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。
在位于巴西圣保羅市朱迪雅 (Jundiaí) 的西門子(巴西)有限公司中，設計人員正通過仿真來確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內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(見圖 1)。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。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，最終產生更高的溫度。這些設備中活動部件(鐵芯及繞組)的設計方法已經確定，但不活動配件(結構零件)的設計還不夠明確，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計局限，并控制了金屬零件中的感應發熱。感應發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生焦耳熱。
通過模擬感應發熱，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致高溫的小塊區域。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，同時也是設備的冷卻劑。但這些熱點可能會使油過熱，并產生氣泡。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。”西門子的高級產品開發人員路易斯.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(見圖 2 )，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(見圖 3 圖4)。
根據利用 COMSOL 執行的仿真，約韋里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，可能產生過熱。因此，設計必須保證電抗器的鐵芯能夠有效冷卻(見圖 5)。
在這種情況下，西門子模擬了并聯電抗器中的潤滑油循環及傳熱，以理解油的行為表現，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(左圖);新的收集管設計(右圖)。新設計將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(見圖 1)。將設計更改為(圖 6)所示的樣式后，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。
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，但根據研究目標，簡化后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，并且只需要一個可靠的工作站就能完成仿真。”
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。
在位于巴西圣保羅市朱迪雅 (Jundiaí) 的西門子(巴西)有限公司中，設計人員正通過仿真來確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內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(見圖 1)。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。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，最終產生更高的溫度。這些設備中活動部件(鐵芯及繞組)的設計方法已經確定，但不活動配件(結構零件)的設計還不夠明確，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計局限，并控制了金屬零件中的感應發熱。感應發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生焦耳熱。
通過模擬感應發熱，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致高溫的小塊區域。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，同時也是設備的冷卻劑。但這些熱點可能會使油過熱，并產生氣泡。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。”西門子的高級產品開發人員路易斯.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(見圖 2 )，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(見圖 3 圖4)。
根據利用 COMSOL 執行的仿真，約韋里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，可能產生過熱。因此，設計必須保證電抗器的鐵芯能夠有效冷卻(見圖 5)。
在這種情況下，西門子模擬了并聯電抗器中的潤滑油循環及傳熱，以理解油的行為表現，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(左圖);新的收集管設計(右圖)。新設計將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(見圖 1)。將設計更改為(圖 6)所示的樣式后，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。
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，但根據研究目標，簡化后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，并且只需要一個可靠的工作站就能完成仿真。”
