客运专线ZPW2000A轨道电路发送器冗余电路改进方案探讨

温仕明 上海铁路局上海电务段

客运专线ZPW2000A轨道电路发送器冗余电路改进方案探讨

温仕明 上海铁路局上海电务段

论述客运专线 ZPW-2000A轨道电路发送器的冗余模式,结合具体案例对发送器冗余电路的有效性进行探讨，找出其中的不足，并提出改进方案。

客运专线；ZPW-2000A轨道电路；发送器冗余

客运专线ZPW-2000A轨道电路是在既有 ZPW-2000A无绝缘轨道电路的基础上，针对客运专线的应用进行了适应性改造，它保留了既有 ZPW-2000A轨道电路稳定、可靠的特点，具有我国自主知识产权、适用于客运专线列控系统。客运专线 ZPW-2000A轨道电路包括区间设备和站内设备两种，包括京沪高铁在内的一大批客运专线均采用了此项设备。

客运专线 ZPW-2000A轨道电路相比既有线ZPW-2000A无绝缘轨道电路有了较明显改进，特别是采用无接点的计算机编码以及1+1的发送器冗余方式，取代了既有的继电器编码和N+1方式，大大提升了设备的可靠性。但是从京沪高铁开通两年来的运用情况来看，管内客运专线 ZPW-2000A轨道电路设备故障时有发生，有的故障对运输产生了严重的影响。通过对管内2012年1月至2013年5月期间客运专线 ZPW-2000A轨道电路器材类设备故障进行统计，具体分析情况见表1。

由表1可知，发送器故障占了客运专线 ZPW-2000A轨道电路设备故障中的一大半。客运专线 ZPW-2000A轨道电路发送器由既有线的 N+1提高为1+ 1的备用模式，大大增强了设备的冗余程度，减少了因发送器不良带来的不利影响。大部分情况下即使主发送器发生故障，也能通过1+1模式切换到备发送器工作，并通过集中监测报警做到发现和处理，对整个轨道电路的正常工作影响较小。但从不断发生的发送器故障来看，即使采用了1+1的冗余模式，也不能有效消除发送器故障带来的不利影响，特别是在某些情况下冗余装置会失去作用，此时就严重影响到轨道电路设备的正常使用。现结合具体案例对发送器冗余电路进行分析，找出其中的不足，并探讨改进方案。

表1 管内2012年1月至2013年5月期间ZPW-2000A轨道电路设备故障分析表

1 客运专线 ZPW-2000A轨道电路发送器冗余设计

（1）发送器采用 1+1方式。原理见图1。

图1 发送器1+1方式原理图

由图1可知：在正常情况下，主、备发送器均正常工作，则FBJZ、FBJB（安装于衰耗器中）均正常吸起。此时客运专线ZPW-2000A轨道电路的功出电压由主发送器通过FBJZ吸起接点及中接点提供，备发送器产生的功出电压通过FBJB的吸起接点送至FBJZ落下接点；一旦主发送器发生故障，导致FBJZ失电，接点落下，此时客运专线 ZPW-2000A轨道电路的功出电压由备发送器通过FBJB的吸起接点、FBJZ落下接点提供，实现主、备发送器输出切换的冗余功能。

（2）发送器本身采用双机热备冗余方式。

发送器内部采用双套相互独立的CPU处理单元，对同一载频、低频编码条件源，以反码的形式分别通过互为冗余的两条 CAND、CANE总线送至 CPU1及 CPU2。CPU1控制“移频发生器”产生移频信号，移频信号分别送至 CPU1及CPU2进行频率检测。频率检测结果符合规定后，控制输出信号，经“控制与门”使移频信号送至“滤波”环节，实现方波-正弦波变换。“功放”输出的移频信号送至 CPU1及 CPU2，进行功出电压检测，CPU1及 CPU2对移频信号进行低频、载频、幅度特征检测符合要求后，驱动“安全与门”电路使发送报警继电器吸起，并使经过“功放”放大的移频信号输出至轨道，原理框图见图2。

图2 发送器原理框图

由上述原理可知，发送器冗余电路由发送器内部的双CPU冗余电路和发送器1+1方式构成，理论上使得客运专线 ZPW-2000A轨道电路发送电路的故障率大大降低，但是实际运用中因发送设备故障造成冗余失效的问题仍时有发生，具体案例如下。

2 案例分析

（1）案例一：2012年7月11日，管内某站11765BG突然出现无车占用红光带故障。处理人员赶赴现场后，检查发现11765BG主、备发送器工作灯均正常显示为绿灯，在送端模拟网络盘设备侧测试电压为0V，在衰耗盒测试功出电压为0V，主轨出为0V,调阅微机监测显示功出电压、功出电流如图3所示。

图3 故障时功出电压、电流图

因此判断为室内送端设备故障，更换衰耗冗余控制器后故障现象消失，设备恢复正常。

故障原因分析：经厂家对更换下的衰耗冗余控制器进行检测后，发现衰耗冗余控制器内的主发送报警继电器（FBJZ）63、64接点（见图1图示处）在继电器上电后，不能可靠闭合，造成主发送功出电压无法正常输出，导致轨道电路故障。发送报警继电器本是为实现发送器1+1冗余方式而设置的，所起的作用就是当主发送器故障时切换到备发送器输出功出信号。但在本案例中正是因为主发送报警继电器（FBJZ）的63、64接点在继电器上电后不能可靠闭合而造成轨道电路故障。此时发送报警继电器非但没有起到冗余的作用，反而造成了设备故障。除此之外，从功出电压日曲线图上可以看到，故障发生的过程中主发送器的功出电压剧列波动，但此时并未切换到备发送器提供功出电压，1+1的冗余设置此时同样没能发挥作用，此现象将在下一个案例中进行详细分析。

（2）案例二：2013年1月2日，管内某站值班人员在微机监测浏览中发现，12749BG功出电压急剧波动，从150V下降到50V左右。调阅主轨出电压，发现主轨出电压跟随功出电压波动而变化，故障时功出电压曲线及主轨出电压月曲线如图4所示。

图4 故障时功出电压、主轨出电压月曲线图

图4所示该区段主轨出电压正常值为450mV，故障时急剧下降，最低达到250mV，处于使轨道继电器可靠吸起的临界值，随时可能发生轨道电路无车占用红光带故障。值班人员立即对该区段发送设备进行检查，发现主、备发送器工作灯均显示正常工作绿灯，在冗余衰耗控制器测试主轨出电压为250mV左右，说明此明功出电压仍由主发送器提供，并未进行主备切换。于是申请更换主发送器后，功出电压及主轨出电压恢复正常。

故障原因分析：

发送器内部电路中，由功放电路对移频信号进行放大，输出可调整的 10种电平等级的功出电压。功出电平级调整采用外部接线方式调整输出变压器变比，输出的功出电压范围为31V到170V。发送器对输出的移频信号进行采样并分别送至 CPU1及 CPU2进行低频、载频、幅度特征检测，符合要求后，驱动“安全与门”控制发送报警继电器吸起，从而控制功出电压的最终输出。虽然自检电路已经对功出电压幅度进行检测，但是实际上功出电压幅度并未完全作为驱动“安全与门”的必要条件，只有当发送端短路时，才会使“控制与门”有10s的关闭（休眠保护）。这也就是为什么虽然发送器功出电压剧列波动，却不产生发送器故障报警，也不切换到备发送进行输出的原因。为什么自检电路不将功出电压幅度作为驱动“安全与门”的完全必要条件呢？那是因为发送器产生的功出电压是随电平级的不同而不同，而自检电路恰恰缺少对功出电平级的识别功能，造成发送器无法得知当前使用的是哪一级功出电平，也就无法根据检测到的功出电压幅值来判断功出电压是否在正常范围内，因此也就无法产生故障报警。在实际运用中，厂家采取的是在列控中心轨道电路监测维护终端，通过配置区段信息表，设定功出电平级以及功出电压范围，由监测实现对功出电压的幅值判断，并给出报警。但监测报警只能起到警示提醒作用，即使主发送器的功出电压幅值远远达不到使轨道电路正常工作的要求而产生无车占用红光带故障，也不能使故障的主发送器产生故障报警而切换到由正常工作的备发送器来提供功出电压，只能通过人工更换发送器来解决，就如案例中一样。在高铁线路中有很多站是无人值守的中继站，路途偏远，一旦发生类似故障，就会产生较长的故障延时，给安全运输带来严重的影响。因此发送器本身的冗余电路也需要改进，加入功出电平识别功能，才能避免类似状况的发生。

3 改进方案

由上述两个案例分析的情况我们可以看到，客运专线 ZPW-2000A轨道电路发送器冗余电路确实存在缺陷而导致冗余失效，说明冗余设置还不能完全满足现场实际的需要，这就需要通过进一步改进，克服这种缺陷，避免类似的问题再次发生，现分别就前述两种情况提出改进方案：

（1）方案一：针对主、备发送报警继电器发生故障的可能性进行分析，一是发送器都正常工作，送出正常的发送报警继电器驱动电压，此时分二种情况：①主、备发送报警继电器均不吸起，此时就等同于主、备发送器同时故障，1+1冗余设置完全失效，轨道电路不能正常工作。②主、备发送报警继电器中任一个不吸起，此时就等同于主、备发送器任一个发生故障，在这种情况下，冗余设置能正常发挥作用，不会影响轨道电路正常工作。二是发送报警继电器都能正常吸起，但存在接点不能可靠闭合的情况，如案例1中故障，此时冗余设置也将失效。上述两种失效情况均是是设计中存在的缺陷造成，使得1+1冗余方式存在瓶颈，无法真正发挥其应有的作用。就需对发送报警继电器进行冗余，通过并联冗余继电器及接点的方式，大大提高1+1冗余方式的可靠性。即使出现个别继电器不能正常工作或个别接点不通的现象，也不会影响轨道电路正常工作。但FBJZ/B内置于衰耗盒中，为微型继电器，存在接点组数不够而无法构置冗余电路，这就需要使用有足够接点的新型继电器或者再增加一个相同的冗余继电器才能实现这一目标。

（2）方案二：针对发送器功出电压波动过大，不产生发送报警、不进行发送器输出切换的现象，正如案例中分析提到的，是由于发送器缺少功出电平识别功能造成的，那就需要给发送器加上这个功出电平识别功能。从可靠性上分析，对发送器内部电路进行改造，增加电平识别电路，如使用拔设开关等，在设置好电平级后，发送器就可以直接获得功出电平级信息，实现对检测到的功出电压幅值进行比对判断，当功出电压幅值不能满足轨道电路正常需要时，即时输出发送报警，切换到由备发送器提供正常的功出电压。但此种改造的成本高而且工作量较大，所以从改造成本及可操作性上分析，可以通过软件设置实现。即在列控中心软件中设置功出电平信息，通过实时比对发送器送至列控中心的功出电压数据，判断发送器送出的功出电压是否正常，一旦发生功出电压幅值不能满足轨道电路正常需要时，即由列控中心发送特殊编码信息，使得发送器即时输出发送报警，切换到由备发送器提供正常的功出电压。

通过以上改进，能克服客运专线ZPW-2000A轨道电路发送器冗余电路中存在的不足，使冗余系统真正发挥作用，减少因设备器材不良带来的故障，为铁路的安全运输提供真正可靠的保障。

责任编辑：万宝安

来稿日期：2014-06-19