日立能源利用仿真和PyAnsys提升变压器效率和安全性

当按下灯开关时，我们往往不会马上想到电力的输送方式，而只是希望灯会亮起。然而，从发电厂到居民住宅、企业、学校和其他重要建筑物的电力传输过程十分复杂。为了确保安全性和效率，变压器自然而然地成为了电力传输过程中最重要的一个部分。变压器的功能，是调节电网内的电压水平，既包括增加电压来提高电力线的传输效率，也包括降低电压来确保消费者能够安全使用。  

日立能源（Hitachi Energy）团队拥有数十年的工程专业技术经验，专注于提高变压器性能，同时应对不同工作条件所带来的独特挑战。日立能源利用先进的仿真技术来简化变压器的设计和测试流程，从而确保高效可靠的能源解决方案。

该团队将有限元法（FEM）等数值仿真集成到电磁、热和结构分析中，针对变压器设计的关键方面进行优化。这些仿真使他们能够深入了解关键性能因素，例如能量损耗、热分布和物理应力的耐受能力。通过战略性地应用仿真，日立能源能够最大限度地减少成本高昂的设计迭代，并降低测试和运行过程中的故障风险。

日立能源首席研发工程师Irene Woyna表示：“变压器诞生于150多年前，当时仿真技术还尚未问世。如今，哪怕我们想要将变压器的效率仅仅再提高2%，也需要投入大量精力，而这正是仿真的用武之地。”

解决技术和安全挑战

变压器设计工作中存在一系列挑战，需要精确的解决方案加以应对。在长达25-30年的预期使用寿命中，变压器可能会在各种严苛的条件下运行，包括雨、雪、极端温度、机械损坏、雷击。Woyna表示：“我们希望充分考虑变压器使用中可能出现的任何问题，并确保其设计符合行业安全和运行标准。”

为了确保符合行业标准，变压器在出厂之前必须经过工厂验收测试，其中包括温度耐受范围、结构、额定电流等方面的多项测试。

Woyna表示：“完成工厂验收测试，意味着我们确保变压器已经通过相关标准规定的所有测试，可以投入使用。而仿真技术，可在早期设计阶段就确保变压器将能够通过测试。”

为了分析电磁行为，Woyna和日立能源团队使用Ansys Maxwell先进电磁场求解器来确定电阻和电感等关键电气参数，以帮助他们评估电磁力如何影响绕组等关键组件。它们是实现电压转换的重要组件，但其在运行过程中可能会面临巨大的机械应力。

该团队使用Ansys Mechanical结构有限元分析软件，测试变压器在短路条件等异常情况下的结构完整性。在这些事件中，变压器的电流可能会突然升高，并远远超出正常的工作范围，从而对绕组和其他组件施加巨大的机械力。通过对这些场景进行仿真，工程师可以优化其设计，以确保组件的完整性和功能。

除了电磁和结构分析外，日立能源团队还使用Ansys Fluent流体仿真软件进行热仿真，以研究热分布情况及其对变压器绝缘材料和整体效率的潜在影响——这对于识别热点并确保温度水平保持在安全运行范围内至关重要。

如今，该团队能够在开发流程早期阶段预测和缓解此类挑战，不仅有助于节省时间和成本，而且还能增强变压器及其所支持的系统的安全性和可靠性。

在结构分析中，工程师使用Ansys Maxwell软件中的简单坐标变换，实现了力分布从2D（左）到3D（右）的映射。

利用PyAnsys实现自动化工作流程

日立能源现在利用PyAnsys Python接口工具来访问Ansys软件，以简化变压器开发中的仿真任务。PyAEDT，是一款PyAnsys开源库，可直接与Ansys Electronics Desktop（AEDT）电子系统设计平台集成，得益于此，工程师无需成为仿真专家，即可实现模型创建、仿真设置和结果分析等流程的自动化。

Woyna表示：“它的一项重要功能是普及仿真技术，使并非电磁学或仿真软件专家的人员也能够访问仿真、运行测试。这正是PyAEDT的优势所在——用户不必成为Python专家，也能使用PyAEDT实现自动化工作流程。”

日立能源团队使用PyAEDT工具来计算短路阻抗。工程师根据设计平台的输入数据，使用PyAEDT脚本生成包括几何结构、材料和边界条件等信息的详细Maxwell模型。 这种自动化功能不仅可加速设置，还可确保仿真在不同项目中的一致性。此外，该团队还在电热工作流程中，使用PyAEDT工具从电磁仿真中提取绕组损耗分布情况。随后，工程师可以将这些结果无缝传输到热分析工具，以帮助识别变压器的热点等关键区域。PyAEDT还能够为结构仿真提供支持，比如可导出电磁分析的力分布结果，以帮助评估组件在短路等应力条件下的机械完整性。

关键步骤的自动化能力，有助于集成外部工具和数据集，从而使设计流程更适应项目需求。例如，PyAEDT可以与高级Python库集成，用于自定义前处理和后处理任务，从而为工程师提供更大的灵活性。

通过将仿真整合到分析中，日立能源工程师可以深入了解真实条件如何影响变压器，从而在早期设计阶段就能应对潜在挑战。最终，仿真将助力其打造能够在各种严苛环境中实现长期可靠性能的变压器。

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