陈湘令

（湖南铁道职业技术学院，湖南 株洲 412001）

对于带铁心的变压器，主磁通在（铁磁介质）铁心中流通，漏磁场的漏磁通在（非铁磁介质）空气、油、铜导体中流通。漏磁场的大小及分布规律决定着线圈的感抗及附加损耗，更为重要的是还决定变压器正常运行状态下和短路情况下作用在绕组上的电磁力。动车组上的牵引变压器运行条件恶劣，经常有各种突发短路情况发生，短路时线圈电流相当大，如果漏磁场分布不均或者数值较大，由此产生的强大电磁力对设备的机械构造稳定性是一个严俊的考验。

因此准确分析出漏磁场的大小和分布直接关系到变压器的可靠运行，准确计算出突发短路时漏磁场引起的电磁力大小直接关系到变压器的机械构造设计。下面主要就这两方面展开分析。

1 CRH3 壳式变压器主要结构

CRH3 型高速动车组牵引变压器截面图如图1所示。

图1 CRH3 型高速动车组牵引变压器截面图

该变压器绕组采用交错式线圈，高压绕组、牵引绕组在心柱轴向交错布置。HV1、HV2 为高压绕组，其内部已并联，对外只有两个端子；TR1-1 和TR1-2 布置在上、下铁轭附近，其匝数均为另一个牵引绕组TR2 的1/2，组成一个牵引绕组，其内部已串联，对外只有两个端子；TR2 为另一个牵引绕组，布置在高压绕组HV1 和HV2 之间，对外有两个端子。

图2 器身部分有限元模型

2 CRH3 壳式变压器漏磁场模型

1）合理建模

考虑壳式变压器的结构特点为铁心包围线圈，主要分析线圈与铁心中的电磁场，外部油箱对漏磁场的影响较小，建模时可不考虑油箱建模。

根据CRH3 高速动车组壳式牵引变压器设计尺寸，建立的变压器器身部分有限元模型如图2所示。

2）主空道漏磁场分析，获取最大磁通密度

主空道漏磁场矢量分布图如图3所示。从图3可以看出，在最大短路电流流过线圈时，高压线圈与牵引绕组间的主空道中，最大磁通密度达到1.57T。

图3 短路情况下主空道漏磁通矢量分布图

图4 短路情况下高压线圈HV1/HV2 漏磁通分布云图

3）高压线圈的漏磁场分析，获取最大磁通密度 高压线圈HV1 漏磁场分布如图4所示。从图4可以看出，在最大短路电流流过线圈时，高压线圈HV1 和HV2 漏磁通密度最大值达到2.76T。

4）牵引线圈的漏磁场分析，获取最大磁通密度

牵引线圈TR1-1 漏磁场分布如图5所示。从图5可以看出，在最大短路电流流过线圈时，高压线圈TR1-1 漏磁通密度最大值达到 3.13T。牵引线圈TR1-2 在最大短路电流流过线圈时，牵引线圈TR1-1漏磁通密度最大值达到3.05T。牵引线圈TR2 漏磁场分布如图6所示，从图6可以看出，在最大短路电流流过线圈时，牵引线圈TR2 漏磁通密度最大值达到3.35T，稍大于牵引线圈TR1-1 漏磁通密度。

图5 短路情况下牵引线圈TR1-1 漏磁通分布云图

图6 短路情况下牵引线圈TR2 漏磁通分布云图

3 最大短路电流计算

变压器二次侧发生突然短路时，短路电流的大小与初始条件相关。

当变压器牵引绕组发生突然短路时，绕组中的短路电流按式（1）计算。

可见，短路电流的大小与初始条件—电压U的 初相角α0有关。

当α0= π/2时突然短路，突然短路一发生就进 入稳定状态，暂态分量为零，短路电流最小。

当00α= 时突然短路，短路电流中出现暂态分量，

此时，在突然短路后半个周期瞬间（ πtω= ）， 短路电流达最大值imaxk，

4 根据漏磁场分析所得最大磁场密度及最大短路电流，计算短路电磁力

有限元仿真计算结果如下。

高压线圈HV1 最大短路力：F(x) = 0.677kN；F(y) =-0 .828kN ；F(z) = 21.52kN

高压线圈HV2 最大短路力：F(x) = 4.48kN；F(y) =-1 .6kN；F(z) =-1 7.65kN

牵引线圈TR1-1 最大短路力：F(x) = 1.04kN；F(y) =-0 .8kN；F(z) = 917.4kN

牵引线圈TR1-2 最大短路力：F(x) = 0.38kN；F(y) = 0.36kN ；F(z) =-9 15.9kN

牵引线圈TR2 最大短路力：F(x) = 0.04kN；F(y) =-0 .52kN ；F(z) =-6 .73kN

5 根据短路电磁力数据，为CRH3 壳式变压器结构设计提供依据

根据以上漏磁场分析可知，漏磁场主要是径向磁场，轴向分量较小，而从电磁力计算可知，绕组的轴向电磁力要远大于径向力。在结构设计上特别要考虑线饼间在轴向的支撑和压紧，线饼间垫块间的距离不超过85mm。

特别是布置在靠近上、下铁轭处牵引绕组TR1-1 和TR1-2，Z轴方向最大短路力可达917.4kN，由线圈指向铁轭的电磁力最大，在线圈和油箱壁之间必须采取用绝缘楔挤紧，保证其机械稳定性，X轴、Y轴方向的短路力均较小，选择半硬铜导线，依靠铜导体本身的强度可满足机械稳定性要求。

6 结论

本文利用Ansoft 有限元仿真软件，建立CRH3动车组牵引变压器模型，分析了该牵引变压器在短路情况下的三维漏磁通分布。在获得最大漏磁通基础上，计算了牵引变压器绕组在突发短路电流作用下的电磁力，为进一步研究变压器在突发短路情况下绕组的失稳校核提供可靠、科学的数据。

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