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COMSOL Multiphysics® 在电力行业中的 10 种实际用途

2019年 10月 16日

有时，去现实世界中了解人们的工作情况，比查看模拟示例更有帮助。对于电力行业的人来说更是如此。在此行业中，由于设计失败和其他失误可能会严重影响客户满意度和公司利润。

考虑到这一点，本文将简单介绍电力行业中 COMSOL Multiphysics® 仿真软件的 10 种实际用途。

1.预测并减小变压器的噪声

变压器是连接高压线路与本地变电站的设备，但它并不是没有声音的。就像高压一样，高噪声也有危险。ABB 公司研究中心（ABB CRC）发现，考虑到噪声法规，仿真对于开发新的和优化现有的电力变压器设备是很有效的。特别是，他们需要分析变压器内部的工作原理，因为噪声来自变压器的铁芯和油箱。

此外，为了模拟真实世界的情况，ABB CRC 的团队必须在单一环境中耦合电磁、声学和结构力学。这就是他们使用 COMSOL Multiphysics 软件的原因。现在，该团队能够在制造变压器之前，优化变压器设计，使其只产生很小的嗡嗡声。

左：由金属芯制成的变压器，其线圈绕制在不同部分，并由一个外壳保护，内部装有绝缘油。右：铁芯和变压器周围的声压场的声学分析。

在此处阅读全文：“从查表到仿真 App，ABB 持续助力变压器行业的变革”

2.准确，低成本地规划地下电缆网络

电缆网络需要满足安全、可靠、价格适中等要求。为英格兰和威尔士的家庭和企业提供服务的国家电网（National Grid）在规划铺设新电缆的位置时，需要准确的电缆等级，尤其是在同一根电缆线路中，使用不同材料修复了较老旧部分。管理地下电缆网络需要深入了解周围的土壤、电缆使用年限、维修情况以及与其他邻近的电缆间会如何相互影响。

然而，测试这些高压系统是很困难的，因为它们体积庞大，且电缆必须在特定环境下进行分析，而不是孤立地对其分析。有限元分析（FEA）的任务是：通过使用 COMSOL Multiphysics 软件对电缆组件进行建模，国家电网最终可以做出关于在哪里铺设新电缆以及如何更好地修复旧电缆的决定，从而将安装成本降至最低。

左：一段地下电缆。右：一个高压电缆隧道横截面的归一化气流场的模型。

在此处阅读全文：“英国国家电网对地下电缆线路进行仿真分析”

3.更有效地管理电网

电缆运行状况评估对于保证电网平稳运行至关重要。除了使用传统的测试设备（如红外线、紫外线和局部放电）之外，评估过程还必须考虑电缆的结构及材料，电缆中的杂质，电压波动，工作条件和环境等。多物理场仿真可以实现更准确的电缆运行状况评估，但是如何在进行运行状况评估和制定维修决策的领域中进行这些模拟呢？

在中国国家电网电力研究所武汉 NARI 集团公司（NARI），该问题的答案是将多物理场模型转换为仿真 App，并将其提供给现场技术人员。通过 COMSOL Multiphysics 中的 Application Builder，仿真工程师可以将复杂的模型封装在易于使用的接口中。借助 NARI 的“电缆状况分析专家系统”这一自制 App，现场技术人员可以根据简单数据输入生成的结果准确地对电缆进行模拟，并放心地对电缆进行评估。

左：电缆绝缘层的机械损伤。右：用于评估电缆状态的仿真 App，名字为“电缆状况分析专家系统”，其包含样本输入和结果。

在此处阅读全文：“仿真 App 助力电网的运行与维护”

4.保护风力涡轮机免受雷击

如果没有得到适当的保护，风力涡轮机很容易遭受雷击。雷击会导致意外停机，造成高额的损失。当为风力涡轮机叶片设计防雷装置时，制造商们知道简单的设计是行不通的。重要的是要能够预测有多少电流流经叶片以及它将流向何处，这就需要深入了解材料的性能以及测试大型设计的方法。

美国 NTS 公司闪电科技（Lightning Technologies），其设计师和工程师使用数值建模来克服对70米以上长的叶片进行物理测试这一挑战。为了获得准确的结果，他们将仿真与自己的材料专业知识相结合。例如，碳（由材料制成的风力涡轮机叶片）的电导率在不同的方向上是不同的，并且此行为需要在模型中准确表现出来，以进行正确的保护设计。通过使用电导率的实验值，NTS 团队可以直观地看到电流的流动方式，然后确定如何最好地保护碳叶片不会因加热和/或电弧放电而被烧毁。

左：风力涡轮机遭遇雷击。右：单个风力涡轮机叶片的模型，该叶片由多个碳堆组成，显示了叶片中的电流密度。

在此处阅读全文：“多物理场仿真为风力发电机免受雷击提供解决方案”

5.延长海上风力发电场的使用寿命

更换海上风力涡轮机的故障传动装置既困难又昂贵，但在使用机械传动装置时，此类维护工作是必须的，因为机械传动装置的持续接触会导致磨损。丹麦Sintex团队提出了一个解决方案：非接触式磁性传动装置。当通过磁力而不是机械力传递电力时，传动系统的使用寿命会增长，且无需经常更换。

为了工作，磁耦合器需要量身定制，因此在设计过程中，Sintex 使用仿真来挑选最优的形状和材料，直到最终的组件能满足客户的需求。从财务和时间角度来看，使用磁铁进行物理原型设计都是不可能的，并且由于其设计涉及多种物理场，因此 COMSOL Multiphysics 是该团队的首选仿真软件。为了使所有开发阶段的同事以及销售人员能够自己运行系统测试和设计配置，Sintex 还使用 COMSOL Multiphysics 中内置的 Application Builder 构建了自定义 App。

左：一组标准磁耦合器。右：磁耦合器的 3D 模型，用于分析磁体的温度分布和铁中的磁通密度。

在此处阅读全文：“磁力传输延长了海上风力发电场的使用寿命”

6.保护卫星系统免受电弧伤害

如果发生电弧放电，卫星系统会（部分或全部）发生故障，但是很难预测在极端环境（例如太空）下设计的系统何时会发生这种情况。要防止自发电弧造成的破坏，首先需要找到可能发生破坏的关键区域，然后调查潜在的触发因素。通过实验研究来重现太空轨道上所有可能的运行条件是不可行的，即使进行模拟也存在很大挑战。

俄罗斯高电流电子研究所（IHCE）的工程师却认为，找到自燃放电区的唯一方法是对放电进行数值模拟，但这样做在计算上非常昂贵。为了寻求一个实用且准确的解决方案， IHCE 团队使用 COMSOL Multiphysics 中的 Application Builder 来构建自定义仿真 App，该 App 可以自动对设备进行分区和分析，以找到最可能的关键区域。

左：卫星设备中使用的电路板。右：一个关键参数图，显示了模型中关键区域的压力与排放量关系。

在此处阅读全文：“找出卫星系统中的电弧区域”

7.更好更快地开发定制电容器

电容器的设计要求根据使用地点的不同而有很大的不同，因此开发人员需要在定制电容器的设计过程中考虑电源规格，工作温度范围和材料。Cornell Dubilier Electronics 公司创建了高保真的多物理场模型来虚拟表示电容器，然后将其模型封装在易于使用的接口中（仿真 App）。然后，其他部门的同事使用这些App，他们需要先测试不同的设计配置，然后再为手头的任务选择最佳的配置。

由仿真专家开发的基础模型是准确的，并且App接口会受到限制，因此使用的用户只需要修改一些对他们有意义的设计参数。这意味着，不知道如何构建多物理场模型的同事仍然可以从结果中受益，而无需向仿真专家反复发送设计说明。

左：铝电解电容器。右：Cornell Dubilier Electronics 公司建立并使用的用于分析电容器一种仿真 App，用于研究单片薄膜电容器的有效串联电感。

在此处阅读全文：“仿真 App 加速定制电容器的设计进程”

8.评估高性能核聚变机的结构完整性

麻省理工学院等离子体科学与聚变中心（PSFC）正在设计一个托卡马克用作研发平台，以测试聚变反应堆所需的分流器概念。研究人员将他们提出的托卡马克称为“高级分流器实验”，简称ADX，它可以在很高的磁场下运行，从而将等离子体性能提升到反应堆的水平。他们识别和理解使聚变能成为可能的科学和技术的过程需要结合实验、前沿理论和数值模拟。他们面临的挑战之一是确定真空容器是否能够经受住最坏情况下，如在高热流，高磁场和洛伦兹力的情况下等离子体的破裂情况。

数值建模帮助团队找到了设计问题的答案。他们使用 COMSOL Multiphysics 创建了两个模型：一个用于计算磁场、涡流和等离子体破坏产生的洛伦兹力的模型。另一个根据第一个模型的计算结果预测容器中的应力和位移。

托卡马克设计的两个版本的结构分析仿真结果：一个具有单个固定边界，另一个具有两个固定边界。

左：ADX 托卡马克设计方案。右：两次托卡马克设计迭代的仿真结果，显示了应力和位移。最上面一行显示的是单个固定边界的设计，最下面一行显示的是具有附加边界的设计，其中使用一个支撑块作为钢筋加固。

在此处阅读全文：“人造恒星: 高性能核聚变发电机的结构完整性评估”

9.以更低的成本更好地开发定制的大功率电气设备

设计定制的大功率电气设备（如变压器和电抗器）通常意味着要在尺寸和材料上有一定的限制。当客户指定规格时，每个新产品的要求都是独一无二的，并且在生产前必须经过严格的测试。德国的 BLOCK Transformatoren-Elektronik 就是这类产品的生产商之一，该公司希望在降低成本的同时改善服务质量。

多年来，BLOCK 已经开发了自己的描述磁性材料的公式，并希望使用仿真软件能让他们方便地输入这些公式并将其用于仿真中。他们还希望利用高性能计算（HPC）更快地获得仿真结果，并最终更快地向客户交付产品。COMSOL Multiphysics 是他们正在寻找的一款灵活的仿真软件。