ZPW无绝缘移频轨道电路原理分析及故障处理解析.docx

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ZPW无绝缘移频轨道电路原理分析及故障处理解析

南京铁道职业技术学院

毕业论文

题目：

ZPW-2000无绝缘移频轨道电路原理分析

及故障处理

作者：

卢志刚学号：

06306110132

二级学院：

通信信号学院

系：

铁道信号

专业：

高铁信号

班级：

1101班

指导者：

王文波助教

评阅者：

张国候副教授

2014年05月

ZPW-2000无绝缘移频轨道电路原理分析及故障处理

摘要ZPW-2000A系列自动闭塞是将法国的UM71系统国产化的产物。

它充分的吸收了UM71的优点，同时解决了UM71在传输安全性以及传输长度上的问题。

ZPW-2000A系列自动闭塞实现了轨道电路全路断轨检查、调谐单元断线检查，解决了调谐区死区长度，拍频干扰防护等问题。

系统采用了数字处理和单片微机技术，提高了系统的抗干扰能力。

ZPW-2000A无绝缘移频自动闭塞设备目前已经成为了我国电气化区段的主流设备。

本文主要阐述ZPW-2000A型无绝缘移频自动闭塞系统结构及其工作原理，介绍了一些ZPW-2000A无绝缘移频轨道电路的常见故障及处理方法。

关键词ZPW-2000A、移频、轨道电路、自动闭塞

1、绪论

照我国铁路行业标准《轨道电路通用技术条件》，轨道电路定义为:

利用铁路线路的钢轨作为导体传递信息的电路系统。

为了提高我国铁路发展水平，京广线郑武段于20世纪90年代初在电气化工程中引进了法国高速铁路的UM71系统。

UM71意为“通用调制71型”。

它是一种无绝缘移频轨道电路，是法国在1971年为了适应电气化区段信号抗干扰而研发的。

UM71系统的引进，使我国铁路信号设备的技术水平得到了很大的提高。

在引进国外先进技术的同时我国也在积极的研发适合中国国情的轨道电路，从1998年由北京通信信号设计院开始研究，到2002年5月28日ZPW-2000A型无绝缘轨道电路诞生。

ZPW-2000A移频自动闭塞是基于轨道电路移频自动闭塞的基础，选取频率参数作为控制信息，使用频率调制，用两个轨道信号作为传输信道的控制信号机的显示，实现列车自动运行的目的。

ZPW-2000A型无绝缘轨道电路是将UM71轨道电路国产化的产物，在消化吸收了UM71的技术优势的前提下实现了重大的技术创新，在ZPW-2000A型无绝缘轨道电路的研发期间，由于郑州铁路局，南昌局在2000年10月底，连续两次分裂发生钢轨电气分离式断轨，轨道电路得不到检查，客车脱轨的重大事故，系统提出了解决UM71调谐区死区长度、轨道电路全路断轨检查、拍频干扰防护、调谐单元断线检查等一系列的传输安全性上的技术难题。

获得了（原）铁道部运输局的充分肯定。

ZPW-2000A型无绝缘轨道电路系统采用数字处理和单片微机技术，提高了抗干扰能力。

同时在传输长度问题上通过系统参数优化，提高了了轨道电路的传输长度。

因此ZPW-2000A型无绝缘轨道电路成为了我国新一代具有自主知识产权的无绝移频自动闭塞缘轨道电路。

ZPW-2000A型无绝缘轨道电路结合了中国国情降低工程造价，通过采用SPT铁路信号电缆减小铜芯线径，减小备用芯组提高了技术性能价格比，降低了工程造价。

在通过（原）铁道部技术鉴定和完成现场扩大基础上，决定在推广到全国铁路应用。

ZPW-2000A型无绝缘轨道电路传输的移频信号既是轨道信号又是机车信号，便于各种车载设备的接收，为“机车信号做为主体信号”创造了必备的基础条件。

推动了中国铁路事业的整体发展。

本文主要介绍了ZPW-2000A型无绝缘轨道电路的结构、工作原理、以及常见故障分析与处理。

2.ZPW-2000A无绝缘移频轨道电路的概况

2.1ZPW-2000A型无绝缘轨道电路的构成

ZPW-2000A型轨道电路由室内和室外两个部分构成。

室内部分包括电缆模拟网络（带防雷）、衰耗器、发送器、接收器组成。

电缆模拟网络位于综合柜上，衰耗器、发送器、接收器位于移频柜上。

室外部分由匹配变压器、机械绝缘节、补偿电容、传输电缆、调谐区、调谐区设备引接线组成。

2.1.1室内部分

（1）电缆模拟网络：

用于对实际数字电缆SPT的补偿，调整区间轨道电路的传输特性，使补偿距离加上实际距离的和为10km。

采用横向、纵向雷电防护防止电缆上感应的强电损坏室内设备。

（2）衰耗器：

给出发送和接收用的24v电压，发送功出电压、给出轨道占用表示，给出发送和接收故障表示。

对主轨道电路和小轨道电路调整。

（3）发送器：

用于产生高稳定性、高精度的移频信号。

有8种载频频率18种移频频率。

故障时给出报警，通过“N+1”的设计即使转换至“+1FS”。

（4）接收器：

接收并解调主轨道电路移频信号，结合小轨道电路的检查条件动作主轨继电器；接收并解调小轨道电路移频信号，给出小轨执行条件送至相邻轨道电路接收器。

检查死区长度和电路完好，检查BA断线。

2.1.2室外部分

（1）匹配变压器：

匹配钢轨与发送器内的阻抗，使高频信号在传输过程中的传输线路阻抗一致。

（2）机械绝缘节：

设于进出站口出，与电气绝缘节有同样的特性。

由空心线圈和调谐单元并接而成。

（3）补偿电容：

实现对断轨状态的检查，保障轨道电路的传输距离，保证了钢轨同侧两端接地情况下轨道电路分路及断轨检查性能。

根据通道参数、载频大小、通道参数确定电容数量，采用“等间距法”。

（4）传输电缆：

采用内屏蔽数字电路SPT，Φ1.0mm按10km考虑。

（5）调谐区：

用于实现两条轨道电路的电气隔离，由29米钢轨、调谐单元和空芯线圈组成。

中间设置一个空芯线圈SVA，两端各设一个调谐单元BA。

（6）调谐区设备引接线：

用于SVA、BA等设备与钢轨间的连接，采用3600mm、1600mm的钢包铜引接线。

2.2ZPW-2000A型无绝缘轨道电路的特点

（1）解决了调谐区断轨检查，实现轨道电路全程断轨检查。

（2）减少调谐区分路死区段，使死区长度由20m减小到了5m以内，提高了传输安全性。

（3）实现对调谐单元断线故障的检查。

（4）实现对拍频干扰的防护。

（5）通过系统参数优化，提高了轨道电路传输长度。

将1Ω·km道床电阻的轨道电路的传输长度由900m提高到了1300m，提高了44％。

（6）提高机械绝缘节轨道电路传输长度，实现与电气绝缘节轨道电路等长传输。

将电气-机械绝缘节的轨道电路传输长度从800m提高到了1300m，提高了62.5％。

（7）将晶体管分立元件和小规模集成电路用单片微机和数字处理芯片代替，提高了发送移频信号的精度和接收移频信号的抗干扰能力。

（8）用SPT国产铁路信号数字电缆取代法国ZCO3电缆，减小铜芯线径（由1.13mm降至1.0mm），减少备用芯组，加大传输距离（从7.5km提高到10km），提高系统技术性能价格比，降低工程造价。

（9）采用长钢包铜引接线取代75

铜引接线，利于维修。

（10）发送、接收设备四种载频频率通用，由于载频通用，使器材种类减少，可降低总的工程造价；

（11）发送器和接收器均有较完善的检测功能，发送器可实现“N+1”冗余，接收器采用机并联运用用以实现双机互为冗余。

使单一设备故障不影响工作，提高了系统可靠性。

3.ZPW-2000A型无绝缘轨道电路的原理分析

如图3.1所示，ZPW-2000A型轨道电路由设置于室外的调谐区、机械绝缘节、匹配变压器、补偿电容和设置于室内的发送器、接收器、衰耗器、电缆模拟网络和站防雷构成。

与UM71无绝缘轨道电路一样，ZPW-2000A型轨道电路也采用电气绝缘节来实现相邻轨道电路区段的隔离。

电气绝缘节又称为电气调谐区，由两个调谐单元

、

，一个空心线圈SVA以及29m长的钢轨构成。

两个调谐单元间

、

间的间隔为29m，空心线圈SVA位于两个调谐单元中间。

当载频确定后，通过控制

、

的参数，使本区段的调谐单元对相邻区段的频率产生串联谐振，使之呈“零阻抗”相邻轨道的移频信号被短路。

而对于本区段的频率呈容抗，与空心线圈SVA的电感配合产生并联谐振，呈极阻抗（约2-2.5Ω），使本区段的移频信号被接收。

这样即使没有机械绝缘节也和机械绝缘节一样，是某种载频只能被本区段接收，不能被相邻区段接收，由此构成了电气隔离。

图3.1ZPW-2000A型无绝缘轨道电路原理图

ZPW-2000A型轨道电路将轨道电路分为两部分，即主轨道电路和短小轨道电路（调谐区）。

小轨道电路被视为列车运行前方主轨道电路的延段。

小轨道信号由运行前方相邻轨道电路接收器处理，并将处理结果形成小轨道电路轨道继电器的执行条件（XG/XGH）送至本轨道电路接收器，作为轨道继电器（GJ）励磁的必要条件（XGJ、XGJH）之一。

如图3.2所示，发送器发送出高频信号，一部分通过经主轨道送回1G的接收端，另一部分经小轨道电路送至3G接收端，经3G接收器处理后形成执行命令XGJ、XGJH送至1G接收器。

在判断主轨道移频信号和小轨道继电器执行条件无误后驱动轨道继电器GJ吸起。

并由此来判断区段的空闲与占用情况。

这样就实现轨道电路的全程断轨检查。

图3.2小轨道电路原理图

3.1发送器

发送器采用n+1冗余方式，载频通用型。

当发送器故障时，通过FBJ接点转换到“+1”FS设备。

3.1.1发送器原理

图3.3发送器原理图

如图3.3所示相同的载频编码条件、低频编码条件源以反码形式送入两套微机处理器

、

中，

控制移频发生器产生

信号分别送至

、

中进行检测、校对。

检测结果符合标准后，经由控制与门送至滤波环节，将方波-正弦波转换；检测结果不通过，

信号终止向下传输。

经过方波-正弦波转换的信号送至功放进行功率放大，再送至

、

进行功出检测，检测通过后打开安全与门使FBJ励磁吸起，通过FBJ前接点勾通至至轨道的电路。

如果检测不通过则有FBJ落下，FBJ的后接点接通“+1”发送设备。

3.1.2发送器的作用

（1）用于产生高稳定性、高精度的移频信号。

（2）用于调整轨道电路。

根据轨道电路的具体情况通过输出端子的不同连接，获得10种不同的发送电平。

（3）产生足够的输出信号。

（4）对移频信号进行自检，故障时自动转换至“+1”发送设备，并给出报警。

3.1.3发送器的工作条件

（1）电源条件。

发送器的输入电压必须为24v直流电。

（2）载频条件。

ZPW-2000A系统的轨道信号共设8种载频如表3.1所示。

发送器具备产生这8种频率的功能，要想让发送器产生8种频率的一种必须给对应的端子加24v电压。

表3.1载频频率

下行：

1700-11701.4Hz

上行：

2000-12001.4Hz

1700-21698.7Hz

2000-21998.7Hz

2300-12301.4Hz

2600-12601.4Hz

2300-22298.7Hz

2600-22598.7Hz

（3）低频条件。

为了满足ZPW-2000A轨道电路的需要，发送器可产生18种低频调制信号，频率为10.3+n×1.1Hz，n=0～17即10.3Hz、11.4Hz、12.5Hz、13.6Hz、14.7Hz、15.8Hz、16.9Hz、18Hz、19.1Hz、20.2Hz、21.3Hz、22.4Hz、23.5Hz、24.6Hz、25.7Hz、26.8Hz、27.9Hz、29Hz。

要想让发送器工作，必须指明发送器产生18种低频调制信号的哪一种。

必须在对应的端子上提供+24v电源。

（4）电平条件。

发送器共设立了10级输出电平以满足不同轨道电路内传输信号大小不同的要求。

想要使发送器工作，必须指明是哪一级，必须对电平连接端子做相应的连接才能使发送器工作。

必须同时具备以上条件，发送器才能工作，才能产生一定幅值的移频信号。

3.2接收器

接收器由数字I/O板、电路板、CPU板构成。

采用双机并联运用设计（0.5+0.5）以保证接收器的高可靠运用。

3.2.1接收器的基本原理

如图3.4，首先将输入的模拟信号送至主轨道A/D小轨道A/D模数转换器转换成计算机能处理的数字信号。

、

对外部送来的4路信号进行单独的运算判断，当接收信号的幅度、载频、低频符合要求时就输出3

的方波，驱动安全与门，安全与门接收到2路方波后输出直流电压带动继电器工作。

如果2个

输出结果不一致，安全与门就不会输出直流电压，同时给出报警。

图3.4接收器原理图

3.2.2接收器的作用

（1）接收来自主轨道电路和相邻区段小轨道电路的信号。

（2）解调主轨道电路移频信号，配合与送电端相连的调谐区小轨道电路的检查条件，控制轨道继电器动作。

（3）解调与受电端相连的小轨道电路移频信号，给出小轨道电路的执行条件，控制轨道继电器动作。

（4）检查轨道电路完好，减少分路死区段长度，用接收门限实现对BA断线检查。

3.2.3接收器的工作条件

（1）需给接收器接入直流24V电压。

（2）需给接收器接入小轨道信号和主轨道信号。

（3）在轨道电路调整状态下：

接收器接收的主轨道电路电压大于等于240mV；主轨道继电器电压大于等于20V（1700Ω负载，无并机接入状态下）；小轨道接收电压大于等于33.3mV；小轨道继电器电压大于等于20V（1700Ω负载，无并机接入状态下）。

3.2.4双机并联原理

双机并联运用就是本接收“主机”及另一接收“并机”共同工作。

ZPW-2000A系统中A、B两台接收器构成双机并联运用，即：

如图3.5所示，A主机输入接至A主机，且并联接至B并机，A主机输出与B并机输出并联，动作A主机相应执行对象（AGJ）；B主机输入接至B主机，且并联接至A并机，B主机输出与A并机输出并联，动作B主机相应执行对象（BGJ）。

图3.5双机并联原理图

3.3衰耗器

3.3.1衰耗器电路原理

衰耗器的电路包括主轨道输入电路，小轨道输入电路和表示灯电路。

如图3.6所示主轨道输入信号经

、

接入衰耗器，经

变压器输出称为接收器使用的轨出1信号，

变压器阻抗为36～55Ω。

根据电路方向的变化，接收端将接至不同的两端小轨道电路。

所以按正、反两方向调整小轨道电路。

～

端子用于调整正方向，

～

端子用于反方向调整。

负载阻抗为3.3kΩ。

小轨道电路信号经过

变压器进行1:

3升压输出至接收器。

图3.6衰耗盘电原理图

发送工作灯通过FBJ接通，并通过“光耦1”接通发送报警条件（BJ-1、BJ-2）。

正常时“光耦1”输入端的发光二极管导通，“发送工作灯”点亮。

故障时“光耦1”无输出，“发送工作灯”灭灯。

3.3.2衰耗器的作用

（1）调整主轨道电路接收端输入电平。

（2）调整小轨道电路。

（正向、反向）

（3）给出发送、接收用的电源电压，给出发送功出电压。

（4）提供检测条件。

图3.7衰耗器板面示意图

3.3.3衰耗器面板布置

如图3.7所示，衰耗器面板上有表示灯与测试塞孔。

表示灯有发送电源表示灯、接受电源表示灯、轨道占用表示灯。

测试塞孔有：

SK1：

“发送电源”，发送器用直流24v电压。

SK2：

“接收电源”，接收器用直流24v电压。

SK3：

“发送功出”，测试发送器功出电压，与调整表一致。

SK4：

“轨入”，接收器输入电压（主轨和相邻小轨叠加）。

现场规定：

主轨应大于交流300mv，小轨应大于交流45mv。

SK5：

“轨出1”，经B1变压器电平调整后的输出电平与调整表一致。

现场规定应大于交流330mv

SK6：

“轨出2”，经过衰耗电阻分压后的小轨道输出电平，交流110～330mv。

SK7：

“GJ（Z）”，主轨道继电器GJ主机电压，直流24v。

SK8：

“GJ（B）”，主轨道继电器GJ并机电压，直流24v。

SK9：

“GJ”，主轨道继电器GJ电压，直流24v。

SK10：

“XG（Z）”，主机小轨道执行条件电压，直流24v。

SK11：

“XGB）”，并机小轨道执行条件电压，直流24v。

SK12：

“XG”，送还相邻区段的小轨道继电器电压直流24v。

SK13：

“XGJ”，相邻区段送来的本区段小轨继电器检查条件，直流24v。

3.3.4衰耗器的报警监测

如图3.8，衰耗器为YBJ设计了光电通路，每个FBJ的构成条件都会串接至光电通路中。

当每个发送器工作正常时，光电通路接通，YBJ吸起。

其中一个FBJ落下，光电通路断开，YBJ落下，一频报警电路接通，控制台发出声光报警。

图3.8报警监测电路图

3.4电缆模拟网络和站防雷

电缆模拟网络和站防雷包括站内防雷组合以及电缆模拟网络。

3.4.1作用

（1）补偿电缆长度。

电缆模拟网络可视为室外电缆的一个延续，用于调整区间轨道电路的传输特性，补偿实际SPT电缆，使其总长度为10km，用于调整列车不同方向时的轨道电路，保障传输电路工作的稳定性。

（2）雷电防护。

因为雷电很容易通过室外的电缆铺设引入到室内，所以对引入室内的电缆进行雷电防护。

3.4.2电路原理

图3.9电缆模拟网络电路图

电缆模拟网络从室外移至室内，以0.5、0.5、1、2、2、2×2km六节对称呈π型网络设计，用于串接成0～10km按0.5km间隔任意设置补偿模拟电缆值。

模拟长度-实际长度=要接入模拟的长度

电缆模拟网络值按以下数值设置：

R:

23.5Ω/km

L:

0.75mH/km

C:

29nF/km

3.4.3防雷方式

（1）横向雷电防护。

用耐压为280v防护等级的压敏电阻防护，电阻具有阻燃性、模块化。

（2）采用低移频系数防雷变压器防护。

3.5电气绝缘节

电气绝缘节由两个调谐单元、一个空心线圈和一段29m长的钢轨组成。

如图3.10所示。

图3.10电气绝缘节的工作原理

3.5.1电气绝缘节的工作原理

调谐单元BA由电感线圈和电容器组成。

调谐单元有

和

型两种型号，又称

、

型。

号在

处发生短路，使

对3G的移频信号不能接收并且阻止其向左传送。

而对于

对本区段1G的移频信号，

对其呈容性，与空心线圈SVA及29米的钢轨配合对其产生并联谐振，使本区段的移频信号能被接收并向左传送。

同理，

与3G的移频信号呈并联谐振，与1G的移频信号呈串联谐振，1G的移频信号在

被短路不能被接收，也不能继续向右传送；而3G的移频信号可以在

处被接收并继续向右传送。

3.5.2调谐单元

调谐单元BA由电感线圈和电容器组成，两种型号

、

。

调谐单元的使用方法：

（1）同一轨道区段主轨两端必须同一型号的调谐单元。

（2）

型调谐单元用于1700（2300）

移频信号，

型调谐单元用于2000（2600）

移频信号。

3.5.3空心线圈

空心线圈是由直径为1.53mm的19股的铜线绕制而成，无铁芯，带有中间抽头。

空心线圈的主要作用是用来平衡两根钢轨间的牵引回流。

如图3.11所示，利用空心线圈的短路作用使

。

这样就平衡了两条钢轨之间的牵引回流，减小了工频对对轨道电路的干扰。

图3.11牵引回流平衡原理图3.12两SVA的等电位连接

在实际应用中，每隔一定距离，上、下行线路间的两个SVA都要进行等电位连接。

这样有利于平衡上、下行线路间的牵引回流，保证维修人员的安全。

两SVA的等电位连接分为两种，即简单横向连接与完全横向连接。

（1）简单横向连接是两条轨道间的SVA等电位连接时,通过SVA中心点通过防雷元件接地。

（2）完全横向连接是两轨道间的SVA等电位连接时,通过SVA中心点直接接入地线。

3.6匹配变压器

匹配：

高频信号在传输过程中要求传输线路阻抗一致，否则在阻抗变换的地方会形成衰减，发送器内阻抗高，钢轨阻抗低，因此高频信号在由发送器经电缆传输至钢轨的过程中需要加设匹配变压器对阻抗差进行匹配。

变压：

发送器发出的信号必须是高电平，目的是为了降低在电缆线路上的损耗。

这个高频信号到达钢轨后不能直接加在钢轨上，需要经过匹配变压器降压后加载，匹配变压器的变比为1:

9。

图3.13匹配变压器的电路图

3.6.1匹配变压器的工作原理

匹配变压器安装在轨道边，如图3.13所示

、

端子用引接线和调谐单元的引线端子连接，

、

端子用电缆线连接到分线盒或分线盘。

送电端：

室内送来的高频信号经

、

接到变压器的一次侧，经过变压器降压到二次侧，通过

、

到钢轨。

受电端：

经钢轨送来的高频信号经过

、

传到变压器的二次侧，通过变压器升压到一次侧，在经过

、

接到分线盒或分线盘。

3.7补偿电容

因为干过有较高的阻抗，造成高频信号在钢轨上传输时被道床电阻分流，信号传输距离缩短，使轨道电路无法工作。

因此在两条钢轨之间每隔一定的距离设置一个补偿电容用以与钢轨中的电感形成谐振，降低钢轨阻抗，增加传输距离。

图3.14补偿电容设置图

3.8红灯转移原理

当本闭塞分区有车占用时，防护本区段的信号机应点亮红灯。

如果防护本区段的信号机因灯丝断丝而灭灯，其前一架信号机应点亮红灯，这就是红灯转移。

发送电路用GJ和DJF并联来实现。

当本区段有车占用时，本区段的GJ↓，灯丝断丝DJ↓，DJF↓，切断前一个闭塞分区的发码电路，所以前一个闭塞分区接收不到码，使其GJ↓，红灯点亮。

4、ZPW-2000A无绝缘移频轨道电路故障处理

4.1设备故障处理程序

4.1.1有报警故障处理

（1）通过YBJ落下控制台发出声光报警得知故障发生，由于发送器以及接收器均有冗余设计，所以，系统工作有可能不中断也有可能中断。

（2）到信号机械室查看衰耗器上的各个发送器、接收器的工作灯是否正常点亮，点亮绿色代表工作正常，灭灯代表设备发生故障。

（3）判断故障有没有影响行车。

如果只有一台发送器故障但是已经转到了“+1FS”设备；或者只有一台接收器故障，但是接收器是双机并联工作，另一台仍然正常工作。

这两种情况都是不影响正常行车的。

（4）当确定为发送器故障时，应重点检查发送器的电源、熔断器、功出电压、低频编码电源等，以确定发送器内外故障。

如果切换到“+1FS”设备后工作正常，则可判定为发送器内部故障，此时应更换发送器。

（5）当确定为接收器故障时，应重点检查接收器的电源、输入电压（包括主轨道和小轨道）等，以确定接收器内外故障。

当主机故障，并机可正常工作时可以判定为接收器内部故障，此时应更换接收器。

4.1.2无报警故障处理程序

无报警故障一般由司机行车受阻后报告以及控制台红光带得知，此类故障多发生在非冗余无检测环节。

如果发生涉及室外轨道电路故障时，一般可按发送、接收的传输通道来进行查找故障点。

发送：

发送功出→组合架→防雷柜→分线盘→室外轨道电路。

接收：

接收输入→衰耗→组合架→防雷柜→分线盘→室外轨道电路。

4.2ZPW-2000A无绝缘轨道电路红光带故障判断

图4.1

当电务人员接到车站值班员通知某闭塞分区红光带时，一般按以下流程进行处理。

（1）如图4.1所示，设1G的轨道电路红光带，1GJ↓，衰耗器轨道指示灯亮红灯，先观察衰耗器发送指示灯和接收指示灯，若发送灯灭灯，则可能是无发送电源、构不成编码条件、功出至分线盘有短路或发送器坏掉了。

（2）若衰耗器发送指示灯和接收指示灯正常，则测试衰耗器1G的GJ塞孔是否有大于20V的电压。

若有，则是衰耗器至1GJ有断线或轨道继电器坏。

（3）衰耗器1G的GJ塞孔是无大于20V的电压，则分别测试1G轨出1电压和3G衰耗器轨入小轨电压是否正常。