基于有限元分析的變壓器繞組松動判斷系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于智能變電站技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及了基于有限元分析的變壓器繞組松動 判斷系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的變壓器結(jié)構(gòu)都較為復(fù)雜，由許多部件構(gòu)成，故當(dāng)變壓器運輸過 程中受到碰撞或運行中發(fā)生外部短路故障時，都可能造成繞組松動和變形故障。變壓器在 此狀態(tài)下長期運行將會給電網(wǎng)的安全運行帶來很大的危害。作為一種電磁設(shè)備，變壓器運 行過程中會產(chǎn)生振動。變壓器內(nèi)部故障、性能改變，都會直接或間接地在變壓器外部振動中 有相應(yīng)表現(xiàn)。振動法是診斷變壓器運行中潛伏故障的一種有效手段，其能夠檢測出變壓器 內(nèi)部故障的狀況，對其進行充分地研究有良好的應(yīng)用前景。
[0003] 從機械結(jié)構(gòu)的角度來看，電力變壓器器身表面的振動與變壓器繞組的壓緊狀況密 切相關(guān)。變壓器本體的振動主要來源于磁致伸縮及漏磁引起的鐵巧振動和電磁力引起的繞 組振動，而漏磁引起的鐵巧振動與其他振動相比較為微弱，所W-般可W忽略漏磁的影響。 由于在副邊短路時，外施電壓很小，則鐵巧中磁通很少，此時由磁致伸縮引起的鐵巧振動可 W忽略不計，而通過變壓器油箱壁傳遞到油箱表面的振動信號主要就是由繞組引起的。
[0004] 由畢奧-薩伐爾定律計算可知，作用在導(dǎo)體上的電動力與電流和磁場強度的乘積 W及漏磁通與電流成正比，故變壓器繞組振動的加速度與電流的平方成正比，而且振動信 號的基頻分量是負載電流的兩倍。通過研究，發(fā)現(xiàn)變壓器正常運行時，其能量大部分集中在 100~400化內(nèi)；當(dāng)變壓器繞組發(fā)生變形、位移或崩塌時，繞組間壓緊不夠，使繞組間高度差 逐漸擴大，繞組安應(yīng)不平衡加劇，漏磁造成的軸向力增大，繞組振動加劇，使得高頻成分增 加，主頻段能量減小。因此，電動力引起的繞組振動頻率主要為100化及其諧振頻率。研究 發(fā)現(xiàn)，振動信號的分量幅值隨電流的變化而變化，所W判定變壓器繞組松動時需要考慮電 流的影響，而W特征分量占總分量的比例作為判定繞組松動的參數(shù)時，可W消除電流變量 的干擾。因此，可W將特征分量占總分量的比例作為特征信號，并與所設(shè)定的闊值比較，W 此來判斷繞組是否嚴(yán)重松動。
[0005] 現(xiàn)有的變壓器故障診斷和分析系統(tǒng)在設(shè)定松動闊值時存在過度依賴經(jīng)驗或具有 特殊性的缺點，使得所設(shè)定的闊值缺乏普遍性和可靠性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了解決上述【背景技術(shù)】提出的技術(shù)問題，本發(fā)明旨在提供基于有限元分析的變壓 器繞組松動判斷系統(tǒng)和方法，解決現(xiàn)有變壓器診斷方法設(shè)定松動闊值缺乏可靠性和普遍性 的問題。
[0007] 為了實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：
[0008] 基于有限元分析的變壓器繞組松動判斷系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)輸入模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、 分析判斷模塊、顯示輸出模塊、信號轉(zhuǎn)換模塊W及數(shù)個振動傳感器，所述數(shù)據(jù)存儲模塊內(nèi)構(gòu) 建了繞組松動缺陷數(shù)據(jù)庫，所述繞組松動缺陷數(shù)據(jù)庫存儲有各類變壓器繞組經(jīng)有限元分析 的松動闊值，所述數(shù)個振動傳感器分別設(shè)置在變壓器外表面的不同位置，采集該位置的振 動信號傳送給信號轉(zhuǎn)換模塊，信號轉(zhuǎn)換模塊接收振動信號并將其轉(zhuǎn)換為特征信號后傳送給 分析判斷模塊，數(shù)據(jù)輸入模塊向分析判斷模塊輸入所監(jiān)測變壓器的性能參數(shù)，分析判斷模 塊根據(jù)變壓器的性能參數(shù)從數(shù)據(jù)存儲模塊中調(diào)取匹配的松動闊值并將其與特征信號進行 比較，判斷變壓器繞組是否發(fā)生松動，并將判斷結(jié)果在顯示輸出模塊上顯示。
[0009] 其中，上述振動傳感器的數(shù)量為6,其中3個振動傳感器分別采集變壓器=相繞組 的軸向振動信號，另外3個變壓器分別采集變壓器=相繞組的徑向振動信號。
[0010] 本發(fā)明還包括基于上述變壓器繞組松動判斷系統(tǒng)的判斷方法，包括W下步驟：
[0011] (1)預(yù)設(shè)振動傳感器的采樣頻率和采樣時間；
[0012] (2)數(shù)據(jù)輸入模塊向分析判斷模塊輸入所監(jiān)測變壓器的性能參數(shù)，分析判斷模塊 根據(jù)性能參數(shù)從繞組松動缺陷數(shù)據(jù)庫中調(diào)取與所監(jiān)測變壓器匹配的軸向松動闊值和徑向 松動闊值；
[0013] (3)振動傳感器至少連續(xù)采樣3次振動信號，并根據(jù)采樣頻率和采樣時間，整周期 截取每次采樣的振動信號；
[0014] (4)信號轉(zhuǎn)換模塊對整周期截取的振動信號進行濾波處理后進行傅里葉變換，得 到所監(jiān)測變壓器=相繞組的軸向特征信號和徑向特征信號；
[0015] (5)分析判斷模塊將軸向特征信號、徑向特征信號分別與軸向松動闊值、徑向松動 闊值作對比，進行繞組松動判斷：
[0016] 當(dāng)變壓器某相繞組的軸向特征信號大于對應(yīng)的軸向松動闊值且它的徑向特征信 號大于對應(yīng)的徑向松動闊值時，表明此時該相繞組存在明顯松動，否則表明該相繞組不存 在松動或僅存在輕微松動；
[0017] (6)當(dāng)分析判斷模塊至少連續(xù)2次判斷變壓器某相繞組發(fā)生明顯松動，則顯示輸 出模塊顯示該相繞組發(fā)生松動。
[0018] 其中，步驟（2)所述所監(jiān)測變壓器的性能參數(shù)包括變壓器的變比和容量。
[0019] 其中，步驟（2)中所述繞組松動缺陷數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建方法：
[0020] (a)根據(jù)變壓器各部分的尺寸參數(shù)，利用S維畫圖軟件建立變壓器的機械結(jié)構(gòu)模 型，并導(dǎo)入有限元分析軟件中；
[0021] 化）在有限元分析軟件中，設(shè)置變壓器各部分材料的密度、泊松比、彈性模量等相 關(guān)參數(shù)、進行合理的網(wǎng)格剖分W及施加載荷和約束；
[002引 （C)設(shè)定計算的頻率范圍、子步數(shù)和阻巧比率，并在繞組上施加加速度來模擬電磁 力的影響，從而進行諧響應(yīng)分析；
[0023] (d)從分析結(jié)果中得到變壓器各相繞組軸向和徑向位置的加速度響應(yīng)曲線，并從 各曲線中提取特征信號，將繞組松動時和正常時特征信號的比值作為繞組松動闊值；
[0024](e)存儲步驟（d)所得到的松動闊值，并與變壓器的變比、容量等性能參數(shù)相對 應(yīng)，建立繞組松動缺陷數(shù)據(jù)庫。
[00巧]其中，步驟（a)中所述S維畫圖軟件為Pro/化gineer軟件，有限元分析軟件為ANSYSWor化ench軟件。
[0026] 采用上述技術(shù)方案帶來的有益效果：
[0027] 本發(fā)明通過有限元分析所得結(jié)果設(shè)定的松動闊值來判斷變壓器繞組松動，使其對 相同機械結(jié)構(gòu)的變壓器具有普遍性，并且診斷結(jié)果更加可靠。利用本發(fā)明可W方便地判斷 變壓器繞組是否發(fā)生松動，并進行初步定位。
【附圖說明】
[0028] 圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；
[0029] 圖2為本發(fā)明振動傳感器的安裝示意圖；
[0030] 圖3為本發(fā)明判斷方法的流程圖；
[0031] 圖4為實施例中C相繞組的預(yù)緊力與額定預(yù)緊力的比值為0時的加速度響應(yīng)曲線 圖；
[0032] 圖5為實施例中C相繞組的預(yù)緊力與額定預(yù)緊力的比值為0. 5時的加速度響應(yīng)曲 線圖；
[0033] 圖6為實施例中C相繞組的預(yù)緊力與額定預(yù)緊力的比值為1時的加速度響應(yīng)曲線 圖。
【具體實施方式】
[0034] W下將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細說明。
[0035] 如圖1所示為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖?；谟邢拊治龅淖儔浩骼@組松動判斷系 統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)輸入模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、分析判斷模塊、顯示輸出模塊、信號轉(zhuǎn)換模塊W及數(shù) 個振動傳感器，所述數(shù)據(jù)存儲模塊內(nèi)構(gòu)建了繞組松動缺陷數(shù)據(jù)庫，所述繞組松動缺陷數(shù)據(jù) 庫存儲有各類變壓器繞組經(jīng)有限元分析的松動闊值，所述數(shù)個振動傳感器分別設(shè)置在變壓 器外表面的不同位置，采集該位置的振動信號傳送給信號轉(zhuǎn)換模塊，信號轉(zhuǎn)換模塊接收振 動信號并將其轉(zhuǎn)換為特征信號后傳送給分析判斷模塊，數(shù)據(jù)輸入模塊向分析判斷模塊輸入 所監(jiān)測變壓器的性能參數(shù)，分析判斷模塊根據(jù)變壓器的性能參數(shù)從數(shù)據(jù)存儲模塊中調(diào)取匹 配的松動闊值并將其與特征信號進行比較，判斷變壓器繞組是否發(fā)生松動，并將