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大功率牵引主变压器油箱壁的三维涡流场与温度场的分析计算.pdf

大功率牵引主变压器油箱壁的三维涡流场与温度场的分析计算.pdf

上传者: boyavis 2012-06-28 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《大功率牵引主变压器油箱壁的三维涡流场与温度场的分析计算pdf》,可适用于工程科技领域,主题内容包含收稿日期:--作者简介:梁湘湘年毕业于西南交通大学电气工程与自动化专业现从事牵引变压器研发工作。基金项目:铁道部科技研究开发计划(JA)大功率牵引主符等。

收稿日期:--作者简介:梁湘湘年毕业于西南交通大学电气工程与自动化专业现从事牵引变压器研发工作。基金项目:铁道部科技研究开发计划(JA)大功率牵引主变压器油箱壁的三维涡流场与温度场的分析计算*梁湘湘许加柱姚新丽(南车株洲电机有限公司湖南株洲湖南大学电气与信息工程学院湖南长沙)摘要:文章以某一实际大功率电力机车牵引主变压器为研究对象首先建立了其三维涡流场和温度场数学模型及两者的耦合计算有限元模型计算出各油箱壁的涡流分布和损耗并将油箱壁各单元的涡流损耗作为温度场计算的热源结合经典传热学理论和实际的流速情况计算出油箱壁的内外侧的表面散热系数得出了油箱壁的温度场分布及局部最高温升为变压器优化设计提供重要理论依据。关键词:牵引主变压器温度场表面散热系数有限元模型优化设计中图分类号:U.文献标识码:A文章编号:-()--AnalysisandcalculationofeddycurrentandtemperaturefieldonoiltankofhighpowertractionmaintransformerLIANGXiangxiangXUJiazhuYAOXinli(CSRZhuzhouElectricCoLtdZhuzhouChinaCollegeofElectricalandInformationEngineeringHunanUniversityChangshaChina)Abstract:InthepapertakinganactualtractionmaintransformerastheresearchingobjectthemathematicsofthethreedimensioneddycurrentandtemperaturefieldsandthefiniteelementcoupledmodelareestablishedfirstlyandtheeddycurrentdistributionandlossarecalculatedwhichisastheloadinthetemperaturefieldCombiningwiththeclassicaltheoryofheattransferandthefactualfluidvelocitythesurfacecoefficientsofheattransferarecalculatedintheinsideandoutsideoftheoiltankIntheendthetemperaturedistributionandpartialtoptemperaturerisearecomputedwhichreferstheoreticalbasisfortheoptimizingdesignofstructureKeywords:tractionmaintransformertemperaturefieldsurfacecoefficientofheattransferfiniteelementmodeloptimizingdesign电力机车与城轨车辆ElectricLocomotives&MassTransitVehicles第卷第期年月日VolNoNovth研究开发概述近年来随着国民经济的发展要求机车向高速、重载和轻量化的方向发展机车经历从交直到交直交、从普载到重载、从低速到高速的转换过程。大功率牵引主变压器作为现代高速电力机车牵引供电系统的核心部件之一正向紧凑化、集成化和轻量化方向发展同时变压器的阻抗值要求越来越高漏磁场分布复杂设计难度越来越大其局部过热和温升问题也变得越来越突出。牵引主变压器油箱壁局部高温将导致其附近的变压器油或绝缘件老化产生有害气体直接影响变压器正常运行及使用寿命因此利用有限元分析软件计算出油箱壁的局部最高温度点合理设计变压器内部结构避免局部过热点出现对提高变压器运行可靠性和延长其寿命具有重要的意义。目前有关车载牵引变压器温度场的计算文献并不多工程上主要采用热阻法计算。但考虑到车载牵引变压器绕组多、结构复杂、漏磁场较电力变压器大得多由于油箱损耗的分布不均采用传统的热阻法已无法求解油箱壁的温度场分布。随着现代计算手段和方法的日益成熟使得求解复杂电气装置的温度场不再繁琐。本文应用经典电磁学和传热学理论建立某一型号车载牵引变压器的三维涡流场和温度场的数学模型通过对油箱内外壁表面散热系数的计算和分析给出了求解域内的基本假设和边界条件并对油箱壁涡流损耗进行了计算求得油箱壁的温度场的分布规律仿真结果与试验温升相差不大。该计算结果为大功率车载牵引变压器的优化设计提供了重要的理论依据。牵引变压器三维涡流场计算模型计算模型为了简化计算模型对该模型做如下假设:)不计空间电荷和位移电流的影响)不计绕组部分的涡流)铁磁材料的磁导率是线性的)距离油箱外壁的包络面S为模拟无穷远边界。则根据电磁学理论可得用矢量A描述的涡流场数学模型:式中:μx、μy、μz求解域Ω内x、y和z方向的磁导率,对于铁芯磁路部分三个方向的磁导率根据铁磁材料BH曲线获得,对于非铁芯部分统一用空气磁导率μσ油箱壁的电导率。S为模拟无穷远边界A=根据变压器结构的对称性为了减少计算量只求解一半模型S为模型对称面且为磁通平行面满足自然边界条件如图所示。涡流损耗的计算根据该变压器的额定参数根据磁动势平衡方程在各绕组上分别加载相应的电流由于漏磁场的存在必然会在油箱壁上产生涡流损耗计算式为:()式中:Prms平均涡流损耗Ω油箱涡流域周期V体积Je涡流密度的复量由三维涡流场计算求得Je*Je的共轭。通过列表计算出油箱壁各单元的体积通过式()即可求得各单元的涡流损耗并将其作为温度场计算的热源。油箱壁温度场计算模型计算模型由于车载牵引变压器采用强迫油循环冷却可对该模型做如下假设:)油箱内油流体为恒温流体)油箱外为空气属于自然对流换热问题。根据经典传热学理论得到稳态运行时油箱的三维热传导方程:式中:Kx、Ky、Kz物体的x、y和z方向的热传导系数Ω冷却介质域包括油箱外空气和油箱内的油流体S热源体的外表面T热源体的温度Tf冷却介质的温度。表面散热系数的计算根据经典传热学理论热源表面的对流散热系数h可通过表征对流散热强度的努谢尔数Nu计算求得两者满足:式中为特征长度。油箱外壁散热系数的计算油箱外壁对流散热属于空气自然对流散热问题对流散热强度满足:式中:Gr格拉晓夫数Pr普朗特尔数Cn常系数(见表)。式中:g重力加速度α冷却介质的容积膨胀系数Δt冷却介质与被冷却体的温差υ冷却介质的运行黏度。式中a为冷却介质的热扩散率。梁湘湘等大功率牵引主变压器油箱壁的三维涡流场与温度场的分析计算*年第期表自然对流散热时C和n的值油箱内壁散热系数的计算由于车载牵引变压器功率大、漏磁严重杂散损耗大牵引变压器采用强迫油循环冷却假设油箱内壁和最外层绕组外表面S的对流形态为均匀层流对流散热强度满足:式中Re为雷诺数其中u为油流速由油流速表测得。实例分析计算相关计算参数以某一大功率车载牵引变压器为例采用强迫油循环冷却系统根据该变压器的实际参数通过对额定负载、油流速为ms条件下的油箱壁温升计算对考核箱体内是否会出现局部过热至关重要油箱外壁属于空气自然冷却油箱内壁的对流散热系数计算结果为W(mK)油箱外壁的对流散热系数计算结果为W(mK)。涡流分布及损耗计算根据该牵引主变压器的额定参数考虑到励磁电流很小分别在二次侧各绕组加载额定电流一次侧绕组加载相应的平衡电流进行谐波求解即得油箱各壁的涡流分布再根据式()计算求得油箱壁的涡流损耗计算结果油箱底部T壁的涡流损耗为W。温度场分布计算根据涡流场的计算结果将油箱壁上每个单元上的涡流损耗代入到每个单元上作为热源再将油箱内外表面的对流散热系数加载至表面上进行温度场的计算。油箱壁T的温度场分布如图所示由于油箱壁T距离绕组较近从而导致该油箱壁的涡流损耗和局部最高温升较高。油温设定为时油箱壁T的局部最高温度仿真值为与额定工况条件下的测试结果()基本一致误差小于能够满足工程实际要求。结束语本文以某一实际大功率牵引主变压器为研究对象建立了其三维涡流场和温度场的数学模型及有限元仿真模型计算出油箱各壁的涡流分布情况及涡流损耗并将涡流损耗作为温度场计算的热源对其温度场进行了计算。仿真结果表明:涡流密度及温升最强处主要位于各磁势平衡组分界对应的油箱处对于某些温升过高的主变压器建议此处加设磁屏蔽以有效降低涡流损耗而改善温升过高的问题并通过与实测值进行对比误差在允许的范围内表明本文计算方法的正确性。这也为进一步优化牵引主变压器的结构及冷却系统的设计提供了重要依据。参考文献:李丹京沪高速铁路徐沪段路基填料利用方案研究J高速铁路技术():程先东武广高速铁路联调试及运行试验的创新与实践J中国铁路():李冠军CC轴式大功率货运电力机车牵引装置技术难点分析及对策J电力机车与城轨车辆():杨理李林川李俊元等强油循环风冷变压器冷却系统自控装置的研制J电力系统及其自动化学报():王秀春陶军普大型自然油循环导向冷却变压器温度场研究J变压器():靳慧勇李伟力马贤好等大型空冷汽轮发电机定子内流体速度与流体温度数值计算与分析J中国电机工程学报():刘东升张俊杰赵峰等特高压特大容量变压器三维涡流场计算和防止局部过热技术的研究J变压器():李伟力靳慧勇丁树业等大型同步发电机定子多元流场与表面散热系数数值计算与分析J中国电机工程学报():杨世铭陶文铨传热学M北京:高等教育出版社箱壁位置油箱底面Cn电力机车与城轨车辆年第期图油箱壁T的温度场分布图

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