高速動車組空調機組電加熱異常故障的分析與對策

王澤華

摘要：針對某鐵路局太原-蘭州交路多次發生空調機組電加熱保護動作，本文通過闡述空調加熱的原理，采用下載空調數據和車輛數據的方法，來分析影響空調加熱的因素，提出車輛報出空調電加熱故障的處理方法。

關鍵詞：空調加熱;海拔;電壓;回風;濾網

一、故障報出機理

高速動車組每臺空調機組安裝1臺電加熱器，額定電壓400V的條件下，功率為24kW，分為各8kW的3組進行控制。電加熱器安裝在蒸發腔內，位于蒸發器與室內風機之間，電加熱器產生的熱量由室內風機輸送到車廂內，從而達到供暖作用[1]。

電加熱器主要由不銹鋼框架、溫度開關、熔斷器（1個控制回路，3個主回路）、電加熱管（24根，每8根為1組，1kW/根）組成

空調機組控制裝置通過車上溫度傳感器檢測的客室內溫度值與制熱溫度設定值進行比較，輸出電加熱器接觸器的控制信號，控制電加熱器按照下表和下圖運行，接觸器吸合后，電加熱器加熱管得電開始制熱。

電加熱器故障保護回路由65℃、128℃、180℃溫度保護器組成，其中65℃、128℃溫度保護器串聯在在控制回路中，180℃溫度保護器在主回路中，65℃雙金屬片溫度開關為可自動恢復型保護裝置，128℃、180℃溫度熔斷器均為熔毀不可恢復型;當溫度開關檢測溫度為65℃時，信號變為斷路，控制裝置檢測后切除電加熱器接觸器并輸出故障，當溫度開關檢測溫度低于48℃時，雙金屬片溫度開關復位，可繼續進行制熱運行[2]。

二、故障統計梳理

對發生空調電加熱異常故障的車次交路、故障時間、車位號進行了統計梳理，發現如下特征：

（1）1車2位發生8起，5車2位發生2起，5車1位發生5起;

（2）運行交路為D2565次（太原-蘭州）發生8起，D2566次（蘭州-太原）發生5起，D5376次（平遙-大同）發生2起;

（3）蘭州西到站前后發生8起，蘭州西始發后發生4起，停車線發生1起，平遙-大同線路發生2起;

（4）絕大多數電加熱異常故障均發生在太原-蘭州往返交路中，且大多發生在蘭州西站附近，針對該現象本文進行了詳細調查。

三、海拔對空調加熱的影響

調查分析蘭州西站與其他交路的主要區別首先為海拔，從表中可以看出，海拔高度每升高1000m，空氣密度降低約10%，即每上升100m，密度約下降1%。

根據理想氣體方程PV=nRT=mRT/M，得PM=ρRT

其中，P壓強，M相對分子質量，R常數，T熱力學溫度，ρ密度，在給定氣體的情況下，M、R一定;即溫升與密度成反比。

海拔高度每上升100m，ΔT（溫升）上漲約1%。

其中太原地區平均海拔800m，西安地區平均海拔400m，蘭州地區平均海拔1800米， 因此，在理想條件下（其他影響因素不計），蘭州地區因海拔原因較太原地區ΔT（溫升）上漲約10%，較西安地區上漲約14%。

四、電壓對空調加熱的影響

根據空調機組制熱控制原理，可知電加熱器通電后加熱管產生的熱量，由室內風機將熱量經由空調機組出風口、車體風道、車廂出風口傳輸后送至客室內，再經車廂回風口、車體風道、空調機組回風口進入空調內部，完成制熱循環;根據電加熱器故障特征為溫度保護動作，可知電加熱器的ΔT（溫升）為問題的核心，影響因素有電加熱器的功率（輸入）、電加熱器的散熱（輸出）[3]，

根據Q=I2*RΔT=U2/RΔT，可知電加熱器的功率與U2（電壓的平方）成正比，與R（電阻）成反比;

根據Q=CmΔt，m=ρ（密度）p（風量）即Q（熱量）=CρpΔt，電加熱器的散熱與ρ（密度）、p（風量）、c（比熱容）成正比。

因此，電加熱器的ΔT（溫升）與U2（電壓的平方）成正比，與R（電阻）、ρ（密度）、p（風量）和c（比熱容）成反比。

電加熱器額定電壓為400V，在其他條件不變和不考慮電加熱器功率分散性的前提下，Q（功率）和ΔT（溫升）成正比，即與U2（電壓的平方）成正比。

梳理太原-蘭州交路全線電壓數據，可看出蘭州方向空調機組輸入電壓值在AC430V-AC450V之間，太原方向電壓值在AC420-AC440V之間，詳見下圖所示：

從上圖中可看出以下趨勢：

（1）AC440-450V電壓（黃線）占比從太原南站至蘭州西站間逐漸升高;

（2）AC420-430V電壓（橙線）占比從太原南站至蘭州西站間逐漸降低;

（3）AC410-420V電壓（藍線）占比從太原南站至蘭州西站間逐漸降低;

（4）蘭州地區因網壓原因較太原地區ΔT（溫升）上漲約5.3-15.6%。

五、風量對空調加熱的影響

空調機組室內風機風量設計要求為：靜壓784Pa下風量3900（m3/h）。風道阻力增大是降低風機風量的主要原因，因此風道阻力的上升會導致電加熱管的表面溫度升高。

1.空調機組濾網狀態

根據風量與電流對比趨勢圖分析，當室內風機電流值為4.5A時，電加熱器表面ΔT（溫升）比值（%）約為200%。對空調機組故障時的室內風機電流數據進行了下載，發現故障時刻的CVCF電流（室內風機運行電流值）均為4A，電加熱器表面ΔT比值更大;

針對上述電流為4A報出電加熱器故障的現象，將現車空調機組周期運行數據采集并分析，分析該車空調機組室內風機電流數據（除去數據量占比不到1%的3.5A、6A、6.5A電流值）

根據上圖，可得出如下結論：

（1）12月27日-1月7日共12天，1月8日-1月17日共10天，1月7日前4A（藍色）、4.5A（橙色）的電流數據占比超過50%-80%，1月7日以后5A（灰色）、5.5A（黃色）的電流數據占比55%-98%;

（2）當電流值位于5-5.5A范圍時，空調機組不再輸出故障;

（3）1月6日前運行太原-蘭州交路，1月6日后運行太原-運城交路，4A電流值降低的原因可能為濾網臟堵情況改善，推測運城方向沿線灰塵量較蘭州方向小，導致濾網臟堵較為緩慢，不易報出故障;

太原-蘭州線路條件較差，灰塵聚集在濾網上影響風量的速率較快，導致空調機組室內風機運行電流值較低，循環風量差，造成空調機組室內腔溫度易聚集，易發生故障。

2.回風口數量

對于目前出現故障的1車、5車及未出現故障的4車、6車進行了回風口數量對比，1車回風口數量24個，4車回風口數量29個，5車回風口數量27個，6車回風口數量35個。1車比4車回風口少17%，比6車回風口少31%;5車比4車回風口少7%，比6車回風口少23%，且5車由于餐車、乘務室、機械師室的存在，風道口布局沒有其他車廂均勻;

根據風量計算公式，可進行如下計算：

Q=60VA

Q：風量（m?/min）; V：風速（m/s）; A：截面積（㎡）;

由于車廂內風道截面積無法測量，而座椅下風道尺寸基本一致（除機械師和乘務員室外），可假設風道截面積為a進行計算;

實際測量結果，1車較4車風量減少約12%，較6車比風量減少約14%;5車較4車風量減少約28%，較6車風量減少約30%;

六、故障原因總結

根據故障情況調查及數據分析，判斷此次故障由以下綜合原因造成：

（1）海拔因素，蘭州地區的海拔較太原地區的海拔提升了ΔT（溫升值）約10%;

（2）網壓因素，針對空調機組的輸入電壓值，蘭州地區較太原地區高約20V，提升了電加熱器表面ΔT（溫升值）約16%～27%;

（3）線路路況條件，太原-蘭州交路較太原-運城交路對比，線路條件較差，灰塵聚集在濾網上影響風量的速率較快，導致空調機組室內風機運行電流值較低，循環風量差，造成空調機組室內腔溫度易聚集，發生故障;

（4）車廂回風面積，通過調查可知1車、5車較4車、6車回風口數量較少，且分布不均，在一定程度上影響了整體風量循環，此項影響較小。

七、處置措施

（1）繼續跟蹤調查空調機組運行狀態，從空調機組的運行數據進行跟蹤分析，確保空調機組的平穩運行;

（2）對太原-蘭州往返交路的車輛，增加對空調機組濾網及車廂回風濾網的檢查頻次，發現異常及時清洗或者更換濾網;

（3）檢查日常備品儲備情況，及時補充儲備，在發生故障后可在最短時間內進行調查處理。

八、總結

根據以上分析，空調加熱受到海拔、網壓、車廂回風面積、濾網狀態等綜合因素的影響，對于太原-蘭州交路，當上述原因多個同時存在時，易導致溫度保護的發生，一般發生的保護為可恢復型保護動作，是電加熱器的一級預警保護，當溫度降低后，可自行恢復，不會對車輛運行造成影響。當發生故障后，可以通過更改交路或者增加濾網清洗頻次來保證空調正常運轉。

參考文獻

[1] 曹艷華，王德帥.高速動車組空調控制器故障分析及改進措施[J]. 城市軌道交通研究，2017，20（02）：48-51

[2] 陳健. CRH380AL型動車組空調機組電加熱異常問題解決措施[J].中國科技信息，2015，（06）： 126-127

[3] 王東屏，王凱. 動車組明線運行速度提高對空調工作的影響[J]. 計算機輔助工程，2020，29（00）： 36-41