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(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(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，漏磁場分布復(fù)雜，設(shè)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(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)計不但要保證其機(jī)械強(qiáng)度，同時還應(yīng)盡量考慮減少由于漏磁場引起的渦流損耗，以避免出現(xiàn)局部過熱的情況。

由于殼式變壓器油箱漏磁分布比較復(fù)雜，針對漏磁計算的文獻(xiàn)幾乎沒有。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(shè)和邊界條件，并進(jìn)行了散熱系數(shù)公式計算，求得了油箱溫度場的分布規(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)，且沿軸向呈交錯式排列，設(shè)置1個高壓繞組UV，二次側(cè)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(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(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(jù)電磁學(xué)理論，可得用矢量A描述的渦流場數(shù)學(xué)模型：

Je為渦流密度；σ電導(dǎo)率；φ為電標(biāo)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(dǎo)率：800；電阻率：1.702*10-7Ω·m。鐵芯采用30ZH105E硅鋼片。

3.2 渦流損耗的計算

根據(jù)磁動勢平衡方程，在各繞組上加載相應(yīng)的額定電流時，變壓器內(nèi)油箱會產(chǎn)生軸向和橫向的漏磁場，同時必然會在油箱壁上產(chǎn)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(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 油箱壁的溫度場分布

根據(jù)該牽引主變壓器的額定參數(shù)，考慮到勵磁電流很小，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.油箱溫度場計算

4.1 計算模型

由于該牽引變壓器采用強(qiáng)迫油循環(huán)冷卻，可對該模型做如下假設(shè)：1)油箱外為空氣，屬于自然對流換熱問題；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，熱源表面的對流散熱系數(shù)h與表面對流散熱強(qiáng)度的關(guān)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(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流形態(tài)為均勻?qū)恿鳌α魃釓?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)的計算按空氣自然對流散熱考慮，對流散熱強(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 溫度場分布計算結(jié)果

將油箱渦流場的計算結(jié)果作為熱源代入到每個單元，再將油箱內(nèi)外表面的對流散熱系數(shù)加載至表面上，進(jìn)行溫度場的計算。油箱壁的溫度場分布如圖3所示。當(dāng)假定空氣溫度為30℃，油溫度為60℃時，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.與實際測試結(jié)果比較

本牽引變壓器進(jìn)行溫升試驗時，當(dāng)變壓器額定穩(wěn)定運行，環(huán)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(jié)果與有限元分析結(jié)果相差2.12℃，誤差小于5℃，計算結(jié)果能夠滿足工程技術(shù)實際要求。

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。由于變壓器運行是集電、磁、熱現(xiàn)象于一體的復(fù)雜過程，若要獲得較為準(zhǔn)確的技術(shù)參數(shù)，必須通過Ansys等有限元分析軟件進(jìn)行相應(yīng)的場分析。本文實際測試數(shù)據(jù)與有限元分析結(jié)果相當(dāng)，證明了本文計算方法的正確性。在后續(xù)的動車組牽引變壓器的設(shè)計方案通過本方法可做出較全面的評價，以便調(diào)整參數(shù)，優(yōu)化設(shè)計方案。

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