基于伏图的变压器散热仿真APP开发与应用

干式变压器以其无油防火、节能低噪、维护简单、安全可靠等诸多优点得到越来越广泛的应用，尤其是在配电变压器中，干式变压器所占的比例愈来愈大。随着城市用电负荷的不断增加，电力变压器的散热问题也不断凸显，不仅会影响变压器的安全可靠运行，还会威胁到电力系统的稳定性与安全性。

电力变压器的过热现象是电网安全的一大隐患，其中干式变压器的故障往往源于局部过热导致的绝缘失效。在变压器运行期间，铁芯、绕组及结构件内部会形成热点温度，而这些温度点无法直接通过试验手段进行测量，通常需借助经验公式进行求取。在这方面，IEEE Std C57.91-2011与IEC 354标准所推荐的热点温度计算模型是最基本的且实际应用最为广泛的模型，但在预测由局部过热直接引发的绝缘失效方面仍显不足，存在局限性。

数值仿真技术能精确模拟变压器内部温度场，指导设计、优化热电偶布置，并优化运行维护，预防过热故障，确保电网安全与经济性。

干式变压器的散热方式分为自然空气冷却和强迫空气冷却，其铁芯和绕组通常为外露式结构，从而最大程度地保证散热效果。这是一类典型的流固耦合散热问题，在流体与固体的内分界面处，温度及热流密度均是未知的，其是整场温度计算结果的一部分，流体和固体场各自的边界条件在热量的动态交换中不断变化而不是预先给定的边界条件。本案例利用伏图通用多物理场仿真PaaS平台的多物理场耦合功能，建立了流体区域和固体区域的整场耦合计算模型，迭代求解流固交界面的温度及热流密度直至达到连续性条件，能够显著提高流固耦合传热问题的计算精度。

本文以某型干式变压器为例，介绍变压器散热仿真APP的搭建方法。

1）变压器几何模型导入

对模型进行必要的几何简化和清理，将几何模型导入到伏图。

图 1  导入变压器几何模型

2）材料定义及参数设置

定义变压器器件的材料属性，包含铁芯、线圈材料、垫块、空气。

3） 网格划分

本案例是基于伏图的流热耦合算例，故需要分别划分变压器流体域和固体域的网格，并且需要对一些特定的部件单元进行网格加密处理，以提高计算速度和精度。

4） 流体分析

流体计算类型为基于压力基求解器的稳态计算，环境压力选择标准大气压，勾选能量方程。设置边界条件时，简化风扇进口为速度进口，变压器四面空气域出口为压力出口，壁面为热耦合壁面。

图 7 流体分析设置

5） 热分析

在热分析中首先需要建立热分析部件，将部件与对应的材料绑定，然后定义热分析的初始温度为300K，热分析类型与流体一致皆为稳态分析，并定义变压器发热部件的热生成率。

图 11 部件材料绑定和热生成率设置

6） 耦合计算

干式变压器受迫对流换热选择流体—热耦合，采用同步耦合方式使流体分析和热分析在每一个计算步结束后进行热交换。

提交耦合计算，计算结束后查看流体分析结果和热分析结果如下：

图 13 变压器冷却空气速度矢量分布

基于伏图平台提供的仿真APP开发环境，用户可以定义参数，并可使用无代码化开发的方式快速搭建变压器仿真APP，将变压器流热耦合散热仿真的分析过程进行封装，如下图所示：

变压器散热仿真具有广泛的应用价值，在变压器的设计和运维中具有重要作用：

• 在设计过程中预测容易发生过热的部位，优化出风口位置、风量，辅助风机选型，有效改善散热效果，降低绝缘失效风险，从而提高变压器的可靠性和寿命；

• 模拟不同负载、不同环境条件的设备温升，替代长时间的温升测试，大幅降低试验成本和周期；

• 通过预测热点位置，指导温度传感器布设，帮助运维人员了解更真实的运行状态，预测事故风险，制定更科学地维护计划。

相较于传统CAE仿真软件，基于伏图开发的仿真APP更加灵活易用，用户可以零门槛低成本、跨平台跨终端随时随地访问云平台进行仿真分析工作，提升产品研发效率。

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