HXD1B 型機(jī)車控制電源柜內(nèi)監(jiān)控模塊故障分析及建議

郝 亮 張心悅

（廣州電力機(jī)車有限公司，廣東 廣州510850）

HXD1B 型六軸電力機(jī)車是中車株洲電力機(jī)車在HXD1 型電力機(jī)車設(shè)計(jì)制造技術(shù)平臺(tái)的基礎(chǔ)上與德國(guó)西門子合作研制的，該型機(jī)車采用IGBT 牽引變流器，單軸控制技術(shù)，單軸交流電牽引電動(dòng)機(jī)最大功率1600 kW、總功率9600 kW；控制電源柜采用由深圳通業(yè)自主研發(fā)的TGY02[1]型電源柜，隨著HXD1B型機(jī)車在線路上運(yùn)用考核，不斷優(yōu)化完善控制電源柜各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)，也發(fā)現(xiàn)電源柜監(jiān)控模塊還存在一些小的缺陷，本文通過(guò)廣州電力機(jī)車有限公司檢修機(jī)車在段運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)的監(jiān)控模塊故障，分析監(jiān)控模塊工作原理和實(shí)際故障點(diǎn)，提出優(yōu)化監(jiān)控模塊控制程序方法的建議。

1 監(jiān)控模塊故障的基本情況

2019 年5 月17 日，鄭州機(jī)務(wù)段配屬HXD1B0236 因蓄電池欠壓造成機(jī)車控制系統(tǒng)失電，請(qǐng)求救援后，機(jī)車控制電源恢復(fù)正常，但運(yùn)行10 分鐘后，控制電源又突然失電，最終導(dǎo)致該機(jī)車產(chǎn)生機(jī)破。

1.1 監(jiān)控模塊故障現(xiàn)象

回段后，由我司售后人員與深圳通業(yè)售后人員共同上車檢查，發(fā)現(xiàn)微機(jī)屏出現(xiàn)多條“蓄電池已欠壓”[2]故障，同時(shí)我司售后人員下載CCU 數(shù)據(jù)，通過(guò)SIBAS 32 Expert 2 軟件分析，同樣發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)多次“蓄電池電壓低于85V”報(bào)警，

1.2 監(jiān)控模塊故障處置情況

通過(guò)庫(kù)內(nèi)高壓試驗(yàn)，對(duì)控制電源柜監(jiān)控模塊數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)監(jiān)控模塊顯示的交流輸入電壓一直波動(dòng)，最低達(dá)到AC150V，各個(gè)AC/DC 模塊隨著輸入電壓的波動(dòng)，時(shí)而停止輸出，這個(gè)過(guò)程控制電源柜輸出電壓在80-86V 波動(dòng)，而實(shí)際交流輸入電壓一致是AC440V 正常狀態(tài)。將該監(jiān)控模塊與庫(kù)內(nèi)正常車進(jìn)行對(duì)調(diào)，故障隨著監(jiān)控模塊轉(zhuǎn)移，在正常車上故障現(xiàn)象類似，監(jiān)控模塊監(jiān)測(cè)的輸入電壓在AC 149V 左右跳動(dòng)，控制電源柜輸出時(shí)而停止。從而確定故障件為監(jiān)控模塊。

2 監(jiān)控模塊外部接口、過(guò)壓欠壓工作原理及故障分析

2.1 監(jiān)控模塊外部接口

控制電源柜內(nèi)監(jiān)控模塊外部接口[3]如圖1 所示，監(jiān)控模塊用于采集三相輸入電壓U1、V1、W1，電流傳感器B01、B02, 直流110V 充電模塊A01、A02、A03、A04，直流24V 充電模塊A07、A08 等信號(hào)，并通過(guò)軟件與硬件兩種途徑輸出監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及保護(hù)信號(hào)。其一通過(guò)硬線反饋給“信號(hào)轉(zhuǎn)接板A06”輸出過(guò)流、DCDC模塊故障、ACDC 模塊故障和斷路器Q01-Q05 斷開等硬線模擬量，直接用于斷開相關(guān)繼電器的電源輸入，起到保護(hù)作用。其二通過(guò)RS485 轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊，將控制電源柜監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)時(shí)時(shí)傳輸給機(jī)車微機(jī)控制系統(tǒng)CCU，通過(guò)軟件方式對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并傳送到司機(jī)室微機(jī)顯示屏上。

圖1 監(jiān)控模塊對(duì)外接口示意圖

2.2 監(jiān)控模塊輸入過(guò)壓、欠壓工作原理

監(jiān)控模塊通過(guò)對(duì)比輸入電壓和過(guò)欠壓基準(zhǔn)電壓數(shù)值，控制光耦的通斷達(dá)到控制輸出開關(guān)信號(hào)FAIL，當(dāng)輸入電壓大于過(guò)壓基準(zhǔn)電壓時(shí)，或者小于基準(zhǔn)電壓時(shí)，光耦導(dǎo)通，輸出FAIL 低電平信號(hào)；再利用開關(guān)信號(hào)FAIL 控制輸入繼電器和驅(qū)動(dòng)波形的輸出斷開，從而控制模塊的輸出。HXD1B 型機(jī)車控制電源柜設(shè)計(jì)時(shí)，按照當(dāng)三相交流輸入電壓小于350V±20V(10%負(fù)載)或大于540V±20V(10%負(fù)載)時(shí)，控制電源柜停止工作，電壓恢復(fù)正常后，系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)工作。即過(guò)壓保護(hù)值為540V±20V(10%負(fù)載)，欠壓保護(hù)值350V±20V(10%負(fù)載)，監(jiān)控通過(guò)對(duì)輸入電壓采樣，進(jìn)行預(yù)警提示。通過(guò)MATLAB 模擬電路如圖2 所示，對(duì)監(jiān)控模塊過(guò)壓欠壓工作原理進(jìn)行仿真，調(diào)節(jié)電阻R114 的大小，發(fā)現(xiàn)輸出開關(guān)信號(hào)FAIL 在高電平與低電平之間跳動(dòng)。

圖2 過(guò)壓、欠壓仿真電路示意圖

2.3 HXD1B0236 機(jī)破故障原因

通過(guò)對(duì)故障監(jiān)控模塊拆解，檢查電路板沒有可視異常，通電測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在監(jiān)控模塊靜態(tài)下，故障沒有重現(xiàn)，當(dāng)晃動(dòng)監(jiān)控模塊時(shí)，故障再現(xiàn)，檢查發(fā)現(xiàn)交流輸入檢測(cè)電路的貼片電阻R170 一側(cè)焊盤存在電拉弧現(xiàn)象，使用表筆按照貼片電阻本體，拉弧現(xiàn)象消失，通過(guò)對(duì)貼片電阻重新焊接，測(cè)試正常，無(wú)論如何晃動(dòng)監(jiān)控模塊，故障均未出現(xiàn)。從而確定故障原因?yàn)楸O(jiān)控模塊交流輸入檢測(cè)電阻采樣失真，導(dǎo)致采樣輸入電壓低于AC360V 時(shí)，監(jiān)控模塊斷開AC/DC 模塊調(diào)壓端，使AC/DC 模塊停止工作，導(dǎo)致控制電源柜處于失效模式，蓄電池一直處于放電狀態(tài)。

3 整改方案及建議

通過(guò)同深圳通業(yè)廠家對(duì)HXD1B0236 機(jī)車控制電源柜故障分析，查出造成本次機(jī)破的主要原因由有兩個(gè)：a.監(jiān)控模塊內(nèi)部電路板電阻虛焊，導(dǎo)致輸入電壓采樣失真，從而產(chǎn)生誤判斷。b.充電模塊AC/D 本身已經(jīng)具有過(guò)壓與欠壓保護(hù)，又在監(jiān)控模塊內(nèi)重新增加過(guò)壓、欠壓保護(hù)，導(dǎo)致程序過(guò)于復(fù)雜，產(chǎn)生過(guò)多保護(hù)，影響機(jī)車正常運(yùn)行。通過(guò)分析，決定對(duì)控制電源柜程序進(jìn)行優(yōu)化，具體優(yōu)化程序?yàn)椋∠O(jiān)控模塊內(nèi)部輸入過(guò)欠壓保護(hù)功能，即當(dāng)監(jiān)控模塊監(jiān)測(cè)到交流輸入異常時(shí)，不再執(zhí)行保護(hù)動(dòng)作，僅對(duì)外提示模塊故障，從而避免影響機(jī)車正常運(yùn)行。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)HXD1B0236 機(jī)車控制電源柜故障進(jìn)行分析，查明了故障原因，并對(duì)后期如何防止此類故障提出了建議及程序優(yōu)化措施，通過(guò)中車株洲電力機(jī)車設(shè)計(jì)部門驗(yàn)證后，將對(duì)新造機(jī)車及在段運(yùn)用機(jī)車實(shí)施優(yōu)化，避免類似故障再次發(fā)生，影響機(jī)車正常運(yùn)用。