CN109657303A - 一种基于流固耦合的有载分接开关固有频率计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于流固耦合的湿模态法有载分接开关固有频率计算方法，主要包括：步骤一：测量有载分接开关尺寸；步骤二：根据步骤一所量测的尺寸，基于流固耦合理论，建立有载分接开关几何模型；步骤三：根据步骤二建立的模型，采用湿模态法计算有载分接开关内部的一阶模态即内部固有频率；步骤四：验证步骤三中计算得到的有载分接开关固有频率的正确性并进行修正。经过和实验数据进行对比，验证了该计算方法所得到的固有频率的正确性，该计算方法可以作为后续故障研究的特征量，以及瞬态分析时测点对比优化的依据。

Description

一种基于流固耦合的有载分接开关固有频率计算方法

技术领域

本发明涉及一种有载分接开关固有频率计算方法，尤其涉及通过湿模态方法分析的有载分接开关内部触头碰撞的固有频率计算方法，属于有载分接开关的故障监测与故障振动领域。

背景技术

随着电力工业的迅速发展，电力设备容积和电力网络规模也日益增大，电力设备的可能故障会引起巨大的经济损失和不良的社会影响，这就给供电质量提出了更高的要求和前所未有的挑战。因此，必须切实采取有效措施，提高电力系统的供电质量，保证电力设备与系统的安全、可靠、经济与稳定运行。基于在线监测与诊断技术的状态维修具有良好的应用前景。有载调压变压器，是电力系统变电站的重要设备，它通过有载调压分接开关的逐级动作，实现对高压输电电网的有载调压，使工业供电和居民供电的系统电压保持稳定。有载调压变压器在电力系统中发挥了网络电网、调节有功和无功潮流，以及稳定负荷中心电压的重要作用，在电网中应用广泛，通常在高压输电变压器上和重要负载的配电变压器上均有调压。

有载分接开关(On load Tap changer，OLTC)是变压器的主要部件，它是变压器唯一的可动部件，其故障发生率较高。依据国内数据统计，OLTC的故障率占变压器的20％以上。因此，鉴于有载分接开关动作频繁、故障率高的特点，对有载分接开关的故障诊断监测具有非常重要的意义。

传统方法分析OLTC的振动特征量提取采用了HHT、小波分析等方法。其中HHT可以避免复杂的数学计算，以实现快速计算的目的，但是从数学角度和物理角度分析出发，该方法没有实际意义，且精度不高，循环过于复杂。小波分析具有多分辨率的特点，可以由粗到细的观察吸信号，但是该方法对于非线性信号不适用。基于上述背景，为了更好的对OLTC内部振动特征量进行分析，本发明通过建立几何模型，采用Ansys软件对OLTC内部本身特征进行仿真数值分析，并和振动法相结合进行验证。

发明内容

本发明提出了一种基于流固耦合的湿模态法有载分接开关固有频率计算方法。该方法包括以下步骤：

步骤一：测量有载分接开关尺寸。

对有载分接开关的桶盖外侧尺寸，气阀的尺寸，开关桶的内侧直径以及高度，转轴的高度，以及静触头到转轴的距离进行精确量测。

步骤二：根据步骤一所测量的尺寸，基于流固耦合理论，建立有载分接开关几何模型。

当分接开关桶内充满了变压器油，将变压器油考虑为不可压缩的理想流体，当与流体相接触的结构体发生振动时，其周围的流场也会发生变化，这种流场的变化会反过来会使得结构所受到的流体动力发生变化，根据变压器油的特点对桶内部采用流固耦合理论进行分析。考虑到OLTC内部动静触头相互碰撞的瞬间，从俯视的角度看是一个圆盘，且相互碰撞时是点接触，因此将动静触头相互碰撞转化为圆盘上的点与点的相互接触，进而采用流固耦合理论分析OLTC内分接开关圆盘上点振动传播，圆盘为简化后的点对点碰撞模型。根据流固耦合理论，对有载分接开关内部触头接触系统进化简化，将圆盘和竖直的旋转轴连接在一起，插在圆柱形的油桶和油构成的流固耦合面内。

步骤三：根据步骤二建立的模型，采用湿模态法计算有载分接开关内部的一阶模态即内部固有频率。

将步骤二中建立好的几何模型导入Ansys软件，采用湿模态法对桶面和油所构成的流固耦合面进行设定剖分和定义，忽略分接开关的顶面，对分接开关侧壁进行约束，具体的设置为：内部的轴和圆盘连接体，根据之前所测的转轴尺寸，将其垂直插入到分接开关桶内，桶内充满了变压器油，由于考虑到OLTC油桶和油为流固耦合面，油的形状与分接开关桶等同，使用湿模态法进行剖分，其中将油体内加入Acoustic body即声学模块，定义油的密度，并且定义重力加速度。计算经过湿模态定义的一阶模态即OLTC内部固有频率。

步骤四：对有载分接开关的固有频率进行实验量测，验证步骤三中计算得到的固有频率的正确性并进行修正。

采用振动法对OLTC进行实验量测，将所得到的一阶模态即固有频率与实验得到的固有频率进行对比，其中实验数据中振幅最大的为固有频率，如果一阶模态与振幅最大的值相对应偏差不大，则证明该方法是正确的。如果偏差较大，则回到步骤三中，重新设置在Ansys软件中重新对固件之间的约束进行设置，并进一步与实验进行验证，直到与实验的最高振幅的值相似为止。

本发明的有益效果在于：本发明基于有载分接开关内部固件与流体之间的关系，对有载分接开关模型进行简化，为后续振动传播提供基础。在计算OLTC固有频率时，考虑到OLTC内部为结构体插在油内，变压器油是不可压缩的流体，因此建立了流固耦合运动方程和几何模型，利用ansys软件对模型进行约束设置进而求解模态，最后和实验数据进行对比验证了该模型所得到固有频率的正确性，该模态可以作为后续故障研究的特征量，以及瞬态分析时测点对比优化的依据。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为有载分接开关外部简化图；

图3为有载分接开关流固耦合模型和内部简化图；

图4为仿真模型计算所得固有频率；

图5为实验所得固有频率。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

一种基于流固耦合的湿模态法有载分接开关固有频率计算方法，具体流程图如图1所示，所述方法包括以下步骤：

步骤一：测量有载分接开关尺寸。

对有载分接开关的桶盖外侧尺寸，气阀的尺寸，开关桶的内侧直径以及高度，转轴的高度，以及静触头到转轴的距离进行精确量测。

步骤二：根据步骤一所测量的尺寸，基于流固耦合理论，建立有载分接开关几何模型。

根据步骤一所量测的尺寸所示建立的外观整体模型如图2所示。当分接开关桶内充满了变压器油，将变压器油考虑为不可压缩的理想流体，当与流体相接触的结构体发生振动时，其周围的流场也会发生变化，这种流场的变化会反过来会使得结构所受到的流体动力发生变化，根据变压器油的特点对桶内部采用流固耦合理论进行分析。考虑到OLTC内部动静触头相互碰撞的瞬间，从俯视的角度看是一个圆盘，且相互碰撞时是点接触，因此将动静触头相互碰撞转化为圆盘上的点与点的相互接触，进而采用流固耦合理论分析OLTC内分接开关圆盘上点振动传播，简化模型如图3(a)所示，图中的圆盘为简化后的点对点碰撞模型。根据流固耦合理论，对有载分接开关内部触头接触系统进化简化，将圆盘和竖直的旋转轴连接在一起，插在圆柱形的油桶和油构成的流固耦合面内如图3(b)所示。

步骤三：根据步骤二建立的模型，采用湿模态法计算有载分接开关内部的一阶模态即内部固有频率。

将步骤二中建立好的几何模型导入Ansys软件，采用湿模态法对桶面和油所构成的流固耦合面进行设定剖分和定义，忽略分接开关的顶面，对分接开关侧壁进行约束，具体的设置为：内部的轴和圆盘连接体如图3(a)所示，根据之前所测的转轴尺寸，将其垂直插入到分接开关桶内，桶内充满了变压器油，由于考虑到OLTC油桶和油为流固耦合面，油的形状与分接开关桶等同，使用湿模态法进行剖分，其中将油体内加入Acoustic body即声学模块，定义油的密度，并且定义重力加速度。计算经过湿模态定义的一阶模态即OLTC内部固有频率。

具体的计算公式如下：考虑变压器油不能压缩必须是纯净的，因此其流体方程为：

式中，p为流体动压力，c为流体内的声速。

对于流固耦合面上：

式中，n为耦合面法向，ρ为流体密度，为法向加速度。

固定界面上：

流体自由表面上：

式中：z为重力方向；g为重力加速度。

为了后续简化计算，当不考虑流体自由表面的影响时，将式(4)改为：

考虑到油为不可压的流体，有：

其中，r为足够远处边界的法相；

使用Galerkin法离散化后，直角坐标系内流场内任一点的压力分布为：

式中，i为流体单元节点数；N为流体单位元形函数。

式中，Ω为流体单元体积，若令：

式中，k为流体域总节点数，P为流体动压力；则(8)式可扩展为

对上式采用Green公式，可化为：

将边界条件带入后，上式变为：

式中，s_t为流固耦合面积。

将离散化，引入结构系统的形函数矩阵N_s，可以写为

式中为结构位移矢量，Λ为坐标变换矩阵，将变压器油考虑为不可压缩的流体。对于不可压缩流体在不考虑自由表面影响的情况下，离散化后的流体运动方程表示为：

其中，

因此，流固耦合矩阵表示为：

利用虚位移法得到流固耦合结构耦合运动方程：

其中，M_s为油室结构的质量矩阵，M_a为流体的附加质量矩阵，M_a＝ρB^TH^-1B。式中K_s为模态矩阵即固有频率矩阵，根据上述公式可以得出流固耦合中的振型和固有模态，固有模态即固有频率。

步骤四：对有载分接开关的固有频率进行实验量测，验证步骤三中计算得到的固有频率的正确性并进行修正。

采用振动法对OLTC进行实验量测，将所得到的一阶模态即固有频率与实验得到的固有频率进行对比，其中实验数据中振幅最大的为固有频率，如果一阶模态与振幅最大的值相对应偏差不大，则证明该方法是正确的。如果偏差较大，则回到步骤三中，在Ansys软件中重新对固件之间的约束进行设置，并进一步与实验进行验证，直到与实验的最高振幅的值相似为止，其中计算所得固有频率与振幅最大的值相对应偏差在4％以内均认为正常。

本发明采用M型有载分接开关，实验采集数据的传感器为MPS 141801型号信号采集卡。采集切换过程中触头在不同状态下的振动信号，信号采样频率为64kHz，触头切换时间约为100ms，频率集中在20kHz以内，采样取6873个点，切换时间集中在0～41ms，综合考虑传感器安装在有载分接开关顶上。根据本发明提出的计算方法对M型有载分接开关进行建模，并将其导入Ansys软件计算得到第一模态即固有频率为352.48Hz，如图4所示模态最高的点在350～370Hz左右，由于模型采用简化所以误差在4％以内均为正常。与采样的前500个数据进行对照，从图5看出实验所得的最高振幅集中在320Hz到360Hz之间，与仿真分析计算所得结果范围大致相符，进而验证了该方法的准确性，认为该模型是正确的。

本发明所提出的固有频率计算方法为下一步的瞬态分析判断测点的位置以及触头故障判断提供了依据。

以上所述仅为本发明的一种实施案例，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种基于流固耦合的湿模态法有载分接开关固有频率计算方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：测量有载分接开关尺寸；

步骤二：根据步骤一所测量的尺寸，基于流固耦合理论，建立有载分接开关几何模型；

步骤三：根据步骤二建立的模型，采用湿模态法计算有载分接开关内部的一阶模态即内部固有频率；

步骤四：验证步骤三中计算得到的有载分接开关固有频率的正确性并进行修正。

2.根据权利要求1所述的一种基于流固耦合的湿模态法有载分接开关固有频率计算方法，其特征在于：

其中步骤一中，测量尺寸包括：对有载分接开关的桶盖外侧尺寸，气阀的尺寸，开关桶的内侧直径以及高度，转轴的高度，以及静触头到转轴的距离进行量测。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于流固耦合的湿模态法有载分接开关固有频率计算方法，其特征在于：

其中步骤二中，对桶内部采用流固耦合理论进行分析，将动静触头相互碰撞转化为圆盘上的点与点的相互接触，进而采用流固耦合理论分析OLTC内分接开关圆盘上点振动传播。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于流固耦合的湿模态法有载分接开关固有频率计算方法，其特征在于：

其中步骤二中，对桶内部采用流固耦合理论进行分析，将有载分接开关内部触头接触系统简化为将圆盘和竖直的旋转轴连接在一起，插在圆柱形的油桶中。

5.根据权利要求1或2所述的一种基于流固耦合的湿模态法有载分接开关固有频率计算方法，其特征在于：

其中步骤三中，将步骤二中建立好的模型导入Ansys软件，采用湿模态法对桶面和油所构成的流固耦合面进行设定剖分和定义，计算经过湿模态定义的一阶模态即有载分接开关内部固有频率。

6.根据权利要求5所述的一种基于流固耦合的湿模态法有载分接开关固有频率计算方法，其特征在于：

其中步骤三中，其中在对流固耦合面进行设定剖分和定义时，忽略分接开关的顶面，对分接开关侧壁进行约束。

7.根据权利要求6所述的一种基于流固耦合的湿模态法有载分接开关固有频率计算方法，其特征在于：

其中具体的约束设置为：根据所测的转轴尺寸，将内部的轴和圆盘连接体其垂直插入到分接开关桶内，桶内充满了变压器油，使用湿模态法进行剖分，其中将油体内加入Acoustic body即声学模块，定义油的密度，并且定义重力加速度，进而计算固有频率。

8.根据权利要求7所述的一种基于流固耦合的湿模态法有载分接开关固有频率计算方法，其特征在于：计算固有频率的计算公式如下：

M_s为油室的结构质量矩阵，M_a＝ρB^TH^-1B，为流体的附加质量矩阵，为结构位移矢量；

其中，N为流体单位元形函数，Ω为流体单元体积，s_t为流固耦合面积，Λ为坐标变换矩阵，ρ为流体密度；

K_s为模态矩阵即固有频率矩阵，根据上述公式可以得出流固耦合中的振型和固有模态，固有模态即固有频率。

9.根据权利要求1-8任一项所述的一种基于流固耦合的湿模态法有载分接开关固有频率计算方法，其特征在于：

其中步骤四中，采用振动法对有载分接开关进行实验量测，将计算所得到的固有频率与实验量测的固有频率进行对比，从而验证该计算方法的正确性。

10.根据权利要求9所述的一种基于流固耦合的湿模态法有载分接开关固有频率计算方法，其特征在于：

其中实验数据中振幅最大的为固有频率，如果计算所得固有频率与振幅最大的值相对应偏差不大，则证明该方法是正确的。

11.根据权利要求10所述的一种基于流固耦合的湿模态法有载分接开关固有频率计算方法，其特征在于：

如果偏差较大，则回到步骤三中，重新对模型之间的约束进行设置，并进一步与实验结果进行对比，直到与实验的最高振幅的值相似为止。

12.根据权利要求10所述的一种基于流固耦合的湿模态法有载分接开关固有频率计算方法，其特征在于：其中计算所得固有频率与振幅最大的值相对应偏差在4％以内均认为正常。