铁路电子25Hz电源模块主备切换故障分析与改进

铁路电子25Hz电源模块主备切换故障分析与改进

摘要

目前，我国铁路25 Hz相敏轨道电路使用的电源，已逐渐由采用高频逆变技术的电子电源模块替代了原“田”字型铁磁变频器。其主要优点是电源稳压精度高、谐波含量低、频率稳定、相位控制好，并且体积小、重量轻、易于更换。但是， 由于高频开关电源技术难度大、生产工艺复杂，导致电源模块可靠性降低。因此为了确保轨道电路可靠工作，提高行车安全性，电子25 HZ电源模块均采用热备冗余方式，当主用模块故障后自动切换至备用模块，由备用模块输出，保证继续给负载供电。但由于切换电路没有自身故障检测，而模块的故障报警接点由电源主电路部分给出，因此在实际使用过程中，出现备用模块的切换电路异常却无法给出报警，或切换电路的电源输入线断开却无法识别，这些都会导致主用模块故障后不能转换至备用模块输出，导致负载断电。

这些问题铁道电源专家中电华星的工程师都多次碰到过，谨以此文与大家共同探讨目前铁路上使用的电子25 HZ电源模块主、备切换中存在的各种隐患及原因，并提出相应的改进措施。

1 目前使用的电子25 H z电源模块主、备切换电路介绍

目前使用的铁路电子25 HZ电源模块主、备切换的电路原理如图1所示。

具体电路的功能如下。

1)主电路输出引入到热备切换电路的电压先进行整流降压，把高的交流电压变成小信号直流电压，方便控制电路使用，原理如图2所示。

由图2可知，互感器二次侧电流为I2=VSENSE/R3因为采用全桥整流，再考虑整流二极管的压降，可近似认为VSENSE ≈U2 。

互感器一次侧电压：

互感器二次侧电压：

其中：U为轨道电压，K'为为T的一次、二次的电流比，K为T的一次、二次线圈比。

通过以上关系可得出VSENSE[K+K'(R1+R2)/R3]=U，所以输出电压取样值将随输入电压U成比例变化。

2)把整定后的电压信号进行过、欠压检测，并且把电压信号与电流信号综合比较，进行短路判断，同时给出一个控制主备转换的互锁信号，原理如图3所示。

3)利用轨道与局部的控制转换接点进行主备模块转换控制，其原理如图4所示。

工作原理：若轨道、局部的主备转换控制接点均闭合(表示轨道或局部侧主电路正常)，把这两个控制接点串联，输出信号通过两级比较器后输出高电平，控制互锁继电器K1动作，此模块作为主用模块工作， 同时模块互锁发送信号给出一个闭合接点信号给备用模块，使备用模块的J3的3、4短接(如图4所示)，这样即使备用模块的轨道、局部的主备转换控制接点也均闭合，但通过J3短接的Vcc电源直接给第二个比较器(如图4所示)，使比较器输出低电平，K1继电器无法吸起，因此只能作为备用模块工作。若主用模块轨道、局部的主备转换控制接点有任何一个断开(表示轨道或局部侧主电路异常)，则图4中第一个比较器将输出高电平，第二个比较器输出低电平，K1继电器释放，其互锁发送信号断开，原备用模块将可以正常输出，完成主备转换。

模块故障与否的信号则分别在轨道和局部主电路上各自进行检测，不在切换电路中检测，因此电源模块给出的模块状态信号仅是轨道与局部的主电路是否正常的信号，而主电路输出至切换电路的部分并没有进行有效检测。

2 切换故障隐患分析

通过对切换电路的工作原理进行分析可得出这种电路在实际使用中存在如下各种隐患。

1)备用模块的轨道与局部主电路均正常，但从轨道或局部主电路输出到切换电路的连线有脱落时，由于模块的状态信号是由主电路输出电压判断，因此备用模块仍是显示正常状态，不能给出故障预警信息，此时若主用模块故障， 自动切换到备用模块，但备用模块也没有电压输出，导致负载设备断电。

2)备用模块主电路正常，切换电路出现故障，此时备用模块也无法给出故障预警信号，会出现与1)相同故障模式。

3)主用模块主电路正常，但切换电路发生故障使模块切换到备用模块带载工作，但此时主用模块仍显示为正常，不能给出切换电路故障的报警信号，无法得到及时维修。在备用模块发生故障时，无法转回主模块供电，造成全部输出中断，影响信号系统正常工作。

以上均是电子25 HZ电源模块在实际使用中出现过的故障现象，造成轨道电路红光带，如果能够使模块无论是切换电路还是主电路出现故障时都能及时给出故障信号，则可以提前将故障模块维修，避免全部输出断电的隐患。

3 切换电路的改进措施

根据电子25 HZ电源模块的工作原理，中电华星的铁道电源团队提出以下改进方案有效解决此隐患。

改进方案：无论是主电路到切换电路的连接线脱落，还是切换电路出现故障，都是由于模块无法同时进行有效监督造成的。如果将模块原主电路的故障检测放置在切换电路中，同时加入对切换电路的检测，这样既检测了主电路，又检测了切换电路。具体方法是将主电路的轨道与局部电压引入到切换电路后，再进行电压取样检测，然后给出模块的工作状态信号，同时进行切换控制，这样就有效的避免原电路缺陷，其原理如图5所示。

具体电路的功能如下。

1)仍按原电路先进行轨道与局部的主电路电压进行取样。

2)把整定后的电压信号进行过欠压检测，并且把电压信号与电流信号综合比较，进行短路判断，同时给出一个控制主备转换的互锁信号和一个轨道或局部输出电压是否正常的开关量信号。此开关量信号既检测了轨道或局部的主板输出电压，也检测了主板输出电压是否正确接人到切换电路中，无论是轨道或局部输出过压、欠压，还是主电路到切换电路的接线是否正常，都可以保证主用模块切换到备用模块工作。同时也保证了负载短路时，电源模块不发生主、备切换，仅给出报警信号。同样如果备用模块出现故障，则会给出故障预报警信号，其具体原理如图6所示。

3)采用原工作原理，利用轨道与局部的控制转换接点进行主备模块转换控制。

模块故障与否的信号则分别从此切换电路中的故障报警接点给出，由于接进切换电路的轨道与局部电压都已经被有效检测，因此模块均能及时给出故障报警信号，防止了上述3种隐患故障的发生。

4 结语

据中电华星铁道电源团队介绍，通过以上设计改进并经过测试验证，无论模块作为主用还是备用，都可以对其主板输出电压及切换电路是否正常进行有效检测，避免了原切换电路存在的故障隐患，提高了电源屏系统可靠性。更多电源解决方案详询中电华星。