高速動車組空調(diào)機(jī)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(fā)生空調(diào)機(jī)組電加熱保護(hù)動作，本文通過闡述空調(diào)加熱的原理，采用下載空調(diào)數(shù)據(jù)和車輛數(shù)據(jù)的方法，來分析影響空調(diào)加熱的因素，提出車輛報(bào)出空調(diào)電加熱故障的處理方法。

關(guān)鍵詞：空調(diào)加熱;海拔;電壓;回風(fēng);濾網(wǎng)

一、故障報(bào)出機(jī)理

高速動車組每臺空調(diào)機(jī)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(jìn)行控制。電加熱器安裝在蒸發(fā)腔內(nèi)，位于蒸發(fā)器與室內(nèi)風(fēng)機(jī)之間，電加熱器產(chǎn)生的熱量由室內(nèi)風(fēng)機(jī)輸送到車廂內(nèi)，從而達(dá)到供暖作用[1]。

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

空調(diào)機(jī)組控制裝置通過車上溫度傳感器檢測的客室內(nèi)溫度值與制熱溫度設(shè)定值進(jìn)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(yùn)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(hù)回路由65℃、128℃、180℃溫度保護(hù)器組成，其中65℃、128℃溫度保護(hù)器串聯(lián)在在控制回路中，180℃溫度保護(hù)器在主回路中，65℃雙金屬片溫度開關(guān)為可自動恢復(fù)型保護(hù)裝置，128℃、180℃溫度熔斷器均為熔毀不可恢復(fù)型;當(dāng)溫度開關(guān)檢測溫度為65℃時(shí)，信號變?yōu)閿嗦?，控制裝置檢測后切除電加熱器接觸器并輸出故障，當(dāng)溫度開關(guān)檢測溫度低于48℃時(shí)，雙金屬片溫度開關(guān)復(fù)位，可繼續(xù)進(jìn)行制熱運(yùn)行[2]。

二、故障統(tǒng)計(jì)梳理

對發(fā)生空調(diào)電加熱異常故障的車次交路、故障時(shí)間、車位號進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)梳理，發(fā)現(xiàn)如下特征：

（1）1車2位發(fā)生8起，5車2位發(fā)生2起，5車1位發(fā)生5起;

（2）運(yùn)行交路為D2565次（太原-蘭州）發(fā)生8起，D2566次（蘭州-太原）發(fā)生5起，D5376次（平遙-大同）發(fā)生2起;

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

（4）絕大多數(shù)電加熱異常故障均發(fā)生在太原-蘭州往返交路中，且大多發(fā)生在蘭州西站附近，針對該現(xiàn)象本文進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查。

三、海拔對空調(diào)加熱的影響

調(diào)查分析蘭州西站與其他交路的主要區(qū)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(jù)理想氣體方程PV=nRT=mRT/M，得PM=ρRT

其中，P壓強(qiáng)，M相對分子質(zhì)量，R常數(shù)，T熱力學(xué)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(qū)平均海拔800m，西安地區(qū)平均海拔400m，蘭州地區(qū)平均海拔1800米， 因此，在理想條件下（其他影響因素不計(jì)），蘭州地區(qū)因海拔原因較太原地區(qū)ΔT（溫升）上漲約10%，較西安地區(qū)上漲約14%。

四、電壓對空調(diào)加熱的影響

根據(jù)空調(diào)機(jī)組制熱控制原理，可知電加熱器通電后加熱管產(chǎn)生的熱量，由室內(nèi)風(fēng)機(jī)將熱量經(jīng)由空調(diào)機(jī)組出風(fēng)口、車體風(fēng)道、車廂出風(fēng)口傳輸后送至客室內(nèi)，再經(jīng)車廂回風(fēng)口、車體風(fēng)道、空調(diào)機(jī)組回風(fēng)口進(jìn)入空調(diào)內(nèi)部，完成制熱循環(huán);根據(jù)電加熱器故障特征為溫度保護(hù)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(jù)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(jù)Q=CmΔt，m=ρ（密度）p（風(fēng)量）即Q（熱量）=CρpΔt，電加熱器的散熱與ρ（密度）、p（風(fēng)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(fēng)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(shù)據(jù)，可看出蘭州方向空調(diào)機(jī)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(lán)線）占比從太原南站至蘭州西站間逐漸降低;

（4）蘭州地區(qū)因網(wǎng)壓原因較太原地區(qū)ΔT（溫升）上漲約5.3-15.6%。

五、風(fēng)量對空調(diào)加熱的影響

空調(diào)機(jī)組室內(nèi)風(fēng)機(jī)風(fēng)量設(shè)計(jì)要求為：靜壓784Pa下風(fēng)量3900（m3/h）。風(fēng)道阻力增大是降低風(fēng)機(jī)風(fēng)量的主要原因，因此風(fēng)道阻力的上升會導(dǎo)致電加熱管的表面溫度升高。

1.空調(diào)機(jī)組濾網(wǎng)狀態(tài)

根據(jù)風(fēng)量與電流對比趨勢圖分析，當(dāng)室內(nèi)風(fēng)機(jī)電流值為4.5A時(shí)，電加熱器表面ΔT（溫升）比值（%）約為200%。對空調(diào)機(jī)組故障時(shí)的室內(nèi)風(fēng)機(jī)電流數(shù)據(jù)進(jìn)行了下載，發(fā)現(xiàn)故障時(shí)刻的CVCF電流（室內(nèi)風(fēng)機(jī)運(yùn)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(bào)出電加熱器故障的現(xiàn)象，將現(xiàn)車空調(diào)機(jī)組周期運(yùn)行數(shù)據(jù)采集并分析，分析該車空調(diào)機(jī)組室內(nèi)風(fēng)機(jī)電流數(shù)據(jù)（除去數(shù)據(jù)量占比不到1%的3.5A、6A、6.5A電流值）

根據(jù)上圖，可得出如下結(jié)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(lán)色）、4.5A（橙色）的電流數(shù)據(jù)占比超過50%-80%，1月7日以后5A（灰色）、5.5A（黃色）的電流數(shù)據(jù)占比55%-98%;

（2）當(dāng)電流值位于5-5.5A范圍時(shí)，空調(diào)機(jī)組不再輸出故障;

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

太原-蘭州線路條件較差，灰塵聚集在濾網(wǎng)上影響風(fēng)量的速率較快，導(dǎo)致空調(diào)機(jī)組室內(nèi)風(fēng)機(jī)運(yùn)行電流值較低，循環(huán)風(fēng)量差，造成空調(diào)機(jī)組室內(nèi)腔溫度易聚集，易發(fā)生故障。

2.回風(fēng)口數(shù)量

對于目前出現(xiàn)故障的1車、5車及未出現(xiàn)故障的4車、6車進(jìn)行了回風(fēng)口數(shù)量對比，1車回風(fēng)口數(shù)量24個(gè)，4車回風(fēng)口數(shù)量29個(gè)，5車回風(fēng)口數(shù)量27個(gè)，6車回風(fēng)口數(shù)量35個(gè)。1車比4車回風(fēng)口少17%，比6車回風(fēng)口少31%;5車比4車回風(fēng)口少7%，比6車回風(fēng)口少23%，且5車由于餐車、乘務(wù)室、機(jī)械師室的存在，風(fēng)道口布局沒有其他車廂均勻;

根據(jù)風(fēng)量計(jì)算公式，可進(jìn)行如下計(jì)算：

Q=60VA

Q：風(fēng)量（m?/min）; V：風(fēng)速（m/s）; A：截面積（㎡）;

由于車廂內(nèi)風(fēng)道截面積無法測量，而座椅下風(fēng)道尺寸基本一致（除機(jī)械師和乘務(wù)員室外），可假設(shè)風(fēng)道截面積為a進(jìn)行計(jì)算;

實(shí)際測量結(jié)果，1車較4車風(fēng)量減少約12%，較6車比風(fēng)量減少約14%;5車較4車風(fēng)量減少約28%，較6車風(fēng)量減少約30%;

六、故障原因總結(jié)

根據(jù)故障情況調(diào)查及數(shù)據(jù)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(qū)的海拔較太原地區(qū)的海拔提升了ΔT（溫升值）約10%;

（2）網(wǎng)壓因素，針對空調(diào)機(jī)組的輸入電壓值，蘭州地區(qū)較太原地區(qū)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(yùn)城交路對比，線路條件較差，灰塵聚集在濾網(wǎng)上影響風(fēng)量的速率較快，導(dǎo)致空調(diào)機(jī)組室內(nèi)風(fēng)機(jī)運(yùn)行電流值較低，循環(huán)風(fēng)量差，造成空調(diào)機(jī)組室內(nèi)腔溫度易聚集，發(fā)生故障;

（4）車廂回風(fēng)面積，通過調(diào)查可知1車、5車較4車、6車回風(fēng)口數(shù)量較少，且分布不均，在一定程度上影響了整體風(fēng)量循環(huán)，此項(xiàng)影響較小。

七、處置措施

（1）繼續(xù)跟蹤調(diào)查空調(diào)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，從空調(diào)機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤分析，確?？照{(diào)機(jī)組的平穩(wěn)運(yùn)行;

（2）對太原-蘭州往返交路的車輛，增加對空調(diào)機(jī)組濾網(wǎng)及車廂回風(fēng)濾網(wǎng)的檢查頻次，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)清洗或者更換濾網(wǎng);

（3）檢查日常備品儲備情況，及時(shí)補(bǔ)充儲備，在發(fā)生故障后可在最短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行調(diào)查處理。

八、總結(jié)

根據(jù)以上分析，空調(diào)加熱受到海拔、網(wǎng)壓、車廂回風(fēng)面積、濾網(wǎng)狀態(tài)等綜合因素的影響，對于太原-蘭州交路，當(dāng)上述原因多個(gè)同時(shí)存在時(shí)，易導(dǎo)致溫度保護(hù)的發(fā)生，一般發(fā)生的保護(hù)為可恢復(fù)型保護(hù)動作，是電加熱器的一級預(yù)警保護(hù)，當(dāng)溫度降低后，可自行恢復(fù)，不會對車輛運(yùn)行造成影響。當(dāng)發(fā)生故障后，可以通過更改交路或者增加濾網(wǎng)清洗頻次來保證空調(diào)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

參考文獻(xiàn)

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