南車株洲電機(jī)有限公司 吳 勇 龍谷宗 胡 貴

1.前言

隨著京滬、京廣等具有世界影響意義的高鐵開通，標(biāo)志著中國(guó)鐵路從此跨入高速時(shí)代。高速鐵路離不開高速動(dòng)車組。牽引變壓器作為配套動(dòng)車組的九大關(guān)鍵部件之一，日益向輕量化、小型化和高可靠性方向發(fā)展。牽引變壓器承受的電磁密度將成倍增加，漏磁通量增大，漏磁場(chǎng)分布復(fù)雜，設(shè)計(jì)難度越來(lái)越大，其局部過(guò)熱和溫升問(wèn)題也變得越來(lái)越突出。

運(yùn)行在京滬線上某一型號(hào)高速動(dòng)車組牽引變壓器采用殼式變壓器，具有無(wú)壓全密封強(qiáng)迫導(dǎo)向油循環(huán)結(jié)構(gòu)，冷卻方式為風(fēng)冷方式。油箱夾緊著鐵心，由于鐵心包圍著線圈，油箱處于變壓器的高漏磁區(qū)域之中。因此，油箱的設(shè)計(jì)不但要保證其機(jī)械強(qiáng)度，同時(shí)還應(yīng)盡量考慮減少由于漏磁場(chǎng)引起的渦流損耗，以避免出現(xiàn)局部過(guò)熱的情況。

由于殼式變壓器油箱漏磁分布比較復(fù)雜，針對(duì)漏磁計(jì)算的文獻(xiàn)幾乎沒(méi)有。本文應(yīng)用經(jīng)典電磁學(xué)和傳熱學(xué)理論，建立某一高速動(dòng)車組牽引變壓器的三維模型，對(duì)油箱表面散熱給出了基本假設(shè)和邊界條件，并進(jìn)行了散熱系數(shù)公式計(jì)算，求得了油箱溫度場(chǎng)的分布規(guī)律。

2.牽引變壓器的主要參數(shù)及結(jié)構(gòu)

2.1 主要參數(shù)(如表1所示)

2.2 變壓器主要結(jié)構(gòu)及接線圖

如圖1所示，繞組為餅式結(jié)構(gòu)，且沿軸向呈交錯(cuò)式排列，設(shè)置1個(gè)高壓繞組UV，二次側(cè)有兩個(gè)牽引繞組S2S1和S4S3和一個(gè)輔助繞組ab。

3.有限元計(jì)算

3.1 模型的建立

殼式變壓器油箱包裹著鐵心，為了滿足動(dòng)車組輕量化的要求，油箱壁板較薄，且結(jié)構(gòu)尺寸較大，箱體內(nèi)還焊接了許多結(jié)構(gòu)件。因此，渦流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的計(jì)算勢(shì)必要面對(duì)一個(gè)巨大的三維建模問(wèn)題。為了簡(jiǎn)化計(jì)算模型，對(duì)該模型做如下假設(shè)：1)近似認(rèn)為箱壁材料為線性、均勻、各向同性，即磁導(dǎo)率和電阻率為常數(shù)；2）忽略空間電荷和位移電流的影響；3)所有場(chǎng)量均隨水時(shí)間正弦變化，不考慮高次諧波，4）箱體相對(duì)于繞組左右對(duì)稱。簡(jiǎn)化后的有限元模型如圖2所示。

Je=根據(jù)電磁學(xué)理論，可得用矢量A描述的渦流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型：

Je為渦流密度；σ電導(dǎo)率；φ為電標(biāo)量勢(shì)；A為磁式量勢(shì)。

本牽引變壓器油箱壁采用鋼板Q235，相對(duì)磁導(dǎo)率：800；電阻率：1.702*10-7Ω·m。鐵芯采用30ZH105E硅鋼片。

3.2 渦流損耗的計(jì)算

根據(jù)磁動(dòng)勢(shì)平衡方程，在各繞組上加載相應(yīng)的額定電流時(shí)，變壓器內(nèi)油箱會(huì)產(chǎn)生軸向和橫向的漏磁場(chǎng)，同時(shí)必然會(huì)在油箱壁上產(chǎn)生渦流損耗。計(jì)算式為：

式中：Pm平均渦流損耗；Ω一油箱渦流域；τ一周期，V一體積；Je一渦流密度的復(fù)量。

表1 牽引變壓器的主要參數(shù)

表2 油箱壁各面的渦流損耗結(jié)果

圖1 牽引變壓器結(jié)構(gòu)

圖2 牽引變壓器的有限元模型

圖3 油箱壁的溫度場(chǎng)分布

根據(jù)該牽引主變壓器的額定參數(shù)，考慮到勵(lì)磁電流很小，分別在二次側(cè)各繞組加載額定電流，一次側(cè)繞組加載相應(yīng)的平衡電流，進(jìn)行諧波求解，即得油箱各壁的渦流分布.再根據(jù)公式計(jì)算求得油箱壁各面的渦流損耗結(jié)果如表2。

4.油箱溫度場(chǎng)計(jì)算

4.1 計(jì)算模型

由于該牽引變壓器采用強(qiáng)迫油循環(huán)冷卻，可對(duì)該模型做如下假設(shè)：1)油箱外為空氣，屬于自然對(duì)流換熱問(wèn)題；2)油箱內(nèi)變壓器油的溫度恒定。

4.2 散熱系數(shù)

根據(jù)傳熱學(xué)經(jīng)典理論，熱源表面的對(duì)流散熱系數(shù)h與表面對(duì)流散熱強(qiáng)度的關(guān)系為：

由于高速動(dòng)車組牽引變壓器運(yùn)行速度高，容量大，且采用殼式變壓器結(jié)構(gòu)漏磁嚴(yán)重，雜散損耗大，牽引變壓器采用強(qiáng)迫油循環(huán)冷卻，油箱內(nèi)壁和最外層繞組外表面的對(duì)流形態(tài)為均勻?qū)恿?。?duì)流散熱強(qiáng)度滿足：

Nu=0.664Re1/2Pr1/3，式中Re=ul/v，其中u為油流速700L/min。

牽引變壓器采用底部吊掛在車體底下，油箱外壁散熱系數(shù)的計(jì)算按空氣自然對(duì)流散熱考慮，對(duì)流散熱強(qiáng)度滿足：

Nu=C( GrPr)n式中：Gr-為格拉曉夫數(shù)；Pr一普朗特爾數(shù)；C為常數(shù)0.54，n為常數(shù)0.25。

4.3 溫度場(chǎng)分布計(jì)算結(jié)果

將油箱渦流場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果作為熱源代入到每個(gè)單元，再將油箱內(nèi)外表面的對(duì)流散熱系數(shù)加載至表面上，進(jìn)行溫度場(chǎng)的計(jì)算。油箱壁的溫度場(chǎng)分布如圖3所示。當(dāng)假定空氣溫度為30℃，油溫度為60℃時(shí)，油箱壁的溫度最高可達(dá)到68.18℃。油箱壁與油溫度相差8.18。

5.與實(shí)際測(cè)試結(jié)果比較

本牽引變壓器進(jìn)行溫升試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)變壓器額定穩(wěn)定運(yùn)行，環(huán)境溫度為31.2℃，變壓器的油溫溫度測(cè)試為62℃，油箱壁溫度最大為72.3℃，油箱箱壁的溫度與變壓器油溫相差10.3℃。

油箱箱壁的溫度與變壓器油溫相差實(shí)際測(cè)試結(jié)果與有限元分析結(jié)果相差2.12℃，誤差小于5℃，計(jì)算結(jié)果能夠滿足工程技術(shù)實(shí)際要求。

6.小結(jié)

為了滿足現(xiàn)代電氣化鐵路提速的要求，作為高速動(dòng)車組牽引系統(tǒng)電氣關(guān)鍵部件的牽引變壓器的容量越來(lái)越大，且日益向輕量化、小型化和高可靠性方向發(fā)展。由于變壓器運(yùn)行是集電、磁、熱現(xiàn)象于一體的復(fù)雜過(guò)程，若要獲得較為準(zhǔn)確的技術(shù)參數(shù)，必須通過(guò)Ansys等有限元分析軟件進(jìn)行相應(yīng)的場(chǎng)分析。本文實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)與有限元分析結(jié)果相當(dāng)，證明了本文計(jì)算方法的正確性。在后續(xù)的動(dòng)車組牽引變壓器的設(shè)計(jì)方案通過(guò)本方法可做出較全面的評(píng)價(jià)，以便調(diào)整參數(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

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