传统的电力系统方案设计或电气设备的产品设计，通常会凭借经验或计算公式来完成，因此受到很大局限。如果能够在设计初期就通过虚拟仿真的方式，推测最优的设计方案或者预测产品的性能和效果，将极大地改善传统的设计模式，加速产品和方案的推陈出新。
COMSOL中国技术总监王刚博士
COMSOL公司开发的多物理场仿真软件专门用来解决这样的问题，它可以基于最底层的物理概念针对多物理场在计算机上进行虚拟试验。具体来说，在加速电气设备的技术创新方面，多物理场仿真软件可以起到以下几方面的作用：①设计方案时，可以大胆创新，利用多物理场仿真软件来验证是否可行;②在方案设计和优化过程中寻求最佳性能;③测试和验证方便快捷，降低时间成本和资金成本;④优化电力产品和输配电设计方案，使电力系统得到更好的运行和维护。
电力设备需要分析的问题通常包括：电磁场分布、电晕放电、电接触、发热和散热、结构变形和振动以及噪声等。多物理场仿真软件通过对以上问题涉及的物理量进行建模分析，可以让电力设备的性能更加优化：通过模拟和优化，得到最合适的电磁场分布;改善放电现象;提高设备雷击防护性能;改善设备发热和散热性能;减小设备对环境的影响;提高设备的安全性、可靠性。
多物理场仿真在电力系统各个环节的应用
多物理场仿真可以广泛应用于发电、输电、配电和用电的各个环节。
以发电机举例来说，对发电机进行建模仿真，可以研究电磁场的分布及变化;还可以研究铁磁性材料会不会达到磁饱和;达到磁饱和后对发电机效率的影响，并且可以分析发电机的工作曲线。对太阳能发电进行仿真可以获得聚光效率、太阳光能量分布、温/湿度分布以及结构可靠性，优化太阳能集热板的结构设计，并且可以预测太阳能发电设备在未来一段时间内的安全性和可靠性。
雷电破坏是风力发电机中的常见问题，雷击大电流可能会击穿内部元件的保护壳，产生破坏影响。通过仿真模拟闪电类型和入射角，以及电流的可能流向来设计出最佳的风力发电机组保护方案。
在电力变压器和并联电抗器的设计过程中，COMSOL多物理场仿真也是大有可为。在COMSOL Multiphysics中创建所需维度的电力变压器和并联电抗器模型，对油浸式变压器的感应加热查找和估算发热点，优化变压器的油路系统，防止在运行过程中过热。还可以根据热流动力学仿真针对变压器进行冷却设计。通过对变压器的电磁-力学耦合进行建模，可以预测变压器在工作时，会不会因为电磁力的作用，导致内部的某些结构发生破坏，进而验证变压器的结构设计是否合理。由于变压器内部通过的是振荡电流，导致其在工作的过程中产生一些噪声，通过仿真计算可以对这些噪声进行分析，进而进行优化设计。对变压器的暂态电磁场进行仿真，可以得到电磁场空间分布、磁饱和效应、瞬态效应和对环境的漏磁现象。
在电缆设计过程中进行仿真，可以得到电容、电感、热效应和热应力。高压直流和高压交流系统中的电磁损耗、温度、额定电流、环境(接触膨胀、降温)、电缆尺寸和布局也可以通过仿真得出，进而设计出适用于不同工况的电缆。分析电缆接头区域的静电场和磁场，可以研究电磁力、焦耳热引起的接触压力、结构变形，优化电缆接头设计。
电缆仿真还能够助力电网的运行和维护。电缆线路状态分析专家系统仿真App可以修改电缆各层属性参数、杂质和水树参数以及网格的尺寸等参数，评估电缆性能。仿真App在电缆维护工作中起到了关键的作用，不仅极大地提高了工作的效率，也给一线员工在电缆故障的判断上带来更多自信。
高压线电晕放电特性分析可以精确分析电力传输线周围的电场分布，得到强场区域的电离程度，评估强放电可能性，在生产测试前提出更合理的设计方案。
对于智能电网分接开关的设计，可以通过仿真计算来考察之前的设计方案是否合理。分接开关两个相邻部件上施加电压时会产生介电应力，如果介电应力过大开关的部件会产生疲劳破坏，通过仿真对原有的设计方案进行一个小的修改，即可有效减小介电应力，进而提高开关的使用寿命。
在新型断路器的设计过程中，需要对电接触进行分析。温度会引起触头材料属性的变化，从而改变接触压力大小。通过模拟两个接触部分的电、热行为，可以计算触头的接触压力、接触电阻和接触热度等，来验证设计思路是否合理。在合理的设计思路基础上，进一步优化设计，得到最终的产品。
在加固型IGBT模块设计过程中，研发人员发现修改焊线的设计方案，获得的循环性能是标准模块的10倍以上，借助仿真验证了机械应力的降低，大幅提高了IGBT模块的可靠性和使用寿命。
COMSOL多物理场仿真软件
多物理仿真软件的技术优势
COMSOL Multiphysics的应用优势包括：①全中文的图形化建模环境以及前/后处理器和求解器于一体的集成环境;②预置各种常用的物理场接口和多物理场耦合特征，统一的建模界面和操作流程，轻松实现跨物理领域建模，通过PDE/ODE、插值等特征进一步拓展建模;③先进的多物理场耦合有限元算法可以对多物理场强耦合求解，对模型的自由度、CPU和内存等无限制，并且支持支持高性能计算;④提供了图形化的App开发工具，方便用户进行定制的多物理场仿真图形化App开发。
多物理场建模仿真平台内置建模需要的所有工具，在统一环境中模拟各类物理、工程问题，易于拓展应用，降低学习成本。仿真平台可以任意耦合多种物理效应，真实再现工程实际问题，并支持为模型快速定制交互界面，开发仿真App。
COMSOL Server®与COMSOL Multiphysics具有相同的计算能力，用于部署、管理和运行仿真App。其支持由多种终端设备远程访问、运行仿真App，内置安全管理工具，包括App管理工具和用户访问权限管理。
COMSOL Compiler™创建独立运行的仿真App，无需许可证文件，编译时可选目标操作系统，包括Windows、Linux和macOS，支持的许可证类型有NSL、CPU和FNL。就产品和方案设计而言，传统以试验为主的思路不再是唯一的选择，现在通过仿真软件，从基本概念出发，能够实现对产品和方案设计的革新性改进。COMSOL多物理场仿真软件为传统的电力系统方案设计或电气设备的产品设计提供了新的路径和方向。
(本文根据COMSOL中国技术总监王刚博士在2019年中国电气工业发展高峰论坛上的发言整理)
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