- 頭條芯式電磁結構！高鐵車載牽引變壓器輕量化設計的新方法2022-06-17 作者：溫志偉、熊斌、程自然 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語隨著我國高速鐵路機車牽引功率的快速增加，綜合考慮效率、電磁參數、絕緣性能和散熱等問題的牽引變壓器輕量化設計需求日漸突出。中國科學院電工研究所電力設備新技術實驗室、中國科學院大學、湖南大學電氣信息與工程學院的研究人員溫志偉、熊斌、程自然，在2021年《電工技術學報》增刊2上撰文，基于液體冷卻的強化換熱和冷卻系統的絕緣設計，提出一種高鐵車載牽引變壓器的芯式電磁結構，為高速鐵路車載牽引變壓器的輕量化設計和優化提供了一種行之有效的方法。
近年來，我國高速動車和相關裝備制造產業鏈的快速發展使得高鐵關鍵技術及核心零部件的創新研究需求迫切，技術創新、成本可控對我國在該領域保持領先并持續占據制高點具有重大的戰略意義。
牽引變壓器作為高速動車組牽引傳動系統中的核心裝備。隨著高速動車組技術的不斷發展，整車對于各部件的技術指標的需求不斷提升，促使牽引變壓器不斷朝著輕量化方向發展。“復興號”牽引變壓器功率密度已高達0.99kV?A/kg，較上一代技術提升近1倍，且基本達到國際目前最高水平（1.0kV?A/kg）。牽引變壓器減重可大幅提升列車整體技術經濟性，因此，新型輕量化牽引變壓器是高鐵配套重大裝備突破的重要方向之一。
中國科學院電工研究所等單位研究的牽引變壓器電磁結構設計方案以新型強化換熱原理為基礎，取消目前使用的具有一定潛在風險的可燃性變壓器絕緣油，通過提升工質冷卻能力實現提高功率密度和結構緊湊度。
由于牽引變壓器采用緊湊體積結構時，損耗的增加不僅需要解決散熱問題，絕緣設計也更為困難。而牽引變壓器的電磁結構參數也會影響變壓器運行效率和控制變頻器的工作特性，因此，在牽引變壓器設計時需要綜合考慮變壓器的效率損耗、散熱、絕緣和電抗參數等問題，在將輕量化作為主要設計目標時，由于與其他設計參數之間會存在一定沖突，因此不能同時達到最優設計，所以牽引變壓器輕量化設計本質上是一個具有復雜約束條件的優化問題。
牽引變壓器設計在滿足絕緣和散熱要求的條件下，要考慮減少損耗，控制電抗參數大小。變壓器電磁性能求解主要采用有限元法和解析法。有限元法計算精度高，易于處理復雜結構，但精細的網格剖分在提高精度的同時也導致計算速度較慢。而在牽引變壓器初始設計階段和進行優化分析時采用解析計算方法可以更清晰地描述結構設計參數與電磁性能的關系，具有解析速度快、計算量小等優點。
中國科學院電工研究所等單位科研人員設計的牽引變壓器本體布置于動車組車底，空氣冷凝器安裝于車頂，并通過位于車體兩側夾層內的管道將牽引變壓器箱體與冷凝器連通，實現冷卻系統工質的密閉循環，如圖1所示。
圖1 牽引變壓器結構布置
科研人員基于液體冷卻的強化換熱和冷卻系統的絕緣設計，提出了一種高鐵車載牽引變壓器的芯式電磁結構。變壓器繞組采用餅式線圈，其間設計有液體冷卻工質流動通道。
圖2 牽引變壓器電磁結構
他們在變壓器解析設計方法的基礎上，以高、低壓繞組匝數、鐵心直徑和工作磁通密度作為優化參數，采用遺傳算法進行優化，實現了輕量化設計，并研制了一臺900kV?A采用非油類液體強化冷卻的牽引變壓器原理樣機。
圖3 牽引變壓器樣機結構
圖4 試驗裝置
數值仿真和試驗測試表明，鐵心部分對整機輕量化目標的實現有顯著影響，提高鐵心工作磁通密度、繞組工作電流密度和強化冷卻可以有效降低變壓器整體質量。本研究成果為高速鐵路車載牽引變壓器的輕量化設計和優化提供了一種行之有效的方法。
本文編自2021年《電工技術學報》增刊2，論文標題為“強化液冷牽引變壓器電磁結構設計及優化”，作者為溫志偉、熊斌 等。
