鮑軍銀 中國鐵路上海局集團有限公司合肥電務段

隨著我國鐵路建設的高速發(fā)展，信號電源設備也發(fā)生著巨變。由原來的干式變壓器變壓方式改為高頻數(shù)字變壓方式，出現(xiàn)了具有模塊化、智能化、網(wǎng)絡化、高效率、高可靠性、便于維護等特點的鐵路信號智能電源屏。但今年來，在鐵路信號智能電源屏實際運用過程中，發(fā)生了一些影響其穩(wěn)定性運用的問題，本文通過現(xiàn)場實際案例，對其原理進行分析，提出日常維護和應急處理的典型措施。

1 電源屏的工作原理

鐵路信號智能電源屏組成按功能分主要包括配電、模塊、防雷、監(jiān)測等幾大部分。

電源屏由外電網(wǎng)輸入兩路市電，經(jīng)輸入配電后進入電源模塊進行穩(wěn)壓及變換處理，處理后的電壓再經(jīng)過適當?shù)霓D(zhuǎn)換變換為能直接為信號設備供電的潔凈電源，通過輸出端子為負載供電。

在系統(tǒng)工作過程中監(jiān)測模塊始終對系統(tǒng)各參數(shù)進行監(jiān)控，如有異常即發(fā)出警報。當發(fā)生雷電危害時，防雷單元瀉放過大的電流，保護電源設備。

1.1 系統(tǒng)輸入

為保證電源屏可靠供電，鐵路行業(yè)規(guī)定電源屏輸入必須是兩路市電供電。每一路市電都應當為三相交流電，輸出方式為五線制。Y型切換方式即為兩路市電選擇其中市電滿足供電要求的一路市電供電，其自動切換時間要求＜150 ms，且模塊不掉電。Y型切換中設置了主、副路優(yōu)先上電及無優(yōu)先級上電方式，可以適應不同的電網(wǎng)環(huán)境，保證設備正常工作。

1.2 模塊變換

DSP控制技術，采用DSP芯片調(diào)節(jié)輸出，避免模塊內(nèi)部電子元器件自身帶來的溫漂、時漂從而導致輸出的變化。同時還具有CAN通信技術、交流并聯(lián)技術等。在第二代模塊的基礎上又增加了一些功能。體積更小、重量更輕、功率密度大、噪聲小，還具備故障監(jiān)測、定位功能。

交流模塊的工作方式：1+1備份方式：一臺模塊工作一臺模塊備份，兩臺模塊通過模塊內(nèi)的互鎖保證只有一臺模塊輸出。模塊采用無主切換方式，先上電的模塊工作有電壓電流顯示，后上電模塊備用。兩臺模塊可自動切換、切換時間小于150 ms，一般在40 ms左右。

2 典型故障分析

2.1 問題描述

2020年9月6日11時54分，合武線桃花店站“信號電燈電源1”，“信號電燈電源2”輸出瞬間斷電，斷電20 s左右恢復供電，期間影響客車一列次，停車時間10 min左右，電務段技術人員及電源屏廠家人員及時趕到現(xiàn)場排查故障原因。

2.2 處理過程

（1）查看電源屏圖紙

該站電源屏輸入為雙Y切換系統(tǒng)，信號點燈電源1，2由電源屏4 DHXD-SH1-1和DHXD-SH1-2模塊供電，兩個模塊互為主備熱備份。

（2）查看電源屏工作狀態(tài)及告警記錄及解析

技術人員到達現(xiàn)場后，電源屏正常工作，各模塊工作正常，輸出電壓正常，監(jiān)控當前無異常告警，查看歷史告警記錄。對電源屏歷史告警記錄解析如下：

當天電源屏第一次告警發(fā)生在上午10：41分結束時間為中午12點39分，告警內(nèi)容為“DHXD-SH1-3，通訊中斷”，電務段現(xiàn)場工作人員在微機監(jiān)測上看到告警后下站巡視，發(fā)現(xiàn)電源屏4 DHXD-SH1-3模塊正常，沒有告警，發(fā)生告警的原因為模塊與電源屏監(jiān)控之間通訊問題。

第二條和第三條電源屏告警發(fā)生在上午11點24分58秒，結束時間為11點25分29秒，告警內(nèi)容分別為“DHXDSH1-5：通訊中斷”，“DHXD-SH1-6：通訊中斷”在此告警發(fā)生期間負載沒有發(fā)生斷電，監(jiān)控上也沒有對應負載斷電的告警記錄，因此可以判定這次告警是模塊與電源屏之間的通訊問題，模塊均正常工作。

從上午11點54分7秒至11點56分26秒，監(jiān)控單元告DHXD-SH1-1和DHXD-SH1-2模塊保護和故障，11點54分11秒至11點54分33秒監(jiān)控單元告信號電燈電源1，2輸出斷，斷電時間22 s，現(xiàn)場實際這兩路電源在這個時間段也發(fā)生斷電，與告警記錄一致。

從告警記錄可以判斷為電源屏4 DHXD-SH1-1和DHXD-SH1-2模塊在1 s時間內(nèi)相繼發(fā)生保護和故障，導致信號電燈電源1，2電源同時輸出中斷。22 s以內(nèi)負載恢復正常供電。

（3）模塊更換

下午14：30分將信號電燈電源1，2電源對應工作的模塊DHXD-SH1-1和DHXD-SH1-2模塊更換，換下來的兩個模塊由電源屏廠家返回工廠分析。

2.3 原因分析

（1）模塊返廠測試

返回的模塊序列號分別為：

模塊返回工廠后，首先對模塊進行了切換實驗，為了模擬現(xiàn)場發(fā)生故障前兩模塊的實際工作情況，將DHXD-SH1-2模塊作為主模塊，DHXD-SH1-1模塊作為備用模塊，帶5 A的負載進行切換實驗，經(jīng)過反復切換，現(xiàn)場故障復現(xiàn)，切換過程中兩個模塊的保護燈亮，兩模塊顯示窗同時顯示”EEE”，主備模塊同時保護大約20 s左右，切換到備用模塊工作，擱置一段時間后，再次進行切換還能復現(xiàn)上述故障現(xiàn)象。

為了分析原因?qū)δK輸出電壓及備用模塊的輸出電流進行了檢測，測試波形如下：

通道CH1黃色波形為備用模塊的輸出電流，通道CH2藍色波形為主備模塊輸出電壓波形，從圖中可以看到主模塊切換到備用模塊時只堅持了兩個波頭即中斷，期間還出現(xiàn)一個瞬時的短路電流，峰值約30 A。見圖1。

圖1 電源模塊輸出電流測試波形

根據(jù)故障現(xiàn)象對主模塊的驅(qū)動信號（4D8電壓）進行了測試發(fā)現(xiàn)繼電器驅(qū)動電源電壓偏低，標稱12 V的電壓實際測量只有約8 V左右且紋波較大。見圖2。

圖2 驅(qū)動電路原理圖

進一步測量模塊輔助電源的電壓反饋回路的濾波電解電容2C5和2C4分別只有98.6μF和87.6μF（標稱容量為220μF±20%）這兩個元器件容量衰減度達到55.2%和和60.2%，該電容的衰減導致模塊內(nèi)部輔助電源文波較大，電壓降低。見圖3。

圖3 電壓反饋回路原理

最后測量主模塊輔助電源V3的文波波形，文波噪聲很大。文波噪聲的增大導致主模塊的封鎖信號HS1不穩(wěn)定且存在偶發(fā)失效的情況致使主模塊錯誤閉合輸出繼電器，主備模塊輸出對頂短路。

（2）測試結果分析

主模塊（DHXD-SH1-2模塊）內(nèi)部的輔助電源濾波電解電容2C4和2C5容量衰減，導致模塊內(nèi)部輔助電源文波較大，電壓降低。，致使模塊控制電路存在誤開機信號。當主模塊切換到備用模塊后，主模塊的繼電器因為錯誤的信號而吸合，導致主備模塊輸出對頂短路，兩個模塊均保護致輸出中斷。主備模塊短路打嗝20 s左右后，模塊進行下一個短路回縮周期，此時主模塊檢測到誤開機信號消失，輸出繼電器斷開，自動切到備用模塊工作。見圖4。

圖4 主模塊輔助電源原理

2.4 結論及改進措施

此次故障的原因為主模塊（DHXD-SH1-2模塊）內(nèi)部的電解電容存在老化問題，導致模塊內(nèi)部控制電源電壓偏低，切換過程中控制電路出現(xiàn)短暫誤開機信號導致主備模塊輸出發(fā)生對頂短路，輸出出現(xiàn)短暫中斷。后續(xù)措施建議如下：

（1）全面排查此類電源屏，做好模塊切換實驗工作。

（2）對運行近10年的返廠模塊，進行電容等元器件的衰減測試，對性能下降器件提前更換，提高模塊的使用壽命。

2.5 電源屏輸出采集及模塊通訊時間問題

（1）C2監(jiān)控S系列模塊告警的反應時間計算

C2監(jiān)控與S系列模塊的通訊方式為485通訊，每一個模塊都設有一個通訊地址，通過輪詢機制與每個模塊實現(xiàn)通訊。監(jiān)控依次對每個模塊發(fā)送4到5個命令，模塊依次回復。平均每收發(fā)一個命令需要250 ms左右的時間。因此監(jiān)控對每個模塊輪詢一次所需要的時間為1.25 s左右的時間，因此C2監(jiān)控S系列模塊告警的反應時間與模塊的個數(shù)以及每個模塊通訊板回復的及時性所決定，如果一套監(jiān)控同時采集40個模塊，其中一個模塊出現(xiàn)故障告警，最快時間1秒以內(nèi)（此時監(jiān)控正輪詢到此模塊）可以上傳到電源屏監(jiān)控單元，監(jiān)控上此模塊告警恢復最慢需要50 s左右，上傳到監(jiān)控，如果模塊實際發(fā)生此告警的時間為30 s，則此告警從開始到恢復的時間最大約為1+30+50=81 s（如果在輪詢通訊過程中有模塊通訊時間延長，此告警時間可能會相對延長）。

（2）電源屏輸出電壓采集方式。

通過電源模塊輸出電壓和電流來配置，2014年之前上道的電源屏多采用此類采集方式。此種采集方式通過FM模塊采集，2014年之后發(fā)貨的電源屏多采用此種采集方式，每一個FM模塊最多可采集16路負載的電壓和電流?？梢圆杉恳宦坟撦d的電壓和電流，此模塊的通訊數(shù)據(jù)傳輸速度要比第一種采集方式快。

第二種采集方式是在每一路輸出空開下端加電壓采集線和電流互感器來實現(xiàn)，如果要將第一種采集方式改成第二種采集方式。需要更換電源屏輸出插框等結構件，現(xiàn)場改造時間過長，改造風險很大，所以不建議改造。

3 日常維修及故障處理

3.1 電源屏故障處理一般步驟

第一步，查看告警內(nèi)容。系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，一般會有聲光告警：故障燈亮，蜂鳴器告警；監(jiān)控單元故障燈亮，蜂鳴器告警。查看系統(tǒng)監(jiān)控單元的告警內(nèi)容，根據(jù)告警內(nèi)容便可以確認故障范圍。電源模塊發(fā)生故障時，一般還可以根據(jù)模塊面板上的狀態(tài)指示燈大致判斷模塊的故障內(nèi)容。

第二步，根據(jù)故障內(nèi)容，對故障進行核實。

第三步，故障檢修。根據(jù)故障內(nèi)容和實際情況，應該積極地消除故障隱患，保證設備地安全運行。

第四步，記錄故障系統(tǒng)編號、故障部件編號、故障現(xiàn)象，填寫維修單據(jù)。

3.2 典型故障的處理步驟

（1）模塊故障

型號完全相同的模塊可以互換，當某一型號的模塊主備全部故障而影響輸出時，如果有備份模塊則可以直接更換，如果沒有備份模塊，而機柜上有同一型號作為備份的其他模塊正常，可以臨時取下進行更換。更換后地址碼按原模塊地址碼撥動即可。

（2）系統(tǒng)輸出故障

系統(tǒng)的所有輸出中，相同的電源可以通過沒有占用的輸出端子緊急輸出，如220 VAC道岔表示電源可用沒有占用的220 VAC微機監(jiān)測電源代替，50 Hz電源可以臨時通過不穩(wěn)壓備用端子輸出。

4 結束語

電源屏作為信號設備的心臟設備，故障影響絕非道岔、軌道電路等單項設備故障可比擬的，因此如何做好信號設備智能電源屏的日常維護和故障應急處置對運輸生產(chǎn)工作十分重要，針對典型案例進行分析并制定針對性的措施對于日常維修是尤其重要的。