CN113553733A - 一种分接开关故障仿真建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分接开关故障仿真建模方法，具体包括以下几个步骤：以分接开关的几何模型为基础，对分接开关的零部件进行动力学建模，通过对开关零部件几何模型进行简化,网格简化等步骤获得计算精度较高且计算规模较小的开关零部件有限元模型；本发明对分接开关的典型故障进行了大量的模拟，建立了分接开关的故障数据库，为分接开关故障的诊断提供了参考依据。
Description
技术领域
本发明涉及电力领域，具体涉及一种分接开关故障仿真建模方法。
背景技术
绝大多数振动结构都可离散成为有限个自由度系统，又称为多自由度系统。对一个有n个自由度的振动系统，需用n个独立的物理坐标描述其物理参数模型。在线性范围内，物理坐标系中的自由振动响应为n个主振动的叠加，每个主振动都是一种特定形态的自由振动，振动频率即系统的主频率(固有频率或阻尼固有频率)，振动形态即系统的主振型(模态)，对应的每个阻尼系统的主振动有响应的模态阻尼。因此，n自由度系统有n个主频率和n个主振型以及n个模态阻尼。对于无阻尼和比例阻尼系统，表示系统主振型的模态矢量是实数矢量，故称为实模态系统，相应的模态分析过程称为实模态分析。本发明所研究的变电设备的振动分析不考虑阻尼的影响，属于实模态分析的范畴。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是种分接开关故障仿真建模方法，对分接开关的典型故障进行了大量的模拟，建立了分接开关的故障数据库，为分接开关故障的诊断提供了参考依据。
本发明是通过以下技术方案来实现的：一种分接开关故障仿真建模方法，具体包括以下几个步骤：
步骤一、首先，以分接开关的几何模型为基础，对分接开关的零部件进行动力学建模，通过对开关零部件几何模型进行简化,网格简化等步骤获得计算精度较高且计算规模较小的开关零部件有限元模型；
步骤二、接着，对分接开关进行连接件的建模，主要建立了模拟螺纹连接的刚性连接模型以及模拟螺旋圆柱弹簧的一维线性弹簧单元模型，通过连接件的建模获得分接开关的装配模型；
步骤三、最后，分别对分接开关的绝缘油筒、切换开关及整机进行动力学建模及分析，分接开关整体装配有限元模型规模达到了170万自由度，既保证了计算的精度，又控制了计算的规模，相对于网格细化的有限元模型，能显著提高计算的效率。
作为优选的技术方案，基于分接开关的整机有限元模型，分别对分接开关的静触头松动故障、弹簧储能不足故障及触头磨损故障进行仿真建模及分析。
作为优选的技术方案，在分析的频域范围内，对于选定的筒身和筒盖测点，静触头的松动故障降低了整机的固有频率，对整机的第1、3、6、8和12阶的固有频率影响较大，其中对第1阶固有频率的影响最为敏感，频率变化的误差达到了-19.84％。
作为优选的技术方案，弹簧储能不足仿真分析的结果表明：动触头产生的激振力越大，在共振点附近的响应越大，激振力和共振点处的响应幅值基本呈线性关系，因而弹簧储能不足将导致测点在共振频率处的响应变小。
作为优选的技术方案，触头磨损故障的仿真分析结果表明：触头的磨损会导致测点在共振频率处的幅值发生不同程度的减小，这种变化并非是线性的。
本发明的有益效果是：本发明对分接开关的典型故障进行了大量的模拟，建立了分接开关的故障数据库，为分接开关故障的诊断提供了参考依据。
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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的静触头松动故障模拟有限元模型图；
图2为本发明的动触头作动的激励点的局部结构图；
图3为本发明的分接开关的相应测点示意图；
图4为本发明的静触头松动故障时筒体测点的位移响应图；
图5为本发明的静触头松动故障时筒盖测点的位移响应图；
图6为本发明的弹簧储能不足故障时外筒壁测点的位移响应图；
图7为本发明的弹簧储能不足故障时外筒盖测点的位移响应图；
图8为本发明的触头磨损后筒身测点的位移响应图；
图9为本发明的触头磨损后筒盖测点的位移响应图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“一端”、“另一端”、“外侧”、“上”、“内侧”、“水平”、“同轴”、“中央”、“端部”、“长度”、“外端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
本发明使用的例如“上”、“上方”、“下”、“下方”等表示空间相对位置的术语是出于便于说明的目的来描述如附图中所示的一个单元或特征相对于另一个单元或特征的关系。空间相对位置的术语可以旨在包括设备在使用或工作中除了图中所示方位以外的不同方位。例如，如果将图中的设备翻转，则被描述为位于其他单元或特征“下方”或“之下”的单元将位于其他单元或特征“上方”。因此，示例性术语“下方”可以囊括上方和下方这两种方位。设备可以以其他方式被定向(旋转90度或其他朝向)，并相应地解释本文使用的与空间相关的描述语
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“套接”、“连接”、“贯穿”、“插接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本发明的一种分接开关故障仿真建模方法，具体包括以下几个步骤：
步骤一、首先，以分接开关的几何模型为基础，对分接开关的零部件进行动力学建模，通过对开关零部件几何模型进行简化,网格简化等步骤获得计算精度较高且计算规模较小的开关零部件有限元模型；
步骤二、接着，对分接开关进行连接件的建模，主要建立了模拟螺纹连接的刚性连接模型以及模拟螺旋圆柱弹簧的一维线性弹簧单元模型，通过连接件的建模获得分接开关的装配模型；
步骤三、最后，分别对分接开关的绝缘油筒、切换开关及整机进行动力学建模及分析，分接开关整体装配有限元模型规模达到了170万自由度，既保证了计算的精度，又控制了计算的规模，相对于网格细化的有限元模型，能显著提高计算的效率。
其中，基于分接开关的整机有限元模型，分别对分接开关的静触头松动故障、弹簧储能不足故障及触头磨损故障进行仿真建模及分析。
在分析的频域范围内，对于选定的筒身和筒盖测点，静触头的松动故障降低了整机的固有频率，对整机的第1、3、6、8和12阶的固有频率影响较大，其中对第1阶固有频率的影响最为敏感，频率变化的误差达到了-19.84％。
弹簧储能不足仿真分析的结果表明：动触头产生的激振力越大，在共振点附近的响应越大，激振力和共振点处的响应幅值基本呈线性关系，因而弹簧储能不足将导致测点在共振频率处的响应变小。
触头磨损故障的仿真分析结果表明：触头的磨损会导致测点在共振频率处的幅值发生不同程度的减小，这种变化并非是线性的。
假设松动的静触头如图1所示，此时静触头由于松动而与触头导杆分离。表1给出了静触头松动后的分接开关整机模型与无故障模型的频率对比，可知该静触头的松动故障降低了整机的固有频率，对整机的第1、3、6、8和12阶的固有频率影响较大，其中对第1阶固有频率的影响最为敏感，频率变化的误差达到了-19.84％，在整机模态中，第1阶振型主要表现为切换开关的起吊装置的横向弯曲振动。
表1.
对静触头松动故障时的响应进行预测，选择的激励点位置为动触头与静触头的接触位置，如图2中所示的6个激励点，切换开关动触头闭合时，同时对这一侧的6个静触头进行激励，响应测点选择筒体侧面和筒盖中心位置，如图3所示，仿真时选择激励的频率范围为300Hz，在简谐激励作用下，筒体测点和筒盖测点的位移响应如图4和图5所示，由图可知，静触头松动故障导致这两个测点在关心频域范围内的位移响应幅值与无故障模型有较大差异，而且随着激振频率的增大，共振点对应幅值的误差较大。
切换开关动触头在频繁作动后，弹簧由于紧固件振动松动脱落或达到疲劳寿命后失效，此时切换开关动触头由于储能不足在切换过程中对静触头的激振力降低，这时通过改变激振力的大小来模拟弹簧储能不足，分别采用50N、100N和150N这三组激振力对其进行模拟。图6和图7分别给出了筒体测点和筒盖测点在不同激振力下的位移响应，由图可知，激振力越大，在共振点附近的响应越大，激振力和共振点处的响应幅值基本呈线性关系，由此可知，弹簧储能不足将导致测点在共振频率处的响应变小。
在切换开关频繁作动下，动静触头不断碰撞，且伴有电流烧蚀，导致各个触头不同程度的磨损，磨损到一定程度后，动静触头的接触压力将发生变化，现采用有限元仿真模型对触头磨损后的情况进行模拟，假设其中一对磨损触头的接触压力降为原先的10％；响应点仍然采用图中的测点，测点的响应如图8和图9所示，由图可知，触头的磨损会导致测点在共振频率处的幅值发生不同程度的减小，这种变化并非是线性的。
本发明的有益效果是：本发明对分接开关的典型故障进行了大量的模拟，建立了分接开关的故障数据库，为分接开关故障的诊断提供了参考依据。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种分接开关故障仿真建模方法，其特征在于，具体包括以下几个步骤：
步骤一、首先，以分接开关的几何模型为基础，对分接开关的零部件进行动力学建模，通过对开关零部件几何模型进行简化,网格简化等步骤获得计算精度较高且计算规模较小的开关零部件有限元模型；
步骤二、接着，对分接开关进行连接件的建模，主要建立了模拟螺纹连接的刚性连接模型以及模拟螺旋圆柱弹簧的一维线性弹簧单元模型，通过连接件的建模获得分接开关的装配模型；
步骤三、最后，分别对分接开关的绝缘油筒、切换开关及整机进行动力学建模及分析，分接开关整体装配有限元模型规模达到了170万自由度，既保证了计算的精度，又控制了计算的规模，相对于网格细化的有限元模型，能显著提高计算的效率。
2.根据权利要求1所述的分接开关故障仿真建模方法，其特征在于：基于分接开关的整机有限元模型，分别对分接开关的静触头松动故障、弹簧储能不足故障及触头磨损故障进行仿真建模及分析。
3.根据权利要求2所述的分接开关故障仿真建模方法，其特征在于：在分析的频域范围内，对于选定的筒身和筒盖测点，静触头的松动故障降低了整机的固有频率，对整机的第1、3、6、8和12阶的固有频率影响较大，其中对第1阶固有频率的影响最为敏感，频率变化的误差达到了-19.84％。
4.根据权利要求2所述的分接开关故障仿真建模方法，其特征在于：弹簧储能不足仿真分析的结果表明：动触头产生的激振力越大，在共振点附近的响应越大，激振力和共振点处的响应幅值基本呈线性关系，因而弹簧储能不足将导致测点在共振频率处的响应变小。
5.根据权利要求2所述的分接开关故障仿真建模方法，其特征在于：触头磨损故障的仿真分析结果表明：触头的磨损会导致测点在共振频率处的幅值发生不同程度的减小，这种变化并非是线性的。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114878977A (zh) * | 2022-03-31 | 2022-08-09 | 上海交通大学 | 一种有载分接开关的绝缘校核方法 |
| CN115238560A (zh) * | 2022-09-21 | 2022-10-25 | 广东电网有限责任公司佛山供电局 | 基于有限元仿真的变压器有载开关故障识别方法及系统 |
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2020
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