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仿真催生新一代电力变压器和并联电抗器
发布时间:2016-02-16     阅读:574

变压器是电网的核心工作元件,计算机建模能够使这些设备更好地满足当今的功率需求。


  图1 并联电抗器。在油路的原始设计中,散热器通过管道连接至罐,同时管道密封在焊接于电抗器外壁的矩形盒子中。 在位于巴西圣保罗市朱迪雅 的西门子有限公司中,设计人员正通过仿真来确保变压器及并联电抗器的运行安全。目前,对这类设备的功率需求不断攀升,设计团队结合仿真及公司内部工具使设 备具有了更好的过热控制。 并联电抗器主要用于吸收无功功率并增加传输系统的能效。功率变压器设计则主要用于在不同电压间高效传输功率。这两个设备会用于电网的各个阶段,从发电到给 用户电力配送。随着城市的不断扩张,电力需求也在不断上涨,从而催生出了对更大型设备的需求;但诸如输送设备及客户工厂的安装空间等条件又不允许它们的尺 寸过大。 此时需要在不增加设备尺寸的情况下加大功率输出,这就会增大载荷及热损耗,最终产生更高的温度。这些设备中活动部件的设计方法已经确定,但不活动配件的设 计还不够明确,需要进一步分析。未经仔细设计的设备会有过热风险,并可能导致变压器中绝缘油的属性退化。 解决感应加热问题 西门子通过COMSOL仿真软件突破了这些设计局限,并控制了金属零件中的感应发热。感应发热是指当将导体置于可变电磁场中时形成的涡电流会因电阻效应在 材料中产生焦耳热。 通过模拟感应发热,西门子的设计人员避免了“热点”的出现,“热点”即感应电流密度极高进而导致高温的小块区域。由于这些变压器的几何及材料非常复杂,所 以很难完全避免热点。油浸式变压器中的绝缘油是一种很好的电绝缘体,同时也是设备的冷却剂。但这些热点可能会使油过热,并产生气泡。这些气泡的介电强度低 于绝缘油,从而导致在油中产生放电,并可能破坏变压器。 “在COMSOL的帮助下,我们可以模拟这种行为表现并对变压器设计作出改变,以此减少结构组件的感应加热。”西门子的高级产品开发人员路易斯.约韦里如 是说。


  在西门子的感应加热研究中,研究人员用到了 COMSOL Multiphysics及 AC/DC 模块。他们根据仿真所作的第一项改进是修改金属结构的设计。例如,通过更改并联电抗器的原始夹件结构,设计团队能够减少感应发热,同时又能借助该区域油的 对流循环的改善来改进冷却。因此,最热点的温度降低了约 40摄氏度。这些修改免去了对在夹件外安装铜屏蔽层的需求,节省了材料成本。



  根据利用 COMSOL 执行的仿真,约韦里和他的同事们针对设备设计提出了几个改进建议。“有时设备冷却零件的尺寸过大,无法解决整个设计中的一些热点。”约韦里说,“利用 COMSOL,我们能够控制这些热点。” 约韦里注意到其实只要做很小的修改就能解决这个问题,并能降低与冷却零件相关的成本。 “COMSOL 是一款非常强大的建模与仿真软件,” 约韦里说,“我们可以通过对计算结果进行数值实验来提升计算的精度,它还可以帮助我们避免失败。我们可以快速检查设计,保证设备质量能够满足整个寿命周期 的要求。” 更高效地冷却铁芯 从热力学角度来看,与功率变压器相比,并联电抗器中铁芯和绕组的相对热损要更高,也就是说,电抗器中铁芯损耗与绕组损耗的比例要高于变压器,可能产生过 热。因此,设计必须保证电抗器的铁芯能够有效冷却。


  在这种情况下,西门子模拟了并联电抗器中的润滑油循环及传热,以理解油的行为表现,并希望据此优化设计。设计中的一个微小更改就能改进铁芯的冷却,而且与之前的设计相比,新设计更清洁,所需的维护工时更短,使用材料更少。


  图 6 新设计的热流动力学仿真;新的收集管设计。新设计将管道从之前环绕电抗器外壁的位置移除,现在管道直接从冷却风扇连接至电抗器本身。 他们所作的另一项更改主要针对电抗器罐中的焊接管道。将设计更改为所示的样式后,不仅节省了材料和制作成本,还改进了电抗器罐底部的润滑油分布。 将一维、二维及三维模型耦合至一个全油路模拟 约韦里和他的同事们还模拟了功率变压器内油自然对流的热工水力行为。在变压器仿真中,如果要将所有零件都作为三维零件模拟,那么执行计算流体力学 仿真的计算成本会很高。 COMSOL支持将变压器中的管道或流道作为一维组件来高效模拟。其一大优势是,一维的管道及流道模型可以无缝耦合到二维及三维下的更大实体中。 “为了能够对整个变压器油路执行一个真实的三维 CFD 仿真,并且同时考虑所有细节信息,这将需要大量的计算机资源。”约韦里解释说,“有时需要简化,但根据研究目标,简化后又可能无法得到可靠的结果。借助 COMSOL Multiphysics,我们可以轻松耦合任意物理场的一维、二维、二维轴对称及三维模型,并且只需要一个可靠的工作站就能完成仿真。”


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