CN113484699B - 基于有限元综合考虑轴向和径向非均匀老化的变压器油纸绝缘仿真分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电气设备故障诊断技术领域，具体公开了一种基于有限元综合考虑轴向和径向非均匀老化的变压器油纸绝缘仿真分析方法，包括：将变压器隔板在轴向上划分为多个不同老化状态的区域；制备不同老化状态的绝缘纸板样本，测试样本和绝缘油的FDS数据；构建考虑轴向非均匀老化的仿真模型；确定模型材料参数，构建用户自定义网格；仿真计算得到考虑轴向非均匀老化的仿真模型的FDS曲线；扩展出综合考虑轴向和径向不均匀老化的仿真模型；确定模型的材料参数，构建用户自定义网格，通过仿真计算得到仿真模型FDS曲线。本发明建立综合考虑轴向和径向非均匀老化的仿真模型，有助于发现变压器绝缘的潜在风险，对保证变压器的稳定工作具有积极的作用。
Description
技术领域
本发明属于电气设备故障诊断技术领域，特别涉及一种基于有限元综合考虑轴向和径向非均匀老化的变压器油纸绝缘仿真分析方法。
背景技术
作为电网输变电系统的核心设备，油浸式电力变压器在长期的运行过程中，其绝缘材料在电、热、机械等应力作用及环境等因素影响下会逐渐劣化，影响油浸式变压器的正常运行。因此，准确有效地掌握设备老化/劣化趋势和程度对电力系统的安全稳定运行意义重大。
近年来，凭借抗干扰能力强、携带信息丰富等优点，频域介电谱法(frequencydomain spectroscopy，FDS)引起了业内的广泛关注，成为了油浸式电力变压器绝缘状态诊断的重要手段。采用FDS进行绝缘状态诊断时，目前多采用实验室模拟、现场实测和理论计算等相结合的方式，具体操作如下：首先，在实验室内制备不同绝缘状态的油纸绝缘试品，通过试品FDS测试积累理论数据；其次，对实际设备进行FDS现场实测，获得变压器整体绝缘状态定性评估结果；最后，通过变压器等效计算模型将实验室油纸绝缘试品参数与实际变压器结果进行相似性计算，获得设备实际状态的最佳数学逼近，从而实现变压器整体绝缘状态的无损定量评估。可见，在FDS现场应用过程中，变压器等效计算模型至关重要，目前使用较为普遍的计算模型仍是XY模型。近年来，已有学者将有限元方法引入变压器计算模型中，建立了变压器的XY模型与有限元模型，通过仿真研究了电场畸变因素对仿真准确度的影响，并指出相比于XY模型，FEM更能反映真实变压器的运行状况。传统的FEM模型假定变压器纸绝缘是均匀老化的。然而由于绕组内部起导油作用的油道隔板的影响，温度沿绕组轴向高度呈上升趋势，绕组局部温度会产生不均匀分布。从而造成轴向上的不均匀老化现象。因此，本发明首先考虑了变压器油纸绝缘轴向非均匀老化现象，建立了更为准确的FEM仿真模型，并在此基础上进行扩展，建立综合考虑轴向和径向非均匀老化的仿真模型，为基于FEM分析变压器油纸绝缘的轴向和径向非均匀老化对FDS曲线的影响提供了模型基础。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于有限元(FEM)综合考虑轴向和径向非均匀老化的变压器油纸绝缘仿真分析方法，为基于FEM分析变压器油纸绝缘的轴向和径向非均匀老化对FDS曲线的影响提供了模型基础。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于有限元(FEM)综合考虑轴向和径向非均匀老化的变压器油纸绝缘仿真分析方法，包括以下步骤：
(1)针对变压器轴向非均匀老化现象，将变压器隔板在轴向上划分为多个不同老化状态的区域；
(2)在实验室制备不同老化状态的绝缘纸板样本，测得不同老化状态的绝缘纸板样本和绝缘油的FDS数据；
(3)将变压器隔板和撑条沿轴向划分为多个不同老化程度的区域，构建考虑轴向非均匀老化的仿真模型；
(4)根据步骤(2)得到的不同老化状态的绝缘纸板样本和绝缘油的FDS数据，确定考虑轴向非均匀老化的仿真模型参数，构建用户自定义网格；
(5)考虑轴向非均匀老化的仿真模型进行仿真计算，添加电流场下的频域进行仿真计算，运行仿真得到电流场计算结果；通过派生计算得到轴向非均匀老化状态仿真模型的导纳值，继而推导出油纸绝缘的介损值，拟合出FDS曲线；
(6)在考虑轴向非均匀老化的仿真模型的基础上，扩展出综合考虑轴向和径向不均匀老化的仿真模型(扩展模型)；
(7)确定综合考虑轴向和径向非均匀老化的仿真模型的材料参数，构建用户自定义网格，通过仿真计算得到综合考虑轴向和径向非均匀老化的仿真模型FDS曲线。
本发明基于FDS技术和FEM技术，构建考虑轴向非均匀老化的变压器油纸绝缘系统FEM仿真模型，并在此基础上扩展到了综合考虑径向和轴向非均匀老化的仿真模型，利用实验室样本数据设置不同老化区域的材料参数，运行仿真得到模型FDS曲线。本发明能够有效地缩短研究周期，降低实验成本，为基于FEM分析变压器油纸绝缘的轴向和径向非均匀老化对FDS曲线的影响提供了模型基础。
优选的，上述变压器油纸绝缘仿真分析方法中，所述步骤(1)中，将变压器隔板在轴向上划分为多个不同老化状态的区域，假定同一区域内的纸板具有相同的老化状态。由于变压器绕组内部起导油作用的油道隔板的影响，温度沿绕组轴向高度呈上升趋势，绕组局部温度会在周向产生不均匀分布，而导致变压器固体绝缘在轴向上的非均匀老化现象，因此将变压器隔板在轴向上划分为多个不同老化状态的区域。
优选的，上述变压器油纸绝缘仿真分析方法中，所述步骤(2)中，先将绝缘油和纸板样本在100～110℃真空条件下干燥40～50h，然后在50～65℃下真空浸油48～60h；分别将纸板样本在老化箱中进行不同天老化，得到具有不同老化状态的绝缘纸板样本；对制备的不同老化状态的绝缘纸样本和绝缘油进行FDS测试。
优选的，上述变压器油纸绝缘仿真分析方法中，所述步骤(3)中，根据变压器的实际结构，充分考虑变压器轴向和径向的几何结构对电场分布的影响，选择三维结构进行建模，将变压器隔板和撑条沿轴向划分为多个不同老化程度的区域，并且假定单个老化区域内纸板具有相同的老化状态，搭建考虑轴向非均匀老化的FEM仿真模型。传统用于仿真变压器主绝缘结构的有限元模型只是对高低压绕组间的主绝缘结构进行仿真。而现场测量时，测量仪器的高压端和测量端会通过绕组形成回路。此外，为了保证测量人员的安全，防止变压器外壳出现感应电压，以及消除悬浮电位引起的附加电容干扰，变压器外壳必须可靠接地，在考虑上述问题的基础上，搭建出更加符合实际情况的考虑轴向非均匀老化的FEM仿真模型。
优选的，上述变压器油纸绝缘仿真分析方法中，所述步骤(4)中，根据不同老化状态的绝缘纸板样本和绝缘油的实测FDS数据，分别设定不同老化区域纸板的材料参数，设定高低压电极之间加200V的正弦激励电压，并采用用户自定义网格进行网格剖析。由于建立的变压器仿真模型几何外形较为复杂，纸板油隙等较为密集，不同介质材料的交界界面多。因此，在计算量和精确度的综合考量下，本发明考虑了多面体网格的自适应性，采用多面体网格对计算区域进行网格剖分。
优选的，上述变压器油纸绝缘仿真分析方法中，所述步骤(5)中，添加电流场下的频域研究进行仿真计算，基于考虑轴向非均匀老化的仿真模型的几何参数和材料参数，运行仿真得到电流场计算结果，通过派生计算求得考虑轴向非均匀老化的仿真模型的导纳值，继而计算出油纸绝缘的介损值，公式如下：
式中，U＊是施加在主绝缘上的电压，I*是仿真得到的电流值，G*、C*分别代表复电导(导纳)和复电容，而C'和C”分别代表复电容的实部和虚部，tanδ代表介损因子；根据公式(1)～(3)，从仿真结果的复导纳值中求得模型的介损值。
优选的，上述变压器油纸绝缘仿真分析方法中，在考虑轴向非均匀老化的仿真模型的基础上，进一步考虑到在变压器实际运行状况下，不同位置绝缘纸的温度会随着热源的距离而变化，将绝缘纸划分为径向i层和轴向j层，共i×j个不同的老化区域；并采用如下矩阵形式表述：
式中，i代表从铁芯到箱壳的径向位置，j代表从油纸绝缘系统从顶端到底端的轴向位置，DP是聚合度，可用于表征纸板的老化程度；则变压器油纸绝缘的不均匀老化分布符合以下规律：
轴向上，
DPi1＜DPi2＜…＜DPij；
径向上，
DP1j＜DP2j＜…＜DPij，
扩展出综合考虑轴向和径向非均匀老化的仿真模型。
优选的，上述变压器油纸绝缘仿真分析方法中，所述步骤(7)中，结合变压器中的轴向及径向不均匀老化规律，利用实验室测得的不同老化状态的绝缘纸板样本和绝缘油的FDS数据，进行综合考虑轴向和径向非均匀老化的仿真模型材料参数设置，设定边界条件，在高压与低压电极之间施加200V的正弦激励电压，由于建立的变压器仿真模型较为复杂，综合考虑计算量以及准确性，基于多面体网格优异的自适应性，使用多面体网格进行计算区域剖分，添加AC-DC模块电流场下的频域研究进行仿真计算，最终得到2×10-4～5×103频段的导纳值，根据公式(1)～(3)，计算得到考虑轴向和径向非均匀老化的仿真模型的FDS曲线。
与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明基于FDS和FEM技术，考虑变压器油纸绝缘的轴向和径向非均匀老化，改进了传统模型的局限性，建立了综合考虑轴向和径向非均匀老化的仿真模型。本发明能够有效缩短考虑轴向和径向非均匀老化的变压器油纸绝缘性能的研究周期，减低实验成本，消除实验中不必要的干扰因素。可为考虑非均匀老化的现场变压器状态评估提供模型基础。
附图说明
图1是本发明实施例的变压器油纸绝缘轴向非均匀老化示意图。
图2是本发明实施例的样本制备流程图。
图3是本发明实施例的DIRANA介电响应仪和三电极测量装置示意图。
图4是本发明实施例构建的轴向非均匀老化仿真模型图
图5是本发明实施例的考虑轴向非均匀老化仿真模型的网格剖析图。
图6是本发明实施例中考虑轴向非均匀老化的仿真模型FDS仿真结果图。
图7是本发明实施例的扩展模型图。
图8是本发明实施例的扩展模型仿真电势分布图。
图9是本发明实施例的扩展模型FDS仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
实施例
一种基于有限元综合考虑轴向和径向非均匀老化的变压器油纸绝缘仿真分析方法，包括以下步骤：
(1)由于变压器绕组内部起导油作用的油道隔板的影响，温度沿绕组轴向高度呈上升趋势，绕组局部温度会产生不均匀分布，从而导致纸板轴向上的不均匀老化，因此，将变压器隔板在轴向上划分为多个不同老化状态的区域，并在合理范围内作出假设，假定同一区域内的纸板具有完全相同的老化状态，本实施例将压器隔板在轴向上划分为T1、T2、T3共3个不同老化状态的区域如图1所示；
(2)制备不同老化状态的绝缘纸板样本，具体制备过程如图2所示，先将绝缘油和纸板样本在温度为105℃、真空度为50Pa条件下干燥48h，然后在温度为60℃、真空度为50Pa条件下真空浸油48h，使水分充分平衡；分别将纸板在150℃老化箱中进行1天、7天、15天老化，得到具有不同老化程度的绝缘纸板样本；对所制备的不同老化状态的绝缘纸板样本和绝缘油在45℃恒温条件下，使用DIRANA介电测试仪和三电极测试装置进行FDS测试，测试装置如图3所示，得到不同老化状态的绝缘纸板样本和绝缘油的FDS数据，分别使用粘度测试仪和卡尔费休水分滴定仪对绝缘纸板样本的聚合度和含水量进行测定，确保绝缘纸板样本的老化程度和水分含量一致；
(3)传统用于仿真变压器主绝缘结构的有限元模型只是对高低压绕组间的主绝缘结构进行仿真；而现场测量时，测量仪器的高压端和测量端会通过绕组形成回路；此外，为了保证测量人员的安全，防止变压器外壳出现感应电压，以及消除悬浮电位引起的附加电容干扰，变压器外壳必须可靠接地；在考虑上述问题的基础上，建模过程中将隔板和撑条沿轴向划分为T1、T2、T3共3个不同老化程度的区域，并且假定单个老化区域内纸板具有相同的老化状态，搭建考虑轴向非均匀老化的FEM仿真模型(见图4)；
(4)根据不同老化状态的绝缘纸板样本和绝缘油的实测FDS数据，分别设定考虑轴向非均匀老化的FEM仿真模型材料参数，设定高低压电极之间加200V的正弦激励电压，并采用用户自定义网格进行网格剖析；由于建立的变压器仿真模型几何外形较为复杂，纸板油隙等较为密集，不同介质材料的交界界面多。因此，在计算量和精确度的综合考量下，本发明考虑了多面体网格的自适应性，采用多面体网格对计算区域进行网格剖分如图5所示；
(5)添加电流场下的频域研究进行仿真计算，基于考虑轴向非均匀老化的仿真模型的几何参数和材料参数，运行仿真得到电流场的计算结果，通过派生计算得到模型的导纳值，继而推导出油纸绝缘的介损值；推导公式如下：
式中，U＊是施加在主绝缘上的电压，I*是仿真得到的电流值，G*、C*分别代表复电导(导纳)和复电容，而C'和C”分别代表复电容的实部和虚部，tanδ代表介损因子；根据公式(1)～(3)，从仿真结果的复导纳值中求得模型的介损值，介损曲线如图6所示；
(6)在考虑轴向非均匀老化的仿真模型的基础上，进一步考虑到在变压器实际运行状况下，不同位置绝缘纸的温度会随着热源的距离而变化，将绝缘纸划分为径向i层和轴向j层，共i×j个不同的老化区域。并采用如下矩阵形式表述：
式中，i代表从铁芯到箱壳的径向位置，j代表从油纸绝缘系统从顶端到底端的轴向位置，DP是聚合度，可用于表征纸板的老化程度；则变压器油纸绝缘的不均匀老化分布符合以下规律：
轴向上，
DPi1＜DPi2＜…＜DPij；
径向上，
DP1j＜DP2j＜…＜DPij，
扩展出综合考虑轴向和径向非均匀老化的仿真模型(扩展模型)如图7所示；
(7)结合步骤(6)中提出的轴向及径向非均匀老化规律，利用实验室测得的不同老化状态的绝缘纸板样本和绝缘油的FDS数据，进行考虑轴向和径向非均匀老化的仿真模型(扩展模型)材料参数设置，设定边界条件，在高压与低压电极之间施加200V的正弦激励电压，采用用户自定义网格进行剖分；由于变压器仿真模型较为复杂，综合考虑计算量以及准确性，基于多面体网格优异的自适应性，选择使用多面体网格进行计算区域剖分；添加AC-DC模块电流场下的频域研究，图8为考虑轴向和径向非均匀老化的仿真模型(扩展模型)的仿真电势分布图，进行仿真计算最终得到2×10-4～5×103频段的导纳值，根据公式(1)～(3)，计算得到扩展模型的FDS曲线如图9所示。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。
Claims (5)
1.一种基于有限元综合考虑轴向和径向非均匀老化的变压器油纸绝缘仿真分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）针对变压器轴向非均匀老化现象，将变压器隔板在轴向上划分为多个不同老化状态的区域；
（2）在实验室制备不同老化状态的绝缘纸板样本，测得不同老化状态的绝缘纸板样本和绝缘油的FDS数据；
（3）将变压器隔板和撑条沿轴向划分为多个不同老化程度的区域，构建考虑轴向非均匀老化的仿真模型；
（4）根据步骤（2）得到的不同老化状态的绝缘纸板样本和绝缘油的FDS数据，确定考虑轴向非均匀老化的仿真模型参数，构建用户自定义网格；具体为：根据不同老化状态的绝缘纸板样本和绝缘油的实测FDS数据，分别设定不同老化区域的材料参数，设定高低压电极之间加200V的正弦激励电压，并采用多面体网格进行计算区域剖分；
（5）考虑轴向非均匀老化的仿真模型进行仿真计算，添加电流场下的频域进行仿真计算，运行仿真得到电流场计算结果；通过派生计算得到轴向非均匀老化状态仿真模型的导纳值，继而推导出油纸绝缘的介损值，拟合出FDS曲线；
（6）在考虑轴向非均匀老化的仿真模型的基础上，在考虑轴向非均匀老化仿真模型的基础上，将绝缘纸划分为径向i层和轴向j层，共i×j个不同的老化区域；并采用如下矩阵形式表述：
，
式中，i代表从铁芯到箱壳的径向位置，j代表从油纸绝缘系统从顶端到底端的轴向位置，DP是聚合度，可用于表征纸板的老化程度；则变压器油纸绝缘的不均匀老化分布符合以下规律：
轴向上，
；
径向上，
，
扩展出综合考虑轴向和径向非均匀老化的仿真模型；
（7）确定综合考虑轴向和径向非均匀老化的仿真模型的材料参数，构建用户自定义网格，通过仿真计算得到综合考虑轴向和径向非均匀老化的仿真模型FDS曲线。
2.根据权利要求1所述的变压器油纸绝缘仿真分析方法，其特征在于，所述步骤（2）中，先将绝缘油和纸板样本在100~110℃真空条件下干燥40~50h，然后在50~65℃下真空浸油48~60h；分别将纸板样本在老化箱中进行不同天老化，得到具有不同老化状态的绝缘纸板样本；对制备的不同老化状态的绝缘纸样本和绝缘油进行FDS测试。
3.根据权利要求1所述的变压器油纸绝缘仿真分析方法，其特征在于，所述步骤（3）中，选择三维结构进行建模，将变压器隔板和撑条沿轴向划分为多个不同老化程度的区域，并且假定单个老化区域内纸板具有相同的老化状态，搭建考虑轴向非均匀老化的仿真模型。
4. 根据权利要求1所述的变压器油纸绝缘仿真分析方法，其特征在于，所述步骤（5）中，添加电流场下的频域进行仿真计算，基于考虑轴向非均匀老化状态仿真模型的几何参数和材料参数，运行仿真得到电流场计算结果；通过派生计算得到轴向非均匀老化状态仿真模型的导纳值，继而计算出油纸绝缘的介损值，公式如下：
(1)
(2)
(3)
式中，U ＊ 是施加在主绝缘上的电压，I * 是仿真得到的电流值，G * 、C * 分别代表复电导和复电容，而C'和C''分别代表复电容的实部和虚部，tanδ代表介损因子；根据公式(1)~(3)，从仿真结果的复导纳值中求得模型的介损值。
5.根据权利要求1所述的变压器油纸绝缘仿真分析方法，其特征在于，所述步骤（7）中，结合轴向及径向不均匀老化规律，利用实验室测得的不同老化状态的绝缘纸板样本和绝缘油的FDS数据，进行综合考虑轴向和径向非均匀老化的仿真模型材料参数设置，设定边界条件，在高压与低压电极之间施加200V的正弦激励电压，使用多面体网格进行计算区域剖分，添加AC-DC模块电流场下的频域研究进行仿真计算，最终得到2×10-4~5×103频段的导纳值，根据公式(1)~(3)，计算得到考虑轴向和径向非均匀老化的仿真模型的FDS曲线。
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