牵引变电设备在高负荷运行下的热管理研究

一、引言

随着城市化进程加快，轨道交通已成为缓解城市交通压力的核心基础设施。客流量持续增长使高峰时段列车发车频次与载重量显著提升，直接导致牵引变电系统长期处于高负荷甚至短时过载状态，牵引变压器、整流器等核心设备需持续承受远超设计额定值的运行压力。牵引变电设备的稳定运行是轨道交通系统安全的关键支撑，而热积聚是高负荷工况下设备故障的主要诱因。热量无法及时消散会加速设备绝缘材料老化，缩短核心部件使用寿命，严重时还会引发设备故障，甚至导致大面积停运，影响乘客出行安全与效率。

二、牵引变电设备高负荷热管理主流技术梳理

2.1 被动式热管理技术

被动式热管理技术依靠设备自身结构与材料实现散热，无需额外动力输入，在牵引变电系统低负荷场景中具备独特优势。自然风冷通过优化设备外壳散热鳍片的形态参数，调整鳍片间距与倾斜角度，引导空气形成有序对流，减少气流滞留区域以提升散热效率。针对牵引变压器，常采用波纹式或片式散热器与油箱一体化设计，扩大热量交换面积；在热源与散热器衔接处，填充导热硅脂或铺设石墨垫片，降低接触热阻以强化热量传导。这类技术可靠性强、维护成本低，能长期稳定运行，但受限于自然散热能力，当设备进入高负荷工况，热量生成速率超过散热速率时，易出现局部温度升高，难以满足高热流密度设备的散热需求，更多作为辅助散热手段或适配低负荷运行场景[1]。

2.2 主动式热管理技术

主动式热管理技术通过引入外部动力增强散热效果，是牵引变电设备高负荷运行的核心解决方案。强迫风冷借助风机驱动空气快速流过散热器，加速对流换热，相比自然风冷大幅提升散热效率，广泛应用于牵引变压器与整流柜，可通过调节风机运行状态适配负荷波动。液体冷却利用液体高比热容特性，通过密闭管道将设备热量输送至冷却终端，对整流器中 IGBT模块等高热流密度部件适配性强，能精准控制温度波动范围。蒸发冷却依托工质相变吸热实现散热，无需机械运动部件，降低维护需求，但对系统密封性要求极高，工质泄漏可能影响设备绝缘性能，在实际应用中需平衡散热效率与系统安全性，针对不同设备特性优化工质选型与密封结构[2]。

2.3 新型热管理技术的探索与应用

新型热管理技术聚焦突破传统技术瓶颈，目前相变散热与热超导技术是主要探索方向。相变散热技术利用相变材料在相变过程中的热量存储与缓释特性，可有效抑制设备短时过载下的温度骤升，当前研发重点在于通过复合改性提升材料导热系数与相变潜热，解决传统材料导热慢、体积变化大的问题，使其更适配牵引变电设备的运行环境。热超导技术依托热管或均热板的真空相变传热原理，实现高效热量传递，其导热系数远超传统金属，能快速扩散设备局部热点热量。该技术已在继电保护装置等小功率设备中试用，后续需针对牵引变压器、整流器等大功率设备的发热特性，优化元件结构与安装方式，解决规模化应用中的成本控制与适配性问题，推动技术从实验室走向工程实践[3]。

三、牵引变电设备高负荷热管理的优化方向

3.1 散热结构与布局的针对性优化

散热结构与布局优化需紧密匹配不同牵引变电设备的热源特性与运行场景，核心思路是缩短热量传递路径、减少热相互干扰。针对牵引变压器，采用油箱与散热器、冷却风机一体化设计，让热量直接从油箱传导至散热器，避免中间环节的热损耗；整流柜则围绕热源集中区域构建强化散热布局，将发热密集的核心部件集中布置在冷却通道关键位置，确保冷却介质能直接作用于高热流区域。GIS 设备因密封结构易积热，需在内部发热部件外侧增设内置式散热器，同时优化外壳通风口位置与尺寸，引导外部空气有序流动以带走内部热量。

3.2 高效散热材料与工质的研发与应用

高效散热材料与工质的突破是提升热管理能力的关键支撑，研发方向需兼顾导热性能与设备运行需求。在绝缘材料领域，通过纳米改性技术优化环氧树脂、陶瓷等材料的微观结构，在保障绝缘强度的同时提升导热系数，解决设备内部热量传导受阻的问题；相变材料的研发则聚焦复合改性，通过添加高导热成分改善传统材料导热慢、相变体积变化大的缺陷，增强其在高负荷下的热量存储与缓释能力。冷却工质的创新围绕环保与高效展开，开发天然酯类绝缘油替代传统矿物油，既具备更高的导热效率，又能降低泄漏后的环境危害。

3.3 智能温控系统的构建与应用

智能温控系统的核心是实现 “监测 - 调节 - 预警” 的闭环管控，通过技术协同提升高负荷下温度管理的精准性与及时性。系统以高精度温度感知为基础，在设备关键部位部署适配不同工况的传感器，实时捕捉绕组、芯片等核心部件的温度变化；基于感知数据，借助控制模块动态调整冷却设备运行状态，当负荷升高导致温度上升时，自动提高风机转速或水泵流量，避免过度散热造成的能耗浪费。同时，系统内置温度预警机制，通过分析温度变化趋势提前识别过热风险，及时发出预警信号提醒运维干预。

3.4 多设备协同热管理策略的制定

多设备协同热管理需从系统层面统筹各设备散热需求，解决设备间热相互干扰问题。在设备布局阶段，根据不同设备的发热强度与散热方式，合理规划安装位置，避免高热负荷设备集中布置形成局部热聚集区；运行过程中建立协同控制逻辑，当某一设备进入高负荷状态时，联动调整周边设备的冷却系统，例如牵引变压器过载发热时，适当增强邻近整流柜的散热能力，防止热量相互叠加。此外，借助数字孪生技术构建系统热仿真模型，模拟不同负荷组合下的温度场分布，为协同策略的优化提供依据。

四、结论

综上所述，高负荷运行会使牵引变电设备电磁损耗与电气损耗显著增加，热量传递受绝缘材料低导热性阻碍，易形成局部热点，引发绝缘性能劣化、核心部件性能衰减等失效风险。现有被动式热管理技术因散热能力有限难以适配高负荷需求，主动式技术虽为当前主流，但仍面临效率瓶颈与系统复杂度问题，新型技术尚处于探索应用阶段。通过优化散热结构布局可缩短热量传递路径，研发高效散热材料能突破导热性能局限，智能温控系统可实现精准化温度调节，多设备协同策略则能解决系统层面的热相互干扰，这些措施共同构成提升设备热稳定性的有效路径。

参考文献：

[1]赵帅帅，刘莹莹，季云健，等.高速铁路牵引变电设备故障诊断与预防技术研究[J].中国机械，2025，（04）：110-113.

[2] 赵 坤 . 如 何 提 高 牵 引 变 电 设 备 运 行 稳 定 性 [J]. 新 型 工 业化，2021，11（12）：181-182+185.

[3]楚振宇，张长梅.牵引变电设备在线监测数据应用研究[J].电气化铁道，2023，34（S1）：7-10.