鐵路電子25Hz電源模塊主備切換故障分析與改進措施

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的電子電源模塊替代了原“田”字型鐵磁變頻器。其主要優點是電源穩壓精度高、諧波含量低、頻率穩定、相位控制好，并且體積小、重量輕、易于更換。但是， 由于高頻開關電源技術難度大、生產工藝復雜，導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，保證繼續給負載供電。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，這些都會導致主用模塊故障后不能轉換至備用模塊輸出，導致負載斷電。

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，并提出相應的改進措施。

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，可近似認為VSENSE≈U2。

互感器一次側電壓：

互感器二次側電壓：

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行過、欠壓檢測，并且把電壓信號與電流信號綜合比較，進行短路判斷，同時給出一個控制主備轉換的互鎖信號，原理如圖3所示。

3)利用軌道與局部的控制轉換接點進行主備模塊轉換控制，其原理如圖4所示。

工作原理：若軌道、局部的主備轉換控制接點均閉合(表示軌道或局部側主電路正常)，把這兩個控制接點串聯，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、局部的主備轉換控制接點有任何一個斷開(表示軌道或局部側主電路異常)，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，其互鎖發送信號斷開，原備用模塊將可以正常輸出，完成主備轉換。

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，不能給出故障預警信息，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，導致負載設備斷電。

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

3)主用模塊主電路正常，但切換電路發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。在備用模塊發生故障時，無法轉回主模塊供電，造成全部輸出中斷，影響信號系統正常工作。

以上均是電子25HZ電源模塊在實際使用中出現過的故障現象，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 切換電路的改進措施

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

改進方案：無論是主電路到切換電路的連接線脫落，還是切換電路出現故障，都是由于模塊無法同時進行有效監督造成的。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，再進行電壓取樣檢測，然后給出模塊的工作狀態信號，同時進行切換控制，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)仍按原電路先進行軌道與局部的主電路電壓進行取樣。

2)把整定后的電壓信號進行過欠壓檢測，并且把電壓信號與電流信號綜合比較，進行短路判斷，同時給出一個控制主備轉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量信號。此開關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。同時也保證了負載短路時，電源模塊不發生主、備切換，僅給出報警信號。同樣如果備用模塊出現故障，則會給出故障預報警信號，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換接點進行主備模塊轉換控制。

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，由于接進切換電路的軌道與局部電壓都已經被有效檢測，因此模塊均能及時給出故障報警信號，防止了上述3種隱患故障的發生。

4 結語

據中電華星鐵道電源團隊介紹，通過以上設計改進并經過測試驗證，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，提高了電源屏系統可靠性。更多電源解決方案詳詢中電華星。