智能電源屏模塊時(shí)序問題分析與對策

鮑軍銀 中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司合肥電務(wù)段

隨著我國鐵路建設(shè)的高速發(fā)展，信號電源設(shè)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(luò)化、高效率、高可靠性、便于維護(hù)等特點(diǎn)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(shí)際運(yùn)用過程中，發(fā)生了一些影響其穩(wěn)定性運(yùn)用的問題，本文通過現(xiàn)場實(shí)際案例，對其原理進(jìn)行分析，提出日常維護(hù)和應(yīng)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(jìn)入電源模塊進(jìn)行穩(wěn)壓及變換處理，處理后的電壓再經(jīng)過適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換變換為能直接為信號設(shè)備供電的潔凈電源，通過輸出端子為負(fù)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(jìn)行監(jiān)控，如有異常即發(fā)出警報(bào)。當(dāng)發(fā)生雷電危害時(shí)，防雷單元瀉放過大的電流，保護(hù)電源設(shè)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(yīng)當(dāng)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(dòng)切換時(shí)間要求＜150 ms，且模塊不掉電。Y型切換中設(shè)置了主、副路優(yōu)先上電及無優(yōu)先級上電方式，可以適應(yīng)不同的電網(wǎng)環(huán)境，保證設(shè)備正常工作。

1.2 模塊變換

DSP控制技術(shù)，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(shí)漂從而導(dǎo)致輸出的變化。同時(shí)還具有CAN通信技術(shù)、交流并聯(lián)技術(shù)等。在第二代模塊的基礎(chǔ)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(dòng)切換、切換時(shí)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(shí)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(fù)供電，期間影響客車一列次，停車時(shí)間10 min左右，電務(wù)段技術(shù)人員及電源屏廠家人員及時(shí)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(diǎn)燈電源1，2由電源屏4 DHXD-SH1-1和DHXD-SH1-2模塊供電，兩個(gè)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(shù)人員到達(dá)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(dāng)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(dāng)天電源屏第一次告警發(fā)生在上午10：41分結(jié)束時(shí)間為中午12點(diǎn)39分，告警內(nèi)容為“DHXD-SH1-3，通訊中斷”，電務(wù)段現(xiàn)場工作人員在微機(jī)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?yàn)槟K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(diǎn)24分58秒，結(jié)束時(shí)間為11點(diǎn)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(fù)載沒有發(fā)生斷電，監(jiān)控上也沒有對應(yīng)負(fù)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(diǎn)54分7秒至11點(diǎn)56分26秒，監(jiān)控單元告DHXD-SH1-1和DHXD-SH1-2模塊保護(hù)和故障，11點(diǎn)54分11秒至11點(diǎn)54分33秒監(jiān)控單元告信號電燈電源1，2輸出斷，斷電時(shí)間22 s，現(xiàn)場實(shí)際這兩路電源在這個(gè)時(shí)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(shí)間內(nèi)相繼發(fā)生保護(hù)和故障，導(dǎo)致信號電燈電源1，2電源同時(shí)輸出中斷。22 s以內(nèi)負(fù)載恢復(fù)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(yīng)工作的模塊DHXD-SH1-1和DHXD-SH1-2模塊更換，換下來的兩個(gè)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(jìn)行了切換實(shí)驗(yàn)，為了模擬現(xiàn)場發(fā)生故障前兩模塊的實(shí)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(fù)載進(jìn)行切換實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過反復(fù)切換，現(xiàn)場故障復(fù)現(xiàn)，切換過程中兩個(gè)模塊的保護(hù)燈亮，兩模塊顯示窗同時(shí)顯示”EEE”，主備模塊同時(shí)保護(hù)大約20 s左右，切換到備用模塊工作，擱置一段時(shí)間后，再次進(jìn)行切換還能復(fù)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(jìn)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(lán)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(shí)只堅(jiān)持了兩個(gè)波頭即中斷，期間還出現(xiàn)一個(gè)瞬時(shí)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(dòng)信號（4D8電壓）進(jìn)行了測試發(fā)現(xiàn)繼電器驅(qū)動(dòng)電源電壓偏低，標(biāo)稱12 V的電壓實(shí)際測量只有約8 V左右且紋波較大。見圖2。

圖2 驅(qū)動(dòng)電路原理圖

進(jìn)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(biāo)稱容量為220μF±20%）這兩個(gè)元器件容量衰減度達(dá)到55.2%和和60.2%，該電容的衰減導(dǎo)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(dǎo)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(cuò)誤閉合輸出繼電器，主備模塊輸出對頂短路。

（2）測試結(jié)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(dǎo)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(jī)信號。當(dāng)主模塊切換到備用模塊后，主模塊的繼電器因?yàn)殄e(cuò)誤的信號而吸合，導(dǎo)致主備模塊輸出對頂短路，兩個(gè)模塊均保護(hù)致輸出中斷。主備模塊短路打嗝20 s左右后，模塊進(jìn)行下一個(gè)短路回縮周期，此時(shí)主模塊檢測到誤開機(jī)信號消失，輸出繼電器斷開，自動(dòng)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(jié)論及改進(jìn)措施

此次故障的原因?yàn)橹髂K（DHXD-SH1-2模塊）內(nèi)部的電解電容存在老化問題，導(dǎo)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(jī)信號導(dǎo)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(shí)驗(yàn)工作。

（2）對運(yùn)行近10年的返廠模塊，進(jìn)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(shí)間問題

（1）C2監(jiān)控S系列模塊告警的反應(yīng)時(shí)間計(jì)算

C2監(jiān)控與S系列模塊的通訊方式為485通訊，每一個(gè)模塊都設(shè)有一個(gè)通訊地址，通過輪詢機(jī)制與每個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)通訊。監(jiān)控依次對每個(gè)模塊發(fā)送4到5個(gè)命令，模塊依次回復(fù)。平均每收發(fā)一個(gè)命令需要250 ms左右的時(shí)間。因此監(jiān)控對每個(gè)模塊輪詢一次所需要的時(shí)間為1.25 s左右的時(shí)間，因此C2監(jiān)控S系列模塊告警的反應(yīng)時(shí)間與模塊的個(gè)數(shù)以及每個(gè)模塊通訊板回復(fù)的及時(shí)性所決定，如果一套監(jiān)控同時(shí)采集40個(gè)模塊，其中一個(gè)模塊出現(xiàn)故障告警，最快時(shí)間1秒以內(nèi)（此時(shí)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(fù)最慢需要50 s左右，上傳到監(jiān)控，如果模塊實(shí)際發(fā)生此告警的時(shí)間為30 s，則此告警從開始到恢復(fù)的時(shí)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(shí)間延長，此告警時(shí)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(gè)FM模塊最多可采集16路負(fù)載的電壓和電流。可以采集每一路負(fù)載的電壓和電流，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(shí)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(jié)構(gòu)件，現(xiàn)場改造時(shí)間過長，改造風(fēng)險(xiǎn)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(shí)，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(rèn)故障范圍。電源模塊發(fā)生故障時(shí)，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(jìn)行核實(shí)。

第三步，故障檢修。根據(jù)故障內(nèi)容和實(shí)際情況，應(yīng)該積極地消除故障隱患，保證設(shè)備地安全運(yùn)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(dāng)某一型號的模塊主備全部故障而影響輸出時(shí)，如果有備份模塊則可以直接更換，如果沒有備份模塊，而機(jī)柜上有同一型號作為備份的其他模塊正常，可以臨時(shí)取下進(jìn)行更換。更換后地址碼按原模塊地址碼撥動(dòng)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(jī)監(jiān)測電源代替，50 Hz電源可以臨時(shí)通過不穩(wěn)壓備用端子輸出。

4 結(jié)束語

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