电力变压器的热流耦合仿真和绝缘纸热老化分析

电力变压器作为电力系统中传输电能的核心设备之一,其运行安全对保障电网整体的稳定性至关重要。电力变压器中存在大量绕组，其发热量非常可观，通常使用变压器油作为散热和绝缘介质。如果变压器绕组热点温升过高则可能发生局部过热，影响变压器的运行稳定性和服役寿命。绝缘纸作为油浸式电力变压器的绝缘屏障，其老化产生的机械、绝缘等性能改变是一个不可逆过程，对其开展仿真研究对于变压器运行维护具有重要的指导意义。

重庆大学的技术团队经过多年积累，在高压设备和绝缘技术方面积累了深厚的经验。他们利用Simdroid对电力变压器开展固体传热和流体的耦合仿真建模，模型采用二维近似简化，在精确反映物理场景的前提下节省了计算资源，提高了计算效率和展示效果。本文展示的案例中在正常工况变压器的结构基础上增加了绕组间挡板，目的是研究挡板提高变压器油横向流动速度从而增强绕组散热的效果，并在此基础上开展热老化评估。

在Simdroid中绘制的典型油浸式电力变压器二维模型

借助Simdroid的多物理场耦合功能，重庆大学的研究人员可以在界面上轻松完成固体传热有限元方法和流体方程有限体积方法的联合仿真计算，在电力变压器模型中实现对含有复杂绝缘油通道、大量流固耦合边界的网格自动优化和高效耦合迭代。在仿真获得的流体结果中，用户可以通过云图或流线图查看流体速度的整体分布和局部细节；在温度结果中，可以查看变压器内部整体温度分布，从中了解热点位置和发热情况。

Simdroid中耦合仿真获得的变压器油流速分布云图和流线图

Simdroid耦合仿真得到流体和固体的稳态温度分布

电力变压器流热耦合仿真的结果在工程实践中有两个主要用途：一是通过传感器获得变压器油出口和变压器外壳等位置的实际监测温度，工程师可结合仿真在正常工况时实时掌握变压器的运行情况，在非正常工况时做出预警或检修等判断；二是开展设备部件运行性能参数的分析，如绝缘油和绝缘纸老化性能等。

Simdroid耦合仿真老化分析结果，保留了绕组以更直观地展示相应位置的老化程度

基于该模型可开展针对绝缘纸的老化分析，其结果可帮助电力变压器运维人员制定更优化的策略。通常用聚合度（DP）作为特征参量来表征绝缘纸的老化程度，它在物理上代表绝缘纸纤维素分子链中葡萄糖单体的重复出现次数平均值，DP值越低，老化程度越高，也意味着更高的失效概率。重庆大学的研究团队结合二阶动力学模型，基于实验和仿真结果深入分析了温度相关的纤维素降解机制，以聚合度累计损失率为指标，将绝缘纸降解动力学模型不断进行改进优化，并将研究成果在Simdroid后处理器中进行集成。软件用户可使用该项定制功能方便地调用物理场仿真结果完成绝缘纸老化分析，并通过可视化功能查看相应结果。

Simdroid 是由北京云道智造科技有限公司开发的基于“仿真平台+仿真APP”模式的通用多物理场仿真平台。该平台具备自主可控的结构、电磁、流体和热四大物理场求解器和多物理场仿真内核，在统一友好的环境中为仿真工作者提供了前处理、求解分析和后处理工具，同时其内置的APP开发器支持用户以无代码化开发的方式便捷封装全参数化仿真模型及仿真流程，将仿真知识、专家经验转化为可复用的仿真APP，实现知识变现。仿真APP通过APP商店Simapps 实现在线展示、交易，用户通过云端快速、便捷、低成本使用各类工业APP，真正实现普惠仿真的愿景。Simdroid 已经在电力、家电、生物医疗、电子信息、航空航天等行业领域得到了广泛的工程化应用。