CN110554278A - 一种基于模态分析对变压器绕组进行检测的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于模态分析对变压器绕组进行检测的方法及系统，包括：对待测变压器绕组分段进行模态分析，确定所述待测变压器绕组在不同阶数振型下的固有频率；当固有频率均不在预设范围内时，确定所述待测变压器绕组合格。本发明在通过对变压器绕组模型进行分段的模态分析，以获取变压器绕组在不同阶振型下的固有频率，并根据固有频率对变压器绕组进行检测；同时，通过在模态分析过程中施加预紧力以模拟实际运行工况，使得分析结果更准确；本发明的分析结果能够全面检验变压器绕组的固有频率是否存在工频或其倍频的情况，能够避免变压器绕组出现共振的情况，为变压器绕组抗短路能力的校核提供了依据。

Description

一种基于模态分析对变压器绕组进行检测的方法及系统
技术领域
本发明涉及计量校准领域，并且更具体地，涉及一种基于模态分析对变压器绕组进行检测的方法及系统。
背景技术
变压器抗短路能力指变压器近区出现短路(如出口附近线路发生短路)时，极大的短路电流通过变压器绕组，产生电磁力对绕组及其支撑结构产生冲击作用时，变压器内部器身各部位能否承受这种冲击作用不发生变形、移位等方面问题的能力。它是反映变压器绕组机械强度的一项关键指标。长期以来受到变压器用户，制造厂等各方面所关注。
但是由于开展变压器突发短路试验对试验电源要求高，试验成本大等原因，无法逐台对入网变压器开展试验考核；而入网运行后在电网正常运行工况下，抗短路能力不足问题无法得以发现，仅在电网出现短路时，如馈电线路发生接地、中低压侧出现接地或发生短路等故障条件下，问题才得到暴露。通过开展变压器抗短路能力评估，将有助于掌握变压器抗短路能力设计水平，可为制造厂和用户提供重要参考。
早期由于缺乏包括软硬件在内的仿真计算基础，对变压器抗短路能力的设计是通过对变压器线圈等结构进行很大程度的简化，建立简化模型得到一些经验公式，但是简化模型与实际情况差别较大，并且也无相应的检测手段(除非利用电网进行试验)。随着计算机技术的飞速发展和有限元等数值计算方法的广泛应用，实现对变压器线圈的三维建模成为可能，为变压器绕组的检测提供了新的思路和方法。
发明内容
本发明提出一种基于模态分析对变压器绕组进行检测的方法及系统，以解决如何对变压器绕组进行检测的问题。
为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种基于模态分析对变压器绕组进行检测的方法，所述方法包括：
对待测变压器绕组分段进行模态分析，确定所述待测变压器绕组在不同阶数振型下的固有频率；
当所述待测变压器绕组的固有频率均不在预设范围内时，确定所述待测变压器绕组合格。
优选地，其中在所述对待测变压器绕组分段进行模态分析之前，所述方法还包括：
对所述待测变压器绕组的振型的阶数进行设置。
优选地，其中所述对待测变压器绕组分段进行模态分析，确定所述待测变压器绕组在不同阶振型下的固有频率，包括：
建立所述待测变压器绕组的变压器绕组模型；
选取所述变压器绕组模型的每层线饼分别作为线圈段，确定多个线圈段；
对于所述变压器绕组模型的除最下方一层线饼外的每一层线饼，将该层线饼作为起始线饼，将该层线饼下方的任一层线饼作为结束线饼，将包含起始线饼和每个结束线饼各自的一个连续线饼作为单个线圈段，以确定多个线圈段；
对每个线圈段进行模态分析，以确定所述待测变压器绕组在不同阶振型下的固有频率。
优选地，其中所述方法还包括：
在对待测变压器绕组分段进行模态分析时，对所述待测变压器绕组施加预设阈值的预紧力。
优选地，其中所述预设阈值的取值范围为2Mpa～4Mpa。
优选地，其中所述预设范围包括：固定范围和浮动范围，所述固定范围为电网的工频及其倍频。
根据本发明的另一个方面，提供了一种基于模态分析对变压器绕组进行检测的系统，所述系统包括：
固有频率确定单元，用于对待测变压器绕组分段进行模态分析，确定所述待测变压器绕组在不同阶数振型下的固有频率；
检测结果确定单元，用于当所述待测变压器绕组的固有频率均不在预设范围内时，确定所述待测变压器绕组合格。
优选地，其中所述系统还包括：
设置单元，用于对所述待测变压器绕组的振型的阶数进行设置。。
优选地，其中所述固有频率确定单元，对待测变压器绕组分段进行模态分析，确定所述待测变压器绕组在不同阶振型下的固有频率，包括：
建立所述待测变压器绕组的变压器绕组模型；
选取所述变压器绕组模型的每层线饼分别作为线圈段，确定多个线圈段；
对于所述变压器绕组模型的除最下方一层线饼外的每一层线饼，将该层线饼作为起始线饼，将该层线饼下方的任一层线饼作为结束线饼，将包含起始线饼和每个结束线饼各自的一个连续线饼作为单个线圈段，以确定多个线圈段；
对每个线圈段进行模态分析，以确定所述待测变压器绕组在不同阶振型下的固有频率。
优选地，其中所述系统还包括：
预紧力施加单元，用于在对待测变压器绕组分段进行模态分析时，对所述待测变压器绕组施加预设阈值的预紧力。
优选地，其中所述预设阈值的取值范围为2Mpa～4Mpa。
优选地，其中所述预设范围包括：固定范围和浮动范围，所述固定范围为电网的工频及其倍频。
本发明提供了一种基于模态分析对变压器绕组进行检测的方法及系统，包括：对待测变压器绕组分段进行模态分析，确定所述待测变压器绕组在不同阶数振型下的固有频率；当所述待测变压器绕组的固有频率均不在预设范围内时，确定所述待测变压器绕组合格。本发明在建立变压器绕组的三维模型的基础上，对变压器绕组模型进行分段的模态分析，以获取变压器绕组在不同阶振型下的固有频率，并根据固有频率对变压器绕组进行检测；同时，通过在模态分析过程中施加预紧力以模拟实际运行工况，使得分析结果更准确；基于本发明的分析结果能够全面的检验变压器绕组的固有频率是否存在工频或其倍频的情况，能够避免变压器绕组出现共振的情况，为变压器绕组抗短路能力的校核提供了依据。
附图说明
通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：
图1为根据本发明实施方式的基于模态分析对变压器绕组进行检测的方法100的流程图；
图2为根据本发明实施方式的变压器绕组整体对应的4阶振型图；
图3为根据本发明实施方式的变压器绕组整体对应的5阶振型图；
图4为根据本发明实施方式的4阶振型下的饼数为8饼的线圈段的模态分析示意图；
图5为根据本发明实施方式的6阶振型下的饼数为8饼的线圈段的模态分析示意图；
图6为根据本发明实施方式的4阶振型下的饼数为30饼的线圈段的模态分析示意图；
图7为根据本发明实施方式的6阶振型下的饼数为30饼的线圈段的模态分析示意图；以及
图8为根据本发明实施方式的基于模态分析对变压器绕组进行检测系统800的结构示意图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
图1为根据本发明实施方式的基于模态分析对变压器绕组进行检测的方法100的流程图。如图1所示，本发明的实施方式提供的基于模态分析对变压器绕组进行检测的方法，在建立变压器绕组的三维模型的基础上，对变压器绕组模型进行分段的模态分析，以获取变压器绕组在不同阶振型下的固有频率，并根据固有频率对变压器绕组进行检测；同时，通过在模态分析过程中施加预紧力以模拟实际运行工况，使得分析结果更准确；基于本发明的分析结果能够全面的检验变压器绕组的固有频率是否存在工频或其倍频的情况，能够避免变压器绕组出现共振的情况，为变压器绕组抗短路能力的校核提供了依据。
本发明的实施方式提供的基于模态分析对变压器绕组进行检测的方法100从步骤101处开始，在步骤101对待测变压器绕组分段进行模态分析，确定所述待测变压器绕组在不同阶数振型下的固有频率。
优选地，其中在所述对待测变压器绕组分段进行模态分析之前，所述方法还包括：
对所述待测变压器绕组的振型的阶数进行设置。
优选地，其中所述对待测变压器绕组分段进行模态分析，确定所述待测变压器绕组在不同阶振型下的固有频率，包括：
建立所述待测变压器绕组的变压器绕组模型；
选取所述变压器绕组模型的每层线饼分别作为线圈段，确定多个线圈段；
对于所述变压器绕组模型的除最下方一层线饼外的每一层线饼，将该层线饼作为起始线饼，将该层线饼下方的任一层线饼作为结束线饼，将包含起始线饼和每个结束线饼各自的一个连续线饼作为单个线圈段，以确定多个线圈段；
对每个线圈段进行模态分析，以确定所述待测变压器绕组在不同阶振型下的固有频率。
对于变压器绕组，考虑到油隙、屏蔽线和电磁线换位等因素，在实际中在高度方向上并非均匀分布，而是存在一定的差异；而对于变压器因短路损坏，往往由某一薄弱点引起，进而发展成变形或绝缘故障。因此，本发明的实施方式在建立线圈三维模型的基础上，对变压器绕组分段进行模态分析。
在本发明的实施方式中，首先根据待测变压器绕组的参数信息确定变压器绕组模型。然后，设置阶数，根据设置的阶数对待测变压器绕组对应的变压器绕组模型进行分段的模态分析，以确定所述待测变压器绕组在不同阶振型下的整体固有频率。
在实际情况中，当固有频率为300Hz以下时，阶数一般在10以下，因此，一般测量变压器绕组10阶及以下的固有频率即可，因此，可以设置阶数为10。当然，也可以具体情况具体限定，并不局限于10。
由于实现变压器绕组三维建模的方法已经成熟，并且本发明的重点不在于建模，因此，在此不做详细陈述。
在本发明的实施方式中，对于一个包含n层线饼的变压器绕组，对于一个线圈层数为n层的变压器绕组，从上到下依次编号为第1饼,第2饼,…,第n饼，具体的分段步骤包括：
(1)分别选取第1,2,3,…，n每层线饼，独立作为一个线圈段；
(2)对于该变压器绕组的第1至(n-1)层线饼，依次确定线圈段，包括：
当选取第1层线饼为起始线饼，第2,3,4,…，n层线饼分别为结束线饼时，获取的线圈段包括：第1至2层线饼组成的线圈段，第1至3层线饼组成的线圈段，第1至4层线饼组成的线圈段，…，以及第1至n层线饼组成的线圈段；
当选取第2层线饼为起始线饼，第3,4,5,…，n层线饼分别为结束线饼时，获取的线圈段包括：第2至3层线饼组成的线圈段，第2至4层线饼组成的线圈段，第2至5层线饼组成的线圈段，…，以及第2至n层线饼组成的线圈段；
依次类推，直至当选取第(n-1)层线饼为起始线饼，第n层线饼为结束线饼时，获取的线圈段为：第(n-1)层线饼和第n层线饼组成的线圈段。
然后，对每一个线圈段进行模态分析，以确定所述待测变压器绕组在不同阶振型下的固有频率。
其中，当第一层线饼为起始线饼，最后一层线饼为结束线饼时，确定的线饼段即为整个变压器绕组。在本发明的实施方式中，整个变压器绕组对应的4阶振型图和5阶振型图分别如图2和图3所示。确定的固有频率如表1所示。
表1 不同阶数下整个变压器绕组的固有频率表
阶数 固有频率(Hz)
3 37.436
4 144.79
5 145.16
在本发明实施方式中，对于同一个饼数为8饼的线圈段，在阶数为4阶和6阶时的模态分析示意图分别如图4和图5所示。对于同一个饼数为30饼的线圈段，在阶数为4阶和6阶时的模态分析示意图分别如图5和图6所示。上述各种情况对应的固有频率分别如表2所示。
表2 不同阶数和不同饼数时线圈段的固有频率表
固有频率 8饼 30饼
4阶 77.277Hz 96.187Hz
6阶 202.03Hz 187.19Hz
从表2分析可知，对于同样阶数相同，饼数不同的线圈段，其固有频率不同；对于不同阶数，同样饼数的线圈段，其固有频率也不同，因此，为了避免整个线圈或者局部线圈由于结构设计的不合理，导致出现可能的共振情况，需要对绕组中各部位的不同的线圈段均加以分别考虑或者检查，即分段模态扫描。
优选地，其中所述方法还包括：
在对待测变压器绕组分段进行模态分析时，对所述待测变压器绕组施加预设阈值的预紧力。
优选地，其中所述预设阈值的取值范围为2Mpa～4Mpa。
在本发明的实施方式中，通过在模态分析中考虑预紧力的作用，对于线圈的固有频率提高有改善作用。当施加的预紧力为3MPa时，发生线圈挤压(这里指整体线圈)的不同阶数振型对应的固有频率如表3所示。
表3 考虑预紧力前后固有频率的比较
由表3可以看出，在无预紧力和有预紧力两种情况下，固有频率会发生变化。因此，在进行模态分析时需要通过分析带有预紧力的情况，使得与实际运行工况一致，能够避免出现分析偏差。
在步骤102，当所述待测变压器绕组的固有频率均不在预设范围内时，确定所述待测变压器绕组合格。
优选地，其中所述预设范围包括：固定范围和浮动范围，所述固定范围为电网的工频及其倍频。
在本发明的实施方式中，预设范围为固定范围加浮动范围。
固定范围为电网的工频及其倍频，即50Hz、100Hz和150Hz等，不设上限。当然根据需要也可以限定范围，例如，设置固定范围的上限为300Hz。
浮动范围可以根据需求进行设置，例如浮动范围为固定范围的上下1Hz。
对于获取的所有的线圈段对应的固有频率均判断是否在预设范围内，并且当所述判断结果所有线圈段的固有频率均不在预设范围内时，确定所述待测变压器绕组合格，合格的变压器绕组能够避免线圈整体或局部出现共振情况；否则，为不合格，如果使用到电网中，会出现共振情况，对电网会产生安全隐患。
图8为根据本发明实施方式的基于模态分析对变压器绕组进行检测的系统800的结构示意图。如图8所示，本发明的实施方式提供的基于模态分析对变压器绕组进行检测的系统800，包括：固有频率确定单元801检测结果确定单元802。
优选地，所述固有频率确定单元801，用于对待测变压器绕组分段进行模态分析，确定所述待测变压器绕组在不同阶数振型下的固有频率。
优选地，其中所述系统还包括：设置单元，用于对所述待测变压器绕组的振型的阶数进行设置。
优选地，其中所述固有频率确定单元801，对待测变压器绕组分段进行模态分析，确定所述待测变压器绕组在不同阶振型下的固有频率，包括：建立所述待测变压器绕组的变压器绕组模型；选取所述变压器绕组模型的每层线饼分别作为线圈段，确定多个线圈段；
对于所述变压器绕组模型的除最下方一层线饼外的每一层线饼，将该层线饼作为起始线饼，将该层线饼下方的任一层线饼作为结束线饼，将包含起始线饼和每个结束线饼各自的一个连续线饼作为单个线圈段，以确定多个线圈段；对每个线圈段进行模态分析，以确定所述待测变压器绕组在不同阶振型下的固有频率。
优选地，其中所述系统还包括：预紧力施加单元，用于在对待测变压器绕组分段进行模态分析时，对所述待测变压器绕组施加预设阈值的预紧力。
优选地，其中所述预设阈值的取值范围为2Mpa～4Mpa。
优选地，所述检测结果确定单元802，用于当所述待测变压器绕组的固有频率均不在预设范围内时，确定所述待测变压器绕组合格。
优选地，其中所述预设范围包括：固定范围和浮动范围，所述固定范围为电网的工频及其倍频。
本发明的实施例的基于模态分析对变压器绕组进行检测的系统800与本发明的另一个实施例的基于模态分析对变压器绕组进行检测的方法100相对应，在此不再赘述。
已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。
通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (12)

1.一种基于模态分析对变压器绕组进行检测的方法，其特征在于，所述方法包括：
对待测变压器绕组分段进行模态分析，确定所述待测变压器绕组在不同阶数振型下的固有频率；
当所述待测变压器绕组的固有频率均不在预设范围内时，确定所述待测变压器绕组合格。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述对待测变压器绕组分段进行模态分析之前，所述方法还包括：
对所述待测变压器绕组的振型的阶数进行设置。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对待测变压器绕组分段进行模态分析，确定所述待测变压器绕组在不同阶振型下的固有频率，包括：
建立所述待测变压器绕组的变压器绕组模型；
选取所述变压器绕组模型的每层线饼分别作为线圈段，确定多个线圈段；
对于所述变压器绕组模型的除最下方一层线饼外的每一层线饼，将该层线饼作为起始线饼，将该层线饼下方的任一层线饼作为结束线饼，将包含起始线饼和每个结束线饼各自的一个连续线饼作为单个线圈段，以确定多个线圈段；
对每个线圈段进行模态分析，以确定所述待测变压器绕组在不同阶振型下的固有频率。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在对待测变压器绕组分段进行模态分析时，对所述待测变压器绕组施加预设阈值的预紧力。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述预设阈值的取值范围为2Mpa～4Mpa。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设范围包括：固定范围和浮动范围，所述固定范围为电网的工频及其倍频。
7.一种基于模态分析对变压器绕组进行检测的系统，其特征在于，所述系统包括：
固有频率确定单元，用于对待测变压器绕组分段进行模态分析，确定所述待测变压器绕组在不同阶数振型下的固有频率；
检测结果确定单元，用于当所述待测变压器绕组的固有频率均不在预设范围内时，确定所述待测变压器绕组合格。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：
设置单元，用于对所述待测变压器绕组的振型的阶数进行设置。
9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述固有频率确定单元，对待测变压器绕组分段进行模态分析，确定所述待测变压器绕组在不同阶振型下的固有频率，包括：
建立所述待测变压器绕组的变压器绕组模型；
选取所述变压器绕组模型的每层线饼分别作为线圈段，确定多个线圈段；
对于所述变压器绕组模型的除最下方一层线饼外的每一层线饼，将该层线饼作为起始线饼，将该层线饼下方的任一层线饼作为结束线饼，将包含起始线饼和每个结束线饼各自的一个连续线饼作为单个线圈段，以确定多个线圈段；
对每个线圈段进行模态分析，以确定所述待测变压器绕组在不同阶振型下的固有频率。
10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：
预紧力施加单元，用于在对待测变压器绕组分段进行模态分析时，对所述待测变压器绕组施加预设阈值的预紧力。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述预设阈值的取值范围为2Mpa～4Mpa。
12.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述预设范围包括：固定范围和浮动范围，所述固定范围为电网的工频及其倍频。
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