CN106815437B - 变压器稳态工况下油箱振动敏感区域确定方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种变压器稳态工况下油箱振动敏感区域确定方法及装置，本发明实施例考虑了油浸式变压器运行时绕组、铁心等本体的振动激励源特性，以及绝缘油作为振动传递介质均匀传递载荷的影响，确保所确定的油箱表面振动敏感区域振动信号幅值相比其它区域占优，且对绕组、铁心等振动源的变化反映灵敏。本发明实施例确定的振动敏感区域，其振动能灵敏反应变压器绕组、铁心振动特性和状态特征。

Description

变压器稳态工况下油箱振动敏感区域确定方法及装置

技术领域

本发明涉及电力设备振动分析技术领域，尤其涉及一种变压器稳态工况下油箱振动敏感区域确定方法及装置。

背景技术

电力变压器是电力系统的枢纽设备，其安全可靠运行直接影响着电网的安全稳定性。绕组和铁心等本体是变压器故障多发部件，主要表现为绕组或铁心的机械结构在电磁力或者机械力作用下发生不可恢复的改变。由于变压器内部机械、电气结构复杂，一旦绕组机械结构发生改变，随之而变化的特征参量较多，因此针对不同特征量的监测引申了出多种变压器绕组状态监测方案。目前较为常用的包括短路阻抗法、频率响应法，扫频阻抗法，低压脉冲法以及振动信号分析法等。

变压器运行时，硅钢片的磁致伸缩会引起铁心振动，同时绕组在负载电流的电磁力作用下也会产生振动，并通过本体、支撑结构和绝缘油传递到油箱表面，引起油箱的振动。变压器油箱壁的振动与变压器绕组及铁心的压紧状况、位移和绕组的变形程度等机械状态有十分密切的关系；因此，可通过测量和分析变压器油箱壁的振动信号变化，研究变压器绕组及铁心机械状态的变化。

振动与机械结构自身特性及运行工况有关，对机械状态变化反映较为灵敏，变压器振动测试系统与电力系统间无电气连接，基于变压器振动信号的变压器状态监测技术因其能够实现对电力变压器实现在线监测的优点得到越来越多的关注，以期通过振动方法准确评估变压器内部机械状态，提高变压器的故障预警能力。

现有的变压器振动监测系统，都是在变压器油箱表面粘贴电信号振动传感器，根据油箱表面振动来推测变压器本体的振动及机械状态的变化。油箱表面的振动不仅与振动源和振动传递路径相关，还受油箱体本身机械结构特性的影响，油箱表面上的振动并不都能有效地体现本体的振动和机械状态。因此，对变压器铁心、绕组等本体的振动及机械状态变化反映灵敏的油箱表面敏感区域进行研究分析，排除冷却装置等外在振源、加强筋等振动传递路径上不利因素的干扰，合理选择测点，对于实现变压器铁心、绕组等本体的机械状态线状态监测和故障诊断非常重要。

传统方法测试变压器振动时，大多根据凭经验将测点布置在与绕组对应的油箱壁平板上，也有方法现在油箱壁上密集布置测点，对比各工况下的振动情况，然后从中选择振动幅值较大的测点，用于变压器振动特性测试与研究。从根本上来说，这些方法没有考虑变压器激振力特性以及机械结构特征等自身固有特性，测试得到的结果无法准确、客观地反映变压器本体的机械状态及其变化趋势，难以应用于实际的现场测试中。

因此，提供一种能够敏感反应变压器绕组、铁心振动特性和状态特征的振动敏感区域确定方法及装置是本领域技术人员需要解决的技术问题。

发明内容

本发明实施例提供了一种变压器稳态工况下油箱振动敏感区域确定方法及装置，本发明实施例确定的振动敏感区域，其振动能灵敏反应变压器绕组、铁心振动特性和状态特征。

本发明实施例提供了一种变压器稳态工况下油箱振动敏感区域确定方法，包括：

建立与变压器油箱几何相似的节点模型，得到所述节点模型的各个节点；

获取到各个所述节点的原点频响函数和跨点频响函数，根据所述原点频响函数和所述跨点频响函数构造频响函数矩阵；

根据所述频响函数矩阵通过预置第一公式计算各个所述节点的振动响应；

通过预置第二公式对所述振动响应进行计算得到各个所述节点的振动综合评价指标，并根据所述振动综合评价指标在各个所述节点中选取振动测点。

优选地，所述根据所述频响函数矩阵通过预置第一公式计算各个所述节点的振动响应具体为：

根据所述频响函数矩阵通过预置第一公式计算各个所述节点在各个单位均布载荷频率作用下的振动响应。

优选地，所述通过预置第二公式对所述振动响应进行计算得到各个所述节点的振动综合评价指标，并根据所述振动综合评价指标在各个所述节点中选取振动测点具体为：

获取到与各个所述单位均布载荷频率对应的权重系数，通过预置第二公式对所述振动响应和所述权重系数进行计算得到各个所述节点的振动综合评价指标，并根据所述振动综合评价指标在各个所述节点中选取振动测点。

优选地，沿所述节点模型高度方向的节点数量为至少3个。

优选地，所述频响函数矩阵为：

其中，ω为频率；h_ij为i节点的频响函数，表示在节点模型的第j个节点施加单位幅值正弦激励后节点模型第i个节点的稳态响应，i＝j，h_ij为原点频响函数，i≠j，h_ij为跨点频响函数。

优选地，所述预置第一公式为：

其中，ω为单位均布载荷频率，单位为Hz；|h_ij(ω)|为在节点模型的第j个节点施加单位幅值正弦激励后节点模型第i个节点的稳态响应幅值。

优选地，所述预置第二公式为：

式中，R_i为第i节点的振动综合评价指标；P_k为振动响应中与单位均布载荷频率ω_k对应的权重系数，ω_k≤1000Hz，

优选地，本发明实施例还提供了一种变压器稳态工况下油箱振动敏感区域确定装置，包括：

建立单元，用于建立与变压器油箱几何相似的节点模型，得到所述节点模型的各个节点；

构造单元，用于获取到各个所述节点的原点频响函数和跨点频响函数，根据所述原点频响函数和所述跨点频响函数构造频响函数矩阵；

计算单元，用于根据所述频响函数矩阵通过预置第一公式计算各个所述节点的振动响应；

选取单元，用于通过预置第二公式对所述振动响应进行计算得到各个所述节点的振动综合评价指标，并根据所述振动综合评价指标在各个所述节点中选取振动测点。

优选地，所述计算单元还用于根据所述频响函数矩阵通过预置第一公式计算各个所述节点在各个单位均布载荷频率作用下的振动响应。

优选地，所述选取单元还用于获取到与各个所述单位均布载荷频率对应的权重系数，通过预置第二公式对所述振动响应和所述权重系数进行计算得到各个所述节点的振动综合评价指标，并根据所述振动综合评价指标在各个所述节点中选取振动测点作。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明实施例提供了一种变压器稳态工况下油箱振动敏感区域确定方法及装置，其中，该变压器稳态工况下油箱振动敏感区域确定方法包括：建立与变压器油箱几何相似的节点模型，得到所述节点模型的各个节点；获取到各个所述节点的原点频响函数和跨点频响函数，根据所述原点频响函数和所述跨点频响函数构造频响函数矩阵；根据所述频响函数矩阵通过预置第一公式计算各个所述节点的振动响应；通过预置第二公式对所述振动响应进行计算得到各个所述节点的振动综合评价指标，并根据所述振动综合评价指标在各个所述节点中选取振动测点。本发明实施例通过构造与稳态工况下变压器油箱几何相似的节点模型，得到节点模型节点的频响函数矩阵，再根据频响函数矩阵并通过公式计算得到各个节点的振动响应，最后对振动响应进行计算得到振动综合评价指标，根据振动综合评价指标选取出振动测点，本发明实施例确定的振动敏感区域，其振动能灵敏反应变压器绕组、铁心振动特性和状态特征。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的一种变压器稳态工况下油箱振动敏感区域确定方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种变压器稳态工况下油箱振动敏感区域确定方法的另一流程示意图；

图3为本发明实施例提供的一种变压器稳态工况下油箱振动敏感区域确定装置的结构示意图；

图4为部分节点振动幅值与电压相对值之间的曲线示意图；

图5为部分节点振动幅值与电流相对值之间的曲线示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种变压器稳态工况下油箱振动敏感区域确定方法及装置，本发明实施例确定的振动敏感区域，其振动能灵敏反应变压器绕组、铁心振动特性和状态特征。

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，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例提供的一种变压器稳态工况下油箱振动敏感区域确定方法的一个实施例，包括：

101、建立与变压器油箱几何相似的节点模型，得到节点模型的各个节点；

102、获取到各个节点的原点频响函数和跨点频响函数，根据原点频响函数和跨点频响函数构造频响函数矩阵；

103、根据频响函数矩阵通过预置第一公式计算各个节点的振动响应；

104、通过预置第二公式对振动响应进行计算得到各个节点的振动综合评价指标，并根据振动综合评价指标在各个节点中选取振动测点。

请参阅图2，本发明实施例提供的一种变压器稳态工况下油箱振动敏感区域确定方法的另一个实施例，包括：

201、建立与变压器油箱几何相似的节点模型，得到节点模型的各个节点；

建立一个与变压器油箱几何相似的节点模型，节点数量n根据拟布置的变压器振动测点数量X确定：一般地，n≥3X，沿节点模型高度方向的节点数量为至少3个。

202、获取到各个节点的原点频响函数和跨点频响函数，根据原点频响函数和跨点频响函数构造频响函数矩阵；

得到节点后，获取到各个节点的原点频响函数和跨点频响函数，根据原点频响函数和跨点频响函数构造频响函数矩阵。

203、根据频响函数矩阵通过预置第一公式计算各个节点在各个单位均布载荷频率作用下的振动响应；

得到频响函数矩阵后，根据频响函数矩阵通过预置第一公式计算各个节点在各个单位均布载荷频率作用下的振动响应。

204、获取到与各个单位均布载荷频率对应的权重系数，通过预置第二公式对振动响应和权重系数进行计算得到各个节点的振动综合评价指标，并根据振动综合评价指标在各个节点中选取振动测点。

得到振动响应后，获取到与各个单位均布载荷频率对应的权重系数，并通过预置第二公式对振动响应和权重系数进行计算得到各个节点的振动综合评价指标，并根据振动综合评价指标在各个节点中选取振动测点。

在本实施例中，频响函数矩阵为：

其中，ω为频率；h_ij为i节点的频响函数，表示在节点模型的第j个节点施加单位幅值正弦激励后节点模型第i个节点的稳态响应，i＝j，h_ij为原点频响函数，i≠j，h_ij为跨点频响函数。

进一步地，预置第一公式为：

其中，ω为单位均布载荷频率，单位为Hz；|h_ij(ω)|为在节点模型的第j个节点施加单位幅值正弦激励后节点模型第i个节点的稳态响应幅值。对于油浸式变压器，绕组振动和铁心磁致伸缩是其本体振动的振源，激振力频谱分量主要是100Hz及100Hz的倍频，故可主要计算A_i(ω_k)，ω_k＝100k(k＝1,2,…,10)。

进一步地，预置第二公式为：

式中，R_i为第i节点的振动综合评价指标；P_k为振动响应中与单位均布载荷频率ω_k对应的权重系数，ω_k≤1000Hz，

对于油浸式变压器，空载运行时，因变压器铁心的磁路饱和，振动除100Hz基频分量外还有较强的3次谐波和5次谐波，而负载运行时，基本都是100Hz基频分量，故计算每个节点的振动综合评价指标时，可主要考虑100Hz、300Hz、500Hz对应的权重系数。选取节点振动综合评价指标Rⁱ最大的前X个测点作为实际测试时采用的振动测点。

上面是对一种变压器稳态工况下油箱振动敏感区域确定方法进行的详细说明，为便于理解，下面将以一具体应用场景对一种变压器稳态工况下油箱振动敏感区域确定方法的应用进行说明，应用例包括：

1、建立变压器的几何节点模型。

沿绕组高度方向布置三层节点，高压及低压套管正对着的油箱壁面每层5个节点，两侧面油箱壁面每层3个节点，共计36个节点。

2、获得节点的频响函数矩阵。

考虑到油浸式变压器油箱系统可能存在的非线性导致的频响函数矩阵的非对称性，采用锤击法测量频响函数矩阵中的每一个元素。根据建立的几何模型，在所有的节点上布置灵敏度为100mV/g的PCB333B32加速度传感器，用安装有力传感器、灵敏度为0.23mV/N的PCB公司086D50冲击力锤逐次敲击，所有信号经LMS-SCADA系统采集分析后，获得频响函数矩阵中的每一个元素。

3、计算各主要频率、单位均布载荷作用于所有节点时各节点的振动响应。

油浸式电力变压器的振源主要是铁心和绕组，铁心的振动主要由硅钢片的磁致伸缩现象以及硅钢片之间涡流作用引起的电磁力产生，而绕组振动主要由通有交变电流的线圈在漏磁场中所受动态电磁力引起，激振力主要是100Hz以及100Hz的倍频，从上一步骤获得节点的频响函数曲线上可直接获得各频率对应的响应，利用下式计算单位均布载荷作用于所有节点时各节点的振动响应：

部分测点在各主要频率、单位均布载荷作用于所有节点时的振动响应见表1，表中g为重力加速度。

表1部分节点的振动响应

4、确定权重系数，计算振动综合评价指标，确定振动敏感测点。

变压器空载时，由于变压器铁心的磁路饱和，磁通和励磁电流之间具有非线性关系，当磁通为正弦波时，励磁电流中除基波外还有较强的高次谐波，主要是3次谐波和5次谐波，故振动信号中除100Hz基频分量外，还出现300Hz和500Hz的高频分量，取100Hz、300Hz、500Hz的权重系数分别为0.5、0.25、0.25，各节点的振动综合评价指标采用以下公式计算

部分节点的振动综合评价指标及不同电压等级下的空载振动见表2、图4。表中g为重力加速度，表和图中的U、U₀分别为电压值、额定电压值。

表2部分节点的空载振动响应

变压器负载时，主要是绕组的振动，振动信号中基本都是100Hz基频分量，故直接将100Hz的权重系数取为1，各节点的振动综合评价指标采用以下公式计算

部分节点的振动综合评价指标及不同电流等级下的空载振动见表3、图5。表中g为重力加速度，表和图中的I、I₀分别为电流值、额定电流值。

表3部分节点的负载振动响应

从表2、表3可以看到，节点的振动综合评价指标越高，测试得到的空载振动、负载振动数值也大，随空载电压、负载电流的变化也更为敏感，说明可以根据节点的振动综合评价指标来确定油浸式电力变压器油箱的振动敏感区域，其振动能灵敏反应变压器绕组、铁心振动特性和状态特征。

请参阅图3，本发明实施例提供的一种变压器稳态工况下油箱振动敏感区域确定装置的一个实施例，包括：

建立单元301，用于建立与变压器油箱几何相似的节点模型，得到节点模型的各个节点；

构造单元302，用于获取到各个节点的原点频响函数和跨点频响函数，根据原点频响函数和跨点频响函数构造频响函数矩阵；

计算单元303，用于根据频响函数矩阵通过预置第一公式计算各个节点的振动响应；

选取单元304，用于通过预置第二公式对振动响应进行计算得到各个节点的振动综合评价指标，并根据振动综合评价指标在各个节点中选取振动测点。

进一步地，计算单元303还用于根据频响函数矩阵通过预置第一公式计算各个节点在各个单位均布载荷频率作用下的振动响应。

进一步地，选取单元304还用于获取到与各个单位均布载荷频率对应的权重系数，通过预置第二公式对振动响应和权重系数进行计算得到各个节点的振动综合评价指标，并根据振动综合评价指标在各个节点中选取振动测点作。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种变压器稳态工况下油箱振动敏感区域确定方法，其特征在于，包括：

建立与变压器油箱几何相似的节点模型，得到所述节点模型的各个节点，所述节点模型包括36个节点，在沿绕组高度方向布置三层节点，高压及低压套管正对着的油箱壁面每层5个节点，两侧面油箱壁面每层3个节点；

获取到各个所述节点的原点频响函数和跨点频响函数，根据所述原点频响函数和所述跨点频响函数构造频响函数矩阵；

根据所述频响函数矩阵通过预置第一公式计算各个所述节点的振动响应，所述预置第一公式为：

其中，ω为单位均布载荷频率，单位为Hz；|h_ij(ω)|为在节点模型的第j个节点施加单位幅值正弦激励后节点模型第i个节点的稳态响应幅值，n为节点数量；

通过预置第二公式对所述振动响应进行计算得到各个所述节点的振动综合评价指标，并根据所述振动综合评价指标在各个所述节点中选取振动测点，所述预置第二公式为：

式中，R_i为第i节点的振动综合评价指标；P_k为振动响应中与第k个单位均布载荷频率ω_k对应的权重系数，ω_k≤1000Hz，

2.根据权利要求1所述的变压器稳态工况下油箱振动敏感区域确定方法，其特征在于，所述根据所述频响函数矩阵通过预置第一公式计算各个所述节点的振动响应具体为：

根据所述频响函数矩阵通过预置第一公式计算各个所述节点在各个单位均布载荷频率作用下的振动响应。

3.根据权利要求2所述的变压器稳态工况下油箱振动敏感区域确定方法，其特征在于，所述通过预置第二公式对所述振动响应进行计算得到各个所述节点的振动综合评价指标，并根据所述振动综合评价指标在各个所述节点中选取振动测点具体为：

获取到与各个所述单位均布载荷频率对应的权重系数，通过预置第二公式对所述振动响应和所述权重系数进行计算得到各个所述节点的振动综合评价指标，并根据所述振动综合评价指标在各个所述节点中选取振动测点。

4.根据权利要求1所述的变压器稳态工况下油箱振动敏感区域确定方法，其特征在于，沿所述节点模型高度方向的节点数量为至少3个。

5.根据权利要求3所述的变压器稳态工况下油箱振动敏感区域确定方法，其特征在于，所述频响函数矩阵为：

其中，ω为频率；h_ij为i节点的频响函数，表示在节点模型的第j个节点施加单位幅值正弦激励后节点模型第i个节点的稳态响应，i＝j，h_ij为原点频响函数，i≠j，h_ij为跨点频响函数。

6.一种变压器稳态工况下油箱振动敏感区域确定装置，其特征在于，包括：

建立单元，用于建立与变压器油箱几何相似的节点模型，得到所述节点模型的各个节点，所述节点模型包括36个节点，在沿绕组高度方向布置三层节点，高压及低压套管正对着的油箱壁面每层5个节点，两侧面油箱壁面每层3个节点；

构造单元，用于获取到各个所述节点的原点频响函数和跨点频响函数，根据所述原点频响函数和所述跨点频响函数构造频响函数矩阵；

计算单元，用于根据所述频响函数矩阵通过预置第一公式计算各个所述节点的振动响应，所述预置第一公式为：

其中，ω为单位均布载荷频率，单位为Hz；|h_ij(ω)|为在节点模型的第j个节点施加单位幅值正弦激励后节点模型第i个节点的稳态响应幅值，n为节点数量；

选取单元，用于通过预置第二公式对所述振动响应进行计算得到各个所述节点的振动综合评价指标，并根据所述振动综合评价指标在各个所述节点中选取振动测点，所述预置第二公式为：

式中，R_i为第i个节点的振动综合评价指标；P_k为振动响应中与第k个单位均布载荷频率ω_k对应的权重系数，ω_k≤1000Hz，

7.根据权利要求6所述的变压器稳态工况下油箱振动敏感区域确定装置，其特征在于，所述计算单元还用于根据所述频响函数矩阵通过预置第一公式计算各个所述节点在各个单位均布载荷频率作用下的振动响应。

8.根据权利要求6所述的变压器稳态工况下油箱振动敏感区域确定装置，其特征在于，所述选取单元还用于获取到与各个所述单位均布载荷频率对应的权重系数，通过预置第二公式对所述振动响应和所述权重系数进行计算得到各个所述节点的振动综合评价指标，并根据所述振动综合评价指标在各个所述节点中选取振动测点。

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