基于磁场和温度场分析的自耦变压器容量优化研究

摘要

随着我国高速铁路的快速发展，AT供电方式已成为我国电气化铁路供电的首选。AT供电专用自耦变压器（以下简称“自耦变压器”）作为AT供电系统中的关键设备之一，其容量的选择不仅关系到电气化铁路的供电安全性还影响着运营成本。根据铁路部门统计，牵引变压器普遍存在着容量浪费的问题，由于自耦变压器负荷特性相似，因此也存在同样问题。为了提高自耦变压器的容量利用率，降低铁路部门的运营成本，有必要在保证牵引供电安全、可靠的前提下，对容量进行优化。
　　本文首先利用Ansoft Maxwell电磁仿真软件建立了OD-25000/55型自耦变压器三维模型，运用电磁场理论和有限元法，对其进行了系统的研究。通过变压器安匝平衡原理验证模型的正确性，模拟了自耦变压器在空载时的铁心损耗分布情况，据此对变压器铁心进行了分块划分;计算并分析了变压器绕组的漏磁场分布情况，提取了各个绕组中的横向和纵向漏磁密值及其对应的涡流损耗值。
　　然后利用Ansys Fluent有限元软件建立了OD-25000/55型自耦变压器的数值计算模型，仿真分析了额定状态下稳态时其内部温度场分布情况。探究了机车电流与绕组电流的关系，机车运行状态对绕组电流的影响，以及AT变电所供电距离和机车时速对自耦变压器负载时间的影响，并研究了不同负荷特性下自耦变压器的温升特性。
　　最后计算了三种不同容量自耦变压器的结构，分析了外部环境对寿命损失的影响。基于计算负荷下不同容量自耦变压器的温升特性分析了相应的寿命损失情况，并根据此负荷特性选取合适的自耦变压器容量，分析不同容量自耦变压器在相同负载下的经济性。在满足温升限值要求以及绝缘寿命损失情况的前提下尽量减小变压器容量，从而减少电费支出，提高铁路的经济效益。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 变压器磁场及损耗研究现状

1．2．2 变压器温度场研究现状

1．2．3 变压器容量研究现状

1．3 本文的研究内容

第2章 自耦变压器磁场及损耗分析

2．1 Maxwell电磁场理论分析

2．1．1 电磁场基本理论

2．1．2 Maxwell三维瞬态磁场分析

2．2 变压器损耗理论分析

2．2．1 空载损耗

2．2．2 负载损耗

2．3 自耦变压器模型建立及验证

2．3．1 模型建立

2．3．2 模型验证

2．4 铁心损耗分布

2．5 绕组漏磁场及涡流损耗分析

2．5．1 绕组涡流损耗的有限元计算理论

2．5．2 绕组漏磁场分布

2．5．3 绕组涡流损耗计算

2．6 小结

第3章 自耦变压器温升特性研究

3．1 自耦变压器负荷特性

3．1．1 机车电流与绕组电流关系

3．1．2 机车运行状态对机车电流的影响

3．1．3 AT供电距离对绕组电流的影响

3．2 额定负载时绕组热点温升

3．3 计算负荷下的绕组热点温升特性

3．3．1 两台自耦变压器并联供电

3．3．2 单台自耦变压器并联供电

3．4 小结

第4章 自耦变压器容量优化

4．1 自耦变压器结构计算

4．2 外部环境对寿命损失的影响

4．2．1 环境温度的影响

4．2．2 冷却条件的影响

4．3 不同容量自耦变压器的对比分析

4．3．1 绝缘寿命分析

4．3．2 运行成本计算

4．4 小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果