多物理场仿真助力高压开关技术的创新与发展
平高集团通过多物理场仿真、仿真 App 及数字孪生技术，深入分析并优化电力系统组件的设计，保障能源存储的稳定性。相关仿真 App 在集团工程团队中的下载已达数千次。
作者 Renji Hao
2025 年 11 月
电力系统是现代社会运转的基础，这个庞大的系统包含了用于发电、电力传输、变电和配电，以及用于过电保护的各种设备。 高压开关（图 1）作为电力系统运行的关键设备，可以在额定电压范围内切换或关闭电路，实现对电力的分配和控制，以满足不同区域和设备的用电需求。它们不仅需要承受高压和大电流的冲击，还要确保能够长时间稳定工作，以保障电网的正常运行。
高压开关内部电压可达 1100 kV，且需要能够在极短的时间内切断超过 100 kA 的电流。在切断电流的过程中，产生的电弧能量高达 100 MW， 并伴随着放电、发热，以及烧蚀等不同物理现象，给高压开关的绝缘设计带来了挑战。平高集团基础技术研究所所长王之军指出："基于经验和实验的传统设计方法成本很高，每次实验测试需花费约 1000 万元并耗时数周。" 此外，电信号的测量易受到设备高电压的影响，导致结果不准确。这些方法已无法满足高压开关的研发需求。为解决这些问题，平高集团转而寻求仿真技术的帮助，针对高压开关的绝缘问题，进行虚拟设计、测试和优化。
平高集团隶属于中国电气装备集团有限公司，专注于高压和特高压电力设备的开发和生产。他们希望借助仿真技术，深入探究影响高压开关性能的因素、优化开关设计，诊断和预测设备状态。
优化高压开关的绝缘设计
在高压开关长期运行过程中，绝缘气体中的带电粒子与绝缘材料中的载流子在直流电场长期作用下产生定向运动，最终在绝缘子等组件表面形成电荷聚集。当聚集的电荷达到一定数量后，可能引发局部放电现象，导致绝缘失效，严重影响高压开关的安全稳定运行。
平高集团借助 COMSOL Multiphysics® 多物理场仿真软件，确定了适用于不同工况的直流绝缘判据，并识别出电场强度集中区域及绝缘薄弱点，为直流设备的绝缘设计提供了重要支撑。 获取这些重要信息的关键在于研究直流绝缘问题涉及的物理现象。借助 COMSOL 软件，团队能够评估电磁、传热、结构力学及其他物理现象之间的多物理场耦合关系，并通过仿真分析直流电压作用下盘式绝缘子上的电场分布。
基于该研究，平高集团已开发出全球首支 1100 kV SF6 气体绝缘穿墙套管，用于在直流电缆穿过墙体、楼板或建筑结构时实现绝缘隔离与保护。该套管已安全运行 5 年，显著提升了输电系统的容量、效率和稳定性。
除带电粒子积聚外，另一个引发高压开关绝缘失效的原因是必然会产生的金属微粒。这些微粒源于高压开关安装过程中的磨损、容纳不同高压开关部件的筒体热胀冷缩，以及长期运行造成的磨损。 在电场和绝缘气体流场的共同作用下，颗粒运动轨迹极其复杂，难以预测且肉眼难以观察。 若颗粒黏附于绝缘子表面，将导致周围电场变化，引发气体击穿并影响绝缘性能。为解决此问题，平高集团采用多物理场仿真技术对颗粒的受力及运动轨迹进行了评估（图 2）。
为深入解析作用于颗粒的力学机制，团队综合考虑了重力、SF6 气体阻力、库仑力、电场梯度力及摩擦力等因素。 通过模拟颗粒的跳跃方向与位移，研究了颗粒质量、形状与跳跃高度之间的关系。这些信息为设计颗粒捕集器提供了依据（图 3），该装置用于最大限度降低金属颗粒对高压开关绝缘性能的影响。
团队针对微粒捕捉器的不同设计创建了多个模型，经过优化的捕捉器设计现已完成，并应用于平高集团的气体绝缘输电线路（GIL）产品中。气体绝缘输电线路因具备输电容量大、低损耗、结构紧凑及可靠性高等优势，被广泛应用于高海拔、低温和长传输距离等恶劣条件下的电力传输。
仿真 App 惠及整个组织
在使用多物理场仿真进行高压开关产品设计的过程中，平高集团发现，多物理场仿真模型的开发和维护不仅需要理解产品的底层物理原理和仿真数值方法，还需要对使用人员进行培训。此外，在产品迭代过程中，设计优化往往依赖仿真人员进行重复的建模计算。为简化设计流程并提升团队成员对仿真的理解与应用能力，平高集团决定基于其现有模型构建定制化仿真 App，这些 App 采用易于操作的用户界面，并预设了一定数量的参数。
平高集团借助 COMSOL Multiphysics® 软件中的 App 开发器创建了 50 多个仿真 App，并通过 COMSOL Compiler™ 编译为独立的可执行文件，使不同团队能够独立运行这些 App。定制化的仿真 App 操作简便、易于使用，用户只需输入少量参数即可获得计算结果，从而快速验证新设计的可行性。 这些 App 覆盖了多项关键技术，包括电磁发热、绝缘性能评估、机械设计及故障分析等。
平高集团开发的其中一款高压开关母线电磁发热仿真 App（图 4），用于计算高压开关中母线由于电磁热而产生的温度变化。在这个 App 中，通过输入几何尺寸、材料属性和运行工况，即可计算出磁通密度、电流密度、温度分布及气流速度分布等结果。 通过计算母线在运行工况下的温升，判断母线结构是否符合温升要求。
"通过自动化处理前期准备与后期分析工作，我们能够大幅节省人力成本并加速产品开发。" 王之军表示，"另一方面，我们将在产品开发过程中长期积累的丰富经验和技术集成在仿真 App 中，有助于消除仿真建模过程中的知识壁垒和操作难点。这使得企业内部不同部门的工程师和技术人员都能更轻松地运用仿真对产品的设计、制造及运维进行验证。"
为了使仿真 App 的使用和管理更加便捷，平高集团搭建了名为“仿真 App 应用商店"的内部网页平台。工程人员能够通过远程浏览器方便快捷地访问和使用仿真 App，上传和下载仿真数据和结果，并在团队内共享项目信息。平台还根据电场、功率、应力等设计参数对仿真 App 进行了分类，帮助不同部门的用户快速找到适合的定制化仿真 App。 目前，仿真 App 在全公司工程团队中已被累计下载数千次。
电力设备的数字孪生
对于电力设备而言，由于负荷条件的不确定性和工作环境的多样性，仅凭借历史数据分析和预测其未来的性能表现是不准确的。此外，电力设备运行过程中存在力、热、电、磁等不同物理场的相互作用，其影响往往难以预判。 多物理场仿真可结合在线监测数据构建高保真模型，进而转化为与电力设备实时同步的数字孪生体。
数字孪生是一种运用感知、计算、仿真等信息技术，实现物理空间与虚拟空间全空间尺度、全生命周期的交互映射模型。通过分析物理对象的未来发展趋势，数字孪生可进一步提升物理对象的监测精度、预测行为趋势并优化性能，从而满足功能与应用需求。
平高集团借助 COMSOL® 软件，成功实现了GIS 隔离开关设备的数字孪生模型，该模型具备全生命周期数字化管理与状态反演功能，并在中州特高压换流站进行了部署和应用。平高集团可运用数字孪生技术对高压开关运行状态进行诊断与预警。 例如当异常状态发生时，可通过数字孪生定位问题并识别原因。
该高压开关数字孪生模型可通过传感器采集电力设备的实时运行数据，输入到 GIS 隔离开关仿真 App（包含局部过热状态反演功能）中进行仿真分析。高压开关温度场与电场模拟时间已缩短至秒级。 图 5 展示了 GIS 隔离开关的数字孪生模型，左侧为实时运行数据，右侧为模拟结果。仿真结果可用于分析和监测电力设备的运行状态，实现状态反演与异常工况的识别。
持续推进仿真应用
平高集团计划持续将多物理场仿真融入研发流程，帮助产品设计师开发性能更优秀的高压开关设备。
"针对高压开关开发过程中的关键问题，我们都能够从 COMSOL 软件中找到对应的功能和解决方案，这对我们的研发工作帮助很大。" 王之军说道，“ COMSOL 的仿真 App 开发功能也进一步提升了仿真技术在集团内的应用价值。"
随着新能源的发展，平高集团将继续探索仿真技术在新型储能和综合能源相关领域的更多应用。未来，随着开关设备数字化运维的大面积部署，多物理场仿真将发挥更重要的作用。
