CN114048644B - 一种干式变压器声学诊断数据库构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电力系统技术领域，尤其是指一种干式变压器声学诊断数据库构建方法，其包括步骤1：模型搭建、材料设置和网格划分；搭建变压器的基础模型，分别对应设置空气、软铁和铜材料，同时设置材料的相应参数，设定好相应参数后，进行网格划分，将网格划分为变压器本体和外部辐射球域两部分，步骤2：确定物理场和物理场边界条件设置；首先添加电路设置变压器的等效模型元件的联接组别和选择正弦三相电压确定变压器的激励方式；步骤3：求解和后处理；采用了默认的直接式求解器；通过上述求解计算可以得到仿真结果。本申请的一种干式变压器声学诊断数据库构建方法结合现有的有限元多物理场仿真软件对变压器的振动和噪声辐射进行建模分析。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统技术领域，尤其是指一种干式变压器声学诊断数据库构建方法。
背景技术
可听声诊断技术是近年来发展起来的新型诊断技术，非接触式测量，可对移动目标进行在线监测，在声信号的采集和传播过程中不产生电磁信号，对设备本身无干扰的优点引发各界对可听声分析法在设备故障诊断方面的研究热潮。变压器故障数据库是开展可听声变压器故障诊断研究的重要平台，但由于变压器运行状态的不可预估性和数据采集的不完整性，针对科研人员对变压器故障设计研究的问题。本文设计一种干式变压器声学诊断数据库构建方法，结合有限元仿真软件建立变压器振动与噪声的多物理场模型，对变压器可听声故障诊断平台进行完善，为研究人员提供可靠、便利的数据服务。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种干式变压器声学诊断数据库构建方法，该干式变压器声学诊断数据库构建方法结合现有的有限元多物理场仿真软件对变压器的振动和噪声辐射进行建模分析。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种干式变压器声学诊断数据库构建方法，其包括三个步骤：
步骤1：模型搭建、材料设置和网格划分；
搭建变压器的基础模型，采用在其工作平面上根据变压器的结构参数进行模型搭建，分别对应设置空气、软铁和铜材料，同时设置材料的相应参数：相对磁导率、电导率、密度、泊松比和杨氏模量求解所需的参量外还需设置各个材料的声速参量；搭建完成变压器模型并设定好相应参数后，进行网格划分，将网格划分为变压器本体和外部辐射球域两部分，由于声场运行计算量比较大，变压器本体构建可根据需求划分精细，外部辐射球域可采用物理场控制网格；
步骤2：确定物理场和物理场边界条件设置；
在定义物理场时，为了确定变压器的接线方式，首先添加电路设置变压器的等效模型元件的联接组别和选择正弦三相电压确定变压器的激励方式；其次根据变压器的声信号辐射原理设置压力声学场，由于本文仿真采用瞬态求解，物理场选择为压力声学，瞬态；添加外场计算、激励源：内部法向加速度、辐射方式：球面波辐射；最后针对变压器模型声场所需的法向加速度，添加磁场、固体力学场进行铁芯和绕组在电磁和结构耦合作用下的加速度；压力声学，瞬态：工程中的实际声场通常比较复杂，但一般可以近似分解为一种或几种典型声源模型的组合，对于本文变压器的声场计算，选择亥姆霍兹基本方程，可以将铁芯视为单极子和偶极子两种声源模型的组合，默认使用空气的参考压力和空气的声速343m/s，声场边界设置为对称/无限硬声场边界，设置边界条件内部法向加速度，选择绕组和铁芯的法相加速度，由于结构和辐射球域之间加载有流体，变压器的振动以流固边界上法向加速度的形式影响流体的过程，需要添加声-固耦合接口；磁场：选择麦克斯韦程组对变压器的电磁过程进行计算；固体力学：结构场分析选用结构力学模块中的实体，应力-应变(smsld)，变量设为(u，v，w)；使用瞬态有阻尼的求解域中求解方程：根据磁场和结构的耦合作用，设置固体力学场的边界条件；针对绕组受电动力振动的原理添加边界载荷，载荷类型设置为单位面积力，各相绕组对应链接到磁场中的各相力计算；针对铁芯的磁致伸缩效应，在固体力学场添加磁致伸缩材料，并在材料中补充饱和磁化强度、初始磁化率、饱和磁致伸缩系数等材料属性，同时添加边界载荷，力链接到磁场中的铁芯力计算；
步骤3：求解和后处理；可以根据仿真内容选择不同类型的求解器，本文采用了默认的直接式求解器；通过上述求解计算可以得到仿真结果；COMSOL Multiphysics仿真处理软件提供多种后处理及可视化工具得到计算结果后，可以根据研究的条件和工况，利用数据集实现不同维度的分析；通过设置不同位置的三维截点、二维截面进行了三维应力形变可视化计算、三维声压分布可视化计算、铁芯和绕组受力加速度的一维计算、二维声压分布可视化计算。
进一步地，利用现有的有限元仿真软件进行多场耦合，设置电路、压力声学，瞬态场、固体力学场和磁场进行变压器噪声分析，为变压器可听声故障诊断平台提供数据支撑。
进一步地，添加的物理场需要建立耦合关系，设置电路确定变压器的连接方式，设置压力声学场以变压器的表面加速度为压力声学场的边界条件，分析计算变压器运行的噪声分布，设置磁场进行变压器铁芯和绕组的受力情况，设置固体力学场，对变压器铁芯和绕组的受力计算其表面的加速度、位移和应变。
附图说明
图1为本发明的流程框图；
图2为本发明的截点1处的声压图；
图3为本发明的截点1处声压频谱图；
图4为截点2处声压图；
图5为截点2处声压频谱图；
图6为等值面的声压空间分布图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
本发明提供了一种干式变压器声学诊断数据库构建方法，对PSCZ10-8000/6.3/35型号的变压器进行仿真建模，额定电压为6.3/35kV，额定电流为733/132A，容量为8000kVA，该方法的具体实现如下：
1.搭建模型、材料设置和网格划分；
根据该变压器结构参数、电气参数和联结组别搭建变压器的三维物理模型，声场计算量比较大，本案例采用简化的变压器模型，在其三维模型的基础上，对不同域进行材料设置和相应参数设置，该变压器的结构参数和材料参数如下表1和表2所示：
表1变压器结构参数
表2材料属性主要参数
设置压力声学场和声-固耦合接口；
通过对压力声学场的边界条件的设置和耦合接口的配合，变压器的声学辐射多物理耦合仿真设置完整，将变压器设置为短路运行状态模式，材料的声速设置如表3所示。
表3各材料的声速参数
计算结果；
如图2、图3、图4、图5和图6所示，模型的计算结束后，可用结果计算出需要的一维声压分布波形图、三维声压分布图，本案例设置了两个不同位置的采样点：截点1(-2000，0，0)、截点2(2000，0，0)，对其声压结果进行了简单的傅里叶变换，这两个采样点计算得到了声压图和频谱图，得到声压的空间分布情况，计算了三维的声压分布。
本实施例中的所有技术特征均可根据实际需要而进行自由组合。
上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，还包括其它方式实现，在不脱离本技术方案构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种干式变压器声学诊断数据库构建方法，其特征是该方法包含三个步骤：
步骤1：模型搭建、材料设置和网格划分；
搭建变压器的基础模型，采用在其工作平面上根据变压器的结构参数进行模型搭建，分别对应设置空气、软铁和铜材料，同时设置材料的相应参数：相对磁导率、电导率、密度、泊松比和杨氏模量求解所需的参量外还需设置各个材料的声速参量；搭建完成变压器模型并设定好相应参数后，进行网格划分，将网格划分为变压器本体和外部辐射球域两部分，由于声场运行计算量比较大，变压器本体构建可根据需求划分精细，外部辐射球域可采用物理场控制网格；
步骤2：确定物理场和物理场边界条件设置；
在定义物理场时，为了确定变压器的接线方式，首先添加电路设置变压器的等效模型元件的联接组别和选择正弦三相电压确定变压器的激励方式；
其次根据变压器的声信号辐射原理设置压力声学场，采用瞬态求解，物理场选择为瞬态的压力声学场；添加外场计算、激励源：内部法向加速度；辐射方式：球面波辐射；
最后针对变压器模型声场所需的法向加速度，添加磁场、固体力学场进行铁芯和绕组在电磁和结构耦合作用下的加速度；
瞬态压力声学场：工程中的实际声场复杂，可以分解为一种或几种典型声源模型的组合，对于变压器的声场计算，选择亥姆霍兹基本方程，可以将铁芯视为单极子和偶极子两种声源模型的组合，默认使用空气的参考压力和空气的声速343m/s，声场边界设置为对称/无限硬声场边界，设置边界条件内部法向加速度，选择绕组和铁芯的法相加速度，由于结构和辐射球域之间加载有流体，变压器的振动以流固边界上法向加速度的形式影响流体的过程，需要添加声-固耦合接口；
磁场：选择麦克斯韦程组对变压器的电磁过程进行计算；
固体力学：结构场分析选用结构力学模块中的实体，应力-应变，变量设为（u，v，w）；
使用瞬态有阻尼的求解域中求解方程：根据磁场和结构的耦合作用，设置固体力学场的边界条件；针对绕组受电动力振动的原理添加边界载荷，载荷类型设置为单位面积力，各相绕组对应链接到磁场中的各相力计算；
针对铁芯的磁致伸缩效应，在固体力学场添加磁致伸缩材料，并在材料中补充饱和磁化强度、初始磁化率、饱和磁致伸缩系数材料属性，同时添加边界载荷后，各相的力与磁场中的铁芯力链接后进行计算；
步骤3：求解和后处理；可以根据仿真内容选择不同类型的求解器，采用了默认的直接式求解器；通过上述求解计算可以得到仿真结果；COMSOL Multiphysics仿真处理软件提供多种后处理及可视化工具得到计算结果后，可以根据研究的条件和工况，利用数据集实现不同维度的分析；通过设置不同位置的三维截点、二维截面进行了三维应力形变可视化计算、三维声压分布可视化计算、铁芯和绕组受力加速度的一维计算、二维声压分布可视化计算。
2.根据权利要求1所述的一种干式变压器声学诊断数据库构建方法，其特征在于：利用现有的有限元仿真软件进行多场耦合，设置电路、压力声学，瞬态场、固体力学场和磁场进行变压器噪声分析，为变压器可听声故障诊断平台提供数据支撑。
3.根据权利要求1所述的一种干式变压器声学诊断数据库构建方法，其特征在于：添加的物理场需要建立耦合关系，设置电路确定变压器的连接方式，设置压力声学场以变压器的表面加速度为压力声学场的边界条件，分析计算变压器运行的噪声分布，设置磁场进行变压器铁芯和绕组的受力情况，设置固体力学场，对变压器铁芯和绕组的受力计算其表面的加速度、位移和应变。
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