高速動車組牽引變壓器油箱的渦流場及溫度場計算與分析

南車株洲電機有限公司 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，標志著中國鐵路從此跨入高速時代。高速鐵路離不開高速動車組。牽引變壓器作為配套動車組的九大關鍵部件之一，日益向輕量化、小型化和高可靠性方向發展。牽引變壓器承受的電磁密度將成倍增加，漏磁通量增大，漏磁場分布復雜，設計難度越來越大，其局部過熱和溫升問題也變得越來越突出。

運行在京滬線上某一型號高速動車組牽引變壓器采用殼式變壓器，具有無壓全密封強迫導向油循環結構，冷卻方式為風冷方式。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域之中。因此，油箱的設計不但要保證其機械強度，同時還應盡量考慮減少由于漏磁場引起的渦流損耗，以避免出現局部過熱的情況。

由于殼式變壓器油箱漏磁分布比較復雜，針對漏磁計算的文獻幾乎沒有。本文應用經典電磁學和傳熱學理論，建立某一高速動車組牽引變壓器的三維模型，對油箱表面散熱給出了基本假設和邊界條件，并進行了散熱系數公式計算，求得了油箱溫度場的分布規律。

2.牽引變壓器的主要參數及結構

2.1 主要參數(如表1所示)

2.2 變壓器主要結構及接線圖

如圖1所示，繞組為餅式結構，且沿軸向呈交錯式排列，設置1個高壓繞組UV，二次側有兩個牽引繞組S2S1和S4S3和一個輔助繞組ab。

3.有限元計算

3.1 模型的建立

殼式變壓器油箱包裹著鐵心，為了滿足動車組輕量化的要求，油箱壁板較薄，且結構尺寸較大，箱體內還焊接了許多結構件。因此，渦流場和溫度場的計算勢必要面對一個巨大的三維建模問題。為了簡化計算模型，對該模型做如下假設：1)近似認為箱壁材料為線性、均勻、各向同性，即磁導率和電阻率為常數；2）忽略空間電荷和位移電流的影響；3)所有場量均隨水時間正弦變化，不考慮高次諧波，4）箱體相對于繞組左右對稱。簡化后的有限元模型如圖2所示。

Je=根據電磁學理論，可得用矢量A描述的渦流場數學模型：

Je為渦流密度；σ電導率；φ為電標量勢；A為磁式量勢。

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

3.2 渦流損耗的計算

根據磁動勢平衡方程，在各繞組上加載相應的額定電流時，變壓器內油箱會產生軸向和橫向的漏磁場，同時必然會在油箱壁上產生渦流損耗。計算式為：

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一渦流密度的復量。

表1 牽引變壓器的主要參數

表2 油箱壁各面的渦流損耗結果

圖1 牽引變壓器結構

圖2 牽引變壓器的有限元模型

圖3 油箱壁的溫度場分布

根據該牽引主變壓器的額定參數，考慮到勵磁電流很小，分別在二次側各繞組加載額定電流，一次側繞組加載相應的平衡電流，進行諧波求解，即得油箱各壁的渦流分布.再根據公式計算求得油箱壁各面的渦流損耗結果如表2。

4.油箱溫度場計算

4.1 計算模型

由于該牽引變壓器采用強迫油循環冷卻，可對該模型做如下假設：1)油箱外為空氣，屬于自然對流換熱問題；2)油箱內變壓器油的溫度恒定。

4.2 散熱系數

根據傳熱學經典理論，熱源表面的對流散熱系數h與表面對流散熱強度的關系為：

由于高速動車組牽引變壓器運行速度高，容量大，且采用殼式變壓器結構漏磁嚴重，雜散損耗大，牽引變壓器采用強迫油循環冷卻，油箱內壁和最外層繞組外表面的對流形態為均勻層流。對流散熱強度滿足：

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，油箱外壁散熱系數的計算按空氣自然對流散熱考慮，對流散熱強度滿足：

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

4.3 溫度場分布計算結果

將油箱渦流場的計算結果作為熱源代入到每個單元，再將油箱內外表面的對流散熱系數加載至表面上，進行溫度場的計算。油箱壁的溫度場分布如圖3所示。當假定空氣溫度為30℃，油溫度為60℃時，油箱壁的溫度最高可達到68.18℃。油箱壁與油溫度相差8.18。

5.與實際測試結果比較

本牽引變壓器進行溫升試驗時，當變壓器額定穩定運行，環境溫度為31.2℃，變壓器的油溫溫度測試為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際測試結果與有限元分析結果相差2.12℃，誤差小于5℃，計算結果能夠滿足工程技術實際要求。

6.小結

為了滿足現代電氣化鐵路提速的要求，作為高速動車組牽引系統電氣關鍵部件的牽引變壓器的容量越來越大，且日益向輕量化、小型化和高可靠性方向發展。由于變壓器運行是集電、磁、熱現象于一體的復雜過程，若要獲得較為準確的技術參數，必須通過Ansys等有限元分析軟件進行相應的場分析。本文實際測試數據與有限元分析結果相當，證明了本文計算方法的正確性。在后續的動車組牽引變壓器的設計方案通過本方法可做出較全面的評價，以便調整參數，優化設計方案。

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