鐵路電子25Hz電源模塊主備切換故障分析與改進(jìn)措施

摘要

我國鐵路25Hz相敏軌道電路使用的電源，已由采用高頻逆變技術(shù)的電子電源模塊替代了原“田”字型鐵磁變頻器。其主要優(yōu)點是電源穩(wěn)壓精度高、諧波含量低、頻率穩(wěn)定、相位控制好，并且體積小、重量輕、易于更換。但是， 由于高頻開關(guān)電源技術(shù)難度大、生產(chǎn)工藝復(fù)雜，導(dǎo)致電源模塊可靠性降低。因此為了確保軌道電路可靠工作，提高行車安全性，電子25HZ電源模塊均采用熱備冗余方式，當(dāng)主用模塊故障后自動切換至備用模塊，由備用模塊輸出，保證繼續(xù)給負(fù)載供電。但由于切換電路沒有自身故障檢測，而模塊的故障報警接點由電源主電路部分給出，因此在實際使用過程中，出現(xiàn)備用模塊的切換電路異常卻無法給出報警，或切換電路的電源輸入線斷開卻無法識別，這些都會導(dǎo)致主用模塊故障后不能轉(zhuǎn)換至備用模塊輸出，導(dǎo)致負(fù)載斷電。

這些問題鐵道電源專家中電華星的工程師都多次碰到過，謹(jǐn)以此文與大家共同探討目前鐵路上使用的電子25HZ電源模塊主、備切換中存在的各種隱患及原因，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 目前使用的電子25Hz電源模塊主、備切換電路介紹

目前使用的鐵路電子25HZ電源模塊主、備切換的電路原理如圖1所示。

具體電路的功能如下。

1)主電路輸出引入到熱備切換電路的電壓先進(jìn)行整流降壓，把高的交流電壓變成小信號直流電壓，方便控制電路使用，原理如圖2所示。

由圖2可知，互感器二次側(cè)電流為I2=VSENSE/R3因為采用全橋整流，再考慮整流二極管的壓降，可近似認(rèn)為VSENSE≈U2。

互感器一次側(cè)電壓：

互感器二次側(cè)電壓：

其中：U為軌道電壓，K'為為T的一次、二次的電流比，K為T的一次、二次線圈比。

通過以上關(guān)系可得出VSENSE[K+K'(R1+R2)/R3]=U，所以輸出電壓取樣值將隨輸入電壓U成比例變化。

2)把整定后的電壓信號進(jìn)行過、欠壓檢測，并且把電壓信號與電流信號綜合比較，進(jìn)行短路判斷，同時給出一個控制主備轉(zhuǎn)換的互鎖信號，原理如圖3所示。

3)利用軌道與局部的控制轉(zhuǎn)換接點進(jìn)行主備模塊轉(zhuǎn)換控制，其原理如圖4所示。

工作原理：若軌道、局部的主備轉(zhuǎn)換控制接點均閉合(表示軌道或局部側(cè)主電路正常)，把這兩個控制接點串聯(lián)，輸出信號通過兩級比較器后輸出高電平，控制互鎖繼電器K1動作，此模塊作為主用模塊工作， 同時模塊互鎖發(fā)送信號給出一個閉合接點信號給備用模塊，使備用模塊的J3的3、4短接(如圖4所示)，這樣即使備用模塊的軌道、局部的主備轉(zhuǎn)換控制接點也均閉合，但通過J3短接的Vcc電源直接給第二個比較器(如圖4所示)，使比較器輸出低電平，K1繼電器無法吸起，因此只能作為備用模塊工作。若主用模塊軌道、局部的主備轉(zhuǎn)換控制接點有任何一個斷開(表示軌道或局部側(cè)主電路異常)，則圖4中第一個比較器將輸出高電平，第二個比較器輸出低電平，K1繼電器釋放，其互鎖發(fā)送信號斷開，原備用模塊將可以正常輸出，完成主備轉(zhuǎn)換。

模塊故障與否的信號則分別在軌道和局部主電路上各自進(jìn)行檢測，不在切換電路中檢測，因此電源模塊給出的模塊狀態(tài)信號僅是軌道與局部的主電路是否正常的信號，而主電路輸出至切換電路的部分并沒有進(jìn)行有效檢測。

2 切換故障隱患分析

通過對切換電路的工作原理進(jìn)行分析可得出這種電路在實際使用中存在如下各種隱患。

1)備用模塊的軌道與局部主電路均正常，但從軌道或局部主電路輸出到切換電路的連線有脫落時，由于模塊的狀態(tài)信號是由主電路輸出電壓判斷，因此備用模塊仍是顯示正常狀態(tài)，不能給出故障預(yù)警信息，此時若主用模塊故障， 自動切換到備用模塊，但備用模塊也沒有電壓輸出，導(dǎo)致負(fù)載設(shè)備斷電。

2)備用模塊主電路正常，切換電路出現(xiàn)故障，此時備用模塊也無法給出故障預(yù)警信號，會出現(xiàn)與1)相同故障模式。

3)主用模塊主電路正常，但切換電路發(fā)生故障使模塊切換到備用模塊帶載工作，但此時主用模塊仍顯示為正常，不能給出切換電路故障的報警信號，無法得到及時維修。在備用模塊發(fā)生故障時，無法轉(zhuǎn)回主模塊供電，造成全部輸出中斷，影響信號系統(tǒng)正常工作。

以上均是電子25HZ電源模塊在實際使用中出現(xiàn)過的故障現(xiàn)象，造成軌道電路紅光帶，如果能夠使模塊無論是切換電路還是主電路出現(xiàn)故障時都能及時給出故障信號，則可以提前將故障模塊維修，避免全部輸出斷電的隱患。

3 切換電路的改進(jìn)措施

根據(jù)電子25HZ電源模塊的工作原理，中電華星的鐵道電源團(tuán)隊提出以下改進(jìn)方案有效解決此隱患。

改進(jìn)方案：無論是主電路到切換電路的連接線脫落，還是切換電路出現(xiàn)故障，都是由于模塊無法同時進(jìn)行有效監(jiān)督造成的。如果將模塊原主電路的故障檢測放置在切換電路中，同時加入對切換電路的檢測，這樣既檢測了主電路，又檢測了切換電路。具體方法是將主電路的軌道與局部電壓引入到切換電路后，再進(jìn)行電壓取樣檢測，然后給出模塊的工作狀態(tài)信號，同時進(jìn)行切換控制，這樣就有效的避免原電路缺陷，其原理如圖5所示。

具體電路的功能如下。

1)仍按原電路先進(jìn)行軌道與局部的主電路電壓進(jìn)行取樣。

2)把整定后的電壓信號進(jìn)行過欠壓檢測，并且把電壓信號與電流信號綜合比較，進(jìn)行短路判斷，同時給出一個控制主備轉(zhuǎn)換的互鎖信號和一個軌道或局部輸出電壓是否正常的開關(guān)量信號。此開關(guān)量信號既檢測了軌道或局部的主板輸出電壓，也檢測了主板輸出電壓是否正確接人到切換電路中，無論是軌道或局部輸出過壓、欠壓，還是主電路到切換電路的接線是否正常，都可以保證主用模塊切換到備用模塊工作。同時也保證了負(fù)載短路時，電源模塊不發(fā)生主、備切換，僅給出報警信號。同樣如果備用模塊出現(xiàn)故障，則會給出故障預(yù)報警信號，其具體原理如圖6所示。

3)采用原工作原理，利用軌道與局部的控制轉(zhuǎn)換接點進(jìn)行主備模塊轉(zhuǎn)換控制。

模塊故障與否的信號則分別從此切換電路中的故障報警接點給出，由于接進(jìn)切換電路的軌道與局部電壓都已經(jīng)被有效檢測，因此模塊均能及時給出故障報警信號，防止了上述3種隱患故障的發(fā)生。

4 結(jié)語

據(jù)中電華星鐵道電源團(tuán)隊介紹，通過以上設(shè)計改進(jìn)并經(jīng)過測試驗證，無論模塊作為主用還是備用，都可以對其主板輸出電壓及切換電路是否正常進(jìn)行有效檢測，避免了原切換電路存在的故障隱患，提高了電源屏系統(tǒng)可靠性。更多電源解決方案詳詢中電華星。