DQZHAN技術(shù)訊：仿真催生新一代電力變壓器和并聯(lián)電抗器
變壓器是電網(wǎng)的核心工作元件，計算機建模能夠使這些設(shè)備更好地滿足當今的功率需求。
并聯(lián)電抗器。在油路的原始設(shè)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。
在位于巴西圣保羅市朱迪雅 (Jundiaí) 的西門子(巴西)有限公司中，設(shè)計人員正通過仿真來確保變壓器及并聯(lián)電抗器的運行**。目前，對這類設(shè)備的功率需求不斷攀升，設(shè)計團隊結(jié)合仿真及公司內(nèi)部工具使設(shè)備具有了更好的過熱控制。
并聯(lián)電抗器主要用于吸收無功功率并增加傳輸系統(tǒng)的能效(見圖 1)。功率變壓器設(shè)計則主要用于在不同電壓間高效傳輸功率。這兩個設(shè)備會用于電網(wǎng)的各個階段，從發(fā)電到給用戶電力配送。隨著城市的不斷擴張，電力需求也在不斷上漲，從而催生出了對更大型設(shè)備的需求;但諸如輸送設(shè)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(shè)備尺寸的情況下加大功率輸出，這就會增大載荷及熱損耗，*終產(chǎn)生更高的溫度。這些設(shè)備中活動部件(鐵芯及繞組)的設(shè)計方法已經(jīng)確定，但不活動配件(結(jié)構(gòu)零件)的設(shè)計還不夠明確，需要進一步分析。未經(jīng)仔細設(shè)計的設(shè)備會有過熱風險，并可能導致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(shè)計局限，并控制了金屬零件中的感應發(fā)熱。感應發(fā)熱是指當將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產(chǎn)生焦耳熱。
通過模擬感應發(fā)熱，西門子的設(shè)計人員避免了“熱點”的出現(xiàn)，“熱點”即感應電流密度極高進而導致高溫的小塊區(qū)域。由于這些變壓器的幾何及材料非常復雜，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(shè)備的冷卻劑。但這些熱點可能會使油過熱，并產(chǎn)生氣泡。這些氣泡的介電強度低于絕緣油，從而導致在油中產(chǎn)生放電，并可能破壞變壓器。
“在COMSOL的幫助下，我們可以模擬這種行為表現(xiàn)并對變壓器設(shè)計作出改變，以此減少結(jié)構(gòu)組件的感應加熱?！蔽鏖T子的**產(chǎn)品開發(fā)人員路易斯.約韋里(Luiz Jovelli)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(jù)仿真所作的**項改進是修改金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計。例如，通過更改并聯(lián)電抗器的原始夾件結(jié)構(gòu)(見圖 2 )，設(shè)計團隊能夠減少感應發(fā)熱，同時又能借助該區(qū)域油的對流循環(huán)的改善來改進冷卻。因此，*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(jié)省了材料成本.
根據(jù)利用 COMSOL 執(zhí)行的仿真，約韋里和他的同事們針對設(shè)備設(shè)計提出了幾個改進建議。“有時設(shè)備冷卻零件的尺寸過大，無法解決整個設(shè)計中的一些熱點?！奔s韋里說，“利用 COMSOL，我們能夠控制這些熱點?！?約韋里注意到其實只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(guān)的成本。
“COMSOL 是一款非常強大的建模與仿真軟件，” 約韋里說，“我們可以通過對計算結(jié)果進行數(shù)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(shè)計，保證設(shè)備質(zhì)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(lián)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，可能產(chǎn)生過熱。因此，設(shè)計必須保證電抗器的鐵芯能夠有效冷卻.
并聯(lián)電抗器及電力變壓器的新油路設(shè)計示意圖
在這種情況下，西門子模擬了并聯(lián)電抗器中的潤滑油循環(huán)及傳熱，以理解油的行為表現(xiàn)，并希望據(jù)此優(yōu)化設(shè)計。設(shè)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(shè)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。
新設(shè)計的熱流動力學仿真(左圖);新的收集管設(shè)計(右圖)。新設(shè)計將管道從之前環(huán)繞電抗器外壁的位置移除，現(xiàn)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(見圖 1)。將設(shè)計更改為(圖 6)所示的樣式后，不僅節(jié)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。
將一維、二維及三維模型耦合至一個全油路模擬
約韋里和他的同事們還模擬了功率變壓器內(nèi)油自然對流的熱工水力行為。在變壓器仿真中，如果要將所有零件都作為三維零件模擬，那么執(zhí)行計算流體力學 (CFD) 仿真的計算成本會很高。
COMSOL支持將變壓器中的管道或流道作為一維組件來高效模擬。其一大優(yōu)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。
“為了能夠?qū)φ麄€變壓器油路執(zhí)行一個真實的三維 CFD 仿真，并且同時考慮所有細節(jié)信息，這將需要大量的計算機資源。”約韋里解釋說，“有時需要簡化，但根據(jù)研究目標，簡化后又可能無法得到可靠的結(jié)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，并且只需要一個可靠的工作站就能完成仿真?！?
