變壓器(qi)是電網(wang)的核心(xin)工作元(yuan)件，計算(suan)機建模(mo)能夠👽使(shi)這些設(she)備更好(hao)地滿足(zu)當今的(de)功率需(xu)求。

　　圖1 并(bing)聯電抗(kang)器。在油(you)路的原(yuan)始設計(ji)中，散熱(re)器通過(guo)管道🛌🏻連(lian)接🛌🏻至罐(guan)，同時管(guan)道密封(feng)在焊接(jie)于電抗(kang)器外💌壁(bi)的矩形(xing)🧎🏻‍♀️‍➡️盒子中(zhong)。 在位于(yu)巴西聖(sheng)保羅市(shi)朱迪雅(ya) 的西門(men)子有限(xian)公💑🏾司中(zhong)，設計人(ren)員正通(tong)過仿真(zhen)來确保(bao)變壓器(qi)及㊙️并聯(lian)電抗器(qi)的運行(hang)安全。目(mu)前，對這(zhe)類設備(bei)的功率(lü)需求不(bu)斷攀升(sheng)，設計團(tuan)隊結合(he)仿真及(ji)公司内(nei)部工具(ju)使設 備(bei)具有了(le)更好的(de)過熱控(kong)制⛹🏻‍♀️。 并聯(lian)電抗器(qi)主👨🏻‍🏭要用(yong)于吸收(shou)無功功(gong)率并增(zeng)加傳輸(shu)系統㊙️的(de)能效。功(gong)率變壓(ya)器設計(ji)則主要(yao)用于在(zai)👻不同電(dian)壓間高(gao)效傳輸(shu)功率。這(zhe)兩個設(she)備會用(yong)于電網(wang)的各個(ge)🙂‍↔️階段，從(cong)發電到(dao)給 用戶(hu)電力配(pei)送。随着(zhe)城😘市的(de)不斷擴(kuo)張，電力(li)需求也(ye)在不斷(duan)上漲，從(cong)而催生(sheng)出了對(dui)更👾大型(xing)設備的(de)需求;但(dan)諸如輸(shu)送設備(bei)及客戶(hu)工廠的(de)安裝空(kong)間等條(tiao)件又不(bu)允許它(ta)們的尺(chi) 寸過大(da)。 此時需(xu)要在不(bu)增加設(she)備尺寸(cun)的情況(kuang)下⛹🏻‍♀️加大(da)功率輸(shu)出👽，這就(jiu)會增大(da)載荷及(ji)熱損耗(hao)，最終産(chan)生🙉更高(gao)的溫度(du)。這些設(she)備中活(huo)動部件(jian)的設計(ji)方法已(yi)經确定(ding)，但不活(huo)動配件(jian)的😸設 計(ji)還不夠(gou)明确，需(xu)要進一(yi)步分析(xi)。未經仔(zai)細設計(ji)的設備(bei)會有過(guo)熱風險(xian)，并可能(neng)導緻變(bian)壓器中(zhong)絕緣油(you)的屬性(xing)退化☠️。 解(jie)決感應(ying)加熱問(wen)題 西門(men)子通過(guo)COMSOL仿真軟(ruan)件突破(po)了這些(xie)設計局(ju)限，并控(kong)制了金(jin)屬零件(jian)中的感(gan)應發熱(re)。感應發(fa)熱是指(zhi)當将導(dao)體置于(yu)可變電(dian)磁場中(zhong)時形成(cheng)的渦電(dian)流👻會因(yin)電阻🥑️效(xiao)應在 材(cai)料中産(chan)生焦耳(er)熱。 通過(guo)模拟感(gan)應發熱(re)，西門子(zi)的設計(ji)人員避(bi)免了“熱(re)點”的出(chu)現，“熱點(dian)”即感應(ying)電流密(mi)度🤶🏾極高(gao)進而導(dao)緻高溫(wen)的小塊(kuai)區域。由(you)于這些(xie)變壓器(qi)的幾何(he)及👽材料(liao)非常複(fu)雜，所 以(yi)很難完(wan)全避免(mian)熱點。油(you)浸式變(bian)壓器中(zhong)的絕緣(yuan)油是一(yi)種很好(hao)的電絕(jue)緣體，同(tong)時也是(shi)設備的(de)冷卻劑(ji)。但這些(xie)熱點可(ke)能會使(shi)油過熱(re)，并産生(sheng)氣泡。這(zhe)些氣泡(pao)的介電(dian)強度低(di) 于絕緣(yuan)油，從而(er)導緻在(zai)油中産(chan)生放電(dian)，并可能(neng)破壞變(bian)壓器。 “在(zai)COMSOL的幫助(zhu)下🙂‍↔️，我們(men)可以模(mo)拟這種(zhong)行爲表(biao)現并對(dui)變壓器(qi)設計作(zuo)出改變(bian)，以此減(jian)少結構(gou)組😁件的(de)感應加(jia)熱。”西門(men)子的高(gao)級😍産品(pin)開發人(ren)員路易(yi)斯.約韋(wei)裏如 是(shi)說。

　　在西(xi)門子的(de)感應加(jia)熱研究(jiu)中，研究(jiu)人員用(yong)到了 COMSOL Multiphysics及(ji) AC/DC 模塊。他(ta)🏃🏿‍♀️‍➡️們根據(ju)仿真所(suo)作的第(di)一項改(gai)進是修(xiu)改金屬(shu)結構的(de)設計。例(li)如，通過(guo)更改并(bing)聯電抗(kang)器的原(yuan)始夾件(jian)結🙈構，設(she)計🔞團隊(dui)能夠減(jian)少感應(ying)發熱，同(tong)時又能(neng)借助該(gai)區💑🏾域油(you)的 對流(liu)循環的(de)改善來(lai)改🏊🏾‍♀️進冷(leng)卻。因此(ci)，最熱點(dian)的✍🏻溫度(du)降低了(le)😺約 40攝氏(shi)度。這些(xie)修改免(mian)去了對(dui)在夾件(jian)外💁🏼‍♀️安裝(zhuang)銅屏蔽(bi)層的需(xu)求，節省(sheng)了材料(liao)💔成本。

　　根(gen)據利用(yong) COMSOL 執行的(de)仿真，約(yue)韋裏和(he)他的同(tong)事們針(zhen)對設備(bei)設計提(ti)出了幾(ji)個改進(jin)建議。“有(you)時設備(bei)冷卻零(ling)💕件的尺(chi)寸過大(da)，無法👺解(jie)決整個(ge)設計中(zhong)的一些(xie)熱點🧜🏼‍♀️。”約(yue)韋裏說(shuo)，“利用 COMSOL，我(wo)們能夠(gou)控制這(zhe)些熱點(dian)。” 約韋裏(li)注意到(dao)其實隻(zhi)要做很(hen)👻小的修(xiu)改就能(neng)解決這(zhe)個問題(ti)，并能降(jiang)低與👿冷(leng)卻零件(jian)相關的(de)成本。 “COMSOL 是(shi)一款非(fei)常強大(da)的建模(mo)與仿真(zhen)軟件，” 約(yue)韋裏說(shuo)，“我們可(ke)以通過(guo)對計算(suan)結果進(jin)行數值(zhi)實驗來(lai)提升計(ji)💌算的精(jing)度，它還(hai)可以幫(bang)助我們(men)避免失(shi)敗。我們(men)可以快(kuai)速檢查(cha)設計，保(bao)證設備(bei)👹質量能(neng)夠滿足(zu)整個👱🏼‍♂️壽(shou)命周期(qi) 的要求(qiu)。” 更👻高效(xiao)地冷卻(que)鐵芯 從(cong)熱力學(xue)角度來(lai)看，與😵‍💫功(gong)率變壓(ya)☠️器相比(bi)，并聯😥電(dian)抗器中(zhong)鐵芯和(he)繞組的(de)相對熱(re)損要更(geng)高，也就(jiu)是說，電(dian)抗器中(zhong)鐵芯損(sun)👯🏾‍♂️耗與繞(rao)組損耗(hao)的比例(li)要高于(yu)變壓器(qi)，可能産(chan)生過 熱(re)。因😺此，設(she)計必須(xu)保證電(dian)抗器的(de)鐵芯能(neng)夠有效(xiao)冷卻。

　　在(zai)這種情(qing)況下，西(xi)門子模(mo)拟了并(bing)聯電抗(kang)器中的(de)潤滑油(you)循環😺及(ji)傳熱，以(yi)理解油(you)的行爲(wei)表現，并(bing)希望據(ju)此優化(hua)設👌計。設(she)計中的(de)一個微(wei)小更改(gai)就能改(gai)進鐵芯(xin)的冷卻(que)，而且與(yu)之前🤑的(de)設計相(xiang)比，新設(she)計更清(qing)潔，所需(xu)的維😍護(hu)工時更(geng)短，使用(yong)材料更(geng)少。

　　圖 6 新(xin)設計的(de)熱流動(dong)力學仿(pang)真;新的(de)收集管(guan)設計。新(xin)設計将(jiang)管道😮‍💨從(cong)之前環(huan)繞電抗(kang)器外壁(bi)的位置(zhi)移除，現(xian)在💘管道(dao)直接🚶🏾‍♀️‍➡️從(cong)冷卻風(feng)扇連接(jie)至電抗(kang)器本身(shen)。 他們所(suo)作的另(ling)一項更(geng)改主要(yao)針對電(dian)抗器罐(guan)中的焊(han)接管道(dao)。将設計(ji)更改爲(wei)所示的(de)樣式後(hou)，不僅節(jie)省了🤶🏾材(cai)料和制(zhi)作成本(ben)，還改進(jin)了電抗(kang)器罐底(di)部的潤(run)滑油分(fen)布。 将一(yi)維、二維(wei)及三維(wei)模😮‍💨型耦(ou)合至一(yi)個全油(you)路模拟(ni) 約🙂‍↕️韋裏(li)和他的(de)同事們(men)還模拟(ni)了功率(lü)變壓器(qi)内油自(zi)然對流(liu)的熱工(gong)水力行(hang)爲。在變(bian)壓器仿(pang)真💌中，如(ru)果要将(jiang)所有零(ling)件都作(zuo)爲👨🏻‍🏭三維(wei)零件模(mo)拟，那麽(me)執行計(ji)算流體(ti)力學 仿(pang)真的計(ji)算成本(ben)會很高(gao)。 COMSOL支持😘将(jiang)變壓器(qi)中的管(guan)道或流(liu)道作爲(wei)一維組(zu)件來高(gao)效🧛🏾‍♀️模拟(ni)。其一大(da)優勢是(shi)，一維的(de)管道及(ji)流道模(mo)型可以(yi)🔞無縫耦(ou)合👯🏾‍♂️到二(er)維及三(san)維下的(de)更大實(shi)體中。 “爲(wei)了能夠(gou)對整個(ge)變壓器(qi)油路執(zhi)行一個(ge)真實的(de)三維 CFD 仿(pang)😍真，并且(qie)同時考(kao)慮所有(you)🧑🏽‍🎄細節信(xin)息👩‍🍼，這将(jiang)需要大(da)量的計(ji)算機資(zi)源。”約韋(wei)裏解釋(shi)說🧑🏽‍❤️‍💋‍🧑🏻，“有時(shi)需要簡(jian)化，但根(gen)據研😍究(jiu)目标，簡(jian)化🙆🏿後又(you)可能無(wu)法得😁到(dao)可靠的(de)結果。借(jie)助 COMSOL Multiphysics，我們(men)可以輕(qing)松耦合(he)任意物(wu)理場的(de)一🥑️維、二(er)維✋、二維(wei)軸對稱(cheng)及三維(wei)模型，并(bing)且隻需(xu)要一個(ge)可👩🏿‍❤️‍💋‍👨🏽靠的(de)工作站(zhan)就能完(wan)成仿真(zhen)。”