基于Simdroid实现高压穿墙套管内部温度动态感知

高压穿墙套管安装在换流阀厅等建筑物墙体或屋顶，为导电杆穿过墙壁起到绝缘和支撑作用，是高压输电工程的关键设备。随着电压等级提高，负荷电流增大，焦耳热产生的温升不容忽视，它对套管的安全稳定运行具有重要影响。大负荷和长时间运行工况下，局部过热会导致设备绝缘性能下降、内部SF6气体高温分解，具有腐蚀作用的分解产物造成接触面劣化，导致接触电阻进一步增大，形成恶性循环。

这段“21米的穿墙套管是1452公里西电东送大动脉的 “喉管” 之一”（实物图来自网易新闻，由李品拍摄提供，如有侵权删除。三维模型图由Simdroid用户绘制，与实物非等比例对应。）

因此，工程实践中高压穿墙套管整体的温度分布非常值得关注，而通常人们只能在其表面安装热电偶等温度传感器进行温度的观测，难以获得套管内部温度。此时，使用Simdroid对其进行多物理场耦合仿真成为非常有效的解决方案。

在开始设置模型前，我们首先要明确仿真要解决的主要问题是热量的生成与耗散。热量生成主要是内部大电流通过时产生的焦耳损耗，并且需考虑工频电流产生的涡流效应。热量耗散主要通过固体传热和自然对流，在绝缘层、SF6和外壳之间实现传递，最终向环境空气进行对流和辐射散热。

综合以上考虑，可在Simdroid中建立电磁-固体传热-流体三场耦合模型，电磁场求解麦克斯韦方程以分析获得热源，基于傅里叶传热方程的固体传热和基于包含能量方程的纳维-斯托克斯方程的流体模型耦合进行迭代分析，可得到设备整体的温度分布。 

三场耦合建模界面和技术路线

在Simdroid开展建模的实际界面和技术路线如上图所示，工程师利用其开放式的耦合仿真架构可采用简洁高效的耦合机制完成建模，这主要体现在两个方面：

首先，由于整体温差不大，电磁仿真中材料物性参数受温度影响的变化不大，因此电磁场的仿真分析不受温度场与流场影响，在完成首步频域分析后即可冻结，不再参与后续耦合迭代过程从而节省了大量计算资源。

其次，Simdroid解决了异构网格数据传递的问题，允许不同物理场采取不同的网格剖分方式和算法，如该模型中电磁和固体传热使用有限元算法和对应的四面体网格，而流体计算在非结构化网格上利用有限体积法来求解流动方程，既提高了耦合求解器处理复杂形状流动问题的能力,又能保持离散方程的局部守恒特性,而后者对非线性偏微分方程数值求解的收敛过程有极为重要的作用。

通过Simdroid时谐电磁场仿真获得穿墙套管的发热功率分布

通过流体-固体传热耦合仿真得到流体和固体稳态温度分布，并在固体温度分布中显示最高温度点位

利用Simdroid可视化功能丰富、渲染性能强大的后处理器，可对各物理场结果进行查看。结合电磁场结果，工程师可以了解焦耳发热量的分布，以便在设备设计中更好地考虑散热性能；结合温度场结果，工程师结合温度传感器监测数据，可在穿墙套管运行中外壳温度发生变化时迅速开展参数扫描以推算内部载荷或材料参数当前可能正在发生的变化，以便开展动态的状态评估或故障诊断，为制定和优化运维策略提供依据。

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。申请试用：https://www.simapps.com/v2/tool/simdroid