變(biàn)壓器(qì)是電網的(de)核(hé)心(xīn)工作元件(jiàn)，計算機建模能(néng)夠使(shǐ)這些設(shè)備更好(hǎo)地滿足當(dāng)今的(de)功率需求。

　　圖(tú)1 并(bìng)聯電抗器(qì)。在油(yóu)路的(de)原(yuán)始設計(jì)中，散熱器(qì)通過(guò)管道連接至罐(guàn)，同時管道密封(fēng)在焊接(jiē)于電抗(kàng)器外壁的矩形(xíng)盒子中。 在(zài)位于(yú)巴西聖保羅市(shì)朱迪雅 的西門(mén)子有限公(gōng)司中(zhōng)，設計(jì)人員正通(tōng)過仿真來(lái)确保(bǎo)變壓器及并聯(lián)電抗(kàng)器的運(yùn)行(háng)安全。目前，對這(zhè)類設備的功率需求(qiú)不(bú)斷攀升(shēng)，設計(jì)團隊結合(hé)仿真(zhēn)及公(gōng)司内(nèi)部工(gōng)具使(shǐ)設 備(bèi)具有了更好的(de)過熱控制。 并聯電抗(kàng)器主要用(yòng)于吸(xī)收無功功(gōng)率并增加(jiā)傳輸(shū)系統的能效。功率變(biàn)壓器設計(jì)則主要(yào)用于在(zài)不同電(diàn)壓(yā)間高效傳輸功率。這(zhè)兩個(gè)設備會用于電(diàn)網的(de)各個階段，從發電到(dào)給 用戶電力配送。随(suí)着城市的(de)不斷擴張，電力需求也(yě)在(zài)不斷上(shàng)漲，從(cóng)而催生出了(le)對更大型(xíng)設備的需(xū)求;但諸如(rú)輸(shū)送設備及客(kè)戶工(gōng)廠的(de)安(ān)裝(zhuāng)空間等條(tiáo)件又不允(yǔn)許它(tā)們的尺 寸(cùn)過大(dà)。 此時(shí)需要(yào)在不(bú)增加設備(bèi)尺寸的情(qíng)況(kuàng)下加大(dà)功率(lǜ)輸出，這就(jiù)會增大載(zǎi)荷及熱損耗(hào)，最終産(chǎn)生更高(gāo)的(de)溫度。這些設備(bèi)中活(huó)動部(bù)件的設計(jì)方法已經(jīng)确定，但不活動(dòng)配件(jiàn)的設 計還不夠(gòu)明确，需要進一(yī)步分析(xī)。未經仔(zǎi)細設(shè)計的(de)設備會有過(guò)熱風險，并可能導(dǎo)緻變壓器(qì)中絕緣油(yóu)的屬性退化。 解(jiě)決感應加(jiā)熱問(wèn)題 西門子(zǐ)通過comsol仿真(zhēn)軟件(jiàn)突破(pò)了(le)這些設計局(jú)限，并(bìng)控制了金(jīn)屬零件(jiàn)中的感應發熱(rè)。感(gǎn)應發熱是指當(dāng)将導(dǎo)體置(zhì)于可變電(diàn)磁場中時(shí)形成的渦電流會因(yīn)電阻(zǔ)效(xiào)應在 材(cái)料中(zhōng)産生焦耳(ěr)熱。 通過模拟感(gǎn)應發熱(rè)，西門子的設計人(rén)員避(bì)免了(le)“熱(rè)點”的出(chū)現，“熱點”即感應電流(liú)密度(dù)極高(gāo)進而導(dǎo)緻高溫(wēn)的小塊區域。由(yóu)于這些(xiē)變壓器的幾何及材料(liào)非(fēi)常複(fú)雜，所 以(yǐ)很難完全避免(miǎn)熱點。油浸(jìn)式變(biàn)壓器中(zhōng)的絕緣(yuán)油是(shì)一種(zhǒng)很好(hǎo)的電絕(jué)緣體，同(tóng)時也是設(shè)備(bèi)的冷卻劑(jì)。但這些(xiē)熱點(diǎn)可(kě)能會使油過熱，并産生(shēng)氣(qì)泡。這些(xiē)氣泡的介電強度低(dī) 于絕(jué)緣油(yóu)，從而(ér)導緻(zhì)在油中産(chǎn)生放電，并(bìng)可能破壞變壓器。 “在(zài)comsol的幫助(zhù)下，我們可以模拟這種行爲表現并對(duì)變壓(yā)器設計作(zuò)出改變，以(yǐ)此減(jiǎn)少結構組件的(de)感應加熱(rè)。”西門(mén)子的高(gāo)級産品(pǐn)開發人員路易(yì)斯.約(yuē)韋(wéi)裏如 是(shì)說。

　　在(zài)西門子的(de)感應(yīng)加熱研究(jiū)中，研究人(rén)員用(yòng)到了(le) comsol multiphysics及 ac/dc 模塊。他(tā)們根據仿真所(suǒ)作的第(dì)一項(xiàng)改(gǎi)進是修改金屬(shǔ)結構的設計。例(lì)如，通過更改并(bìng)聯電抗器的原(yuán)始夾件結構，設計團隊能夠減(jiǎn)少感應(yīng)發(fā)熱，同時又(yòu)能借助該(gāi)區域(yù)油的 對流(liú)循環(huán)的改(gǎi)善來改進冷(lěng)卻。因此(cǐ)，最熱點的(de)溫度(dù)降低了約 40攝氏(shì)度。這(zhè)些(xiē)修改免(miǎn)去了(le)對在(zài)夾件外安裝銅(tóng)屏蔽(bì)層的需(xū)求(qiú)，節省了材(cái)料成(chéng)本。

　　根(gēn)據利(lì)用 comsol 執行的(de)仿真(zhēn)，約(yuē)韋裏和(hé)他的同事(shì)們針(zhēn)對設(shè)備設計提(tí)出了(le)幾(jǐ)個(gè)改進(jìn)建(jiàn)議。“有(yǒu)時設備(bèi)冷卻零件的尺(chǐ)寸過大，無法解決整個(gè)設(shè)計中的一(yī)些熱點。”約(yuē)韋裏(lǐ)說，“利用 comsol，我(wǒ)們能夠控制這(zhè)些熱點。” 約(yuē)韋裏(lǐ)注意到其實隻(zhī)要做很小的修改就(jiù)能解(jiě)決這(zhè)個問題，并能降低與(yǔ)冷卻(què)零件相關(guān)的成(chéng)本。 “comsol 是(shì)一款非常強大(dà)的(de)建模與仿真(zhēn)軟件，” 約(yuē)韋裏說，“我們可以(yǐ)通過(guò)對計算結(jié)果進(jìn)行數(shù)值(zhí)實(shí)驗來(lái)提升計算的精(jīng)度，它還可(kě)以幫(bāng)助我(wǒ)們避免失(shī)敗。我(wǒ)們(men)可以快(kuài)速檢查(chá)設計，保(bǎo)證(zhèng)設備質量能(néng)夠滿足整個壽(shòu)命周期 的(de)要求。” 更高(gāo)效地冷卻(què)鐵芯 從熱(rè)力學(xué)角度(dù)來看，與功(gōng)率變(biàn)壓器相比，并聯電抗(kàng)器中(zhōng)鐵芯(xīn)和繞組的(de)相對熱損要更高，也就是(shì)說，電(diàn)抗器(qì)中(zhōng)鐵芯損耗與繞組損耗(hào)的比(bǐ)例要高于(yú)變壓(yā)器，可能産(chǎn)生過 熱。因此，設(shè)計必須保證電抗器的(de)鐵芯能夠有效(xiào)冷卻。

　　在(zài)這種(zhǒng)情況下，西(xī)門子模拟(nǐ)了并(bìng)聯電抗器(qì)中的(de)潤滑油循(xún)環及(jí)傳熱(rè)，以理解油的行爲(wèi)表(biǎo)現，并(bìng)希(xī)望據此優化(huà)設計。設計中的(de)一個微(wēi)小更改就能(néng)改(gǎi)進鐵芯的冷(lěng)卻(què)，而且與(yǔ)之前的設計相(xiàng)比，新設(shè)計(jì)更(gèng)清(qīng)潔，所需的(de)維護(hù)工時(shí)更(gèng)短，使用材料更少(shǎo)。

　　圖 6 新設(shè)計的熱流動(dòng)力學仿真;新的收集(jí)管設計。新(xīn)設計将管(guǎn)道從之前(qián)環(huán)繞電抗器(qì)外壁的位置(zhì)移除，現在管道(dào)直接從冷(lěng)卻風(fēng)扇連(lián)接(jiē)至電抗(kàng)器本身。 他(tā)們所作的(de)另一項更(gèng)改主要針對(duì)電抗器(qì)罐(guàn)中的焊接管道。将(jiāng)設計更改(gǎi)爲所示的樣式後，不僅節(jiē)省了材(cái)料和制(zhì)作成(chéng)本，還(hái)改進(jìn)了電抗器罐底(dǐ)部的潤滑油分(fèn)布。 将一維、二維(wéi)及三維模型耦合至(zhì)一個(gè)全油(yóu)路模拟 約(yuē)韋裏(lǐ)和他(tā)的同(tóng)事們(men)還模拟了功率(lǜ)變壓器(qì)内油自(zì)然對(duì)流的熱工(gōng)水力(lì)行爲。在變壓器(qì)仿(páng)真(zhēn)中，如(rú)果要将所有零(líng)件都作爲三維(wéi)零件模(mó)拟(nǐ)，那麽(me)執行計(jì)算(suàn)流體(tǐ)力學(xué) 仿(páng)真的計(jì)算成(chéng)本會很高(gāo)。 comsol支持(chí)将變(biàn)壓器(qì)中的管道(dào)或流道作爲一維組件來高效(xiào)模拟(nǐ)。其一(yī)大(dà)優(yōu)勢是(shì)，一維的(de)管(guǎn)道及流道模型可以(yǐ)無縫耦(ǒu)合(hé)到二維及(jí)三維下的(de)更大(dà)實體(tǐ)中。 “爲(wèi)了能夠對整個(gè)變壓器油路執行一個(gè)真(zhēn)實的(de)三維 cfd 仿真，并且同(tóng)時考慮所有(yǒu)細節(jiē)信息，這将(jiāng)需要大量的計(jì)算機資源(yuán)。”約韋(wéi)裏解(jiě)釋說，“有時(shí)需要(yào)簡化，但根(gēn)據研究目标，簡(jiǎn)化後又可能無(wú)法得到(dào)可靠的結果。借助 comsol multiphysics，我們可(kě)以輕松(sōng)耦合(hé)任意物理(lǐ)場的(de)一維、二維、二維(wéi)軸對稱及(jí)三維模型(xíng)，并且隻需(xū)要一個可靠的(de)工作站(zhàn)就能完(wán)成仿真。”