變壓器是電網的(de)核心工作元件，計算機建(jiàn)模能夠使(shǐ)這些設備更好地(dì)滿足當今的功率需求。

　　圖1 并聯電抗器(qì)。在油路的原始設計中，散熱器通過管道連接至罐(guàn)，同時管道密封在焊接(jiē)于電抗(kàng)器外壁的矩形盒子(zǐ)中(zhōng)。 在位于巴西聖保羅市朱迪雅 的西(xī)門子有限公司中(zhōng)，設計人員正通過仿真來确保變壓器及并聯電抗器(qì)的運行安全。目前，對這類設備的功率需求不斷攀升，設計(jì)團隊結合仿真及公司内部工具使(shǐ)設 備具有了更好的(de)過熱(rè)控(kòng)制。 并聯電抗器主要用于吸收無功功率并增加傳輸系統的能效。功率變(biàn)壓(yā)器設計則主要用于在不同電壓間高效傳輸功率。這兩個設備會用于電網的各個階段，從發電到給 用戶電力配送。随(suí)着城市的不斷擴張，電力需求也在不斷(duàn)上漲，從而催生出了對更大型設備的需(xū)求;但諸如輸送設備及客(kè)戶工廠的安裝空間等條件又不允許(xǔ)它們的尺 寸過大。 此時需要(yào)在不增加(jiā)設備尺寸(cùn)的情況下加大(dà)功率輸出，這就會增大載荷及熱損耗，最終産生更高的溫度。這(zhè)些設備中活動部件的設計方法已經确定，但不活動配(pèi)件的設 計還不夠明确，需要進一步分析。未經仔細設計的(de)設備會有過熱風險，并可能導緻變壓器中絕緣油(yóu)的屬性退(tuì)化。 解決感應加熱問題 西門子通過COMSOL仿真軟件突破了這些設計局限，并控制了金屬零件中的感應發熱(rè)。感應發熱是指當将導體置于可變電(diàn)磁場中時形成的渦(wō)電流會因電阻效應在 材料中産生焦耳熱。 通過模拟感應發熱，西門子(zǐ)的設計人員避(bì)免了“熱點”的出(chū)現，“熱點”即感應電流密度極高進而導緻高溫的小塊區域。由于這些變壓器的幾(jǐ)何及材料非常複雜，所 以(yǐ)很難完全避免(miǎn)熱點。油浸式變壓器中的絕緣油是一種(zhǒng)很好的電絕緣體，同時也是設備的(de)冷卻(què)劑。但這些熱點可能會使油過(guò)熱(rè)，并産生氣泡。這些氣泡(pào)的介電強度低 于絕緣(yuán)油，從而導緻在油中産生放電，并可能破壞變壓器。 “在COMSOL的幫(bāng)助下，我們可以模拟這種行爲(wèi)表(biǎo)現并對變壓器設計作出改變，以(yǐ)此減少結構組件的感應加熱(rè)。”西門子的高級産品開發人員路易斯.約韋裏(lǐ)如 是(shì)說。

　　在西門子的感應加(jiā)熱研究(jiū)中，研究人員用到了 COMSOL Multiphysics及 AC/DC 模塊。他(tā)們根據仿真所(suǒ)作的第一項改進是(shì)修改金屬(shǔ)結構的設計。例(lì)如，通過更改(gǎi)并聯電(diàn)抗器的原(yuán)始夾件結構，設計團隊能夠減(jiǎn)少感應發熱，同時又能借助該區域油的 對流循環的改善來(lái)改進冷卻。因此，最熱點的溫度降低了約 40攝氏度。這些修改免(miǎn)去了對在(zài)夾件外安裝(zhuāng)銅屏蔽層的需求，節省了材料成本。

　　根(gēn)據利用 COMSOL 執行的仿真(zhēn)，約韋裏和(hé)他的同事們針對設備設計提出了幾個改進建議(yì)。“有時設備(bèi)冷卻零件的尺寸過大，無法解決整個設計中的一(yī)些熱點。”約(yuē)韋裏說(shuō)，“利用 COMSOL，我們能夠控制這(zhè)些熱點。” 約韋裏注意(yì)到(dào)其實隻要(yào)做很小的修改就能解決這個問題(tí)，并能降低與(yǔ)冷卻零件相關的成本。 “COMSOL 是一(yī)款(kuǎn)非常強大(dà)的建模與仿真軟(ruǎn)件，” 約韋裏說，“我們可以通過對計(jì)算結果進(jìn)行數值實驗來提升計算的(de)精(jīng)度，它還可(kě)以幫(bāng)助我們避免失敗。我們可以快速檢查設計，保證設備質量能夠滿足整個壽命周期 的要求(qiú)。” 更高效地冷卻鐵芯 從熱力學角(jiǎo)度來看，與功率變壓器相比，并聯電抗器中(zhōng)鐵芯和繞(rào)組的相對熱損要更高，也就(jiù)是說，電抗器中鐵芯損耗與繞組損耗的比例要高于變壓器，可能産生過(guò) 熱。因此，設計必須保證電抗器的鐵芯能(néng)夠有效冷卻。

　　在這種情(qíng)況下，西門子模拟(nǐ)了并聯電抗器中的潤滑油循(xún)環及傳熱，以理解油的行(háng)爲表現，并希望據此優化(huà)設計。設計中的(de)一個微小更改就(jiù)能改進鐵芯的冷卻，而且與之前的設計相比，新設計更清潔，所需(xū)的(de)維護工時更短，使用材料更少。

　　圖 6 新設計的熱流動力學仿真;新的收集管(guǎn)設計。新設計将管道從(cóng)之前(qián)環繞電抗器(qì)外壁的位置移除，現在管道(dào)直接從冷(lěng)卻風扇連接至電抗(kàng)器本(běn)身。 他們所作的另一項更改主要針對電抗器罐中的焊接管道。将設計更改(gǎi)爲(wèi)所示的樣(yàng)式後，不僅節省了材料和制作成本，還(hái)改進了電抗器罐底部的潤滑油分布。 将一維、二維及三維模型耦合至一個全油(yóu)路模拟 約韋裏和他(tā)的同事們還模拟了功率變壓器(qì)内油自(zì)然對流的熱(rè)工水力行爲。在變(biàn)壓器仿真中，如果要将所有零(líng)件都作爲三維零件模拟，那麽執行計算流體力學(xué) 仿真的計算成本會很高。 COMSOL支持将(jiāng)變(biàn)壓器(qì)中的管道(dào)或流道作爲一維組件來高效模拟。其一大優勢是(shì)，一維的管道及流道模型可以(yǐ)無縫耦合到二維及三維下的更大實體中。 “爲(wèi)了能夠對整個變壓器(qì)油路執行一個真實的三維 CFD 仿真，并且同時考慮(lǜ)所有細節信息，這将(jiāng)需要大量的計(jì)算機資源。”約韋裏解釋說，“有時需要簡化，但根據研究(jiū)目标，簡化後又可能無(wú)法得到可靠的結果。借助 COMSOL Multiphysics，我們可以輕松耦合(hé)任意物理場的一維(wéi)、二維、二維軸對稱及三維模型，并且(qiě)隻需(xū)要一個可靠的工作站就能完成仿真。”