HXD1型神華號電力機車網絡數據分析系統及典型故障案例解析

摘 ?要：神華八軸大功率交流傳動電力機車是為適應神華鐵路運輸需求，由神華集團和南車株洲電力機車有限責任公司共同研制的干線貨運交流傳動電力機車，隨著總線技術與微機控制技術的不斷發展，現代列車的控制系統已經發展為基于通信你網絡的分布式控制系統，HXD1型電力機車是在我國引進德國西門子公司DJ4型機車的基礎上生產的干線交流傳動大功率貨運電力機車，其網絡控制系統采用了株洲中車時代電氣股份有限公司研發的具有完全自主知識產權的DTECS系統，本文詳細闡述了HXD1型電力機車網絡數據分析系統的功能及牽引變流器、TCU的邏輯控制，最后結合故障案例針對朔黃鐵路HXD1型神華號電力機車TCU充電超時判斷原理，并進行了相應的總結。

關鍵詞：HXD1型電力機車;網絡控制系統;牽引變流器

前言：

HXD1型電力機車網絡控制系統，采用分布式列車電子控制系統，簡稱DTECS （Electric Control System）。DTECS 是專為軌道車輛的控制和通信而設計的一套車載計算機系統，主要完成軌道車輛的通信管理、功能控制、故障診斷、信息顯示和事件記錄等功能。DTECS 是基于TCN（Train Communication Network）Distribute Train 的新一代網絡通信和控制系統，TDS軟件是本公司專門為HXD1交流機車下載網絡數據和分析開發設計的。可根據不同的車型選擇不同的工程文件，適用性廣。

一、HXD1型機車網絡數據分析系統簡介

TDS軟件主要有5大功能菜單：工程、工程設置、數據下載、嚴重故障分析和事件記錄分析。

（一）工程選項：TDS軟件不單單是為HXD1機車設計的，分析不同車型的文件可以選擇不同的工程文件，如：京鐵八機車、神華十二軸機車、神華八軸機車。

（二）工程設置：此選項一般情況下是不允許進行修改設置的，它包含了基本信息設置、配置文件版本的最新修正時間、故障清單設置，故障清單設置里面囊括了機車上報的所有故障代碼、故障描述以及簡單的應急處理描述。

（三）數據下載：依次點擊控制面板-網絡連接-本地連接-點擊右鍵-屬性-雙擊Intetnet協議（TCP/IP），在所出現的對話框中，輸入IP地址：169.254.147.108;子網掩碼：255.255.0.0。

點開數據下載首先要修改IP地址，數據記錄是記錄在ERM模塊上邊的，ERM模塊A、B 節的IP地址是不同的，A節為169.254.147.107，B節為169.254.147.117，C節為169.254.147.127，在數據下載選項選擇嚴重故障和事件記錄，嚴重故障和事件記錄不能同時選擇，必須分開下載，點擊嚴重故障下載后出現的對話框中輸入車號區分AB節，事件記錄下載是按照時間命名的，注意下載的數據里必須包含故障時間，最多只能選擇3個文件包。

（四）嚴重故障分析：通過嚴重故障下載分析可以了解機車當時或某一時刻發生的故障，找到故障時間點報的故障，特別注意要上下故障需結合分析

（五）事件記錄分析：事件記錄是機車運行狀態的一個記錄，事件記錄分析時，需根據所報的故障，選擇需要的數字量和模擬量，然后點擊數據波形或者數據列表分析

二、TGA6C型牽引變流器簡介

HXD1型機車采用TGA6C型牽引變流器（以下簡稱為牽引變流器），其設計充分借鑒了時代電氣前期開發研制的HXD1C型電力機車牽引變流器的經驗和成熟技術，并實現了主輔一體化。

（一）牽引變流器主電路工作原理

牽引變壓器牽引繞組a1-x1輸入電壓首先經由KM3A、R1A組成的充電回路對直流回路的支撐電容充電，此時充電接觸器吸合8秒后，并中間直流電壓達到1100V時TCU發出閉合短接接觸器KM1A、KM2A的命令。

牽引工況時單相工頻電網電壓經四象限PWM整流器整流為1800V直流電壓，再經逆變器逆變為三相VVVF電壓供給牽引電機;輔助變流器并聯在中間直流回路，經輔助變壓器輸出AC440V（TCU1輔逆變為VVVF（變頻）輸出，TCU2輔逆變為CVCF（恒頻）輸出），供給機車上的輔助設備供電（如牽引風機、壓縮機、充電機）。

再生制動工況時牽引電機發出的三相電壓經主變逆變模塊整流后，再經四象限模塊逆變通過牽引變壓器、受電弓反饋回電網。

電抗器L2A和C3A～C6A組成二次諧振回路，用于濾除四象限PWM整流器輸出的二次諧波電流。

RCH1A為過壓斬波電阻，用于直流回路的過電壓抑制及停機后的快速放電。

R3A、R4A為固定放電電阻，用于快速放電回路故障后將支撐電容上的電壓放至安全電壓以下;同時該電阻也作為直流分壓電阻，中點接地，用于變流器主電路接地檢測。

LH1A和LH3A、LH4A為電流傳感器，分別用于檢測變流器輸入和輸出電流;VH2A、VH3A和VH1A為電壓傳感器，分別用于檢測變流器直流回路電壓和半電壓。

（二）牽引變流器電路介紹

1.四象限整流電路，該電路由預充電電路、四象限整流器、輸入電流傳感器等部件構成（每個臂由兩個IGBT模塊并聯組成）

2.中間直流電路，中間直流電路由支撐電容、中間電壓傳感器、固定放電電阻、二次濾波LC諧振電路和接地保護電路組成。電路主要作用：能量儲存、平衡及濾波、無功功率交換、主電路接地保護等作用。

3.二次濾波電路，該電路由二次濾波電抗器和二次濾波電容器組成。諧振頻率為100Hz，用于濾除四象限PWM整流器輸出的二次諧波電流。

4.接地保護電路，該電路由接地電阻R3、R4、中間半電壓傳感器VH3、中間全電壓傳感器VH1、VH2構成。

5.主逆變電路，一個變流柜由四個相同的主逆變器模塊，每個逆變器模塊由過壓斬波橋臂和逆變器構成。四象限整流模塊和主逆變器模塊在結構上完全相同，可以互換。

6.輔逆變電路，輔助變流器并聯在中間直流回路，經輔助變壓器輸出AC440V（TCU1輔逆變為VVVF輸出，TCU2輔逆變為CVCF輸出），供給機車上的輔助設備供電（如牽引風機、壓縮機、充電機等）

7.斬波電路，過壓斬波（直流放電）保護電路由過壓斬波電阻、電流傳感器及斬波管組成。當中間直流側電壓過高時，開通斬波電路，將能量通過電阻以熱能的方式消耗。

三、TCU控制單元簡介

每臺牽引變流器內都有兩個專門的TCU（傳動控制單元）。 TCU用于監視和控制、調節牽引變流器。

（一）TCU控制主電路原理

TCU控制主電路采用PWM調制實現四象限脈沖整流器控制，采用直接轉矩控制完成對異步牽引電動機的精確轉矩控制，實現完全微機化、數字化的實時控制。

TCU具有符合列車通信網絡（TCN）IEC61375標準的MVB通信接口，對外與車輛總線相連，與中央控制單元等形成控制與通信系統。TCU內部則構成并行AMS總線。TCU控制原理圖（如圖1）。

機車級的控制功能是根據司機指令完成對機車牽引/制動特性控制和邏輯控制，實現對主電路中接觸器的通斷控制和牽引變流器的啟/停控制，計算列車所需的牽引/電制動力等。

（二）TCU的主要保護功能

1.電網過壓、欠壓保護;2.中間直流過壓、欠壓保護;3.原變電流、接地保護;4.IGBT元件保護;5.主回路接地保護;6.四象限整流器輸入過流保護;7.逆變器、斬波器輸出過流保護;8.電機三相不平衡、缺相保護;9.變流器模塊過熱保護;10.變流器水溫過高保護;11.變流器冷卻水壓過高、過低保護;12.接觸器卡分、卡合保護。

（三）TCU主要控制功能

1.電傳動系統的邏輯控制;2.牽引和制動的特性計算;3.四象限PWM整流器控制;4.異步牽引電機直接轉矩控制;5.機車牽引時空轉、制動時滑行保護的控制、機車粘著利用控制;6.變流系統的保護、故障記錄、診斷。

（四）TCU各插件功能

1、脈沖轉換板

將LCC/MCC發出的、PWM信號由5V轉換到24V輸出，接收模塊脈沖分配來的元件狀態、故障保護的24V信號，轉換成5V信號，送網側信號/電機信號插件保護

2、模擬輸入板（APA、APB）

每塊插件有18路模擬量處理通道。每個通道可采樣的信號形式為電流、電壓或輸出恒流源提供給電阻（溫度傳感器如PT100），然后采樣電阻兩端的電壓差

3、網側信號（LSC）

網側信號是網側控制的外圍板，其主要功能：（1）對電網電壓信號進行濾波、整流、放大等處理以形成網壓瞬時值、有效值、網壓同步信號;（2）對三重四象限輸入電流信號進行濾波、整流、放大等處理以形成電流瞬時值、有效值、電流同步信號、過流信號;（3）對中間直流電壓進行低通濾波、放大等處理以形成直流電壓值、過壓信號;（4）對主電路接地電壓信號進行低通濾波、放大等處理并與中間直流電壓進行合成，以形成主電路接地保護信號;（5）對原邊電流、反饋電流進行濾波、放大等處理以形成原邊電流值、反饋電流值;采樣四象限變流器元件的工作狀態和故障信息;（6）通過AMS總線把所有的故障信息傳遞給SMC進行處理。

4、電機信號板（MSC）

電機側控制的外圍板，其主要功能：（1）速度信號進行濾波處理、二選一;（2）具有三重牽引逆變器輸出過流保護、中間直流電壓過壓保護、斬波過流保護、接地;（3）保護;并采集三個牽引逆變器機組的所有IGBT元件故障信息;（4）通過AMS總線把所有的故障信息傳遞給SMC插件進行處理;

5、電機控制板（MCC）

MCC采用直接轉矩控制，對電機電流等采用瞬時值控制

6、SMC板

為TCU提供MVB通信接口，完成管理AMS總線，車輛邏輯單元的控制;牽引/制動特性控制;故障的傳遞及記錄等功能。

7、數字入出板（DIO）

數字量輸入環節主要通過光電隔離和轉換將外部110V的指令信號，如系統工作命令，系統復位指令及接觸器閉合反饋信號轉換成系統管理單元能夠識別的高，低電平信號; 數字量輸出環節主要將系統的高、低電平信號經過隔離轉換成110V信號向外提供系統的狀態。

8、開關電源板

主要為機箱提供+5V、+15V、-15V、+24V、-24V，為機箱內各插件、風扇層、電流、電壓傳感器、速度傳感器等提供電源。

四、典型故障案例解析

（一）事件概況：

2020年6月20日朔黃鐵路機務段HXD18018機車按計劃下行端接班，13點30司機開始進行出庫前的各項功能檢查試驗，機車高壓試驗過程中，B節為司機室占用端，主斷閉合后，IDU顯示屏報B節輔逆1隔離故障。

（二）處理過程

根據故障現象觀察，當機車報TCU充電超時故障時，機車主斷跳開。因此，可以判斷這是一個真實TCU故障保護現象。試驗過程中發現，機車閉合主斷后，通過司機室狀態顯示屏觀察，主變流器1中間直流電壓為“0”，主變流器2中間直流電壓達到250V～350V之間后，TCU保護性分主斷，司機顯示屏報輔逆1隔離，下載TCU故障數據并結合故障現象，判斷為此故障由TCU1充電超時引起的分主斷保護。

考慮到上班司機退勤并沒有出現此故障，因此，將主變流柜打開，外部檢查充電接觸器、充電回路接線、中間直流電壓傳感器VH1、VH2等均沒有發現異常。初步判定為充電接觸器卡分。

（三）機車運行狀態及數據分析

下載TCU故障數據進行分析：通過嚴重故障分析可以了解到故障在2020年6月20日13點49分58秒出現充電超時故障，13點49分59秒TCU保護性分主斷，13點50分02秒輔逆1 隔離、牽引電機1隔離、牽引電機2隔離。

通過事件記錄分析可以了解到在13點49分52秒司機閉合主斷，在13點49分56秒-58秒的時間里TCU1-CCU：1MGr1充電接觸器狀態及TCU2-CCU：2MGr1充電接觸器狀態為高電平，但TCU1一重中間直流電壓數值為0V，TCU1二重中間直流電壓數值為2V（此電壓數值可以忽略不計），TCU2一重中間直流電壓數值為311V，TCU2二重中間直流電壓數值為307V，在13點49分59秒主斷斷開。

從故障數據可看出，當TCU1-CCU：1MGr1充電接觸器閉合后，經過1秒左右，TCU1中間直流電壓為上升，首先我們要先了解TCU充電超時故障判斷原理。

HXD1型機車TCU充電超時故障判斷原理：

（1）1秒后

當充電接觸器閉合1秒后，VH2與VH3電壓傳感器反饋值取最小值后與門檻值（該值由TCU實時計算，計算方法為：當前網壓/k，其中k為常數）比較，若偏小，則判斷為充電超時。

（2）12秒后

VH2與VH3電壓傳感器反饋值取最小值后與門檻值（該值由TCU實時計算，計算方法為：k*當前網壓值+20，其中k為常數）比較，若偏小，則判斷為充電超時。

根據故障現象觀察，故障時刻發生在TCU充電接觸器閉合之后的1秒左右，因此，可根據HXD1型機車TCU充電超時判斷原理的第1種情況進行分析。基于上述故障判斷原理及故障現象分析，我們初步分析認為，故障原因為TCU1充電接觸器卡分或接觸器觸頭接觸不良導致的TCU分主斷保護，于是我們更換TCU1充電接觸器后，反復進行試驗，故障現象消除。

五、結語

HXD1型神華號電力機車是一種在具體性技術方面經過眾多完善的一種全新機車，擁有先進的網絡控制系統的鐵路重載貨運新型交流電力機車，是朔黃鐵路機務段的主力車型，擔當至關重要的重載任務，為了不影響機車運行，當故障發生時如何快捷有效的找到故障點，并在最短的時間處理故障成為重重之重，TDS網絡數據分析系統能夠有效的判斷故障的發生時間、現象，鎖定故障范圍，為故障處理提供了可靠的依據，提高處理故障的作業效率，為機車安全平穩運行提供了先決條件。

參考文獻

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[3] 張朝輝 仵澤林.機車檢修體系培訓教材（神華號八軸大功率交流傳動電力機車）.成都.西南交通大學出版社，2016.

[4] 榮林.神華八軸交流電力機車.北京：中國鐵道出版社，2014.

作者簡介：

董健（1991-），男，河北省唐山市，技術員，2019年畢業于北京交通大學，現就職于朔黃鐵路發展有限責任公司，通訊地址：河北省滄州市肅寧縣朔黃鐵路機輛分公司。