CRH3動車組牽引變壓器冷卻系統性能研究

孫海榮 侯紅學 蔣潔

摘要：針對冷卻系統是否能滿足CRH3高速動車組牽引變壓器散熱需求這一問題，文章闡述了CRH3型動車組牽引變壓器冷卻系統的構成及原理，通過廣州南至西安北拉通試驗，驗證了在常態(tài)運行工況下CRH3型高速動車組牽引變壓器的冷卻系統的冷卻性能完全能滿足牽引變壓器的散熱需求。

關鍵詞：高速動車組；牽引變壓器；冷卻性能

中圖分類號：U266 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）29-0009-02

1 概述

我國高速鐵路的蓬勃發(fā)展給高速列車的制造帶來了機遇和挑戰(zhàn)。目前以CRH3系列為代表的高速動車組已經奔馳在全國的高速鐵路上，京津城際客運專線、武廣客運專線為國產高速動車組提供了廣闊的舞臺。

目前，高速電動車組全部是動力分散式交流傳動電動車組。在交流傳動電動車組將電能轉變?yōu)闄C械能這個能量轉化和動力傳遞過程中，牽引變壓器作為大功率的電氣元件在工作中會產生大量的熱損耗，引起電氣部件溫度升高，如果溫度超過電氣部件所能承受的范圍，牽引變壓器將不能正常工作，甚至會破壞電氣部件的絕緣性能、引起著火等危險。因此，采用冷卻性能良好的冷卻系統將牽引變壓器工作時散發(fā)的大量熱量帶走是非常必要的。文章對牽引變壓器的熱損耗進行了深入分析，闡述了CRH3型動車組牽引變壓器冷卻系統的構成及原理，通過拉通試驗，在常態(tài)運行工況下CRH3型高速動車組牽引變壓器的冷卻系統的冷卻性能完全能滿足牽引變壓器的散熱要求，為新一代高速動車組牽引變壓器冷卻系統設備的研發(fā)設計提供了參考依據。

2 牽引變壓器熱損耗因素分析

牽引變壓器在運行時由于產生熱能而使設備發(fā)熱，這些熱能主要來自于空載損耗和負載損耗兩個方面，變壓器運行時發(fā)熱的同時也在向外界散熱，當發(fā)熱量大于散熱量時設備的各個部件的溫度就會升高，當發(fā)熱量與散熱量相同時設備溫度保持不變，當設備長時間處于發(fā)熱量大于散熱量工況時設備各部件會持續(xù)升溫，這需要冷卻裝置的冷卻性能足夠強才能將設備的溫升控制在允許的范圍內。

牽引變壓器是高速動車組的關鍵部件，其損耗主要有空載損耗和負載損耗，但是高速動車組所采用的牽引變壓器是高漏抗、多繞組變壓器，當采用餅式、分裂式繞組時，由于橫向漏磁場大，油箱的損耗也較高。

3 冷卻系統構成及原理

3.1 牽引變壓器冷卻系統構成

CRH3型高速動車組牽引變壓器（TF）位于動車組TC02/TC07拖車的地板下，變壓器冷卻裝置（CLF）在每個變壓器的旁邊。牽引變壓器冷卻系統包含過濾器、熱交換器、油泵、冷卻風扇、通風道、主要框架、帶液位測量儀的補償水箱和冷卻劑等主要部件，過濾器包括入口過濾器和污垢粗過濾器及精過濾器。冷卻系統的大部分冷卻液和絕緣介質在變壓器箱里，用作冷卻和絕緣。當冷卻液流過冷卻器時，循環(huán)泵從變壓器吸取熱的冷卻液。變壓器系統配有膨脹箱，它位于TC02/TC07車的車頂，從而補償因溫度變化而產生的冷卻劑量的變化。

3.2 牽引變壓器冷卻系統工作原理

CRH3型高速動車組牽引變壓器采用強油風冷的冷卻方式。它屬于強迫油循環(huán)冷卻方式。是采用在油箱周圍安裝強油風冷式冷卻裝置，它把變壓器中的油，利用油泵打入油冷卻裝置中后再復回油箱，油冷卻裝置做成容易散熱的特殊形狀，利用風扇吹風把熱量帶走，使變壓器油溫度降低到設計要求的數值。在空氣冷卻式換熱器中，被冷卻的油是在封閉的管板通道內流動，空氣則繞管板外側流動。為了取得最大的冷卻效益，通過介質循環(huán)泵和風扇使得冷卻介質和空氣以確定的速度和壓力流動。

變壓器副油箱與主油箱之間有聯接通路，當變壓器內因為溫度升高或其他故障原因產生氣體時，氣體可以經過聯接通路排到副油箱中，副油箱還可以在主油箱油量不足時提供補給。通過在副油箱上安裝的可視液位檢測儀來觀察系統油量變化。

CRH3型高速動車組牽引變壓器冷卻方式將油的循環(huán)速度比自然對流時提高3倍，則變壓器可增加容量30%。

4 冷卻系統性能動態(tài)測試研究

4.1 任務表述

通過上面的描述可知，牽引變壓器冷卻系統的高溫油是通過風機組的強制通風來降低溫度的，在冷卻系統工作過程中，為了促使熱量的快速散發(fā)，CRH3高速動車組采用冷卻風機來提高空氣對流速度。而高速動車組隨著列車運行速度的不斷提高，列車表面負壓也隨之增大，隨著列車表面負壓的增大，新風難以從冷卻系統新風風道入口處進入，此時風機的表面壓力增大，空氣流量減少，到了情況嚴重時，變壓器會因過熱而損壞。此外，當高速動車組以高速度通過隧道時也會造成列車表面壓力的劇烈波動，這也將導致冷卻風機運行環(huán)境的突變，從而對變壓器的散熱性能造成影響。CRH3主變壓器油溫隨速度級增加而升高，變壓器出口油溫報警限制值約為95℃（380km/h），為了驗證高運行速度下，尤其是在200km/h以上速度等級時高速動車組牽引變壓器的冷卻系統性能能否滿足散熱要求，在拉通試驗中測量牽引變壓器入口及出口油溫來驗證冷卻系統性能是否滿足要求，為新一代高速動車組牽引變壓器冷卻系統單元的設計提供參考依據。

4.2 實驗及分析

在測試過程中，動車組處于廣州南至西安北拉通試驗運行工況下，最高運行速度300km/h，圖1記錄了TC車牽引變壓器入口和出口油溫隨環(huán)境溫度及列車速度變化曲線圖，總結了在整個運行過程中TC車牽引變壓器入口油溫及出口油溫的最高值。圖2給出了在牽引變壓器工作電壓由交流440V變?yōu)?20V時牽引變壓器入口油溫和出口油溫隨環(huán)境溫度和列車速度變化曲線圖及牽引變壓器入口油溫及出口油溫的最高值。由這些統計數據表明主變壓器各部件溫度及受列車速度影響較大、隨持續(xù)運營速度提高而升高、隨持續(xù)運營速度降低而下降；另外，主變壓器部件溫度也與外部運營環(huán)境有關系。整個拉通實驗中，牽引變壓器各部件檢測溫度均正常，未出現異常高溫報警，其溫度檢測值并沒隨運營距離增大而持續(xù)升高，各檢測點最高溫度均未超過牽引變壓器預報警溫度值。

5 結語

文章詳細論述了牽引變壓器的熱損耗，闡述了CRH3型動車組牽引變壓器冷卻系統的構成及工作原理，通過廣州南至西安北拉通試驗，驗證了在常態(tài)運行工況下CRH3型高速動車組牽引變壓器的冷卻系統的冷卻性能完全能滿足牽引變壓器的散熱需求，為新一代高速動車組牽引變壓器冷卻系統單元的設計提供參考依據。

參考文獻

[1] 姜冬.高速動車組冷卻技術及產品的現狀和發(fā)展[J].

內燃機車，2011，23（2）.

[2] CRH3牽引系統培訓資料[S].

[3] CRH3變壓器冷卻系統設計規(guī)范[S].

作者簡介：孫海榮（1981—），女，河北蔚縣人，唐山軌道客車有限責任公司產品技術研究中心工程師，碩士，研究方向：軌道車輛電氣系統研發(fā)設計。