BTM 設備電源模塊現場測試方法

張海淵，趙曉林，王瑞，劉磊

（1.中國鐵路呼和浩特局集團有限公司呼和浩特電務段，內蒙古呼和浩特，010050；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司通信信號研究所，北京，100081）

0 引言

應答器傳輸模塊(Balise Transmission Module，BTM)作為列車運行控制系統中應答器傳輸系統的車載設備，處理與應答器間的上行鏈路和下行鏈路信號和報文，并與列控車載設備通信，是保障列車安全運行的重要設備。BTM及天線單元由車載蓄電池供電，BTM 輸入電源應符合GB/T 25119-2010 相關要求，輸入電壓標稱值一般為DC24V 或DC110V，通過電源模塊轉化為BTM 所需內部工作電壓，保證BTM 主機正常工作。

現場運行過程中，會偶發BTM 主機異常斷電導致現場故障，中斷BTM 與列車自動防護系統ATP(Automatic Train Protection，ATP)間的通信，影響列車運行效率。而電源紋波是影響電源模塊正常工作的重要因素，紋波過大甚至會燒毀設備元器件，采用正確的BTM 電源板測試方法可以幫助現場快速、高效的查找故障原因，及時提供解決方案，保證列車高效運營。

1 BTM 電源紋波

■1.1 電源紋波產生機理

BTM 主機電源單元工作原理如圖1 所示，輸入為穩定電壓為DC24V 或DC110V，由車載外部電源提供，電源模塊將輸入電壓轉換為BTM 主機工作所需工作電壓，首先經過保護電路，當經過電流過大時實現過載保護，然后通過濾波電路濾除從輸入電源端引入的干擾信號，提高設備抗電源干擾能力，之后通過電源轉換模塊將輸入電壓轉換為固定輸出工作電壓以保障其他模塊正常工作。

圖1 電源模塊工作原理

電源的主要作用是為負載提供穩定的電能，電源的好壞對BTM 設備整體工作性能起著決定性作用。BTM 設備電源模塊輸出一個固定的直流電壓供其他模塊正常工作，直流電壓是由輸入的交流電壓經過整流、濾波、穩壓等處理過程后得到的，其中整流電路的功能是將交流電轉化為脈動直流電，幅值并不固定，需要濾波電路利用儲能電子元件對脈動直流電進行去干擾處理，將其轉換成較平坦的直流電，但由于設計結構的不同，不同濾波電路的濾波性能會有差異，同時由于電能變換過程影響及相互之間電磁干擾的存在，無法濾除其中所有的交流成分，所以輸出的直流電壓中會包含一定的雜波信號，導致產生一定的紋波電壓。

紋波是圍繞在電源輸出直流電壓值上下波動的周期信號，但是這種信號的周期和振幅不是固定的，會隨時間不斷變化，不同電源設備由于性能上的差異產生的紋波波形也不一樣。紋波的存在導致負載的穩定性降低，會影響電源的使用壽命。對于電子設備來說，電源產生的紋波電壓可能會使負載設備產生共振，干擾設備正常工作，降低設備使用效率，同時還會影響模擬與數字信號之間的轉換，無法進行正常的信號輸出，若出現的紋波較大，會產生浪涌電壓或電流，超出電源模塊承受范圍，嚴重的會燒毀設備，導致設備異常掉電。所以在現場出現BTM 設備異常重啟問題時，需要排查電源紋波的問題。

紋波電壓的值一般可以用有效值或峰值來表示，紋波系數可以客觀地評價直流電源的濾波性能，紋波系數F可定義為紋波電壓的有效值Vt與直流輸出電壓Vo的百分比，即:

紋波系數是評價電源穩定性能的一個重要指標，要得到紋波系數，需要首先測量紋波電壓即可計算得到。

■1.2 濾波電路原理

紋波是無法完全抑制的，但是可以通過濾波法濾除一定的紋波，改善電源輸出穩定性，而濾波電路的功能就是過濾電源輸入的交流信號，輸出穩定的直流電壓。LC 濾波電路是常見的諧波補償裝置，即將電容和電感綜合起來應用，在實際應用中可靠性、安全性更高。電容可以將干擾信號和波動進行旁路掉，其容抗會隨著干擾信號頻率的升高而降低，電感可以將干擾信號吸收，其感抗會隨著干擾信號頻率升高而增大，所以電感和電容按照不同的串并聯方式使用，他們組成的整體裝置的阻抗會隨著信號頻率的變化產生不一樣的變化，實現過濾某些頻率信號的功能，最終濾除干擾信號。

傳統的LC 濾波電路通過非線性元件搭建而成，一般有以下幾種拓撲結構，如圖2 所示。圖2(a)濾波電路使用L型濾波器，這種電路負載的阻抗比較高，但源阻抗較低；圖2(b)濾波電路是倒L 型濾波法，這種電阻和電容組合電路的負載阻抗比較低，但源阻抗相對較高；圖2(c)濾波電路是T 型濾波法，這種組合電路負載阻抗比較低，而且源阻抗也相對較低；圖2(d)濾波電路是Π 型濾波法，這種電阻和電容組合電路的特點是負載阻抗比較高，而且源阻抗也相對較高。若濾波電路中的電容或電感元器件損壞，很容易造成濾波電路無法正常工作，從而無法濾除干擾信號，最終導致設備發生故障。

圖2 濾波電路拓撲結構

■1.3 電源模塊測試方法

當故障顯示報告“應答器傳輸模塊故障”時，說明BTM 設備與ATP 設備通信出現中斷，電源模塊故障造成BTM 設備重啟會導致出現該問題此時需要檢測BTM 電源模塊，測試方法流程如圖3 所示，首先檢查線纜是否有松動，接扣除是否完好，然后拔出P3 插頭，觀察P3 插頭插孔和J3 插座插針是否有松動、破損、裂痕等問題，若有問題則及時更換插頭或緊固連接處，然后繼續測試；若無線纜插頭問題，則測量電源板輸入電壓值是否穩定，ATP 正常上電觀察萬用表或者示波器的讀數，確認該電源模塊24V 輸入是否正常，如出現明顯波動，超出閾值范圍，則說明電源板發送故障需及時更換或進一步檢測元器件；若電源板輸出穩定無異常，則利用萬用表或示波器測試控制組匣BTM 電源模塊的+OUT 和-OUT 兩端輸出電壓，觀察萬用表或者示波器的讀數，確認該電源模塊24V 輸出是否正常，若有明顯波動超出閾值范圍，則更換ATP 控制組匣繼續測試。最后恢復故障BTM 主機，ATP 設備上電，BTM 設備上電，多次重啟并拷機測試，測試是否能復現現場故障問題。

圖3 電源模塊測試流程圖

現場用示波器測量穩壓電源電源紋波時可以采用電壓信號測量法，即使用示波器測試電源設備輸出端疊加在直流電壓信號上的交流紋波電壓信號。對于BTM 電源設備的測試可以直接用電壓探頭測量輸出電壓，將BTM 設備電源模塊的輸出端與示波器兩個探頭分別連接，首先調節示波器的顯示時間間隔和位置捕獲整個紋波波形，然后將捕獲到的紋波進行放大，觀察和測量紋波相關參數。如圖4 所示，測試時示波器的兩個探頭分別與電源正負極輸出端連接，測試電源輸出的紋波電壓。由于紋波電壓的測試易受到周邊環境噪聲的干擾，尤其是對高頻紋波的測試結果影響比較明顯，為減少周邊環境的電磁場對設備測試干擾，防止紋波電壓測試結果受到影響，應使用專用示波器探頭可有效較小干擾的影響，需要注意的是在測量時要保證探頭接觸可靠有效。

圖4 紋波測量系統框圖

2 現場測試驗證

針對BTM 設備電源板故障問題，可在現場進行測試，測試系統框圖如圖5 所示。選擇動車組兩端為測試對象，保證測試環境條件一致，其中一端為故障端，按照上述方法測試兩端車載BTM 設備的電源模塊，將測試結果進行對比。

圖5 現場測試系統框圖

動車組01 端為正常端，00 端為故障端，首先針對動車組故障端BTM 主機設備進行外觀檢查，檢查線纜連接，主要包括電源線纜、通信線纜、控制組匣內部線纜，未發現松動、破損或裂痕等現象；檢查P3 線纜和P1 線纜接頭插孔和插針，未發現塌陷和松脫現象。

在升弓條件下，01 正常端BTM 設備上電，作為對比測試，利用示波器觀察BTM 設備電源模塊輸入電壓值，如圖6 所示，電源紋波持續時間只有3.67μs，時間極短，紋波系數為：35.3%，由于產生紋波時間極短，且紋波電壓在電源正常工作范圍內，BTM 設備能夠正常工作。

圖6 正常端 BTM 電源模塊紋波電壓

在升弓條件下，00 端故障端BTM 設備上電，利用示波器觀察BTM 設備電源模塊輸入電壓值，如圖7 所示，與01 端電源板電壓輸入值對比分析可知，00 端BTM 設備電源板電壓出現異常紋波，電壓波動值較大，持續時間達到123.1μs，紋波系數為：55.8%，遠高于01 正常端BTM 設備電源的紋波系數，因此推斷BTM 電源板前端濾波器失效，導致濾波性能下降，輸入到電源板電源模塊的電壓紋波較大，可能造成電源模塊工作不正常，導致BTM設備異常掉電。

圖7 故障端 BTM 電源模塊紋波電壓

在升弓條件下，將00 端BTM 設備更換為故障電源板后上電測試，利用示波器同時觀察BTM 設備故障電源板輸入電壓和控制組匣電源模塊輸出電壓，拷機90 分鐘后，BTM 設備故障電源板輸入電壓和控制組匣電源模塊輸出電壓突降至9.9V（BTM 正常能夠容忍的輸入電壓為18V～36V)，BTM 設備掉電停止工作后立即重啟，DMI 報“應答器接收模塊故障”。后續多次（3 次）出現經過一段時間上電拷機后報“應答器接收模塊故障”現象，下載ATP 數據、BTM 數據并分析確認在拷機過程中BTM 設備發生過異常掉電重啟故障，故障現象一致，數據統計結果如表1 所示。

表1 紋波系數測試結果統計

根據BTM 設備電源板輸入和輸出電壓測試以及長時間拷機測試，分析結果可知，故障端BTM 偶發紋波電壓輸出持續時間長，紋波電壓較大，明顯高于正常端電源設備的紋波系數值，判斷問題原因是BTM 電源板前端濾波器失效，導致濾波電路性能下降，輸入到電源模塊的電壓紋波較大，造成電源模塊工作不正常，導致BTM 設備異常掉電重啟。

3 總結

本論文針對BTM 設備電源單元現場電源紋波測試方法進行了闡述，并在現場測試中證明了測試方法的可行性。電源的電壓波動較大存在BTM 設備斷電重啟的風險，同時會減少電源模塊的使用壽命，為了預防和減少此類故障問題的發生，在生產階段就應全面有效的測量和分析，確保出廠電源設備的可靠性和穩定性，才能保證現場設備安全、可靠的工作。同時維修人員在ATP 設備維修過程中，可適當增加應答器信息傳輸系統測試項目，例如設備拷機測試，提前掌握系統工作穩定狀態，保證系統的正常運行。

論文提出的BTM 設備電源模塊測試方法主要使用示波器進行測試，示波器操作有些繁瑣，現場實際應用中會有一些不便，后續會考慮研制和采用更加便攜式且易操作的測試設備進行測試，方便現場工作人員使用。