變壓器是電網的核心工作元件，計算機建模能夠使這🎅🏿些🛀🏼設👯🏾♂️備更好地滿足當今的功率需求。
圖1 并聯電抗器。在油路的原始設計中，散熱器通過管🧑🏻❤️🧑🏼道連接至罐，同時管道密封在焊接于電抗器外🔞壁的矩形盒子🧑🏽❤️💋🧑🏻中。 在😁位于🧑🏻❤️🧑🏼巴西聖保羅市朱迪雅 的西門子有限公司中，設計人員正通過仿真來确保🎅🏿變壓器及并聯電抗器的運行安全。目前，對這類設💑🏾備的功率需求不斷攀升，設計團隊結合仿真及公司内部工具使設 備具有了更好的過熱控制。 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。功率變壓器🙆🏿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。随着城市的不斷擴張，電力需⛹🏻♀️求也在不斷上漲，從而催生出了對更大型設備的需求;但諸如輸送設備及客戶工廠的安裝空間🧑🏽🎄等條件又不允許它們的尺 寸過大。 此時需要在不增加設備尺寸的情況下加大功率輸出🛀🏼，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 計還不夠明确，需要進一步分析。未經仔細設計的設備😜會有過熱風險，并可能導緻變🧜🏼♀️壓器中絕緣油的屬性退化。 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。感應發熱是指當将導☠️體置于可變電磁場中時👩🍼形成的渦電流會因電阻😁效應在 材料中産生焦耳熱。 通過模拟感應發熱，西門子的😮💨設計人員避免了“熱點”的出現，“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何及材料非常複雜，所 以很難完全避免熱點。油浸🙉式變壓器🧑🏾🎄中的絕緣油是一種很好的電絕緣體，同時也是設備的冷卻劑。但這些熱點可能會使油過熱，并産生氣泡。這些氣泡的介電強度低 于絕緣油，從而導緻在油中産生放電，并可能破壞變壓器。 “在COMSOL的幫助下，我們可以模拟這種行爲表現并對變壓器設計作出改變，以此減少結構組件的感應加熱。”西😺門子的高級産品開發人員路易斯.約韋裏如 是說。
在西門子的感應加熱研究中，研究人員用到了 COMSOL Multiphysics及 AC/DC 模塊👩🏼❤️👨🏾。他們根據仿真所作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構，設計團隊能👩🏼❤️👨🏾夠減少感應發熱，同時又能😁借助該區域油的 對流循環的改善來改😥進冷卻。因😮💨此，最熱點的溫度降低了⛹🏻♂️約 40攝氏度。這些修改免去了對在夾件外安裝銅屏蔽層🧛🏾♀️的需求，節省了😺材料成本。
根據利用 COMSOL 執行的仿真，約韋裏和他的同事們針對設備⛹🏻♂️設計提出了幾個改進建議。“有時設備冷卻零件的尺寸過大，無法解決整個設計中的一些熱點。”約韋裏說，“利用💔 COMSOL，我們能夠控制⛹🏻♀️這些熱點。” 約韋裏注意到其實隻要做很小的修改就能解決這個問題，并能降低與冷卻零件相關的成本。 “COMSOL 是一款非常強大的建模與仿真軟件，” 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。” 更高效地冷卻鐵芯 從熱力學角度來看，與功率變壓💌器相比，并聯電抗器中鐵芯🤑和繞組的相對熱損要更高，也就是說，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 熱。因此💕，設計必須保證電抗器的鐵芯能夠有效冷卻。
在這種情況下，西門子模拟了并聯電抗器中的潤🙆🏿滑油循環🏊🏿♀️及傳熱，以理解油的行爲表現，并希望據此優化設🛀🏼計。設計中的一個微小更改就能改進鐵芯的冷🙂↕️卻，而且👽與之前的設計相比，新💑🏾設計更清潔，所需的維護工時更短，使用材料更少。
圖 6 新設計的熱流動力學仿真;新的收集管設計。新🛌🏻設計将🧑🏽❤️💋🧑🏻管道從之前環繞電抗器外壁的位置移除😜，現在👽管道直接😝從冷卻風扇連接至電抗器本身。 他🧎🏻♀️➡️們所作🧜🏼♂️的另一項更改主要針對電抗器罐中的焊🧎🏻♀️➡️接管道。将設計更改爲所示的樣式後，不👌僅節省了材料和制作成本，還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路模拟 約韋裏和他的同事們還模拟了功率變壓器内油自然對流的熱工水力行爲。在變壓器仿真✡️中，如果要将所有零件都作爲三維零件模拟，那麽執行計算流體力學 仿真💑🏾的計算成本會很高。 COMSOL支持将變壓器中的管道或流道作爲一維組件來高效♌️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的更大實體中。 “爲了能夠對整個變壓👽器油路執行一個真實的三維 CFD 仿真🏊🏿♀️，并且同時考慮所有細節信息，這将需要大量的計算機資源。”約韋裏解釋說，“有時需要簡化😥，但根據研究目标，簡化後又可能無法得到可靠的結果。借助 COMSOL Multiphysics，我們可以輕松耦合任意物理場的👀一維、二維、二維軸對稱及👨🦰三維模型，并且隻🔞需要一個可靠的工作站就能完成仿真。”