刘婷 黄细友 吴勇
中车株洲电机有限公司 湖南株洲 412000
摘要：直流偏磁导致牵引变压器的励磁电流畸变，铁心磁密周期性饱和，漏磁增大，牵引变压器的绕组电动力和损耗增大，进而影响牵引变压器的安全稳定性。利用ANSYS软件建立某牵引变压器有限元模型，分析直流偏磁下绕组电动力及油箱涡流损耗的变化。
关键词：直流偏磁，牵引变压器，绕组电动力，涡流损耗
Analysis Of Operating Characteristics Of Traction Transformer Under DC Bias
Abstract： DC bias leads to the distortion of traction transformer exciting current , periodic saturation of core magnetic density，increase of leakage magnetic flux，increase of winds electromagnetic force and eddy loss of the traction transformer tank, and then affects the safety and stability of traction transformer。Drew finite element model of a traction transformer by ANSYS software, analyzed the change of winds electromagnetic force and eddy loss of the tank under DC bias。
Key Words: DC bias; traction transformer; winds electromagnetic force; eddy-losses
Fund projects：National Key R & D Projects（2017YFB1200801-13）
1引言
牵引变压器正常运行时，工作在铁心磁化曲线的线性段。若铁心中磁通为正弦波时，励磁电流也是正弦波。当系统产生直流分量在绕组中流过时，铁心的直流和交流磁通相叠加，与直流偏磁方向一致的半个周波的磁通大大增加，而与直流偏磁方向相反的半个周波磁通减小，导致励磁电流工作在铁心磁化曲线的饱和区，见图1，使牵引变压器产生谐波，油箱损耗和绕组电动力增加的问题[1-3]。
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2 牵引变压器有限元模型的建立
牵引变压器的实物结构复杂，零部件较多，需要进行合理简化，考虑铁心，绕组、油箱及模型的对称性，只建立了某型号牵引变压器实体模型的一半，见图2，减少了计算量和计算时间。
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2.1 直流偏磁电流的施加
本文以加载1.2A直流为例，进行仿真分析，记录直流偏磁下的铁心磁密、励磁电流变化，见下表1。直流偏磁下，铁心磁密增加，周期性饱和，励磁电流增大，且正负半周严重不对称，发生畸变。
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2.2 直流偏磁下牵引变压器的绕组电动力分析
作用于线圈或线圈部分上的电磁力可按毕奥-沙瓦定律的积分形式[4-5]计算。
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为轴向漏磁，为电流密度，为线圈单元体积。在有限元模型中，线圈区域已经离散化，可以分别计算每个单元的电动力再求和。因轴向电动力相对于径向电动力非常小，本文不进行分析。
通过设置参数，在有、无直流偏磁两种工况下求解了高低压绕组的电动力，见下表2。数据表明，左右柱铁心上的绕组电动力基本对称分布，牵引绕组的电动力小于高压绕组电动力，在直流偏磁工况下，绕组电动力增大。
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2.3 直流偏磁下牵引变压器的油箱涡流损耗分析
漏磁场穿过变压器金属结构件时，会产生涡流损耗。由矢量磁动势描述的涡流场计算数学模型为：
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在ANSYS谐态场中，计算有、无直流偏磁两种工况下的油箱涡流损耗，见表3。两种工况下油箱的涡流分布区域相同见图3，见图4，在直流偏磁工况下，涡流密度增大，油箱涡流损耗增大。
3 结束语
本文应用ANSYS软件建立某牵引变压器的三维有限元模型，分析了直流偏磁对牵引变压器运行特性的影响。仿真结果表明，直流偏磁下，铁心磁密增加，周期性饱和，励磁电流增大，且正负半周严重不对称，发生畸变，引起牵引变压器的绕组电动力增大，油箱涡流损耗增加，为工程设计提供理论依据。
参考文献
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基金项目：国家重点研发计划-虚拟同相柔性供电变压器研制项目（2017YFB1200801）