CN101819239B - 基于三维温度场快速构建的变压器故障诊断系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于三维温度场快速构建的变压器故障诊断系统，尤其是一种基于有限元法的三维温度场快速构建数值建模方法，此方法着眼于利用研究对象边界(如固态温度场)或内部(如液态、气态或混合型温度场)的某些关键测点的温度信息，以及基于SVM方法的三维温度场回归分析与快速构建技术，提取三维温度场故障特征量以建立温度故障数据库，并将复杂机电系统实体建模的功能模块和有限元热分析功能模块相结合，建立基于温度场特征信息的故障诊断集成分析系统。使用该系统，可以实时掌握复杂机电装备关键零部件温度场变化的基本规律，为变压器故障类型的确定，故障源温度、功率与面积大小以及故障发展趋势的估计、故障点定位提供新的研究途径。

Description

基于三维温度场快速构建的变压器故障诊断系统

技术领域

本发明涉及一种基于三维温度场快速构建的变压器故障诊断系统，尤其是一种基于有限元法的三维温度场快速构建数值建模方法。

背景技术

大型变压器是电力系统中关键设备之一，它的长期、安全、可靠、高效运行的重要性不言而喻。目前变压器正朝大容量、特高电压方向发展，结构越来越复杂，价格昂贵，亟需开展状态监测与故障诊断可靠性研究。变压器运行状态的监测方法较多，这些方法各有特点，研究和应用较多的方法主要有油中溶解气体监测、高频局部放电测量、功率因素测量等。但上述方法通常只能判断变压器是否已出现故障，无法进行故障预测，也无法诊断故障原因、发生故障的部位。因此，寻求变压器故障诊断的新方法已成为学科研究前沿与热点之一。

变压器常见故障与温度间有着必然的联系，对于处在电力变压器外壳内部的各种部件，如导电回路、绝缘介质和铁芯等，发生故障时也会产生不同的热效应。如：导电回路接头、连接件和触头接触不良造成的接触电阻增大和发热；绝缘介质老化、受潮后介质损耗增大，导致发热功率增大；铁芯和可导磁部位因绝缘不良和设计结构不当，造成短路和漏磁，形成局部涡流过热；电压型设备内部元器件缺陷引起的电压分布异常，其相应的去热功率也将发生改变；设备内部缺油时产生两种不同的热效应，即绝缘强度降低引起的局部放电发热和缺油的油面处由于上下介质不同、介质的热容系数相差很大造成的热场分布差异。若未能及时发现并阻止上述故障、隐患的发展，将会因恶性循环而引发连接点熔焊、导线断裂、甚至设备爆炸起火等事故。所以，建立大型电力变压器的温度场分布与故障特征之间的关系，研究基于三维温度场快速构建的变压器故障诊断系统，监测其运行情况，预测并诊断故障对于保障大型变压器的安全高效运行、保证用电安全可靠、促进国民经济发展和社会进步等具有极重要的意义。

发明内容

为了满足基于温度场特征模式分析变压器故障状况，本发明着眼于利用研究对象边界(如固态温度场)或内部(如液态、气态或混合型温度场)的某些关键测点的温度信息，以及基于SVM方法的三维温度场回归分析与快速构建技术，提取三维温度场故障特征量以建立温度故障数据库，并将复杂机电系统实体建模的功能模块和有限元热分析功能模块相结合，建立基于温度场特征信息的故障诊断集成分析系统。使用该系统，可以实时掌握复杂机电装备关键零部件温度场变化的基本规律，为变压器故障类型的确定，故障源温度、功率与面积大小以及故障发展趋势的估计、故障点定位提供新的研究途径。

一种基于三维温度场快速构建的变压器故障诊断系统(见图1)，包括变压器三维温度场在线监测模块、三维温度场回归分析与快速构建模块、三维温度场实体建模与热分析模块(见图2)以及故障诊断集成分析模块。

所述的变压器三维温度场在线监测模块利用光纤传感器监测变压器的过热故障，通过计算实时显示变压器各热点的运行温度。其组成包括传感器、红外热像仪、信号处理电路、下位机。工作原理是：利用一定数量的光纤传感器实时在线检测变压器绕组、铁芯、箱体以及不同位置的变压器油等的温度，传感器的检测的温度电压信号连接于所述的信号处理电路，所述的信号处理电路完成信号的放大、滤波以及模数转换，同时下位机将数据经总线传输给存贮于上位计算机三维温度场回归分析与快速构建模块的数据库。

所述的三维温度场回归分析与快速构建模块，其组成包括数据库和三维温度场回归分析与快速构建模块。所述的数据库借助于Access或其他数据库开发工具进行开发，用于将传感器检测的温度场信号实施存贮；所述的三维温度场回归分析与快速构建模块结合变压器运行过程中温度场边界信息，利用SVM方法对变压器运行过程中温度场进行估计重构，并同实测值进行对比；同时使用红外热像仪传输的变压器温度场图像信息和辐射传递方程反演测量，得到变压器温度场特征实测信息。

所述的三维温度场实体建模与热分析模块，其组成包括实体建模模块和基于有限元方法的温度场分析模块。所述实体建模模块和基于有限元方法的温度场分析模块实施方法包括以下步骤：

(1)对有温度分布或者温度变化的物体或者系统进行实体建模；

(2)将建立好的实体模型导入至有限元分析软件中，显示实体模型；

(3)进行网格划分建立有限元模型，并设置材料参数和边界条件；

(4)施加约束载荷，提交计算机求解；

(5)建立温度场模型，显示结果。

步骤(1)中，进行实体建模的软件为SolidWorks、Pro/E、或者UG；

步骤(2)中，实体建模的软件与限元分析软件，通过一个可相互操作的数据通道，进行系统共享和几何数据交换；

步骤(3)中，设置的材料参数有特性参数和热力学性能参数，包括材料密度、比热容、热传导系数等。

进一步，所述步骤(1)中，实体建模的步骤依次为规划设计意图、创建基体特征、细节特征设计、特征修改、完成建模；

步骤(2)中，选择SAT作为数据交换的传输格式，将实体建模导入至ANSYS有限元分析软件；

步骤(3)中，网格划分时选择单元类型为三维实体单元类型。

所述的故障诊断集成分析模块，包括对应于变压器热故障的温度场特征库以及其它类型故障数据库。

本发明的有益效果如下：

本发明提供了一种基于三维温度场快速构建方法，融合实验测试数据和有限元数值分析结果，并通过建立的大型电力变压器的温度场分布与故障特征之间的已知关系，监测其运行情况，预测并诊断故障，以保证大型变压器的正常、连续运行。本发明还提供了基于有限元的三维温度场建模方法，该方法将可进行实体建模的功能模块和可进行有限元分析的功能模块相结合，形成集成的分析系统，既发挥了有限元强大分析功能，又克服了其建模功能薄弱的缺点。

附图说明

图1是基于温度场特征提取的变压器故障诊断流程图。

图2是变压器实体建模与温度场特征分布求解流程图。

图3是45#钢箱体有限元温度场分布图。

具体实施方式

下面结合附图1、图2、图3进一步说明本发明的结构特征。

(一)、首先用布置于变压器关键部位的多个光纤温度传感器实时监测变压器绕组、油、箱体等关键点温度信息，其次，将光纤传感器采集的模拟量信号输送到信号处理电路，对感应的温度信号进行放大、滤波处理；最后，处理后的信号传输至下位机，实现信号的模数转换，使得温度信号转换为数字信息，并通过上位机与下位机之间的总线，将采集的温度信号保存于上位计数据库。同时，红外热像仪将捕捉的温度分布的图像信息传输至上位计算机，

(二)、数据库温度信号转化为一系列的输入样本序列，利用支持向量回归的全局优化和泛化能力进行噪声抑制，从而回归出有效的边界温度特征信息；三维温度场回归分析计算公式表达为f(x，w)＝w·Φ(x)+b，w为权向量，b为阈值，x为样本的时间序列。进一步，对经过回归预处理的信号建立SVM预测模型，并结合红外热像仪采集的变压器运行时的温度图像信息，提取预测误差值作为特征值，最后根据特征值是否出现异常来判断是否有故障的出现。

(三)、用三维建模软件建立变压器装备模型，建模步骤依次为规划设计意图、创建基体特征、细节特征设计、特征修改、完成建模。选择SAT作为数据交换的传输格式，将建立好的实体模型，导入至ANSYS有限元分析软件中，进行有限元分析。

(四)、实施(二)(三)，分别将相应的计算结果和计算数据传输至故障诊断集成分析模块，结合计算机中存贮的变压器热故障温度场特征库，利用模式识别方法辨识热故障的类型、位置等详细信息。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于三维温度场快速构建的变压器故障诊断系统，其特征在于所述系统包括变压器三维温度场在线监测模块、三维温度场回归分析与快速构建模块、三维温度场实体建模与热分析模块以及故障诊断集成分析模块；变压器三维温度场在线监测模块将检测的温度场信号传输至三维温度场回归分析与快速构建模块，通过计算得到变压器温度场特征实测信息；所述实测信息通过三维温度场实体建模与热分析模块传输至故障诊断集成分析模块，结合存贮的变压器热故障温度场特征库，辨识热故障的类型、位置的详细信息；三维温度场实体建模与热分析模块根据接收到的温度场特征实测信息建立温度场模型；

所述的三维温度场实体建模与热分析模块，其组成包括实体建模模块和基于有限元方法的温度场分析模块，所述实体建模模块和基于有限元方法的温度场分析模块实施方法包括以下步骤：

①对有温度分布或者温度变化的物体或者系统进行实体建模；

②将建立好的实体模型导入至有限元分析软件中，显示实体模型；

③进行网格划分建立有限元模型，并设置材料参数和边界条件；

④施加约束载荷，提交计算机求解；

⑤建立温度场模型，显示结果。

2.根据权利要求1所述的基于三维温度场快速构建的变压器故障诊断系统，其特征在于所述的变压器三维温度场在线监测模块，其组成包括传感器、红外热像仪、信号处理电路；工作原理是：利用一定数量的所述的传感器实时在线检测某些关键点温度，传感器的检测的温度电压信号连接于所述的信号处理电路，所述的信号处理电路完成信号的放大、滤波以及模数转换，同时信号处理电路将数据传输给存贮于三维温度场回归分析与快速构建模块的数据库。

3.根据权利要求1所述的基于三维温度场快速构建的变压器故障诊断系统，其特征在于所述步骤①中，进行实体建模的软件为SolidWorks、Pro/E、或者UG；建模步骤依次为规划设计意图、创建基体特征、细节特征设计、特征修改、完成建模。

4.根据权利要求1所述的基于三维温度场快速构建的变压器故障诊断系统，其特征在于所述步骤②中，实体建模的软件与所述有限元分析软件，通过一个可相互操作的数据通道，进行系统共享和几何数据交换；选择SAT作为数据交换的传输格式，将实体建模模块建立的模型导入至基于有限元方法的温度场分析模块。

5.根据权利要求1所述的基于三维温度场快速构建的变压器故障诊断系统，其特征在于所述步骤③中，设置的材料参数有特性参数和热力学性能参数，包括材料密度、比热容、热传导系数。

6.根据权利要求1所述的基于三维温度场快速构建的变压器故障诊断系统，其特征在于所述的故障诊断集成分析模块，还包括变压器故障相对应的温度场特征库以及故障数据库。

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