CN106777534A - 一种基于有限元理论的变压器绕组振动传递特性监测方法 - Google Patents

一种基于有限元理论的变压器绕组振动传递特性监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于有限元理论的变压器绕组振动传递特性监测方法，根据变压器绕组和铁芯的实际尺寸建立三维的有限元模型；依次设置变压器油，箱体，铁芯以及绕组材料属性；计算电力变压器正常运行条件下的内部磁场分布；根据磁场分布算得洛伦兹力作为绕组所受电动力，载入COMSOL模型中；在COMSOL中设置固体力学，压力声学和壳三个物理场，建立电磁‑机械‑流体多物理场耦合模型；对电磁‑机械‑流体多物理场耦合模型计算100Hz下变压器外壳振动加速度分布云图。采用三维有限元分析技术对变压器振动信号的产生及传递过程进行较为精确地计算。

Description

一种基于有限元理论的变压器绕组振动传递特性监测方法
技术领域
本发明涉及电力变压器仿真的技术领域，尤其涉及一种基于有限元理论的变压器绕组振动传递特性监测方法。
背景技术
电力变压器是电力系统中十分重要和昂贵的设备之一。它的运行状况不仅影响其本身的安全，而且影响着整个电力系统运行的稳定性和可靠性。长期以来，电力变压器的安全、可靠运行一直受到电力运行和管理部门的普遍重视，这也是系统安全、稳定和经济运行的重要指标。随着国民经济的快速发展，人们对电的需求越来越大，电力变压器所发挥的作用也日益重要，并且朝着电压等级和容量更大的方向发展。
变压器振动是由于变压器本体的振动及冷却装置的振动产生的。变压器本体的振动主要取决于铁心和绕组的振动。国内外的研究和试验证明，铁心的振动主要取决于硅钢片的磁致伸缩。随着超取向高导磁硅钢片(例如Hi-B硅钢片)在变压器制造中的使用，以及铁心结构设计的改进，铁心工作磁密的降低，负载电流产生的漏磁引起的绕组振动也大大增加。目前，国内外的研究均表明，变压器绕组的振动主要是通过绝缘油传至油箱的；铁心的振动是通过两条途径传递给油箱，一条是通过其垫脚传至油箱；另一条是通过绝缘油传至油箱；风扇、油泵等冷却装置的振动通过固体传递的途径也会传至变压器油箱。这样，变压器绕组、铁心以及冷却装置的振动通过各种途径传递到变压器器身表面，引起了变压器器身的振动。由于风扇、油泵振动引起的冷却系统振动的频谱集中在100Hz以下，这与本体的振动特性明显不同，可以比较容易地从变压器振动信号中分辨出来。建立变压器振动有限元仿真模型，计算负载条件下变压器电气参量，磁场以及内部电动力，综合考虑变压器机械结构和电气特性，建立“电磁-机械-流体”多物理场耦合模型，研究变压器振动在油箱中的传播特性以及箱体表面的振动分布。通过建立变压器振动传递特性仿真模型，深入分析变压器绕组及铁心的振动信号在传递过程中发生的变化，对于建立科学完善的基于振动信号分析的变压器诊断方法具有重要意义。
发明内容
为了克服上述现有技术中的不足，本发明的目的在于，提供一种基于有限元理论的变压器绕组振动传递特性监测方法，方法包括：
步骤一：根据变压器绕组和铁芯的实际尺寸建立三维的有限元模型；
步骤二：依次设置变压器油，箱体，铁芯以及绕组材料属性；
步骤三：计算电力变压器正常运行条件下的内部磁场分布；
步骤四：根据磁场分布算得洛伦兹力作为绕组所受电动力，载入COMSOL模型中；
步骤五：在COMSOL中设置固体力学，压力声学和壳三个物理场，建立电磁-机械-流体多物理场耦合模型；
步骤六：对电磁-机械-流体多物理场耦合模型计算100Hz下变压器外壳振动加速度分布云图。
优选地，步骤一还包括：根据变压器绕组和铁芯的实际尺寸建立只包含三相铁芯柱和绕组以及包含本部充满变压器油的变压器箱体的三维的有限元模型，变压器绕组模型包含线饼、垫块、压板。
优选地，步骤二还包括：依次设置变压器油，变压器箱体，铁芯以及绕组线饼、垫块、压板的材料属性。
优选地，步骤五还包括：在COMSOL模型中增加磁场(mf)这一物理场，设定安培定律，磁绝缘的应用范围，设置多匝线圈条件，并确定高低压绕组的电流方向相反；
在COMSOL模型中增加固体力学(solid)这一物理场，设定线弹性材料和自由的范围，规定初始值均为零，设置固定约束为压板，设置体载荷为Lorentz力贡献，载荷类型为单单位体积力；
在COMSOL模型中增加压力声学，频域(acpr)这一物理场，设定压力声学和硬声场边界的范围，规定初始值为零；
在COMSOL模型中增加壳(shell)这一物理场，设定线弹性材料和自由的范围，规定初始值为零。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
针对传统的对于电力变压器绕组动稳性的二维及三维仿真计算忽略振动信号在变压器油中传递过程及传递到油箱表面后所发生的变化这一明显缺陷，采用三维有限元分析技术对变压器振动信号的产生及传递过程进行较为精确地计算，为研究变压器振动传递特性提供参考。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为基于有限元理论的变压器绕组振动传递特性监测方法流程图；
图2为绕组和铁心模型图；
图3为电磁-机械-流体多物理场模型图；
图4为X轴方向变压器稳态时绕外壳的振动加速度云图；
图5为Y轴方向变压器稳态时绕外壳的振动加速度云图；
图6为Z轴方向变压器稳态时绕外壳的振动加速度云图。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将运用具体的实施例及附图，对本发明保护的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本专利中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利保护的范围。
本实施例提供一种基于有限元理论的变压器绕组振动传递特性监测方法，如图1所示，方法包括：
步骤一：根据变压器绕组和铁芯的实际尺寸建立三维的有限元模型；
步骤二：依次设置变压器油，箱体，铁芯以及绕组材料属性；
步骤三：计算电力变压器正常运行条件下的内部磁场分布；
步骤四：根据磁场分布算得洛伦兹力作为绕组所受电动力，载入COMSOL模型中；
步骤五：在COMSOL中设置固体力学，压力声学和壳等三个物理场，建立电磁-机械-流体多物理场耦合模型；
步骤六：对电磁-机械-流体多物理场耦合模型计算100Hz下变压器外壳振动加速度分布云图。
本实施例中，步骤一还包括：根据变压器绕组和铁芯的实际尺寸建立只包含三相铁芯柱和绕组以及包含本部充满变压器油的变压器箱体的三维的有限元模型，变压器绕组模型包含线饼、垫块、压板。
步骤二还包括：依次设置变压器油，变压器箱体，铁芯以及绕组线饼、垫块、压板的材料属性。
步骤五还包括：在COMSOL模型中增加磁场(mf)这一物理场，设定安培定律，磁绝缘的应用范围，设置多匝线圈条件，并确定高低压绕组的电流方向相反；
在COMSOL模型中增加固体力学(solid)这一物理场，设定线弹性材料和自由的范围，规定初始值均为零，设置固定约束为压板，设置体载荷为Lorentz力贡献，载荷类型为单单位体积力；
在COMSOL模型中增加压力声学，频域(acpr)这一物理场，设定压力声学和硬声场边界的范围，规定初始值为零；
在COMSOL模型中增加壳(shell)这一物理场，设定线弹性材料和自由的范围，规定初始值为零。
本实施例中，根据表1-表3中的变压器参数建立变压器绕组和铁芯的三维的有限元模型，变压器绕组1和铁芯2如图2所示；
表1 铁心参数
表2 高压绕组参数
表3 低压绕组参数
变压器油的粘度系数及其他基本参数为：
铁心BH曲线及其他基本参数为：
导线杨氏模量，泊松比及其他基本参数为：
绕组垫块杨氏模量，泊松比及其他基本参数为：
变压器外壳结构钢体基本参数为：
基于上述数据参数建立包含三相铁芯柱和绕组以及包含本部充满变压器油的变压器箱体的三维的有限元模型，变压器绕组模型包含线饼、垫块、压板；
依次设置变压器油，变压器箱体，铁芯以及绕组线饼、垫块、压板的材料属性；
在COMSOL中设置固体力学，压力声学和壳三个物理场，建立电磁-机械-流体多物理场耦合模型，如图3所示；
其中，在COMSOL模型中增加磁场(mf)这一物理场，设定安培定律，磁绝缘的应用范围，设置多匝线圈条件，并确定高低压绕组的电流方向相反；
在COMSOL模型中增加固体力学(solid)这一物理场，设定线弹性材料和自由的范围，规定初始值均为零，设置固定约束为压板，设置体载荷为Lorentz力贡献，载荷类型为单单位体积力；
在COMSOL模型中增加压力声学，频域(acpr)这一物理场，设定压力声学和硬声场边界的范围，规定初始值为零；
在COMSOL模型中增加壳(shell)这一物理场，设定线弹性材料和自由的范围，规定初始值为零；
在COMSOL模型中设置研究模块，第一步计算稳态下变压器内部磁场分布，第二步是频域下固体力学，压力声学(频域)以及壳的多物理场耦合计算，得到变压器正常工作时(稳态)绕外壳的振动加速度云图。变压器正常工作时(稳态)绕外壳的振动加速度云图如图4、图5、图6所示。
这样，针对传统的对于电力变压器绕组动稳性的二维及三维仿真计算忽略振动信号在变压器油中传递过程及传递到油箱表面后所发生的变化这一明显缺陷，采用三维有限元分析技术对变压器振动信号的产生及传递过程进行较为精确地计算，为研究变压器振动传递特性提供参考。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参考即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种基于有限元理论的变压器绕组振动传递特性监测方法，其特征在于，方法包括：
步骤一：根据变压器绕组和铁芯的实际尺寸建立三维的有限元模型；
步骤二：依次设置变压器油，箱体，铁芯以及绕组材料属性；
步骤三：计算电力变压器正常运行条件下的内部磁场分布；
步骤四：根据磁场分布算得洛伦兹力作为绕组所受电动力，载入COMSOL模型中；
步骤五：在COMSOL中设置固体力学，压力声学和壳三个物理场，建立电磁-机械-流体多物理场耦合模型；
步骤六：对电磁-机械-流体多物理场耦合模型计算100Hz下变压器外壳振动加速度分布云图。
2.根据权利要求1所述的基于有限元理论的变压器绕组振动传递特性监测方法，其特征在于，
步骤一还包括：根据变压器绕组和铁芯的实际尺寸建立只包含三相铁芯柱和绕组以及包含本部充满变压器油的变压器箱体的三维的有限元模型，变压器绕组模型包含线饼、垫块、压板。
3.根据权利要求1所述的基于有限元理论的变压器绕组振动传递特性监测方法，其特征在于，
步骤二还包括：依次设置变压器油，变压器箱体，铁芯以及绕组线饼、垫块、压板的材料属性。
4.根据权利要求1所述的基于有限元理论的变压器绕组振动传递特性监测方法，其特征在于，
步骤五还包括：在COMSOL模型中增加磁场(mf)这一物理场，设定安培定律，磁绝缘的应用范围，设置多匝线圈条件，并确定高低压绕组的电流方向相反；
在COMSOL模型中增加固体力学(solid)这一物理场，设定线弹性材料和自由的范围，规定初始值均为零，设置固定约束为压板，设置体载荷为Lorentz力贡献，载荷类型为单单位体积力；
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