變壓器(qì)是電網的核心(xīn)工作元件，計算機建模(mó)能夠使(shǐ)這些設備更好(hǎo)地滿足當今的功率需求。

　　圖(tú)1 并(bìng)聯電抗器。在油(yóu)路的(de)原始設計中，散熱器通過管道(dào)連(lián)接至罐(guàn)，同時管道密(mì)封在焊接于電抗器外壁(bì)的(de)矩形(xíng)盒子中。 在位于(yú)巴西聖保(bǎo)羅市(shì)朱迪(dí)雅 的西(xī)門(mén)子有限公司中(zhōng)，設計人(rén)員正通過仿(páng)真來(lái)确保(bǎo)變壓器及并聯(lián)電抗器(qì)的運(yùn)行(háng)安全(quán)。目(mù)前(qián)，對這(zhè)類設備的(de)功率(lǜ)需求不斷攀升(shēng)，設計團隊結合(hé)仿真(zhēn)及公司内(nèi)部工具使(shǐ)設 備(bèi)具有(yǒu)了更好的過熱控制(zhì)。 并聯(lián)電抗器主要用(yòng)于吸收無功(gōng)功(gōng)率并(bìng)增(zēng)加(jiā)傳輸(shū)系統(tǒng)的能(néng)效。功(gōng)率變(biàn)壓器設計則主要(yào)用(yòng)于在(zài)不同電壓(yā)間高(gāo)效傳輸功(gōng)率。這兩個設備會用于電網的(de)各個(gè)階(jiē)段，從發(fā)電到(dào)給 用(yòng)戶電力配(pèi)送。随着城(chéng)市的(de)不斷擴(kuò)張，電力需求(qiú)也在不斷(duàn)上(shàng)漲，從而催生(shēng)出了對更大型設備(bèi)的需(xū)求;但諸如(rú)輸(shū)送設備(bèi)及客(kè)戶工廠的安裝空間等條(tiáo)件又不允(yǔn)許它們的尺 寸過大(dà)。 此時需(xū)要在不(bú)增加設備尺寸(cùn)的(de)情況(kuàng)下加大功率輸(shū)出，這就會增大載(zǎi)荷及熱損耗，最終産(chǎn)生更高的溫度。這(zhè)些設備中活(huó)動部件的設計方法已經确定(dìng)，但不活動(dòng)配件(jiàn)的設(shè) 計(jì)還不夠明(míng)确，需要進一(yī)步分(fèn)析。未經仔(zǎi)細設計(jì)的設備(bèi)會有過(guò)熱風險，并可(kě)能(néng)導緻變壓器(qì)中絕緣油(yóu)的屬(shǔ)性退(tuì)化。 解(jiě)決感(gǎn)應加熱問(wèn)題 西門子(zǐ)通過(guò)comsol仿真(zhēn)軟件突破(pò)了這些設計局(jú)限，并控制了金(jīn)屬零件中的感應發(fā)熱。感應發(fā)熱是指(zhǐ)當将導(dǎo)體置(zhì)于可變電(diàn)磁場中時(shí)形成(chéng)的渦(wō)電流會因(yīn)電阻效(xiào)應(yīng)在 材(cái)料中産(chǎn)生焦耳(ěr)熱(rè)。 通過模拟感應發熱，西門子(zǐ)的設計人(rén)員避免了“熱點”的出(chū)現，“熱(rè)點(diǎn)”即(jí)感應(yīng)電(diàn)流密度極高(gāo)進而導(dǎo)緻高溫的小(xiǎo)塊區域。由于這些(xiē)變壓器的幾何(hé)及(jí)材料(liào)非常(cháng)複雜，所 以(yǐ)很難完全避(bì)免(miǎn)熱點(diǎn)。油浸(jìn)式變壓器中(zhōng)的(de)絕緣(yuán)油是一種(zhǒng)很好的(de)電絕緣(yuán)體，同(tóng)時也是設(shè)備的(de)冷卻劑。但這些(xiē)熱點可能會使(shǐ)油過(guò)熱，并産生氣泡。這些(xiē)氣泡(pào)的介電強(qiáng)度低 于絕緣油，從而導緻在油中産(chǎn)生放電，并可能(néng)破壞(huài)變壓器。 “在(zài)comsol的幫助下，我們可以(yǐ)模拟這種行爲表(biǎo)現并對(duì)變壓器設計作(zuò)出改變，以此減少結構組件的(de)感應(yīng)加熱。”西門子的高(gāo)級産品(pǐn)開發(fā)人(rén)員路易斯.約韋(wéi)裏如 是(shì)說。

　　在西門(mén)子的(de)感應(yīng)加(jiā)熱(rè)研究(jiū)中，研究人(rén)員用到了 comsol multiphysics及 ac/dc 模塊。他們根(gēn)據仿真所(suǒ)作的(de)第(dì)一項改進是(shì)修改(gǎi)金屬(shǔ)結構(gòu)的設(shè)計。例(lì)如，通過更(gèng)改并(bìng)聯電(diàn)抗器的原(yuán)始夾件(jiàn)結(jié)構，設(shè)計團隊能夠減(jiǎn)少感應(yīng)發熱，同(tóng)時又(yòu)能借助該(gāi)區域(yù)油(yóu)的 對流(liú)循環的改善來(lái)改進冷(lěng)卻(què)。因此(cǐ)，最熱點(diǎn)的溫度(dù)降低(dī)了約(yuē) 40攝氏(shì)度。這些修改免(miǎn)去了對在夾件(jiàn)外安裝(zhuāng)銅屏蔽(bì)層的需(xū)求，節省了材(cái)料成本。

　　根據利(lì)用(yòng) comsol 執(zhí)行的(de)仿真，約(yuē)韋裏和(hé)他的同事(shì)們針對設備設計提(tí)出了幾個改進(jìn)建議(yì)。“有時設備(bèi)冷卻零件的尺(chǐ)寸過大，無法解(jiě)決整個(gè)設計中的一些熱(rè)點。”約韋裏(lǐ)說，“利(lì)用 comsol，我們能夠控制這(zhè)些熱點。” 約(yuē)韋裏(lǐ)注意到其實隻(zhī)要做(zuò)很小的修改就能解決這(zhè)個問題，并(bìng)能降低與(yǔ)冷卻零件相關的成本。 “comsol 是(shì)一款非常強大(dà)的建(jiàn)模與仿真(zhēn)軟件(jiàn)，” 約(yuē)韋裏說(shuō)，“我們可(kě)以(yǐ)通過(guò)對計(jì)算(suàn)結果進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗來(lái)提升計(jì)算的精(jīng)度，它還可以(yǐ)幫(bāng)助我們避(bì)免失(shī)敗。我們(men)可(kě)以快速檢查設計，保(bǎo)證設備質(zhì)量能(néng)夠滿足整個壽(shòu)命周期 的(de)要求。” 更高效(xiào)地冷卻(què)鐵芯 從熱力學(xué)角(jiǎo)度(dù)來看，與功(gōng)率變壓器相比(bǐ)，并聯(lián)電抗器中(zhōng)鐵芯和(hé)繞(rào)組的(de)相對(duì)熱損要更(gèng)高(gāo)，也(yě)就是(shì)說，電抗器(qì)中鐵芯損(sǔn)耗與繞組(zǔ)損耗(hào)的比(bǐ)例要高于(yú)變壓(yā)器，可能産(chǎn)生過 熱。因此，設(shè)計必(bì)須保證電抗器的鐵(tiě)芯能(néng)夠有效冷卻。

　　在這種(zhǒng)情(qíng)況下，西(xī)門(mén)子模拟(nǐ)了并(bìng)聯電抗器(qì)中(zhōng)的(de)潤滑油(yóu)循環及傳熱，以理解油的行爲(wèi)表現，并希望據此優化(huà)設計。設計中的一個微小(xiǎo)更改(gǎi)就能(néng)改(gǎi)進鐵芯(xīn)的冷卻，而且與之前(qián)的(de)設計相(xiàng)比，新設計更清潔，所需的(de)維護(hù)工時(shí)更短，使用(yòng)材料(liào)更少。

　　圖 6 新(xīn)設(shè)計的熱流動(dòng)力學(xué)仿真;新的(de)收集(jí)管設(shè)計。新(xīn)設計将(jiāng)管(guǎn)道從之前(qián)環繞(rào)電抗(kàng)器外(wài)壁的位置(zhì)移除，現(xiàn)在管道直接從冷(lěng)卻風扇連接(jiē)至電抗器本身(shēn)。 他(tā)們所(suǒ)作(zuò)的另一項更(gèng)改主要(yào)針(zhēn)對電抗器罐(guàn)中的焊(hàn)接管道。将設計更改(gǎi)爲所示的(de)樣(yàng)式後，不僅節省了(le)材料(liào)和制(zhì)作成本，還改進(jìn)了電(diàn)抗(kàng)器罐底(dǐ)部的(de)潤滑油分(fèn)布。 将(jiāng)一(yī)維(wéi)、二維(wéi)及三維模型(xíng)耦(ǒu)合至一個(gè)全油(yóu)路模拟(nǐ) 約韋裏(lǐ)和他(tā)的同事們(men)還模拟了功率(lǜ)變壓器内油自(zì)然對流的熱工(gōng)水力(lì)行爲。在變(biàn)壓器仿真中，如果要将所有零(líng)件都作爲三維(wéi)零件模(mó)拟(nǐ)，那麽執行計(jì)算流體力學(xué) 仿真的計(jì)算成本會(huì)很高(gāo)。 comsol支持将變壓器(qì)中的管(guǎn)道或流(liú)道作(zuò)爲一維組件來高效(xiào)模拟。其(qí)一(yī)大優勢是(shì)，一維的(de)管(guǎn)道及(jí)流道模型可以(yǐ)無縫耦(ǒu)合到二維及(jí)三(sān)維下的(de)更大(dà)實體(tǐ)中。 “爲(wèi)了能(néng)夠對(duì)整(zhěng)個(gè)變壓器(qì)油(yóu)路執(zhí)行一(yī)個(gè)真實的三維 cfd 仿真(zhēn)，并且(qiě)同時(shí)考慮所有(yǒu)細節(jiē)信息，這将(jiāng)需要(yào)大量(liàng)的計(jì)算機資(zī)源。”約韋裏解(jiě)釋(shì)說，“有時(shí)需要簡化，但根(gēn)據研究(jiū)目标，簡(jiǎn)化後又可(kě)能無法得(dé)到(dào)可靠的(de)結果(guǒ)。借(jiè)助 comsol multiphysics，我們(men)可以輕松(sōng)耦合(hé)任意物理場的(de)一維、二維(wéi)、二維(wéi)軸對稱及三維(wéi)模型(xíng)，并且隻需(xū)要一(yī)個(gè)可靠的(de)工作站就能完(wán)成仿真。”