一种高速铁路地震预警系统地震继电器组合单元研究方案

一、概述

1.1、设计目标

地震继电器组合单元在高速铁路地震预警监测系统中扮演着执行控制的关键角色，其主要作用是在接收到地震预警信号后，迅速做出响应，通过控制相关电路的通断，实现对高速铁路设备的紧急控制，以保障列车运行安全。例如，当系统检测到地震并发出预警时，地震继电器组合单元能够立即切断列车的牵引供电，使列车失去动力，避免在地震时因动力驱动而发生脱轨等严重事故；同时，触发列车的制动装置，使列车尽快减速停车，降低地震对列车的影响。

1.2、设计需求

为了实现上述核心功能，地震继电器组合单元需满足多维度的严苛性能要求。首先，在响应速度方面，要求继电器能够在极短的时间内动作，从接收到预警信号到完成电路切换的完成时间不应大于 0.3s，确保列车能够在地震波到达前及时采取制动等措施。其次，在可靠性方面，该单元应具备高可靠性，能够在各种复杂的环境条件下稳定工作，平均无故障工作时间(MTBF)应达到 2×10⁴h ，以避免因继电器故障而导致预警系统失效。此外，还需具备良好的抗干扰能力，能够有效抵御电磁干扰、振动等外界因素的影响，确保在干扰环境下仍能准确执行控制指令。同时，地震继电器组合单元应与监控单元及其他相关系统具有良好的兼容性，能够实现无缝对接和协同工作。

二、地震继电器组合单元设计方案

2.1、继电器选型

在继电器选型过程中，对多种类型的继电器进行了深入分析。安全型继电器具有结构简单、安全可靠、控制方便等优点，其工作原理是利用电磁力的作用来控制触点的闭合和断开。当电磁线圈通电时，产生磁场，吸引衔铁使触点闭合，从而接通电路；断电时，磁场消失，衔铁在重力的作用下自动复位，触点断开，切断电路。固态继电器则具有无触点、开关速度快、寿命长、抗干扰能力强等优势，它是通过半导体器件来实现电路的通断控制。

经过综合考量，最终选用了 JWXC-1700 安全型继电器和 QSSRF-620DD 固态继电器的组合。选择安全型继电器的原因在于其能够承受较大的电流和电压，适合用于控制列车的牵引供电等大功率电路。例如，在切断列车牵引供电时，需要继电器能够可靠地断开高电压、大电流的电路，安全型继电器的触点容量和耐压能力能够满足这一要求。而固态继电器则用于对响应速度要求极高的控制电路，如触发列车制动装置。由于固态继电器的开关速度极快，能够在微秒级的时间内完成动作，满足了列车制动装置对快速响应的需求。同时，将两者结合使用，能够充分发挥各自的优势，提高地震继电器组合单元的整体性能。

2.2、电路设计

地震继电器组合单元的电路设计主要包括控制电路、驱动电路和信号反馈电路等部分。控制电路负责接收监控单元发送的地震预警信号，根据信号的指令控制继电器的动作。驱动电路则为继电器提供足够的驱动电流，使其能够可靠地动作。信号反馈电路用于将继电器的工作状态反馈给监控单元，以便监控单元实时了解地震继电器组合单元的状态。

在电路连接方式上，采用了模块化的设计理念，将不同功能的电路模块进行独立设计和封装，然后通过标准接口进行连接。这样不仅便于电路的调试和维护，还提高了电路的可靠性和可扩展性。例如，控制电路模块与驱动电路模块之间通过中间继电器进行隔离，避免了相互干扰。同时，在继电器的控制回路中，采用了硬件冗余设计，增加了备用继电器和备用控制线路，以提高系统的可靠性。当主继电器出现故障时，备用继电器能够立即投入工作，确保系统的正常运行。

在工作原理方面，当监控单元检测到地震并发出预警信号后，控制电路接收到信号，经过逻辑判断和处理，输出控制信号给驱动电路。驱动电路根据控制信号，为相应的继电器提供驱动电流，使继电器动作。例如，在切断列车牵引供电的控制过程中，控制电路输出控制信号给驱动电路，驱动电路驱动安全性电磁继电器动作，切断牵引供电电路。同时，信号反馈电路将安全性电磁继电器的动作状态反馈给监控单元，监控单元可以根据反馈信号判断牵引供电是否已成功切断。在触发列车制动装置时，控制电路输出控制信号给驱动电路，驱动固态继电器动作，触发制动装置。固态继电器的快速响应特性能够确保制动装置及时启动，使列车迅速减速停车。

根据工作原理及功能要求，电路逻辑关系应符合以下要求。

2.3、防护设计

为了防止电气化铁路对地震继电器组合单元的影响，采取多种防护措施。在硬件层面，对继电器组合单元进行了屏蔽设计，采用金属屏蔽外壳将整个单元封装起来并可靠接地，有效地阻挡了外部电磁干扰的侵入。同时，在电路输出端口增加了滤波电路，如采用 LC 滤波器对电源信号进行滤波，去除电源中的高频干扰成分，保证电源的稳定性。对输出端口同时增加防雷器，减少外部雷电经传输电缆给地震继电器组合电路的影响。

此外，需考虑振动和冲击对继电器的影响。为了提高继电器在振动和冲击环境下的可靠性，对继电器进行了加固安装，采用抗震支架和缓冲垫等措施，减少振动和冲击对继电器的作用力。同时，在继电器的选型上，选择了具有抗振性能的产品，确保在恶劣的振动和冲击环境下，继电器仍能正常工作。通过这些防护措施的实施，有效地提高了地震继电器组合单元的抗干扰能力和稳定性，确保其在复杂的运行环境下能够可靠地工作 。

三、测试与验证

3.1、电气性能测试

对地震继电器组合单元的电气性能进行了全面测试，主要测试项目包括继电器的动作电压、释放电压、触点接触电阻、绝缘电阻和耐压等参数。在动作电压测试中，逐渐增加继电器线圈的输入电压，观察继电器触点的动作情况，记录下继电器动作时的电压值。测试结果表明，继电器的动作电压在规定的范围内，能够可靠地动作。在释放电压测试中，逐渐降低继电器线圈的输入电压，观察继电器触点的释放情况，记录下继电器释放时的电压值，测试结果符合设计要求。

对于触点接触电阻的测试，使用专业的接触电阻测试仪，测量继电器触点闭合时的电阻值。测试结果显示，触点接触电阻较小，能够满足电路的导通要求，确保了信号的可靠传输。在绝缘电阻测试中，使用兆欧表测量继电器各引脚之间以及引脚与外壳之间的绝缘电阻。测试结果表明，绝缘电阻远大于规定的最小值，有效地防止了漏电和短路等问题的发生。耐压测试则是在继电器的引脚之间施加一定的电压，观察继电器是否能够承受该电压而不发生击穿或损坏。经过测试，继电器的耐压性能良好，能够满足实际应用中的电气安全要求。

3.2、联动测试

为了验证地震继电器组合单元与监控单元及其他相关系统的协同工作能力，进行了联动测试。在测试过程中，模拟地震发生的场景，通过监控单元发送地震预警信号给地震继电器组合单元。地震继电器组合单元接收到信号后，按照预设的控制逻辑，迅速控制相关继电器动作，实现对高速铁路设备的紧急控制。同时，观察监控单元是否能够准确接收到地震继电器组合单元反馈的工作状态信息。

四、结论

本设计方案所研发的地震继电器组合单元，在响应速度、可靠性、抗干扰能力及兼容性等方面均能达到预期目标，其能在 0.3s 内响应地震预警信号，完成切断牵引供电、触发制动装置等操作，保障列车安全。

选用安全型继电器与固态继电器组合，结合模块化、硬件冗余的电路设计，满足了高可靠性要求。金属屏蔽、滤波、防雷及抗震等防护措施，提升了其环境适应性。

电气性能与联动测试能够达到性能指标，可靠支持高铁地震预警系统运行，具有较高工程应用价值。

参考文献：

1.高速铁路地震预警监测系统技术条件---------QCR 635—2018

2.高速铁路地震预警监测系统试验方法---------QCR 634--2018