基于Simdroid-EC的油冷变压器自然冷却热仿真

在电力系统中，油冷变压器广泛应用于变电站，其在运行过程中会产生热量，如果变压器温度过高，会对其内部的绝缘材料及零部件性能造成损害。绕组是变压器的核心部件之一，由铜或铝等导电材料制成。高温会使绕组的电阻增大，电阻增大又会进一步产生更多的热量，形成恶性循环。过高的温度可能会引起铁芯的磁导率变化，影响变压器的电磁性能，同时也可能导致铁芯的机械结构发生变形，破坏变压器的正常运行。另外，变压器中的绝缘纸和绝缘油在高温下会加速老化。

自然对流是油冷变压器散热的重要方式之一，通过合理的温度控制，确保自然对流散热的良好效果，可以降低变压器的运行损耗，提高能源利用效率。

伏图-电子散热模块（Simdroid-EC，以下简称EC）是基于通用多物理场仿真PaaS平台伏图（Simdroid）开发的针对电子元器件、设备等散热的专用热仿真模块，内置电子产品专用零部件模型库，支持用户通过“搭积木”的方式快速建立电子产品的热分析模型，并利用成熟稳定的算法计算流动与传热问题，对电子产品进行高效的热可靠性分析；可广泛应用于通信设备、电力电子、半导体产品与设备、汽车、航空航天等工业领域。

以下是基于Simdroid-EC对油冷变压器进行自然冷却仿真及对应的功能点和步骤说明。

1、CAD模型导入

通过EC导入接口，可以将变压器模型导入；线圈、变压器油箱外壳、油箱外侧的翅片均可以使用EC提供的薄壁机箱模型来构建；铁心部分使用EC的立方体块来拼接搭建。

图1 变压器CAD模型

2、快速构建热仿真模型

1）在根装配体下建立薄壁机箱模型，使用EC提供的对齐、包围盒拖动等功能（或者直接使用拖拽建模，可快速建立机箱模型），将机箱模型与油箱外侧散热片上的集流槽对齐定位；赋予其对应的材料属性和薄壁厚度。

图2 基于CAD体建立集流槽

2）选择机箱对应的面，并在此面上打孔，可以使用鼠标拖动孔的大小和位置，以精确捕捉开孔的位置；通过孔的复 制阵列，可以完成此集流槽热模型的建立，如下图所示。   

图3 集流槽热模型打孔

3）基于同样的方法，可以建立每组散热片下侧集流槽。

4）通过类似的方法，建立油箱外侧的散热片热模型，并在翅片的机箱模型开具对应的孔，以构建冷却油的流道。

图4 散热片热模型打孔

5）通过EC的阵列方法，可以建立多个散热片热模型。

图5 复 制建立散热片热模型

6）为了精确捕捉翅片内油的流动，使用拖拽创建功能，在翅片内油侧空间建立体积区域，并对其设置网格参数（体积区域厚度方向至少划分3层网格）；同理对上下油箱的宽、高方向设置合理的网格个数或者网格尺寸。          

图6 散热片热模型网格约束

7）使用EC提供的镜像命令，可以在油箱的另一侧建立散热翅片模型及控制油侧网格的体积区域热模型。

图7 镜像建立散热片热模型

8）使用EC提供的阵列命令，将两侧的散热器翅片模型进行复 制，完成油箱外侧散热片的建立。

图8 复 制建立散热片热模型

9）同样，拖拽建立机箱模型，拖拽包围盒，完成变压器油箱热模型的建立（注意在油箱与上下集流槽接触的区域开孔，以构建油的流动通道）。

10）使用拖拽创建的方式，基于CAD模型里铁心、线圈的尺寸和位置，建立对应的热模型，并赋予其热耗、材料。同样，在线圈与线圈之间、线圈与铁心之间的缝隙里，使用拖拽命令，快速构建体积区域，在对应的厚度方向设置3层网格。

图9 线圈之间缝隙的网格约束

本案例使用简化等效的块来建立线圈和铁芯模型，EC正在开发体素化、贴体网格功能，其后续版本将可以直接对导入的线圈和铁芯进行模型打散、贴体网格划分，如下图所示。

图10线圈铁芯模型的体素化效果

图11 线圈铁芯模型的贴体化网格

11）设置冷却油的标记点：在EC模块里，对于混合冷却而言，仅仅需要在液体流动的区域建立对应的流体标记点，并在属性中新建对应的液体材料即可。点击建立流体标记点，并将其拖拽到油箱内部（需要注意，此流体标记点需要避开线圈、贴心等模型）；最终在EC里完成变压器的热仿真模型。

 图12 油箱内建立冷却油标记点

3、网格划分及检查

EC将前处理、求解计算及后处理集成一体，通过网格控制面板，可以对变压器热模型进行网格划分，并查看网格结果、网格质量以及网格控制策略是否起作用。

EC可以单独显示封闭区域内液体的网格分布，本案例内冷却油的网格分布如下，将局部区域放大，可以查看散热片内网格的分布，以验证施加的网格策略是否起作用。

图13 油箱内冷却油的网格分布

4、求解计算

在EC中点击重新初始化并且计算，可以对当前的变压器热模型进行求解。 

 图14 求解计算

5、后处理显示

当计算收敛后，EC会自动将计算结果加载至后处理模块。变压器热流的分布结果如下图所示：

图15 变压器切面的温度云图分布

图16 变压器外壳的温度云图分布

图17 变压器切面的速度云图及速度矢量图分布

通过图17可以明显看出，变压器油箱内存在局部涡流结构。

图18 散热片切面的速度矢量图分布

图18为散热器翅片内冷却油的速度矢量图，可以看出，冷却油在自然冷却的作用下，在油箱内部自下而上流动，然后流入两侧散热片上部的集流槽，接着再向下流动，最终由下侧的急流槽回流至油箱。而在流动过程中，外侧空气则与散热片及油箱外侧壳体进行自然冷却，最终达到热平衡。

关于Simdroid-EC

基于伏图平台开发的针对电子元器件、设备等散热的专用热仿真模块，内置电子产品专用零部件模型库，支持用户通过“搭积木”的方式快速建立电子产品的热分析模型，并利用成熟稳定的算法计算流动与传热问题，对电子产品进行高效的热可靠性分析；可广泛应用于通信设备、电子产品、半导体产品与设备、汽车、航空航天等工业领域。