智能電源屏模塊時序問題分析與對策

鮑軍銀

（中國鐵路上海局集團有限公司合肥電務段，合肥 230000）

隨著國內鐵路建設的高速發展，信號電源設備也發生著巨變。由原來的干式變壓器變壓方式改為高頻數字變壓方式，自身增加了監測等功能，出現了具有模塊化、智能化、網絡化、高效率、高可靠性、便于維護等特點的鐵路信號智能電源屏。但近年來，在鐵路信號智能電源屏實際運用過程中，發生了一些影響其穩定性運用的問題。本文通過現場實際案例，對其原理進行分析，特別是對模塊時序問題導致故障進行深入分析，提出日常維護和應急處理的建議措施。

1 電源屏的工作原理

鐵路信號智能電源屏的組成按功能分主要包括配電、模塊、防雷、監測等幾大部分。

電源屏由外電網輸入兩路市電，經輸入配電后進入電源模塊進行穩壓及變換處理。處理后的電壓再經過適當的轉換，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。

在系統工作過程中監測模塊始終對系統各參數進行監控，如有異常即發出警報。當發生雷電危害時，防雷單元泄放過大的電流，保護電源設備。

1.1 系統輸入

為保證電源屏可靠供電，鐵路行業規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小于150 ms，且模塊不掉電。Y型切換中設置了主、副路優先上電及無優先級上電方式，可以適應不同的電網環境，保證設備正常工作。

1.2 模塊切換

電源模塊切換基于DSP控制技術，采用DSP芯片調節輸出，避免模塊內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，還具備故障監測、定位功能。

交流模塊的工作方式為1+1備份方式，即一臺模塊工作一臺模塊備份，兩臺模塊通過模塊內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11:54，合武線桃花店站信號點燈電源1、信號點燈電源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，信號點燈電源 1、2由電源屏 4 DHXD-SH1-1和 DHXDSH1-2模塊供電，兩個模塊互為主備熱備份。對應原理如圖1、2所示。

2）查看電源屏工作狀態及告警記錄及解析

技術人員到達現場后，電源屏正常工作，各模塊工作正常，輸出電壓正常，監控當前無異常告警，查看歷史告警記錄并解析如下（按時間先后順序排列）。

圖2 信號點燈電源1、2電源輸出原理Fig.2 Schematic diagram of power supply output of signals power supply 1 and 2

根據電源屏歷史告警記錄，當天電源屏第一次告警發生在上午10:41，結束時間為中午12:39，告警內容為“DHXD-SH1-3，通訊中斷”。電務段現場工作人員在信號集中監測上看到告警后下站巡視，發現電源屏4 DHXD-SH1-3模塊正常，沒有告警，發生告警的原因為模塊與電源屏監控之間的通訊問題。

第二條和第三條電源屏告警發生在上午11:24:58，結束時間為11:25:29，告警內容分別為“DHXD-SH1-5：通訊中斷” “DHXD-SH1-6：通訊中斷”。在此告警發生期間負載沒有發生斷電，監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11:54:07～11:56:26，監控單元告警DHXD-SH1-1和DHXD-SH1-2模塊保護和故障，11:54:11～11:54:33監控單元告信號點燈電源1、2輸出斷，斷電時間22 s。現場實際這兩路電源在這個時間段也發生斷電，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時間內相繼發生保護和故障，導致信號點燈電源1、2電源同時輸出中斷。22 s以內負載恢復正常供電。

3）模塊更換

下午14:30將信號點燈電源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：

0712008B02130034101868（對應現場DHXDSH1-1 模塊） ；

0712008B02130034101869（對應現場DHXDSH1-2模塊）。

模塊返回工廠后，首先對模塊進行切換實驗。為模擬現場發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。經過反復切換，現場故障復現，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，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上述故障現象。

為分析原因，對模塊輸出電壓及備用模塊的輸出電流進行檢測。測試波形如圖3所示，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3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，期間還出現一個瞬時的短路電流，峰值約30 A。

圖3 電源模塊輸出電流測試波形Fig.3 Test waveform of output current of power supply module

根據故障現象對主模塊的驅動信號（4D8電壓）進行測試，發現繼電器驅動電源電壓偏低，標稱12 V的電壓實際測量只有約8 V且紋波較大。如圖4所示。

圖4 驅動電路原理Fig.4 Schematic diagram of driving circuit

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98.6 μF和87.6 μF（標稱容量為220 μF±20%）。這兩個元器件容量衰減度達到55.2%和60.2%，該電容的衰減導致模塊內部輔助電源紋波較大，電壓降低。如圖5所示。

圖5 電容測試數據Fig.5 Capacitance test data

最后測量主模塊輔助電源V3的文波波形，文波噪聲異常增大，文波噪聲的增大導致主模塊的封鎖信號HS1不穩定，且存在偶發失效的情況。致使主模塊錯誤閉合輸出繼電器，主備模塊輸出對頂短路。主模塊輔助電源波形如圖6所示。

圖6 主模塊輔助電源波形Fig.6 Waveform of auxiliary power supply of main module

2）測試結果分析

主模塊（DHXD-SH1-2模塊）內部的輔助電源濾波電解電容2C4和2C5容量衰減，導致模塊內部輔助電源紋波較大，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。

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）內部的電解電容存在老化問題，導致模塊內部控制電源電壓偏低，切換過程中控制電路出現短暫誤開機信號，導致主備模塊輸出發生對頂短路，輸出出現短暫中斷。

后續措施及建議如下。

1）對此類電源屏進行全面排查，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，從而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監控S系列模塊告警的反應時間計算

C2監控與S系列模塊的通訊方式為RS-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通訊。監控依次對每個模塊發送4～5個命令，模塊依次回復。平均每收發一個命令需要250 ms左右。因此監控對每個模塊輪詢一次所需要的時間為1.25 s左右，因此C2監控S系列模塊告警的反應時間由模塊的個數以及每個模塊通訊板回復的及時性所決定。如果一套監控同時采集40個模塊，其中一個模塊出現故障告警，最快時間1 s以內（此時監控正輪詢到此模塊）可以上傳到電源屏監控單元，監控上此模塊告警恢復最慢需要50 s左右，上傳到監控。如果模塊實際發生此告警的時間為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

目前鐵路電源屏使用主要分成兩種采集方式：

第一種是2014年之前上道的電源屏，普遍通過電源模塊輸出電壓和電流的比對配置，進行采集。

第二種是2014年之后上道的電源屏，多通過FM模塊集方式采集，每一個FM模塊最多可采集16路負載的電壓和電流。可以采集每一路負載的電壓和電流，模塊的通訊數據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實現。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 常規故障的處理步驟

智能電源屏常規故障處理一般步驟如下。

第一步，查看告警內容。系統出現故障時，一般會有聲光告警：故障燈亮，蜂鳴器告警；監控單元故障燈亮，蜂鳴器告警。查看系統監控單元的告警內容，根據告警內容便可以確認故障范圍。電源模塊發生故障時，一般還可以根據模塊面板上的狀態指示燈大致判斷模塊的故障內容。

第二步，根據故障內容，對故障進行核實。

第三步，故障檢修。根據故障內容和實際情況，積極地消除故障隱患，保證設備的安全運行。

第四步，記錄故障系統編號、故障部件編號、故障現象，填寫維修單據。

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）系統輸出故障

系統的所有輸出中，相同的電源可以通過沒有占用的輸出端子緊急輸出，如AC220 V道岔表示電源可用沒有占用的AC220 V信號集中監測電源代替，50 Hz電源可以臨時通過不穩壓備用端子輸出。

4 結束語

智能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，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，對于日常維修尤其重要。