一、背景介紹

干式變壓器以其無油防火、節能低噪、維護簡單、安全可靠等諸多優點得到越來越廣泛的應用，尤其是在配電變壓器中，干式變壓器所占的比例愈來愈大。隨著城市用電負荷的不斷增加，電力變壓器的散熱問題也不斷凸顯，不僅會影響變壓器的安全可靠運行，還會威脅到電力系統的穩定性與安全性。

電力變壓器的過熱現象是電網安全的一大隱患，其中干式變壓器的故障往往源于局部過熱導致的絕緣失效。在變壓器運行期間，鐵芯、繞組及結構件內部會形成熱點溫度，而這些溫度點無法直接通過試驗手段進行測量，通常需借助經驗公式進行求取。在這方面，IEEE Std C57.91-2011與IEC 354標準所推薦的熱點溫度計算模型是最基本的且實際應用最為廣泛的模型，但在預測由局部過熱直接引發的絕緣失效方面仍顯不足，存在局限性。

數值仿真技術能精確模擬變壓器內部溫度場，指導設計、優化熱電偶布置，并優化運行維護，預防過熱故障，確保電網安全與經濟性。

二、干式變壓器仿真APP解決方案

干式變壓器的散熱方式分為自然空氣冷卻和強迫空氣冷卻，其鐵芯和繞組通常為外露式結構，從而最大程度地保證散熱效果。這是一類典型的流固耦合散熱問題，在流體與固體的內分界面處，溫度及熱流密度均是未知的，其是整場溫度計算結果的一部分，流體和固體場各自的邊界條件在熱量的動態交換中不斷變化而不是預先給定的邊界條件。本案例利用伏圖通用多物理場仿真PaaS平臺的多物理場耦合功能，建立了流體區域和固體區域的整場耦合計算模型，迭代求解流固交界面的溫度及熱流密度直至達到連續性條件，能夠顯著提高流固耦合傳熱問題的計算精度。

本文以某型干式變壓器為例，介紹變壓器散熱仿真APP的搭建方法。歡迎在線體驗變壓器流熱耦合散熱仿真APP：變壓器流熱耦合散熱仿真 – Simapps Store – 工業仿真APP商店

1.仿真流程搭建

1）變壓器幾何模型導入

對模型進行必要的幾何簡化和清理，將幾何模型導入到伏圖。

圖 1 導入變壓器幾何模型

2）材料定義及參數設置

定義變壓器器件的材料屬性，包含鐵芯、線圈材料、墊塊、空氣。

表 1 流體材料屬性表

3） 網格劃分

本案例是基于伏圖的流熱耦合算例，故需要分別劃分變壓器流體域和固體域的網格，并且需要對一些特定的部件單元進行網格加密處理，以提高計算速度和精度。

圖 3 低壓、中壓、高壓線圈網格示意圖

圖 4 變壓器固體網格

圖 5 變壓器流體網格

圖 6 風扇表流體網格

4） 流體分析

流體計算類型為基于壓力基求解器的穩態計算，環境壓力選擇標準大氣壓，勾選能量方程。設置邊界條件時，簡化風扇進口為速度進口，變壓器四面空氣域出口為壓力出口，壁面為熱耦合壁面。

圖 7 流體分析設置

圖 8 進出口邊界條件設置

圖 9 熱耦合壁面設置

5） 熱分析

在熱分析中首先需要建立熱分析部件，將部件與對應的材料綁定，然后定義熱分析的初始溫度為300K，熱分析類型與流體一致皆為穩態分析，并定義變壓器發熱部件的熱生成率。

圖 10 熱分析結構樹

圖 11 部件材料綁定和熱生成率設置

6） 耦合計算

干式變壓器受迫對流換熱選擇流體—熱耦合，采用同步耦合方式使流體分析和熱分析在每一個計算步結束后進行熱交換。

圖 12 流熱耦合設置

7） 后處理分析

提交耦合計算，計算結束后查看流體分析結果和熱分析結果如下：

圖 13 變壓器冷卻空氣速度矢量分布

圖 14 變壓器表面溫度分布

2. 仿真APP封裝

1）APP封裝前的參數定義和關聯。

圖 15 參數定義

圖 16 參數綁定

2）APP封裝

基于伏圖平臺提供的仿真APP開發環境，用戶可以定義參數，并可使用無代碼化開發的方式快速搭建變壓器仿真APP，將變壓器流熱耦合散熱仿真的分析過程進行封裝，如下圖所示：

圖 17 基于伏圖的變壓器散熱仿真APP開發環境

三、變壓器散熱仿真APP應用

變壓器散熱仿真具有廣泛的應用價值，在變壓器的設計和運維中具有重要作用：

• 在設計過程中預測容易發生過熱的部位，優化出風口位置、風量，輔助風機選型，有效改善散熱效果，降低絕緣失效風險，從而提高變壓器的可靠性和壽命；
• 模擬不同負載、不同環境條件的設備溫升，替代長時間的溫升測試，大幅降低試驗成本和周期；
• 通過預測熱點位置，指導溫度傳感器布設，幫助運維人員了解更真實的運行狀態，預測事故風險，制定更科學地維護計劃。

四、仿真APP賦能千行百業

相較于傳統CAE仿真軟件，基于伏圖開發的仿真APP更加靈活易用，用戶可以零門檻低成本、跨平臺跨終端隨時隨地訪問云平臺進行仿真分析工作，提升產品研發效率。

歡迎訪問工業仿真APP商店Simapps，在線體驗面向各種產品和場景的仿真APP: Simapps Store – 工業仿真APP商店

五、關于伏圖

伏圖（Simdroid）具備固體力學、流體力學、電動力學、熱力學等通用求解器，支持多物理場耦合仿真。在統一友好的環境中為仿真工作者提供前處理、求解分析和后處理工具。同時，作為仿真PaaS平臺，其內置的APP開發器支持用戶以無代碼化的方式便捷封裝參數化仿真模型及仿真流程，將仿真知識、專家經驗轉化為可復用的仿真APP。

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