變壓器(qì)是電網的(de)核心工作元件，計算(suàn)機建模能夠使這些設備更好(hǎo)地滿足當今的功率需求。
圖1 并(bìng)聯電抗器。在油路(lù)的原始設計中，散熱器通(tōng)過管道連接(jiē)至罐(guàn)，同時管道密封在焊接于電抗(kàng)器外(wài)壁的矩形盒子(zǐ)中。 在位于巴西聖保(bǎo)羅市朱迪雅 的西(xī)門(mén)子有限公司中，設計人員正通(tōng)過仿真來确保變壓(yā)器及并聯電(diàn)抗器的運行安全。目前(qián)，對這類設備的功率需求不斷攀升(shēng)，設計團隊結合仿真及公司内部(bù)工(gōng)具使設 備具有了(le)更好的過熱控制。 并聯電抗器主要(yào)用(yòng)于吸收無功功(gōng)率并增(zēng)加傳輸(shū)系統的能效。功率變(biàn)壓器設計則主要用于在不同電壓間高(gāo)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。随着城市的(de)不斷擴張(zhāng)，電力需求也在不斷(duàn)上漲，從而催生(shēng)出了(le)對更大型設備的需(xū)求;但諸如輸送設備(bèi)及(jí)客戶工廠的安裝空(kōng)間等條件又不允(yǔn)許它(tā)們的尺 寸過大。 此時需要(yào)在不增加設備尺寸(cùn)的情況下加(jiā)大(dà)功率輸(shū)出，這就會增大載(zǎi)荷及(jí)熱損(sǔn)耗，最終産(chǎn)生更高的溫度。這些設備中活動部件的設計方法已經确定，但不活動配件的設 計(jì)還不夠(gòu)明确，需要進(jìn)一步分析。未經仔(zǎi)細設計的設備會有過熱風險，并可(kě)能導緻變壓器中絕緣油的屬性退化。 解決感應加熱問(wèn)題 西門子通過(guò)COMSOL仿真(zhēn)軟(ruǎn)件突破了這些設計局限，并控制了金屬零件(jiàn)中的感應發熱。感(gǎn)應發熱是指當(dāng)将導體置于可變電磁場中時形成的渦電流會因(yīn)電阻效(xiào)應(yīng)在 材料中産生焦耳(ěr)熱。 通過模拟感應發熱，西門子的設計人員避免了“熱點”的出現，“熱點”即感應電流(liú)密度極高進而導緻高溫的小塊區(qū)域。由(yóu)于這些變壓(yā)器的幾何及材料(liào)非常複雜，所 以很難完全避免熱點(diǎn)。油浸(jìn)式變壓器中的絕緣油是一種很好(hǎo)的電絕(jué)緣體，同時也是設備的(de)冷卻(què)劑。但這些熱點可能會使油(yóu)過熱(rè)，并産生氣泡。這些(xiē)氣泡(pào)的介電強度低 于絕緣油(yóu)，從而導緻在油中産(chǎn)生放電，并可能破壞變壓器。 “在COMSOL的幫助下，我們可以模(mó)拟這種行爲表現并對變壓(yā)器設計作出改變，以此減(jiǎn)少結構組件的感(gǎn)應加熱。”西門子的高級産品開發人員(yuán)路易斯.約韋裏(lǐ)如 是(shì)說。
在西門子的感應加熱研究(jiū)中，研究人員用到了 COMSOL Multiphysics及 AC/DC 模塊。他們根(gēn)據仿真所作(zuò)的第一項改進是修改金屬結構的設計。例如，通過更改并聯電抗器的原始夾件結(jié)構，設計團隊能(néng)夠減(jiǎn)少感應(yīng)發熱，同時又能借(jiè)助該區域油的 對流(liú)循環的改善來(lái)改進冷卻。因此，最熱點的溫度降低(dī)了約 40攝氏度。這些修改免去了對在夾件外安裝銅屏蔽層的需求(qiú)，節省(shěng)了材料(liào)成本。
根(gēn)據利用 COMSOL 執行的仿真，約韋裏和他的同(tóng)事們針對設備設計提出了(le)幾個改進建議。“有時設備(bèi)冷卻零件(jiàn)的尺寸過大，無法解決整個設計中的一(yī)些熱點。”約韋裏說(shuō)，“利用 COMSOL，我們能夠控制這(zhè)些熱點。” 約韋裏(lǐ)注意到(dào)其實隻要做很小(xiǎo)的修改就(jiù)能解決這(zhè)個問題(tí)，并能降(jiàng)低與冷卻零件相關的成本。 “COMSOL 是一款非常強大(dà)的建模與仿真軟(ruǎn)件，” 約韋裏說，“我們可以通過對計算結果進行數值實驗來提升計算的精度，它還可以幫(bāng)助我們避免(miǎn)失(shī)敗。我們可以快速檢查設計，保證設備質量能夠滿足整個壽(shòu)命周期 的要求。” 更高效地冷卻鐵芯 從熱力學角度來看，與功(gōng)率變壓器相比，并聯電抗器中鐵芯和繞組的相對熱損要(yào)更高，也就是說，電抗器中鐵芯損耗與繞組損耗的比(bǐ)例要高于變壓(yā)器(qì)，可能産生過 熱。因此，設計必須保證電抗器(qì)的鐵芯能(néng)夠有效冷卻。
在這種情況下，西門子模拟了并聯電抗器中的潤滑油循(xún)環及傳熱，以理解油的行爲(wèi)表(biǎo)現，并希望據此優化設計。設計中的(de)一個(gè)微小(xiǎo)更改就能改進(jìn)鐵芯的冷(lěng)卻，而且與之前的設計相比，新設(shè)計更清潔，所需的維護工時更短，使用材料更少。
圖 6 新設計的熱流動(dòng)力學仿真;新的收集管設計。新設計将管道從(cóng)之前環繞電抗器外壁的位置(zhì)移除，現在管道直接從冷卻風扇連接至電抗器本身。 他(tā)們所作的另一項更(gèng)改主要(yào)針對電抗器罐中的焊(hàn)接管道。将設計更改爲所示的(de)樣式後，不僅節省了材料和制作成本，還改進了電抗器罐底(dǐ)部的潤滑油分布。 将一維、二維及三維(wéi)模(mó)型耦合至一個全油路模拟 約韋裏和他的同事們還模拟了(le)功率變壓器内油自然對流的熱(rè)工水力行爲。在變壓器仿(páng)真中，如果要将所有零件都作爲(wèi)三維零件模拟，那麽執(zhí)行計算流體力學(xué) 仿真的計算成本會很高(gāo)。 COMSOL支持将變壓器中的管道(dào)或流道作爲一維組(zǔ)件來高效模拟。其一大優勢是，一維的管道及流道模型可以無縫耦合到二維及三維下(xià)的更大實體中。 “爲了能(néng)夠對整個變壓器油(yóu)路執行一(yī)個真實的三維 CFD 仿真，并且同時考慮所有(yǒu)細節信息，這将需要(yào)大量的計算機資源。”約韋裏解釋說，“有時需要(yào)簡化，但根據研(yán)究目标，簡化後(hòu)又可(kě)能無法得到可靠的結果。借助 COMSOL Multiphysics，我們(men)可以輕松耦合(hé)任意物理場的一維、二(èr)維、二維(wéi)軸對稱及三維模型，并且(qiě)隻需(xū)要一個可靠的(de)工作站就能完(wán)成仿真。”
