高速动车组牵引变压器热仿真

刘 永 欢 ，董 侃 ，耍 利 娜 ，刁 利 军 ，刘 志 刚 （北京交通大学 电气工程学院，北京 １０００４４）
摘 要 牵引变压器温升直接关系到变压器的绝缘寿命和运行的安全性，故需研究 高 速 列 车 牵 引 变 压 器 温 升 随 列 车实际运行过程中的变化情况。而目前国内变压器温升仿真软件并没有真正有效地用于高速动车组主变压器上。 为实时监测列车运行过程中变压器主要部位温升的 变 化 情 况，本 文 采 用 了 发 热 时 间 常 数 法，得 到 了 牵 引 变 压 器 实 时 的 温 度 曲 线 ，进 一 步 可 得 到 变 压 器 的 温 升 裕 量 ，为 高 速 牵 引 变 压 器 热 容 量 的 选 择 及 列 车 的 动 力 配 置 提 供 了 依 据 。 关 键 词 高 速 动 车 组 ；牵 引 变 压 器 ；牵 引 负 荷 ；仿 真 模 型 ；温 升 中 图 分 类 号 ：Ｕ２６４．３＋６ 文 献 标 志 码 ：Ａ
第 ３１ 卷 第 ６ 期
铁道机车车辆
Ｖｏｌ．３１ Ｎｏ．６
２０１１年１２月 ＲＡＩＬＷＡＹ ＬＯＣＯＭＯＴＩＶＥ ＆ ＣＡＲ Ｄｅｃ． ２０１１
文章编号：１００８－７８４２ （２０１１）０６－００１２－０３
高速动车组牵引变压器热仿真＊
＊ 国家科技支撑计划重点基金项目：高速列车牵引传动与制动系统仿真（２００９ＢＡＧ１２Ａ０５－０１Ａ） 刘 永 欢 （１９８７— ）男 ，湖 北 孝 昌 人 ，硕 士 生 （收 稿 日 期 ：２０１１－０５－１６）
第６期 高速动车组牵引变压器热仿真 １３
＝Ｓ／Ｓｎ，则油和绕组的温 升 可 用 公 式 （１）计 算。 任 意 负 荷 下 ，顶 层 油 的 温 升 （最 大 值 ）为
（ ） τ′ｙ－ｋｍ ＝τｙ－ｋｍ
１＋ｄＫ２ １＋ｄ
ｘ
（１）
式中ｄ 为额定负荷下的短路损耗与空载损耗之比，在２
～６范围；ｘ 为计 算 油 温 用 的 指 数，对 于 自 然 油 循 环 变
由于变压器空间结构的复杂性和涉及电磁学及热 力 学 ，一 些 工 程 问 题 无 论 试 验 或 分 析 方 法 解 决 都 相 当 困 难，目前还缺乏有效的在线检测变压器温升的手段。 准 确计算和预测变压器内部的温升一直是变压器制造与 运营中的一个重要的课题。在变压器热特性的理论研 究方面，国内外的一些专家学者已做了不少的算法。 文 献［１］详 细 地 分 析 了 变 压 器 内 部 热 量 的 传 递 过 程，将 变 压器看做四 阶 环 节 的 非 线 性 系 统，得 出 变 压 器 的 热 模 型 ，借 助 于 变 压 器 实 际 所 有 材 料 及 其 空 短 路 试 验 的 特 性 曲 线 得 出 其 模 型 参 数 。 该 算 法 涉 及 到 的 参 数 量 大 ，而 且 部 分 热 阻 还 需 要 在 变 压 器 的 空 载 、短 路 试 验 得 出 的 特 性 曲线的基础上 确 定 出 来。 文 献 ［２］用 传 统 的 电 阻 法，即 利 用 被 测 绕 组 阻 值 在 发 热 后 增 大 ，通 过 测 量 电 阻 的 微 小 变化来确定绕组温升。该断电测量绕组温升时都会因 自 身 的 缺 陷 造 成 绕 组 温 度 的 损 耗 ，从 而 使 绕 组 的 热 态 电 阻 有 所 偏 差 。 文 献 ［３］应 用 电 力 变 压 器 和 有 限 元 的 基 本 理论，使用大型通用有限元分析软件 Ａｎｓｙｓ计算了由变
图 １ 变 压 器 热 传 递 示 意 图
ＧＢ／Ｔ５］ 中 关 于 变 压 器 的 温 升 极 限 是 基 于 以 下 条 件 来 规 定 的 ：变
压器在环境温度为２０℃下，带额定负 荷 长 期 运 行，对 应
的变压器绕组最热点温度约为 ９８℃。 若 变 压 器 在 非 额 定负荷条件下 运 行，设 实 际 负 荷 与 额 定 负 荷 之 比 为 Ｋ
大型电力变压器常用的冷却方式一般分为 ３ 种：油 浸自冷式、油浸 风 冷 式、强 迫 油 循 环。 而 高 速 动 车 组 牵 引变压器最常见的是强迫油循环。它又分为强油风冷 和强油水冷两种，它 是 把 变 压 器 中 的 油，利 用 油 泵 打 入 油 冷 却 器 后 再 复 回 油 箱 ，油 冷 却 器 做 成 容 易 散 热 的 特 殊 形 状 ，利 用 风 扇 吹 风 或 循 环 水 作 冷 却 介 质 ，把 热 量 带 走 。
ｎ
∑ τｘ
＝
１ Ａｘ
［τＳ
＋
τｉｗ
ｉ＝１
（Ａｉ
－Ａｉ－１）］
（１０）
计算可从任何一段开始。知道各段终了时的温升，
即可计算任意瞬间的温升 。 ［７］
根 据 上 述 一 系 列 计 算 公 式 ，可 绘 出 如 图 ２ 所 示 为 牵
引变压器温升计算的流程。
图 ２ 牵 引 变 压 器 温 升 计 算 流 程
升之差为 ΔＴ，则有
Ｑ ＝ ＣｍΔＴ
（３）
ｍ ＝ρＶ ＝ρυＡｔ
（４）
故散热功率为
ΔＰ
＝
Ｑ ｔ
＝ｃρυＡΔＴ
（５）
而
所以
ΔＰ ＝ηＳ
（６）
ΔＴ ＝ｃρηυＳＡ
（７）
式中 Ｑ 为时间ｔ 内 冷 却 液 散 发 的 热 量；Ｃ 为 冷 却 液 的
比热；ｍ 为冷却液 的 质 量；ρ 为 冷 却 液 的 密 度；υ 为 冷
却液的流速；Ａ 为冷却管道横截面积；η 为主变压器的
效率；Ｓ 为主变压器的实际功率，Ｖ 为冷却液的体积。
由于变压器的出口油需要被打入冷却器后再复回
油 箱 ，变 压 器 出 口 油 的 温 度 是 最 高 的 ，所 以 ，变 压 器 顶 层
油温升可以看作出口油的温升。然后运用上述公式即
可算出变压器入口油温升。
压 器 漏 磁 场 引 起 的 结 构 件 涡 流 损 耗 ，并 在 此 基 础 之 上 对 变压器的温度场进行分析与计算。该方法计算较为精 确，但需要知道变 压 器 详 细 的 材 料 属 性 及 结 构 参 数，文 献 ［４］从 传 热 学 角 度 提 出 了 一 种 分 析 自 冷 变 压 器 油 循 环 流 量 、箱 体 和 散 热 器 内 油 沿 高 度 的 温 度 场 分 布 以 及 换 热 系 数 的 计 算 方 法 ，但 较 繁 锁 。 在 涉 及 到 牵 引 变 压 器 温 升 计 算 的 大 功 率 传 动 领 域 里 ，特 别 是 铁 道 牵 引 变 压 器 温 升 仿真计算中，较多采用的是发热时间常数法。 发热时间 常数法需要 获 取 的 参 数 少，在 其 他 固 定 量 确 定 的 情 况 下，只与负荷率有 关，并 且 特 别 考 虑 了 牵 引 负 荷 具 有 负 载 幅 度 变 化 大 、负 载 过 载 系 数 高 、负 载 周 期 变 化 频 繁 、负 载陡变等特点。 １．２ 发 热 时 间 常 数 模 型
在实际运行中，变 压 器 的 负 荷 不 断 变 化，温 升 也 在
不 断 变 化 ，处 在 不 稳 定 的 状 态 下 。 变 压 器 暂 态 下 的 发 热
近 似 地 可 以 看 作 均 匀 导 体 的 发 热 ，任 何 瞬 间ｔ 的 温 升 可
用 式 （８）计 算
τ ＝τＳ ＋ （τＷ －τＳ）（１－ｅ－ｔ／Ｔ ）
１４ 铁 道 机 车 车 辆 第３１卷
各个参数的一般取值 范 围，进 行 程 序 仿 真 计 算 前，假 定 变压器的相关参数如表１所示。 给 定 在 离 散 时 间 点 处 的 负 荷 率 ，模 拟 高 速 动 车 组 随 时间的实际载荷及功 率 损 耗 情 况，假 定 从 零 时 刻 开 始， 一段时间内牵引变压器各段负荷及散热功率随时间的 变化情况如表２所示。
近年来，随着 我 国 动 车 组 的 不 断 提 速，铁 道 部 门 对 高速动车组动力设备的可靠性和安全性提出了越来越 高的要求。牵引变压器是电气化铁路中最主要的电气 设 备 ，其 性 能 的 优 劣 对 电 气 化 铁 路 的 运 行 有 着 决 定 性 的 影响。牵引变压器是高速动车组牵引传动系统的关键 部 件 ，其 温 升 直 接 关 系 到 变 压 器 的 绝 缘 寿 命 和 运 行 的 安 全性，因此 对 牵 引 变 压 器 进 行 热 仿 真 计 算 是 非 常 必 要 的 ，这 为 掌 握 高 速 动 车 组 的 温 升 特 性 及 其 动 力 配 置 提 供 了依据。 １ 牵 引 变 压 器 温 升 模 型 建 立 １．１ 模 型 建 立 的 背 景
表 １ 变 压 器 相 关 参 数
参数名 环境起始温度 短空损耗比 油温指数 计算最热点用的温升指数 油的发热时间常数 绕组发热时间常数 允许的顶层油对空气的最大温升 允许的绕组对空气的最大温升 冷却液比热容 冷却液密度 冷却管道横截面积 冷却液流速 主变压器效率
（８）
式中τ为变压器绕组或油对空气 的 温 升；τＳ 为ｔ＝０ 时， 变压器绕组或油对 空 气 的 起 始 温 升；τＷ 为 稳 定 温 升；Ｔ
为变压器油 或 绕 组 的 发 热 时 间 常 数，变 压 器 油 一 般 为
２．５～３．５ｈ，绕 组 一 般 为 ５～６ ｍｉｎ。
实 际 的 负 荷 曲 线 是 多 段 的 。 由 于 各 段 时 间 短 ，所 以
每 一 段 的 温 升 都 达 不 到 稳 定 值 。 在 这 种 情 况 下 ，宜 采 用
式 （９）进 行 计 算
ｎ
∑ τＳ ＝τｎ ＝ Ａｎ１－１ｉ＝１τｉｗ（Ａｉ －Ａｉ－１）
（９）
式中 Ａｉ＝ｅｔｉ／Ｔ ；ｔｉ 为各段时间结束 了 的 当 前 时 刻 为ｔｉ；ｉ
为段的序号；ｎ 为段数；τｉｗ第ｉ段负荷为Ｋｉ 时的稳定温 升。ｘ 段终了时的温升可用式（１０）计算
变 压 器 是 一 个 非 线 性 系 统 ，各 参 数 的 依 赖 关 系 较 为 复杂，要精确地计 算 各 个 点 的 动 态 温 升 过 程 很 难，因 此 需要适当地作一些简化和近似。