基于有限元仿真與現(xiàn)場試驗的變壓器結構性故障診斷方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及變壓器故障診斷技術領域，具體是一種基于有限元仿真與現(xiàn)場試驗的 變壓器結構性故障診斷方法。
【背景技術】
[0002] 結構性故障是導致電力變壓器發(fā)生損壞事故的主要原因之一。對運輸或短路沖擊 后的變壓器進行結構性故障診斷可確保變壓器的安全穩(wěn)定運行。目前常用的變壓器結構性 故障離線檢測方法主要有頻率響應法(Frequency Response Analysis，F(xiàn)RA)、短路阻抗法 (Short-Circuit Impedance Method,SCI)等。頻率響應法能夠在較寬的頻帶上測量分析電 路網(wǎng)絡的頻率響應特性從而判斷繞組狀態(tài)，具有較高的靈敏度。短路阻抗法能夠反映線圈 徑向形變，且積累了大量的現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)。然而，目前對于頻率響應曲線及短路阻抗等現(xiàn)場 試驗結果變化的根本原因及其與故障類型的對應關系尚有待研究，因此存在試驗結果認識 不明確、存在誤判的問題，導致故障診斷可靠性降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種基于有限元仿真與現(xiàn)場試驗相結合的變 壓器結構性故障診斷方法，以提高變壓器結構性故障診斷的可靠性，解決現(xiàn)場試驗中對試 驗結果認識不明確、存在誤判等問題。
[0004] -種基于有限元仿真與現(xiàn)場試驗的變壓器結構性故障診斷方法，包括如下步驟：
[0005] 步驟一、在有限元仿真軟件中建立變壓器有限元模型；
[0006] 步驟二、在變壓器有限元模型中對不同結構性故障進行模擬；
[0007] 步驟三、在步驟二設置的不同類型及程度結構性故障模型中，求解其主要電氣參 數(shù)，建立"結構性故障-電氣參數(shù)"之間的關系；
[0008] 步驟四、根據(jù)變壓器有限元模型求解得到的電氣參數(shù)，建立電路模型仿真對應的 現(xiàn)場試驗結果，通過仿真電路模型求解不同電氣參數(shù)下變壓器的頻率響應曲線及短路阻 抗，建立"電氣參數(shù)-試驗結果"對應關系；
[0009] 步驟五、以電氣參數(shù)為中間變量，建立試驗結果與結構性故障的對應關系:通過有 限元模型對不同類型及程度結構性故障進行模擬，求解其電氣參數(shù)變化，進而建立不同的 電路模型，通過仿真電路模型求解不同電氣參數(shù)下變壓器的頻率響應曲線及短路阻抗，建 立"結構性故障-電氣參數(shù)-試驗結果"的對應關系。
[0010] 進一步的，步驟一中建立變壓器有限元模型時考慮主要支撐件的材料特性。
[0011] 進一步的，步驟二中通過改變變壓器有限元模型中各部件的結構、相對位置、連接 方式對變壓器常見結構性故障進行模擬。
[0012] 進一步的，所述結構性故障包括徑向形變、軸向位移、匝間短路、餅間短路、不良接 地。
[0013] 進一步的，求解變壓器電氣參數(shù)主要是對其電容矩陣及電感矩陣進行，所述有限 元模型中變壓器的η個線餅間電容構成變壓器的η階電容矩陣，其中：Clj為第i個線餅與第j 個線餅之間的耦合電容;Cu為第i個線餅的自電容，其主要包括線餅的對地電容及與其他線 餅的耦合電容之和，兩個線餅間的耦合電容通過以下公式獲得：
[0014]
[0015] 式中，Wij為電場儲存能量，Di第i線餅對應的電位移密度，Ej為第j線餅的電場強 度；
[0016] 當外部電流僅通過第i個線餅時，其自電感Lii及電阻Rii可被描述為以下向量形 式：
[0017]
[0018] 式中，ω為角頻率，[/為感應電壓，上式的虛部僅與第i個線餅的自電感相關聯(lián)， 因此求出其自電感：
[0019]
X y
[0020] 同理，第i個線餅與第j個線餅間的耦合電感通過下式獲得：
[0021]
[0022] 進一步的，步驟四中的電路模型包括集中參數(shù)模型、"場-路"耦合模型，集中參數(shù) 模型用于仿真頻率響應曲線，場-路耦合模型用于仿真短路阻抗。
[0023] 本發(fā)明提出了基于"結構參數(shù)-電氣參數(shù)-試驗結果"的故障診斷思路，通過建立變 壓器有限元仿真模型，對不同結構性故障類型及不同故障程度進行仿真，求解不同結構參 數(shù)下的電氣參數(shù)，根據(jù)求解的電氣參數(shù)，建立仿真典型變壓器現(xiàn)場試驗(短路阻抗、頻率響 應)結果，建立試驗結果與結構性故障的對應關系，實現(xiàn)變壓器結構性故障診斷。
【附圖說明】
[0024] 圖1為本發(fā)明基于有限元仿真與現(xiàn)場試驗的變壓器結構性故障診斷方法的流程示 意圖；
[0025]圖2為通過Ansoft Maxwell軟件搭建的110kV電壓等級的變壓器有限元模型圖； [0026]圖3為變形繞組線餅示意圖；
[0027]圖4為繞組軸向位移示意圖；
[0028] 圖5為有限元求解得到的電容矩陣；
[0029] 圖6為頻率響應法對應電路模型圖；
[0030] 圖7為短路阻抗法對應電路模型圖；
[0031] 圖8為軸向位移故障3%、6%和9%時所對應的頻率響應曲線。
【具體實施方式】
[0032] 下面將結合本發(fā)明中的附圖，對本發(fā)明中的技術方案進行清楚、完整地描述。
[0033] 圖1所示為本發(fā)明基于有限元仿真與現(xiàn)場試驗的變壓器結構性故障診斷方法的流 程示意圖，所述方法包括如下步驟：
[0034] 步驟一、在有限元仿真軟件中建立變壓器有限元模型；不同于一般的變壓器仿真 模型，為對變壓器結構參數(shù)變化引起的電氣參數(shù)變化進行精確求解，本發(fā)明需建立考慮變 壓器實際材料特性的有限元模型。除變壓器鐵心、繞組等結構，該模型還需考慮主要支撐件 (如撐條、墊塊)的材料特性。
[0035] 圖2為通過Ansoft Maxwell軟件搭建的110kV電壓等級的變壓器有限元模型。該型 變壓器為110/10.5kV，三相三柱油浸式心式變壓器。高、低壓繞組間由撐條進行結構支撐， 各線餅均由包圍絕緣油紙的扁銅線構成，在仿真過程中，將高壓側(cè)繞組設置為8餅，每一餅 220匝;低壓繞組設置為8餅，每一餅21匝。
[0036] 圖2中Core cross section為變壓器鐵心截面示意圖，鐵心由采用DW360型娃鋼片 通過疊片形式構成，其B-H曲線可通過外部輸入以保持與實測相一致。圖2中Clamping為變 壓器夾件，Support為撐條，對繞組各線餅進行結構支撐，Spacer為彈性墊塊，均勻分布在變 壓器各線餅之間。
[0037] 步驟二、在變壓器有限元模型中對不同結構性故障進行模擬;通過改變變壓器有 限元模型中各部件的結構、相對位置、連接方式對變壓器常見結構性故障進行模擬，主要包 括以下故障模擬:徑向形變、軸向位移、匝間短路、餅間短路、不良接地等。下面以線餅徑向 形變和繞組軸向位移為例進行說明。
[0038] (1)線餅徑向形變
[0039]變壓器內(nèi)部繞組受到向內(nèi)的電磁力，外部繞組受到向外的電磁力。因此在電磁力 的徑向分量的作用下，變壓器繞組可能發(fā)生徑向形變。當繞組導體的剛度遠小于支撐件的 剛度時，內(nèi)部低壓繞組被撐條牢固固定，電磁力使導體發(fā)生彎曲，造成繞組在一處或多出發(fā) 生凹陷，發(fā)生受迫翹曲。如圖3所示，線餅的凹陷由兩個平均半徑均為R的線餅相交而成，在 此過程中兩線餅的平均半徑相同，且相交段對應的圓心角一致，因此圓周總長度不變。為衡 量圓環(huán)型線餅的畸變程度，定義了以下表征：
[0040]
[0041]式中，R為線餅的平均半徑，R1為線餅的最小平均半徑。
[0042] (2)繞組軸向位移
[0043] 圖4為繞組整體軸向位移示意圖，圖中低壓繞組在軸向上移動Ah。繞組軸向位移 是由于在短路電流及徑向漏磁通的作用下，繞組整體受到軸向電磁力的作用而產(chǎn)生了軸向 的移動。同時由于繞組兩端壓板并不受短路電磁力的作用，向一端移動的繞組導體會對繞 組運動方向的端部壓板產(chǎn)生擠壓，可能誘發(fā)壓板的損壞。
[0044] 步驟三、在步驟二設置的不同類型及程度結構性故障模型中，求解其主要電氣參 數(shù)(例如對地電容、匝間電容、耦合電容等），建立"結構性故障-電氣參數(shù)"之間的關系。
[0045] 求解變壓器電氣參數(shù)主要是對其電容矩陣及電感矩陣進行求解。
[0046] 有限元模型中變壓器的η