CRH3动车组牵引变压器冷却系统性能研究

孙海荣 侯红学 蒋洁

摘要：针对冷却系统是否能满足CRH3高速动车组牵引变压器散热需求这一问题，文章阐述了CRH3型动车组牵引变压器冷却系统的构成及原理，通过广州南至西安北拉通试验，验证了在常态运行工况下CRH3型高速动车组牵引变压器的冷却系统的冷却性能完全能满足牵引变压器的散热需求。

关键词：高速动车组；牵引变压器；冷却性能

中图分类号：U266 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）29-0009-02

1 概述

我国高速铁路的蓬勃发展给高速列车的制造带来了机遇和挑战。目前以CRH3系列为代表的高速动车组已经奔驰在全国的高速铁路上，京津城际客运专线、武广客运专线为国产高速动车组提供了广阔的舞台。

目前，高速电动车组全部是动力分散式交流传动电动车组。在交流传动电动车组将电能转变为机械能这个能量转化和动力传递过程中，牵引变压器作为大功率的电气元件在工作中会产生大量的热损耗，引起电气部件温度升高，如果温度超过电气部件所能承受的范围，牵引变压器将不能正常工作，甚至会破坏电气部件的绝缘性能、引起着火等危险。因此，采用冷却性能良好的冷却系统将牵引变压器工作时散发的大量热量带走是非常必要的。文章对牵引变压器的热损耗进行了深入分析，阐述了CRH3型动车组牵引变压器冷却系统的构成及原理，通过拉通试验，在常态运行工况下CRH3型高速动车组牵引变压器的冷却系统的冷却性能完全能满足牵引变压器的散热要求，为新一代高速动车组牵引变压器冷却系统设备的研发设计提供了参考依据。

2 牵引变压器热损耗因素分析

牵引变压器在运行时由于产生热能而使设备发热，这些热能主要来自于空载损耗和负载损耗两个方面，变压器运行时发热的同时也在向外界散热，当发热量大于散热量时设备的各个部件的温度就会升高，当发热量与散热量相同时设备温度保持不变，当设备长时间处于发热量大于散热量工况时设备各部件会持续升温，这需要冷却装置的冷却性能足够强才能将设备的温升控制在允许的范围内。

牵引变压器是高速动车组的关键部件，其损耗主要有空载损耗和负载损耗，但是高速动车组所采用的牵引变压器是高漏抗、多绕组变压器，当采用饼式、分裂式绕组时，由于横向漏磁场大，油箱的损耗也较高。

3 冷却系统构成及原理

3.1 牵引变压器冷却系统构成

CRH3型高速动车组牵引变压器（TF）位于动车组TC02/TC07拖车的地板下，变压器冷却装置（CLF）在每个变压器的旁边。牵引变压器冷却系统包含过滤器、热交换器、油泵、冷却风扇、通风道、主要框架、带液位测量仪的补偿水箱和冷却剂等主要部件，过滤器包括入口过滤器和污垢粗过滤器及精过滤器。冷却系统的大部分冷却液和绝缘介质在变压器箱里，用作冷却和绝缘。当冷却液流过冷却器时，循环泵从变压器吸取热的冷却液。变压器系统配有膨胀箱，它位于TC02/TC07车的车顶，从而补偿因温度变化而产生的冷却剂量的变化。

3.2 牵引变压器冷却系统工作原理

CRH3型高速动车组牵引变压器采用强油风冷的冷却方式。它属于强迫油循环冷却方式。是采用在油箱周围安装强油风冷式冷却装置，它把变压器中的油，利用油泵打入油冷却装置中后再复回油箱，油冷却装置做成容易散热的特殊形状，利用风扇吹风把热量带走，使变压器油温度降低到设计要求的数值。在空气冷却式换热器中，被冷却的油是在封闭的管板通道内流动，空气则绕管板外侧流动。为了取得最大的冷却效益，通过介质循环泵和风扇使得冷却介质和空气以确定的速度和压力流动。

变压器副油箱与主油箱之间有联接通路，当变压器内因为温度升高或其他故障原因产生气体时，气体可以经过联接通路排到副油箱中，副油箱还可以在主油箱油量不足时提供补给。通过在副油箱上安装的可视液位检测仪来观察系统油量变化。

CRH3型高速动车组牵引变压器冷却方式将油的循环速度比自然对流时提高3倍，则变压器可增加容量30%。

4 冷却系统性能动态测试研究

4.1 任务表述

通过上面的描述可知，牵引变压器冷却系统的高温油是通过风机组的强制通风来降低温度的，在冷却系统工作过程中，为了促使热量的快速散发，CRH3高速动车组采用冷却风机来提高空气对流速度。而高速动车组随着列车运行速度的不断提高，列车表面负压也随之增大，随着列车表面负压的增大，新风难以从冷却系统新风风道入口处进入，此时风机的表面压力增大，空气流量减少，到了情况严重时，变压器会因过热而损坏。此外，当高速动车组以高速度通过隧道时也会造成列车表面压力的剧烈波动，这也将导致冷却风机运行环境的突变，从而对变压器的散热性能造成影响。CRH3主变压器油温随速度级增加而升高，变压器出口油温报警限制值约为95℃（380km/h），为了验证高运行速度下，尤其是在200km/h以上速度等级时高速动车组牵引变压器的冷却系统性能能否满足散热要求，在拉通试验中测量牵引变压器入口及出口油温来验证冷却系统性能是否满足要求，为新一代高速动车组牵引变压器冷却系统单元的设计提供参考依据。

4.2 实验及分析

在测试过程中，动车组处于广州南至西安北拉通试验运行工况下，最高运行速度300km/h，图1记录了TC车牵引变压器入口和出口油温随环境温度及列车速度变化曲线图，总结了在整个运行过程中TC车牵引变压器入口油温及出口油温的最高值。图2给出了在牵引变压器工作电压由交流440V变为220V时牵引变压器入口油温和出口油温随环境温度和列车速度变化曲线图及牵引变压器入口油温及出口油温的最高值。由这些统计数据表明主变压器各部件温度及受列车速度影响较大、随持续运营速度提高而升高、随持续运营速度降低而下降；另外，主变压器部件温度也与外部运营环境有关系。整个拉通实验中，牵引变压器各部件检测温度均正常，未出现异常高温报警，其温度检测值并没随运营距离增大而持续升高，各检测点最高温度均未超过牵引变压器预报警温度值。

5 结语

文章详细论述了牵引变压器的热损耗，阐述了CRH3型动车组牵引变压器冷却系统的构成及工作原理，通过广州南至西安北拉通试验，验证了在常态运行工况下CRH3型高速动车组牵引变压器的冷却系统的冷却性能完全能满足牵引变压器的散热需求，为新一代高速动车组牵引变压器冷却系统单元的设计提供参考依据。

参考文献

[1] 姜冬.高速动车组冷却技术及产品的现状和发展[J].

内燃机车，2011，23（2）.

[2] CRH3牵引系统培训资料[S].

[3] CRH3变压器冷却系统设计规范[S].

作者简介：孙海荣（1981—），女，河北蔚县人，唐山轨道客车有限责任公司产品技术研究中心工程师，硕士，研究方向：轨道车辆电气系统研发设计。