位於高處時為進行；位於低處時為停止作用。若將電線剪斷使球落下，從駕駛司機的位置可以看到「停止」的信號，使列車得以安全停止。這樣的例子是透過利用重力來達成「失效安全」的作法。

一般普通的繼電器故障時會停留在ON或OFF其中一側，而信號繼電器若發生故障或是電源被切斷，有非常高的機率可以確保接點停在OFF側的特性。OFF側的故障與ON側的故障率有極大的懸殊，像這樣的特性稱作為非對稱錯誤特性。利用此種特性構成了繼電器發生故障時可以回歸OFF狀態的電器迴路，像這樣可以於故障時控制接點切換至安全側的OFF側，該裝置則達到安全失效的功能。

上述所提到的球與繩子的構造，利用重力來達到失效安全的功能。信號繼電器也是有異曲同工之妙，是當信號繼電器發生故障時或者電源被切斷時，將接點動作至OFF側的構造。

分析信號繼電器故障的種類，故障時無法切換到OFF側的原因，主要有以下幾種案例:1、ON側的接點因熔接的緣故，使得接點無法分離2、軸與接點等因機械力而變得無法分離開來。關於第一點，熔接是因為接點群間通過的電流造成接點與接點之間黏在一起無法分離的現象。而在接點容易受到熔接影響的繼電器的接點群使用不受熔接影響(不容易熔接的材質)。

以上兩點都是共同的，當街點位於OFF側時，ON側的乖離力會增大，避免上述兩點的狀況發生。為了免除上述兩點狀況，需要使用乖離力，然而產生乖離力的方法分別為使用彈簧的做法(圖一)以及使用重力的方法(圖五)兩種方式。

採用彈簧方法的情況之下，如果彈簧因動作產生的磨損、損耗的話，會造成安全失效措施上的一定程度影響，因此乖離力若是使用彈簧方式來增加，則需選擇可靠性極強材質的彈簧。

可靠性

與安全失效性並驅重要的可靠性，除了在安全失效所列到的故障原因外，還考慮到接點間阻抗變大的現象及線圈斷線等問題點。接點組抗變大的原因，是由於接點氧化模的現象或動作消耗的緣故所造成的。與熔接的解決問題點一樣，使用不易受氧化模以及消耗影響的材質，使接點之間能達到最佳的接觸導通。

根據材質的不同，也有不能使用高電流流經的材質，或是電流太小造成接觸阻抗變大的現象等等，請使用最適切的電流值來操作。除此之外，信號繼電器還有具避雷功能的強大設計，當雷擊的的高壓電通過其電線線路亦能安然無恙。

電腦系統等容易因雷擊造成系統損毀、故障。而信號繼電器因未使用過電壓低的半導體元件，接點間的開合是以機械式的動作方式，可以說是有著高絕緣性質不容易受到雷擊的衝擊的影響。現今最新的電腦控制系統設備，仍須針對雷擊防範措施做各種對應的防範措施；而使用信號繼電器的設備，僅需要採較簡易的防範措施即可。

信號繼電器的構造設計上，可說是完整十足的呈現出功能上的可靠性。

總結

信號繼電器，是針對安全失效性及可靠性不斷精進提升的產物。單一一個信號繼電器甚麼功能都達不到，但是將眾多信號繼電器結合再一起使用，可以達到列車安全行駛的機能。信號繼電器雖不如現今最新的電腦系統控制來的高度精密，但在失效安全性及可靠性程度上，可以說是從古至今扮演著最為穩定可靠的列車運行的重要角色。

2019.5.23