高速动车组空调机组电加热异常故障的分析与对策

王泽华

摘要：针对某铁路局太原-兰州交路多次发生空调机组电加热保护动作，本文通过阐述空调加热的原理，采用下载空调数据和车辆数据的方法，来分析影响空调加热的因素，提出车辆报出空调电加热故障的处理方法。

关键词：空调加热;海拔;电压;回风;滤网

一、故障报出机理

高速动车组每台空调机组安装1台电加热器，额定电压400V的条件下，功率为24kW，分为各8kW的3组进行控制。电加热器安装在蒸发腔内，位于蒸发器与室内风机之间，电加热器产生的热量由室内风机输送到车厢内，从而达到供暖作用[1]。

电加热器主要由不锈钢框架、温度开关、熔断器（1个控制回路，3个主回路）、电加热管（24根，每8根为1组，1kW/根）组成

空调机组控制装置通过车上温度传感器检测的客室内温度值与制热温度设定值进行比较，输出电加热器接触器的控制信号，控制电加热器按照下表和下图运行，接触器吸合后，电加热器加热管得电开始制热。

电加热器故障保护回路由65℃、128℃、180℃温度保护器组成，其中65℃、128℃温度保护器串联在在控制回路中，180℃温度保护器在主回路中，65℃双金属片温度开关为可自动恢复型保护装置，128℃、180℃温度熔断器均为熔毁不可恢复型;当温度开关检测温度为65℃时，信号变为断路，控制装置检测后切除电加热器接触器并输出故障，当温度开关检测温度低于48℃时，双金属片温度开关复位，可继续进行制热运行[2]。

二、故障统计梳理

对发生空调电加热异常故障的车次交路、故障时间、车位号进行了统计梳理，发现如下特征：

（1）1车2位发生8起，5车2位发生2起，5车1位发生5起;

（2）运行交路为D2565次（太原-兰州）发生8起，D2566次（兰州-太原）发生5起，D5376次（平遥-大同）发生2起;

（3）兰州西到站前后发生8起，兰州西始发后发生4起，停车线发生1起，平遥-大同线路发生2起;

（4）绝大多数电加热异常故障均发生在太原-兰州往返交路中，且大多发生在兰州西站附近，针对该现象本文进行了详细调查。

三、海拔对空调加热的影响

调查分析兰州西站与其他交路的主要区别首先为海拔，从表中可以看出，海拔高度每升高1000m，空气密度降低约10%，即每上升100m，密度约下降1%。

根据理想气体方程PV=nRT=mRT/M，得PM=ρRT

其中，P压强，M相对分子质量，R常数，T热力学温度，ρ密度，在给定气体的情况下，M、R一定;即温升与密度成反比。

海拔高度每上升100m，ΔT（温升）上涨约1%。

其中太原地区平均海拔800m，西安地区平均海拔400m，兰州地区平均海拔1800米， 因此，在理想条件下（其他影响因素不计），兰州地区因海拔原因较太原地区ΔT（温升）上涨约10%，较西安地区上涨约14%。

四、电压对空调加热的影响

根据空调机组制热控制原理，可知电加热器通电后加热管产生的热量，由室内风机将热量经由空调机组出风口、车体风道、车厢出风口传输后送至客室内，再经车厢回风口、车体风道、空调机组回风口进入空调内部，完成制热循环;根据电加热器故障特征为温度保护动作，可知电加热器的ΔT（温升）为问题的核心，影响因素有电加热器的功率（输入）、电加热器的散热（输出）[3]，

根据Q=I2*RΔT=U2/RΔT，可知电加热器的功率与U2（电压的平方）成正比，与R（电阻）成反比;

根据Q=CmΔt，m=ρ（密度）p（风量）即Q（热量）=CρpΔt，电加热器的散热与ρ（密度）、p（风量）、c（比热容）成正比。

因此，電加热器的ΔT（温升）与U2（电压的平方）成正比，与R（电阻）、ρ（密度）、p（风量）和c（比热容）成反比。

电加热器额定电压为400V，在其他条件不变和不考虑电加热器功率分散性的前提下，Q（功率）和ΔT（温升）成正比，即与U2（电压的平方）成正比。

梳理太原-兰州交路全线电压数据，可看出兰州方向空调机组输入电压值在AC430V-AC450V之间，太原方向电压值在AC420-AC440V之间，详见下图所示：

从上图中可看出以下趋势：

（1）AC440-450V电压（黄线）占比从太原南站至兰州西站间逐渐升高;

（2）AC420-430V电压（橙线）占比从太原南站至兰州西站间逐渐降低;

（3）AC410-420V电压（蓝线）占比从太原南站至兰州西站间逐渐降低;

（4）兰州地区因网压原因较太原地区ΔT（温升）上涨约5.3-15.6%。

五、风量对空调加热的影响

空调机组室内风机风量设计要求为：静压784Pa下风量3900（m3/h）。风道阻力增大是降低风机风量的主要原因，因此风道阻力的上升会导致电加热管的表面温度升高。

1.空调机组滤网状态

根据风量与电流对比趋势图分析，当室内风机电流值为4.5A时，电加热器表面ΔT（温升）比值（%）约为200%。对空调机组故障时的室内风机电流数据进行了下载，发现故障时刻的CVCF电流（室内风机运行电流值）均为4A，电加热器表面ΔT比值更大;

针对上述电流为4A报出电加热器故障的现象，将现车空调机组周期运行数据采集并分析，分析该车空调机组室内风机电流数据（除去数据量占比不到1%的3.5A、6A、6.5A电流值）

根据上图，可得出如下结论：

（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（蓝色）、4.5A（橙色）的电流数据占比超过50%-80%，1月7日以后5A（灰色）、5.5A（黄色）的电流数据占比55%-98%;

（2）当电流值位于5-5.5A范围时，空调机组不再输出故障;

（3）1月6日前运行太原-兰州交路，1月6日后运行太原-运城交路，4A电流值降低的原因可能为滤网脏堵情况改善，推测运城方向沿线灰尘量较兰州方向小，导致滤网脏堵较为缓慢，不易报出故障;

太原-兰州线路条件较差，灰尘聚集在滤网上影响风量的速率较快，导致空调机组室内风机运行电流值较低，循环风量差，造成空调机组室内腔温度易聚集，易发生故障。

2.回风口数量

对于目前出现故障的1车、5车及未出现故障的4车、6车进行了回风口数量对比，1车回风口数量24个，4车回风口数量29个，5车回风口数量27个，6车回风口数量35个。1车比4车回风口少17%，比6车回风口少31%;5车比4车回风口少7%，比6车回风口少23%，且5车由于餐车、乘务室、机械师室的存在，风道口布局没有其他车厢均匀;

根据风量计算公式，可进行如下计算：

Q=60VA

Q：风量（m?/min）; V：风速（m/s）; A：截面积（㎡）;

由于车厢内风道截面积无法测量，而座椅下风道尺寸基本一致（除机械师和乘务员室外），可假设风道截面积为a进行计算;

實际测量结果，1车较4车风量减少约12%，较6车比风量减少约14%;5车较4车风量减少约28%，较6车风量减少约30%;

六、故障原因总结

根据故障情况调查及数据分析，判断此次故障由以下综合原因造成：

（1）海拔因素，兰州地区的海拔较太原地区的海拔提升了ΔT（温升值）约10%;

（2）网压因素，针对空调机组的输入电压值，兰州地区较太原地区高约20V，提升了电加热器表面ΔT（温升值）约16%～27%;

（3）线路路况条件，太原-兰州交路较太原-运城交路对比，线路条件较差，灰尘聚集在滤网上影响风量的速率较快，导致空调机组室内风机运行电流值较低，循环风量差，造成空调机组室内腔温度易聚集，发生故障;

（4）车厢回风面积，通过调查可知1车、5车较4车、6车回风口数量较少，且分布不均，在一定程度上影响了整体风量循环，此项影响较小。

七、处置措施

（1）继续跟踪调查空调机组运行状态，从空调机组的运行数据进行跟踪分析，确保空调机组的平稳运行;

（2）对太原-兰州往返交路的车辆，增加对空调机组滤网及车厢回风滤网的检查频次，发现异常及时清洗或者更换滤网;

（3）检查日常备品储备情况，及时补充储备，在发生故障后可在最短时间内进行调查处理。

八、总结

根据以上分析，空调加热受到海拔、网压、车厢回风面积、滤网状态等综合因素的影响，对于太原-兰州交路，当上述原因多个同时存在时，易导致温度保护的发生，一般发生的保护为可恢复型保护动作，是电加热器的一级预警保护，当温度降低后，可自行恢复，不会对车辆运行造成影响。当发生故障后，可以通过更改交路或者增加滤网清洗频次来保证空调正常运转。

参考文献

[1] 曹艳华，王德帅.高速动车组空调控制器故障分析及改进措施[J]. 城市轨道交通研究，2017，20（02）：48-51

[2] 陈健. CRH380AL型动车组空调机组电加热异常问题解决措施[J].中国科技信息，2015，（06）： 126-127

[3] 王东屏，王凯. 动车组明线运行速度提高对空调工作的影响[J]. 计算机辅助工程，2020，29（00）： 36-41