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(jì)算機(jī)建模能夠使這些設(shè)備更好地滿足當(dāng)今的功率需求。
并聯(lián)電抗器。在油路的原始設(shè)計(jì)中，散熱器通過(guò)管道連接至罐，同時(shí)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(jì)人員正通過(guò)仿真來(lái)確保變壓器及并聯(lián)電抗器的運(yùn)行**。目前，對(duì)這類設(shè)備的功率需求不斷攀升，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)結(jié)合仿真及公司內(nèi)部工具使設(shè)備具有了更好的過(guò)熱控制。
并聯(lián)電抗器主要用于吸收無(wú)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(jì)則主要用于在不同電壓間高效傳輸功率。這兩個(gè)設(shè)備會(huì)用于電網(wǎng)的各個(gè)階段，從發(fā)電到給用戶電力配送。隨著城市的不斷擴(kuò)張，電力需求也在不斷上漲，從而催生出了對(duì)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(guò)大。
此時(shí)需要在不增加設(shè)備尺寸的情況下加大功率輸出，這就會(huì)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(dòng)部件(鐵芯及繞組)的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)確定，但不活動(dòng)配件(結(jié)構(gòu)零件)的設(shè)計(jì)還不夠明確，需要進(jìn)一步分析。未經(jīng)仔細(xì)設(shè)計(jì)的設(shè)備會(huì)有過(guò)熱風(fēng)險(xiǎn)，并可能導(dǎo)致變壓器中絕緣油的屬性退化。
解決感應(yīng)加熱問(wèn)題
西門子通過(guò)COMSOL仿真軟件突破了這些設(shè)計(jì)局限，并控制了金屬零件中的感應(yīng)發(fā)熱。感應(yīng)發(fā)熱是指當(dāng)將導(dǎo)體置于可變電磁場(chǎng)中時(shí)形成的渦電流會(huì)因電阻效應(yīng)在材料中產(chǎn)生焦耳熱。
通過(guò)模擬感應(yīng)發(fā)熱，西門子的設(shè)計(jì)人員避免了“熱點(diǎn)”的出現(xiàn)，“熱點(diǎn)”即感應(yīng)電流密度極高進(jìn)而導(dǎo)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(fù)雜，所以很難完全避免熱點(diǎn)。油浸式變壓器中的絕緣油是一種很好的電絕緣體，同時(shí)也是設(shè)備的冷卻劑。但這些熱點(diǎn)可能會(huì)使油過(guò)熱，并產(chǎn)生氣泡。這些氣泡的介電強(qiáng)度低于絕緣油，從而導(dǎo)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(duì)變壓器設(shè)計(jì)作出改變，以此減少結(jié)構(gòu)組件的感應(yīng)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(shuō)。
在西門子的感應(yīng)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(xiàng)改進(jìn)是修改金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。例如，通過(guò)更改并聯(lián)電抗器的原始夾件結(jié)構(gòu)(見圖 2 )，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能夠減少感應(yīng)發(fā)熱，同時(shí)又能借助該區(qū)域油的對(duì)流循環(huán)的改善來(lái)改進(jìn)冷卻。因此，*熱點(diǎn)的溫度降低了約 40攝氏度。這些修改免去了對(duì)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(duì)設(shè)備設(shè)計(jì)提出了幾個(gè)改進(jìn)建議?！坝袝r(shí)設(shè)備冷卻零件的尺寸過(guò)大，無(wú)法解決整個(gè)設(shè)計(jì)中的一些熱點(diǎn)?！奔s韋里說(shuō)，“利用 COMSOL，我們能夠控制這些熱點(diǎn)?！?約韋里注意到其實(shí)只要做很小的修改就能解決這個(gè)問(wèn)題，并能降低與冷卻零件相關(guān)的成本。
“COMSOL 是一款非常強(qiáng)大的建模與仿真軟件，” 約韋里說(shuō)，“我們可以通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)來(lái)提升計(jì)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(jì)，保證設(shè)備質(zhì)量能夠滿足整個(gè)壽命周期的要求?！?
更高效地冷卻鐵芯
從熱力學(xué)角度來(lái)看，與功率變壓器相比，并聯(lián)電抗器中鐵芯和繞組的相對(duì)熱損要更高，也就是說(shuō)，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(guò)熱。因此，設(shè)計(jì)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(jì)示意圖
在這種情況下，西門子模擬了并聯(lián)電抗器中的潤(rùn)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(jì)。設(shè)計(jì)中的一個(gè)微小更改就能改進(jìn)鐵芯的冷卻，而且與之前的設(shè)計(jì)相比，新設(shè)計(jì)更清潔，所需的維護(hù)工時(shí)更短，使用材料更少。
新設(shè)計(jì)的熱流動(dòng)力學(xué)仿真(左圖);新的收集管設(shè)計(jì)(右圖)。新設(shè)計(jì)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(fēng)扇連接至電抗器本身。
他們所作的另一項(xiàng)更改主要針對(duì)電抗器罐中的焊接管道(見圖 1)。將設(shè)計(jì)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(jìn)了電抗器罐底部的潤(rùn)滑油分布。
將一維、二維及三維模型耦合至一個(gè)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(duì)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(jì)算流體力學(xué) (CFD) 仿真的計(jì)算成本會(huì)很高。
COMSOL支持將變壓器中的管道或流道作為一維組件來(lái)高效模擬。其一大優(yōu)勢(shì)是，一維的管道及流道模型可以無(wú)縫耦合到二維及三維下的更大實(shí)體中。
“為了能夠?qū)φ麄€(gè)變壓器油路執(zhí)行一個(gè)真實(shí)的三維 CFD 仿真，并且同時(shí)考慮所有細(xì)節(jié)信息，這將需要大量的計(jì)算機(jī)資源?！奔s韋里解釋說(shuō)，“有時(shí)需要簡(jiǎn)化，但根據(jù)研究目標(biāo)，簡(jiǎn)化后又可能無(wú)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(chǎng)的一維、二維、二維軸對(duì)稱及三維模型，并且只需要一個(gè)可靠的工作站就能完成仿真。”
