HXD1型机车TCU通信故障及充电电阻烧损故障分析

HXD1型机车TCU通信故障及充电电阻烧损故障分析

田海  王晓锋  杨祖福

中车株洲电力机车有限公司  湖南株洲 412000

摘要： HXD1型大功率交流传动货运电力机车自大批量投入运用以来，以其功率大、牵引定数高、操纵简单方便、运用质量可靠等特点得到机车运用部门的肯定。本文通过对HXD1型机车TCU通信故障及充电电阻烧损故障原因的分析，并介绍相应的针对性措施。

关键词：HXD1型机车，TCU，通信故障，充电电阻

一、故障情况

2023年10月11日，配属某机务段的HXD1型某机车担当牵引任务，牵引1200吨，10月11日4：31分报B节 TCU2 通讯故障，BCU 牵引封锁，司机复位处理，4：45分机车报TCU2通讯故障，主变2辅变输出过流等故障。

二、故障原因分析及故障梳理

1、内存诊断数据分析

根据 TCU 内存诊断记录数据可知，首次报出 TCU2 通信故障后，读取板卡数据异常，导致TCU 报出大量故障。

2、MVB 数据分析

（1）TCU2 通信故障分析：

05时11分55秒，报B节TCU2通信故障，07时14分42秒复位；报TCU2通信故障时，变流器工作在不控整流工况，网压28kV，中间电压1466V，预充电接触器处于断开状态，可以得出，此时预充电电阻为正常状态；

07时14分16秒，TCU2生命信号恢复正常，此时主断处于断开状态。

07时15分12秒，报主变2保护性分主断，07时15分17秒复位；

（2）主变2充电超时故障分析：

07时15分12秒，报B节主变2保护性分主断、主变2充电超时、ACU2隔离、TCU2隔离（07 时22分32秒复位）；

07时15分08秒主断闭合后，约300ms后预充电接触器闭合，中间电压无变化，四象限输入电流值约为0，可以分析出此时预充电电阻已经损毁，充电回路开路。

3、故障梳理

05时11分55秒，报B节TCU2通信故障，07时14分42秒复位；

07时14分16秒，TCU2生命信号恢复正常，此时主断处于断开状态。

07时15分12秒，报B节主变2保护性分主断、主变2充电超时、ACU2隔离、TCU2隔离（07 时22分32秒复位）；

报出通信故障前，中压正常，预充电电路为正常状态；报出通信故障后，司机进行复位操作，复位后TCU2生命信号恢复，隔离复位；待报出充电超时时，预充电电阻已烧损。

推测故障原因为：报出通信故障后，TCU2隔离，车上司机带电复位TCU2；复位过程中，斩波管状态为导通状态，由于此时TCU整机处于非正常状态，误发出预充电接触器K41闭合指令，导通预充电回路与斩波回路，在此状态下烧损预充电电阻。

三、现场处理措施及故障件返厂测试

经排查后，已更换另一车B节TCU2中DSP2、DSP3、DSP4板卡及2个预充电电阻。更换后故障复位，车辆上电测试正常，无故障报出。

将故障返回的TCU置于环境箱中，进行环境试验以加速故障复现进度，经多日高温（70℃）环境试验，故障复现，故障时刻 SPU2 卡死机，再下载诊断数据，背板总线被占用，与现场故障表现一致。

四、现场故障印证

根据故障件复现情况，故障时刻 SPU2 板卡死机，导致总线占用，CPU 无法正常在总线上进行数据及命令的读写导致 CPU 与 MVB 板卡间通讯故障。同时根据变流器主回路示意图（图 5-1）及系统控制原理分析，在故障时刻，SPU 板卡死机占用总线，导致 TCU 内 CPU 无法与 IOM 正常通信，触发全封锁断开主接触器 Q，导通制动斩波 A6 模块。

由于总线占用，BOCD 板卡会接收错误指令导通 K41，这样就形成了一个闭合回路，变压器输出的电流经 K41、预充电电阻进入整流模块，在整流模块中经不控整流输出进中间电压回路，因当前状态制动斩波模块处于导通状态，电流经制动斩波模块后回流进大地。长时间的故障导致预充电电阻发热、烧损，与现场情况一致。

五、单板故障分析

SPU 板卡死机分析：SPU 前面板指示灯状态控制如表下图所示：

根据故障复现时刻前面板只有 D2 灯亮，证明只有 5V 正常工作，FPGA 和 DSP 均处于死机或复位状态。即整板处于死机或复位状态。

SPU 板卡死机主要有以下原因

（1）主芯片失效，通过对板卡的反复重启可看到 DSP 和 FPGA 可正常引导证明 DSP 和 FPGA 正常工作，不存在失效问题

（2）电源故障，将复现故障的板卡，进行单板测试分析，单板供电后，SPU 出现死机状况，用示波器测试各个电源轨正常

（3）复位电路，如下图所示，复位电路是由 3 个 2 输入与门组成。

对于故障复现时刻的单板，进一步测量复位电路，F2_D_RST#、POWER_RESET#、CPU_RST#状态为 1，但 DSP_RST#、FPGA_PROGB 均为低，证明 FPGA 和 DSP 芯片均处于复位状态。再对与门芯片引脚进行测试，发现与门输入 2 脚处为低电平，但 1 处为高电平，进而对按键进行测试，发现常闭触点处于开路。因与门芯片为 COMS 输入与门，该路在开路的状态下并没有上下拉电阻去确定状态，导致与门工作在非正常状态，致使与门输出为低电平，导致整板处于复位状态无法正常启动。

对于 SPU 板卡死机占用总线的分析：当 FPGA 处于复位状态时，所有 IO 电平状态均处于高电平，而 buffer 在方向控制引脚当电平为高电平时方向是由 A 到 B，因此在 FPGA 复位状态下，SPU 板卡对背板总线发带有一定驱动能力的高电平。通过对故障复现时刻背板总线测量可以印证，背板上在故障时刻总线上有电平拉低的动作，但电平拉低幅度有限（2.3V 左右）无法达到低电平要求，因此当 SPU 死机时，会导致数据总线上其他设备读到的状态始终为高电平，此现象和环境变量里全为 1 相吻合。

六、结论

HXD1-1927 车 B 节 TCU2 通信故障及充电电阻烧损故障原因是由于 SPU 板卡上按键开关常闭触失效导致 SPU 整板处于复位状态。SPU 板卡复位状态下占用总线，导致 CPU 板卡与 MVB 板卡交互失败报出通讯故障，同时又因为总线被占用，导致 A6 导通，预充电电阻接触器非正常状态下闭合，导致预充电电阻烧损。

七、优化方案

1、针对复位开关失效

为规避后续因按键常闭触点失效导致 SPU 板卡整板复位的情况，在现方案中预留有短路电阻 R（可见图 6-2）未焊接，根据前后电路分析，建议在 R 处焊接 4.7K 电阻保证电路的可靠性。

2、针对背板总线占用

为了避免因 FPGA 死机导致总线占用问题，如图 6-3 所示，去除 buffer 芯片的下拉使能电阻，焊接 RJ19 和 RJ20 改为由 FPGA 引脚控制，这样若 FPGA 死机，其所有 IO 均为高电平，buffer 将处于非片选状态，背板侧将处于高阻态，不会再占用总线。

八、结束语

通过对HXD1型机车TCU通信故障及充电电阻烧损故障原因的分析，，确认了故障原因是由于 SPU 板卡上按键开关常闭触失效导致 SPU 整板处于复位状态，为后续此类故障处理提供借鉴。

参考文献

HXD1型电力机车电气原理图