在電力系統中，油冷變壓器廣泛應用于變電站，其在運行過程中會產生熱量，如果變壓器溫度過高，會對其內部的絕緣材料及零部件性能造成損害。繞組是變壓器的核心部件之一，由銅或鋁等導電材料制成。高溫會使繞組的電阻增大，電阻增大又會進一步產生更多的熱量，形成惡性循環。過高的溫度可能會引起鐵芯的磁導率變化，影響變壓器的電磁性能，同時也可能導致鐵芯的機械結構發生變形，破壞變壓器的正常運行。另外，變壓器中的絕緣紙和絕緣油在高溫下會加速老化。

自然對流是油冷變壓器散熱的重要方式之一，通過合理的溫度控制，確保自然對流散熱的良好效果，可以降低變壓器的運行損耗，提高能源利用效率。

伏圖-電子散熱模塊（Simdroid-EC，以下簡稱EC）是基于通用多物理場仿真PaaS平臺伏圖（Simdroid）開發的針對電子元器件、設備等散熱的專用熱仿真模塊，內置電子產品專用零部件模型庫，支持用戶通過“搭積木”的方式快速建立電子產品的熱分析模型，并利用成熟穩定的算法計算流動與傳熱問題，對電子產品進行高效的熱可靠性分析；可廣泛應用于通信設備、電力電子、半導體產品與設備、汽車、航空航天等工業領域。

以下是基于Simdroid-EC對油冷變壓器進行自然冷卻仿真及對應的功能點和步驟說明。

1、CAD模型導入

通過EC導入接口，可以將變壓器模型導入；線圈、變壓器油箱外殼、油箱外側的翅片均可以使用EC提供的薄壁機箱模型來構建；鐵心部分使用EC的立方體塊來拼接搭建。

圖1 變壓器CAD模型

2、快速構建熱仿真模型

1）在根裝配體下建立薄壁機箱模型，使用EC提供的對齊、包圍盒拖動等功能（或者直接使用拖拽建模，可快速建立機箱模型），將機箱模型與油箱外側散熱片上的集流槽對齊定位；賦予其對應的材料屬性和薄壁厚度。

圖2 基于CAD體建立集流槽

2）選擇機箱對應的面，并在此面上打孔，可以使用鼠標拖動孔的大小和位置，以精確捕捉開孔的位置；通過孔的復制陣列，可以完成此集流槽熱模型的建立，如下圖所示。

圖3 集流槽熱模型打孔

3）基于同樣的方法，可以建立每組散熱片下側集流槽。

4）通過類似的方法，建立油箱外側的散熱片熱模型，并在翅片的機箱模型開具對應的孔，以構建冷卻油的流道。

圖4 散熱片熱模型打孔

5）通過EC的陣列方法，可以建立多個散熱片熱模型。

圖5 復制建立散熱片熱模型

6）為了精確捕捉翅片內油的流動，使用拖拽創建功能，在翅片內油側空間建立體積區域，并對其設置網格參數（體積區域厚度方向至少劃分3層網格）；同理對上下油箱的寬、高方向設置合理的網格個數或者網格尺寸。

圖6 散熱片熱模型網格約束

7）使用EC提供的鏡像命令，可以在油箱的另一側建立散熱翅片模型及控制油側網格的體積區域熱模型。

圖7 鏡像建立散熱片熱模型

8）使用EC提供的陣列命令，將兩側的散熱器翅片模型進行復制，完成油箱外側散熱片的建立。

圖8 復制建立散熱片熱模型

9）同樣，拖拽建立機箱模型，拖拽包圍盒，完成變壓器油箱熱模型的建立（注意在油箱與上下集流槽接觸的區域開孔，以構建油的流動通道）。

10）使用拖拽創建的方式，基于CAD模型里鐵心、線圈的尺寸和位置，建立對應的熱模型，并賦予其熱耗、材料。同樣，在線圈與線圈之間、線圈與鐵心之間的縫隙里，使用拖拽命令，快速構建體積區域，在對應的厚度方向設置3層網格。

圖9 線圈之間縫隙的網格約束

本案例使用簡化等效的塊來建立線圈和鐵芯模型，EC正在開發體素化、貼體網格功能，其后續版本將可以直接對導入的線圈和鐵芯進行模型打散、貼體網格劃分，如下圖所示。

圖10線圈鐵芯模型的體素化效果

圖11 線圈鐵芯模型的貼體化網格

11）設置冷卻油的標記點：在EC模塊里，對于混合冷卻而言，僅僅需要在液體流動的區域建立對應的流體標記點，并在屬性中新建對應的液體材料即可。點擊建立流體標記點，并將其拖拽到油箱內部（需要注意，此流體標記點需要避開線圈、貼心等模型）；最終在EC里完成變壓器的熱仿真模型。

圖12 油箱內建立冷卻油標記點

3、網格劃分及檢查

EC將前處理、求解計算及后處理集成一體，通過網格控制面板，可以對變壓器熱模型進行網格劃分，并查看網格結果、網格質量以及網格控制策略是否起作用。

EC可以單獨顯示封閉區域內液體的網格分布，本案例內冷卻油的網格分布如下，將局部區域放大，可以查看散熱片內網格的分布，以驗證施加的網格策略是否起作用。

圖13 油箱內冷卻油的網格分布

4、求解計算

在EC中點擊重新初始化并且計算，可以對當前的變壓器熱模型進行求解。 

圖14 求解計算

5、后處理顯示

當計算收斂后，EC會自動將計算結果加載至后處理模塊。變壓器熱流的分布結果如下圖所示：

圖15 變壓器切面的溫度云圖分布

圖16 變壓器外殼的溫度云圖分布

圖17 變壓器切面的速度云圖及速度矢量圖分布

通過圖17可以明顯看出，變壓器油箱內存在局部渦流結構。

圖18 散熱片切面的速度矢量圖分布

圖18為散熱器翅片內冷卻油的速度矢量圖，可以看出，冷卻油在自然冷卻的作用下，在油箱內部自下而上流動，然后流入兩側散熱片上部的集流槽，接著再向下流動，最終由下側的急流槽回流至油箱。而在流動過程中，外側空氣則與散熱片及油箱外側殼體進行自然冷卻，最終達到熱平衡。

關于Simdroid-EC

基于伏圖平臺開發的針對電子元器件、設備等散熱的專用熱仿真模塊，內置電子產品專用零部件模型庫，支持用戶通過“搭積木”的方式快速建立電子產品的熱分析模型，并利用成熟穩定的算法計算流動與傳熱問題，對電子產品進行高效的熱可靠性分析；可廣泛應用于通信設備、電子產品、半導體產品與設備、汽車、航空航天等工業領域。了解Simdroid-EC（伏圖-電子散熱模塊）更多信息及申請試用