■ 魏凌 姜鸿鹏 张从从 刘慧峰 徐忠宣

0 引言

铁路旅客列车电热开水器目前均采用沸腾翻水原理[1]，只有沸腾水才能翻入储水箱，能保证流出的水都是开水。现有开水器工作原理有沸腾出水、逐层加热、即热式等，考虑到列车运行时的振动导致内部水混合，逐层加热不适合铁路列车；即热式功率较大，要求供电功率较大，目前铁路列车均采用设有储水箱的沸腾出水开水器。

铁路旅客列车电热开水器均设有产水箱和储水箱，储水箱用于储存开水，产水箱设有加热器，将冷水加热至沸腾，生产出开水，加热器是电热开水器关键部件。加热方式有电热管加热和电磁加热，各有利弊，目前电热开水器故障率较高。

1 两种加热方式分析

1.1 电热管加热

1.1.1 设备组成

采用电热管直接浸入产水箱内，电热管与水直接接触，由接触器控制电热管通断，加热主电路只有空开、接触器、电热管。

1.1.2 优缺点分析

（1）优点：仅电热管为功率元件，电路简单；电热管为电阻发热，尤其是主回路无电子元件，电源品质对其影响小，电器件可靠性较高。主电路功率元件仅为电阻性的电热管，无电源变换，只要选择符合电磁兼容的器件即可，无需特殊考虑电磁兼容问题。除电热管外其他电器件自身发热量小，无需强制冷却，不设冷却器。电热管成本较低，结构简单，易于维护。

（2）缺点：电热管浸入水里，易因电热管进水导致绝缘不良。电热管位于加热区，表面极易结水垢，传热性能下降，导致电热管内部温度升高，使得金属电热丝寿命大幅下降，封口胶等性能下降，使得电热管损坏。电热管水垢还会导致电热管的加热能力下降，电热开水器产水量不足。水垢会污染开水，容易引起开水管路和排水管路及水阀堵塞。维修时需拆除电热管，拆装主电路接线，若安装不良易出现烧损接头等现象。

1.2 电磁加热

电磁加热由电磁线圈在加热腔钢板产生涡流发热再加热水，加热腔发热面积较电热管大，且电磁线圈与水隔离。加热相关的器件主要包括整流桥、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、逆变驱动板、线圈、加热腔、电气件冷却器。

1.2.1 工作原理

电磁加热工作原理为：电源—整流—逆变—电磁线圈—加热腔涡流发热。电磁加热电源先整流为直流，再用IGBT逆变成高频交流，供给电磁线圈产生高频交变磁场，在加热腔产生涡流发热。

1.2.2 设备特点

电路复杂，电磁兼容要求高，整流元件、逆变元件均为半单体元件，对电源品质要求高。运行故障情况也表明，供电品质差导致电热开水器故障率较高。

（1）电磁兼容：由于主回路有整流逆变的电源变换过程，需考虑电源品质对主电路电器元件的影响，尤其采用接触网变压后供电的电热开水器，接触网对其他动车、机车的牵引和再生制动导致接触网电源品质很差，要求很大的滤波器，需考虑抗干扰能力，提高元件耐压等级。

电磁加热是将电源逆变成高频交流在感应线圈产生高频交变磁场，加热腔产生涡流发热。逆变高频交流及感应线圈会对电源有影响，高频交流本身电磁辐射对周围也有电磁污染，需考虑采取电磁屏蔽等措施。

（2）元件散热：该过程整流元件、逆变元件均为功率元件，自身有较大发热量，需进行强制散热，以保证其正常工作温度。目前列车开水器设有水冷却器，利用开水器进水对功率元件散热，为提高热效率，利用散热器对进水预热，使得管路复杂，电器件与水冷却器接触，水电分离困难。

（3）产品成本：设备包括整流元件、逆变元件电源滤波、控制电路、电磁屏蔽、冷却器等，成本远高于电热管加热。

（4）维修性能：电磁加热电路复杂，若出现电器件故障，一般机械师无法修复，只能整体更换电气箱（包括整流、逆变主电路），维修成本较高。

1.3 小结

综上所述，电热管加热电路简单，主电路仅包括空开、接触器、加热管等，只有加热管为功率元件，对电源品质依赖小，电气件工作稳定可靠，维修容易；但水垢问题严重，水电分离困难。电磁加热的电气部分结构复杂，需散热器冷却功率元件，整机成本高，对电源品质依赖严重，非专业人员基本无法维修。两者维修都需要拆除主电路接线，对检修要求高。

针对上述不足，结合两种加热方式优点，并改进加热器结构，以实现维修不拆除主电路。

2 加热方式改进方案

2.1 目标

结合现有电热开水器加热方式的优点，克服电热管加热水电分离问题和电磁加热电路复杂成本高的不足，并改进现有两种加热器维修需拆卸主电路问题，实现清理水垢无需拆除主电路，更易维护与使用。

2.2 考虑因素

（1）水电分离：加热器设置实现水电分离，以提高可靠性。

（2）电源品质：简化电路，采用电热元件直接发热，适应较差电源品质；其他电器件功率元件无需设置冷却器。

（3）设备成本：采用直接驱动电热元件，降低成本。

（4）维修性：考虑水箱清理无需拆卸主电路。

2.3 改进方案

2.3.1 发热元件

采用电阻加热的铸铝加热板（盘）、PTC加热器；电路同现有电热管加热开水器电路；主电路简单可靠，对电源品质要求低，除加热器外无功率元件，无需设置散热器对电器元件散热，电气元器件成本低。

加热板（盘）为金属电阻丝发热，需设置超温保护器，防止温度过高；PTC加热器具有自控温性能，加电后自热升温使阻值进入跃变区，随着温度升高电阻增大功率降低，具有自动过热保护功能，无需设置超温保护器，PTC加热器具有表面温度恒定、无明火、热转换率高、受电源电压影响极小、使用寿命长等优点，是发热体的良好备选方案。

2.3.2 加热器结构

加热器为安装在产水箱外部水箱体上的半永久结构，水箱设清理水垢的检查口，清理水垢无需拆卸加热器（见图1）。

2.3.3 需注意的问题

（1）加热器传热性能。加热器与水箱壁间传热良好，需配合紧密可靠传热，否则会导致加热器温度过高甚至发热体烧损，且由于温差大使得隔热困难。

措施：加热器、水箱接触部位采用导热性能好的铜、铝等材质；采用较高的配合精度、大接触面；涂导热剂。

（2）加热器隔热性能。加热器外置，与加热器浸入水中直接冷却相比，加热器通过水箱体间接被水冷却，使得加热器温度较高，对外界散热可能增大，需采取可靠隔热，降低热的传导、对流、辐射，否则会导致热量大量损失，效率低。

措施：加热器外设耐高温隔热板降低热传导，隔热材料需高于加热器工作温度，加热器固定结构需采取措施隔断热桥，降低传导热。设置热反射板反射辐射热，降低辐射热传递。设置防护盒将加热器密封到水箱接触面上，防止空气对流散热。

（3）安全性保障。若采用金属电阻丝发热结构，需设置防止干烧的干烧保护器，在加热器温度过高时，切断电源，防止发生火灾。

（4）使用寿命。采用金属电阻丝发热的铸造发热盘（板），尽可能考虑与电热开水器等寿命，只需结合厂修检查其发热功率、绝缘耐压性能等。

2.4 方案评估

采用外加热电阻发热体，电路简单，对电源要求低，维修简单方便，清理水垢无需拆除主电路连接，并充分考虑了加热传热及与外部隔热，保证了加热效率，防止了电热开水器内部温度过高等问题。

3 结束语

采用金属电阻丝为发热体的加热器进行外加热、半永久地安装在水箱体的方案，很好地结合了电热管加热和电磁加热的优点，并固定安装加热器，方便维修，实现了水电分离，对电源品质要求低，成本低，方便检修，适合铁路列车及其他条件下采用。

[1] TB/T 2839—2003 铁道客车用电热开水器技术条件 [S].

图1 改进方案的加热器结构