道岔融雪系统电加热元件分时复用模块设计实现

天津铁路信号有限责任公司 杨 怡

我国北方的大部分地区在进入冬季后，铁路运输系统经常受到冰雪天气困扰，如不及时清扫道岔积雪或清扫不彻底，会造成道岔尖轨尖端与基本轨不密贴或道岔冰冻，将造成铁路运输晚点、停运，甚至成为铁路运输安全的隐患。目前，铁路上普遍使用电加热道岔融雪系统，采用电加热元件安装在道岔前部的钢轨上，对钢轨进行加热，实现融雪、除冰的目的。

1 问题的提出

根据对长沙电务段走访，已上道的道岔融雪系统电加热元件长度不够，无法对尖轨根部位置进行加热，在环境温度0℃～-5℃的雪天，尖轨根部存在夹冰现象。为解决以上问题，需在尖轨根部位置再增加一定长度的电加热元件。但是，现场融雪变压器容量已经饱和，用户希望尽量在不增加变压器容量和供电设备的基础上，满足为新增电加热元件供电的要求。

2 解决思路

2.1 思路提出

基于以上情况，考虑在减少现场施工量，节约成本，不增加电气控制柜和变压器容量，额定功率不变的情况下，设计分时复用模块，对既有电加热元件及新增电加热元件进行分时加热，以此方式满足现场实际需求。

2.2 设计需求

（1）模块在-40℃～+70℃环境温度下正常工作；（2）模块输出电流最大40A；（3）模块可实现两组电加热元件分时加热需求；（4）模块分时加热的时间可调；（5）模块分时控制占空比1:1；（6）模块可满足不同功率电加热元件的分时复用加热。

2.3 方案设计思路

通过555时基电路提供一个稳定可调的时基频率，为后面的数字电路提供可靠稳定的时钟信号。数字电路采用可逆计数器进行计数，待计数达到预定时间后，为分频器发送时钟信号，分频器进行2位的循环进位输出，输出的数字信号驱动一个前置的光耦（隔离控制信号和后置可控硅），光耦驱动可控硅。以此实现2路电加热元件的分时加热。

具体原理如下：

（1）555时基电路（反馈型振荡器电路）

555时基电路如图1所示。此电路为数字电路提供稳定可靠的时基频率。所提供的频率由W1、R2以及C6决定。

图1 555时基电路

计算公式如下：

T1（充电时间）= 0.7(W1+R2)×C6

T2（放电时间）=0.7R2×C6

F（振荡频率）=1.4（W1+2R2）×C6

由以上计算公式可看出，此电路输出的占空比由W1和R2决定，W1和R2阻值越悬殊，占空比越趋近于50%，而频率由三者决定。

（2）100s内可逆计数器电路

100s内可逆计数器电路如图2所示。当U4可逆计数器的DN管脚输入一定频率矩形时钟信号时，U4会从9开始逆计数，直到变为0时，开始向TCD进位到U5的DN管脚，U5也开始从9～0逆计数，直到一个循环后，U5再向TCD进位，此时，U6分频器的时钟管脚接收到信号后，开始分频移位（从Q0～Q1），直到移位到Q2时，Q2立即给U6复位端进行复位，U6进行下一个周期的移位，以此往复。

图2 可逆计数器电路

此电路实现了每计数100s，Q0和Q1进行一次转换。Q2为输出高电平时，U6复位，Q0输出高电平。

（3）可控硅电路

可控硅电路如图3所示,此电路采用光耦来驱动可控硅。光耦本身具有过零触发特性，在控制端低电平时，控制端导通，光耦会自动检测负载的电压。光耦作为交流开关，满足负载较大的交流场合。可控硅最大输出电流40A，峰值电压600V，工作温度-40℃～+125℃。可控硅为双向可控硅，栅极触发电流500mA，在1管脚和3管脚之间并一个电阻R13，用来防止误触发。R14和C17组成一个RC电路并联在电路中，用于衰减交流信号中的高频尖峰信号，防止尖峰信号流入光耦，损坏器件。在可控硅的后级加交流互感器，对导通时的电流进行采集，通过发光二极管指示。

图3 可控硅电路

3 PCB设计

如图4所示，分时复用板卡设计大小：长×宽×高=108mm×76mm×30mm。

图4 分时复用板卡

考虑到可控硅的散热，将机壳底部设计为锯齿状散热片，将可控硅L方式折角，焊接时，散热面贴合底部散热片。

板卡设计4个密封接头，分别用于模块供电、负载输入、两路分时复用负载输出端。

板卡侧面外漏5个发光二极管，分别是DC5V、4个可控硅负载电流采集指示灯。

4 测试验证

在环境温度0℃、-10℃、25℃时，用分时复用模块控制两组电加热元件进行交替加热试验。

4.1 设置不同分时加热时间，分析电加热元件及钢轨温度变化情况

在环境温度0℃、-10℃时，用分时复用模块控制两组密贴钢轨的电加热元件进行交替加热试验。两组电加热元件均为500W。分时复用时长分别设置30s、120s，通过温度巡检仪记录电加热元件温度变化。

环境温度0℃时，设置30s分时加热时间，2组电加热元件的温度变化曲线如图5所示。

图5 0℃时30s分时加热温度变化曲线

环境温度0℃时，设置120s分时加热时间，2组电加热元件的温度变化曲线如图6所示。

图6 0℃时120s分时加热温度变化曲线

环境温度-10℃时，设置30s分时加热时间，2组电加热元件的温度变化曲线如图7所示。

图7 -10℃时30s分时加热温度变化曲线

环境温度-10℃时，设置120s分时加热时间，2组电加热元件的温度变化曲线如图8所示。

图8 -10℃时120s分时加热温度变化曲线

根据试验数据分析：（1）当环境温度一定，分时加热时间越短，电加热元件温度波动范围越小，影响到钢轨的温度越平稳。优点：钢轨的温度变化比较稳定。缺点：钢轨的温度上升较慢。（2）当环境温度一定，分时加热时间越长，电加热元件温度波动范围越大，影响到钢轨的温度波动越大。优点：加热开始阶段，电加热元件温升高，影响到钢轨温升快。缺点：钢轨的温度波动较大。

4.2 设置不同分时加热时间，分析电加热元件电流及可控硅温度变化情况

环境温度25℃时，用分时复用模块控制两组电加热元件进行交替加热试验。第一组电加热元件为2650W、2000W，第二组电加热元件为1200W、1200W。分时复用时长分别设置10s、120s进行加热，通过温度巡检仪记录电加热元件温度变化，通过点温仪记录可控硅发热变化，通过电流表实时监测各路电流变化情况。表1为设置10s分时加热时长的试验数据。

表1 25℃时10s分时加热数据

表2为设置120s分时加热时长的试验数据。

表2 25℃时120s分时加热数据

根据试验数据分析：分时复用时长设置越短，可控硅工作产生的热量较少，不会使可控硅表面温度达到最高值（110℃以上），不会造成通态电流IT1-T2下降。因此，分时复用时长设置为20～30s较为理想。

结束语：在现场融雪变压器容量已经基本饱和，并且用户要求不再增加融雪设备及供电设备的情况下，通过分时复用模块实现了电加热元件分时交替加热道岔尖轨根部的需求，达到了道岔尖轨部位融雪除冰的目的，保证了道岔的正常转换；同时，此方法安装方便，减少现场施工量，节约成本，省时高效，可以在现场融雪系统扩容方面得到广泛应用。