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近年來，我國高速動車和相關(guān)裝備制造產(chǎn)業(yè)鏈的快速發(fā)展使得高鐵關(guān)鍵技術(shù)及核心零部件的創(chuàng)新研究需求迫切，技術(shù)創(chuàng)新、成本可控對我國在該領(lǐng)域保持領(lǐng)先并持續(xù)占據(jù)制高點具有重大的戰(zhàn)略意義。

牽引變壓器作為高速動車組牽引傳動系統(tǒng)中的核心裝備。隨著高速動車組技術(shù)的不斷發(fā)展，整車對于各部件的技術(shù)指標(biāo)的需求不斷提升，促使?fàn)恳儔浩鞑粩喑p量化方向發(fā)展。“復(fù)興號”牽引變壓器功率密度已高達(dá)0.99kV?A/kg，較上一代技術(shù)提升近1倍，且基本達(dá)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(shù)經(jīng)濟(jì)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(xué)院電工研究所等單位研究的牽引變壓器電磁結(jié)構(gòu)設(shè)計方案以新型強(qiáng)化換熱原理為基礎(chǔ)，取消目前使用的具有一定潛在風(fēng)險的可燃性變壓器絕緣油，通過提升工質(zhì)冷卻能力實現(xiàn)提高功率密度和結(jié)構(gòu)緊湊度。

由于牽引變壓器采用緊湊體積結(jié)構(gòu)時，損耗的增加不僅需要解決散熱問題，絕緣設(shè)計也更為困難。而牽引變壓器的電磁結(jié)構(gòu)參數(shù)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(shè)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(shù)等問題，在將輕量化作為主要設(shè)計目標(biāo)時，由于與其他設(shè)計參數(shù)之間會存在一定沖突，因此不能同時達(dá)到最優(yōu)設(shè)計，所以牽引變壓器輕量化設(shè)計本質(zhì)上是一個具有復(fù)雜約束條件的優(yōu)化問題。

牽引變壓器設(shè)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(shù)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(fù)雜結(jié)構(gòu)，但精細(xì)的網(wǎng)格剖分在提高精度的同時也導(dǎo)致計算速度較慢。而在牽引變壓器初始設(shè)計階段和進(jìn)行優(yōu)化分析時采用解析計算方法可以更清晰地描述結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)與電磁性能的關(guān)系，具有解析速度快、計算量小等優(yōu)點。

中國科學(xué)院電工研究所等單位科研人員設(shè)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(cè)夾層內(nèi)的管道將牽引變壓器箱體與冷凝器連通，實現(xiàn)冷卻系統(tǒng)工質(zhì)的密閉循環(huán)，如圖1所示。

圖1 牽引變壓器結(jié)構(gòu)布置

科研人員基于液體冷卻的強(qiáng)化換熱和冷卻系統(tǒng)的絕緣設(shè)計，提出了一種高鐵車載牽引變壓器的芯式電磁結(jié)構(gòu)。變壓器繞組采用餅式線圈，其間設(shè)計有液體冷卻工質(zhì)流動通道。

圖2 牽引變壓器電磁結(jié)構(gòu)

他們在變壓器解析設(shè)計方法的基礎(chǔ)上，以高、低壓繞組匝數(shù)、鐵心直徑和工作磁通密度作為優(yōu)化參數(shù)，采用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化，實現(xiàn)了輕量化設(shè)計，并研制了一臺900kV?A采用非油類液體強(qiáng)化冷卻的牽引變壓器原理樣機(jī)。

圖3 牽引變壓器樣機(jī)結(jié)構(gòu)

圖4 試驗裝置

數(shù)值仿真和試驗測試表明，鐵心部分對整機(jī)輕量化目標(biāo)的實現(xiàn)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(qiáng)化冷卻可以有效降低變壓器整體質(zhì)量。本研究成果為高速鐵路車載牽引變壓器的輕量化設(shè)計和優(yōu)化提供了一種行之有效的方法。

本文編自2021年《電工技術(shù)學(xué)報》增刊2，論文標(biāo)題為“強(qiáng)化液冷牽引變壓器電磁結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化”，作者為溫志偉、熊斌 等。