CN117233507A - 基于磁致伸缩特性和磁通分布的变压器铁心状态诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于磁致伸缩特性和磁通分布的变压器铁心状态诊断方法。包括：（1）建立常用的硅钢片材料磁致伸缩率特性数据库；（2）考虑主磁通分布的油箱振动测点的布置；（3）测量并计算不同励磁工况下的分布各测点振动加速度标么值；（4）振动标么值比例判断；（5）运行过程中铁心及其框架夹紧结构的测量及预警。本发明将具体的材料磁致伸缩特性数据与产品振动特性相结合，充分考虑材料特性的影响；考虑主磁通分布下的铁心振动的具体测点布置，准确判断振动分布及机械结构的稳定或异常，为故障定位提供参考；建立具体测量振动在不同励磁电压下，材料特性和铁心夹紧结构下的对应关系，实现整体机械状态判断和故障定位。

Description

基于磁致伸缩特性和磁通分布的变压器铁心状态诊断方法

技术领域

本发明涉及变压器机械状态诊断领域，具体涉及一种基于磁致伸缩特性和磁通分布的变压器铁心状态诊断方法。

背景技术

铁心及其框架是变压器器身的机械结构重要组成部分，是磁路和器身安装骨架，在结构上，铁心的夹紧装置不仅使叠片式磁导体成为一个机械上完整的结构，而且其上面套有带绝缘的线圈，支持着引线，几乎安装了变压器内部的所有的部件，其承托绕组重量，在变压器短路冲击等瞬变过程中，绕组的反作用力对铁心框架造成冲击，可能引起铁心框架机械夹紧结构的变化，同时铁心也是主磁通路径，它把一次电路的电能转为磁能，又由本身的磁能转变为二次电路的电能，是能量转换的媒介，在正常空、负载运行、过励磁等特殊工况下，产生振动和发热，其本身的绝缘、接地和机械稳定性相互关联，可通过机械状态间接判断其整体状态，铁心及其框架结构的机械稳定性将直接影响变压器的安全运行。

铁心的夹紧结构是使叠片磁导体成为整体的紧固结构，应满足以下要求：

(1)夹紧结构的框架，承受夹紧力、起吊器身的重力及变压器短路时产生的机械力，以确保硅钢片的电磁性能。(2)夹紧结构应能可靠地压紧线圈、支撑引线、布置器身绝缘，并具有器身定位装置；(3)夹紧力应均匀，铁心片边缘不得翘曲，接缝密合，励磁噪声要小；(4)为了减少漏磁通在结构件中产生的涡流损耗和防止铁心多点接地，结构件应采用绝缘件与铁心本体隔开，而结构件本体不应交链主磁通而形成短路匝，但夹紧件与旁螺杆或侧梁可以构成闭合回路，交链零序磁通，流通零序电流；(5)绝缘件应设置油道用于散热。

叠片铁心的硅钢片材料具有磁致伸缩的特性，不同牌号磁致伸缩曲线不同，生产中使用的硅钢片特性可以通过性能测试获得，硅钢片材料在励磁时的磁致伸缩是铁心振动的根源。

现有技术不足：

(1)通过有限元等方法开展机械振动的计算分析，但计算准确性受到材料特性和变压器拉板、夹件、拉带、绑带等具体结构和底部定位、叠片工艺的影响，计算准确性存在诸多影响和误差。

(2)材料特性对变压器机械振动、噪声影响的规律论述较多，实测值差异在计算中经常未被详细考虑，材料特性变化对变压器本体振动的具体影响，以及材料特性和工艺制造制造质量相关性论述文献较少；

(3)结合材料特性和变压器主磁通分布的铁心的松动及异常机械状态故障模式分析论述较少。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术不足，提供一种基于磁致伸缩特性和磁通分布的变压器铁心状态诊断方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于磁致伸缩特性和磁通分布的变压器铁心状态诊断方法，包括如下步骤：

(1)建立常用的硅钢片材料磁致伸缩率特性数据库；

变压器的分析采用该变压器材料的实测磁致伸缩率特性曲线，磁致伸缩率特性曲线测量范围不小于1.9T磁密值，将磁致伸缩率曲线进行数据拟合，采用多项式形式如公式(1)所示，拟合系数>0.99；将材料特性以1.7T磁密为基准计算标么值，至少包括磁密B为1.7、1.75、1.8、1.85、1.9、1.95T的测量值，以每点振动测量值1.7T下磁致伸缩率为基准计算标么值，λ1.7*＝1,λ1.8*＝λ1.8/λ1.7，λ1.9*＝λ1.9/λ1.7，……，在测量范围内测点数据不足时采用拟合曲线补全数据；

λ＝k₁*B⁶+k₂*B⁵+k₃*B⁴+k₄*B³+k₅*B²+k₆*B+k₀ (1)

式中：k₀～k₆为多项式系数。

(2)考虑主磁通分布的油箱振动测点的布置；

在变压器油箱壁面上对应铁心的上下轭接缝处和旁轭中部水平位置，以及油箱顶部对应主柱和旁柱的垂直位置布置振动测点，与对应的变压器器身位置透视相对；

估算变压器铁心接缝处状态，旁轭与主柱接缝δ₁、上下主轭与主柱接缝δ₂，三相五柱铁心磁通分布：主柱磁通Ф1、Ф2、Ф3与旁轭Ф4、Ф5，上下主轭Ф6、Ф7，Ф3与Ф6在Ф3达峰时刻为同方向，Ф3与Ф4在Ф3达峰时刻为反方向，Ф3达峰时刻Ф3、Ф4、Ф6是在峰值上，考虑磁密在铁心转角处集中，用λ_p-p估算接缝处的伸缩量，假设接缝与水平方向夹角为45°，接缝δ1、δ2处的磁致伸缩率λ₁、λ₂为：

λ₁＝(L₁+L₂)*λ_p-p*sin(45°) (2)

λ₂＝(L₁+L₃)*λ_p-p*sin(45°) (3)

式中，铁心高度L₁，旁轭长度L₂，上下主轭长度L₃，λ_p-p为磁致伸缩率峰峰值。

不同产品和不同生产厂家铁心接缝结构和工艺存在一定差异，接缝处磁密发生弯折，振动较大，均匀夹紧此处硅叠片也是结构设计和工艺的难点之一，此处是振动的关注点。

(3)测量不同励磁工况下的分布各测点振动加速度标么值；

测量不同励磁工况下的各分布测点振动加速度峰值，至少包括主磁通磁密1.7、1.75、1.8、1.85、1.9、1.95T，以每点振动加速度测量值1.7T下为基准计算标么值，a_1.7 ^*＝1,a_1.8 ^*＝a_1.8/a_1.7，a_1.9 ^*＝a_1.9/a_1.7，……；

铁心振动主要原因是硅钢片的磁致伸缩；根据电磁感应原理及铁磁材料磁致伸缩特性，可得铁心磁致伸缩引起的振动加速度a_c为：

式中，L为铁磁材料原始尺寸；λ_c为硅钢片的励磁电压U下的磁致伸缩率；U为电源电压幅值；N为一次侧绕组匝数；S为铁心横截面积；B_c为铁心励磁电压下磁感应强度；ω为电源频率。

(4)振动标么值比例判断；

根据振动加速度a_c与电源电压幅值U的比例关系，以及振动加速度在铁心硅钢片被绑紧后受到限制下，振动加速度减小，根据磁致伸缩率与加速度的比值K，对铁心的夹紧状态做出分析和判断，在不同的励磁电压下，K值如下：

K_1.7＝λ_1.7 ^*/a_1.7 ^*,

K_1.75＝λ_1.75 ^*/a_1.75 ^*,

K_1.8＝λ_1.8 ^*/a_1.8 ^*,

K_1.85＝λ_1.85 ^*/a_1.85 ^*,

K_1.9＝λ_1.9 ^*/a_1.9 ^*,

K_1.95＝λ_1.95 ^*/a_1.95 ^*,

K值反映铁心夹紧结构对磁致伸缩振动的限制作用，K值>2，说明此测点振动加速度在夹紧状态下，磁致伸缩率被限制减小到50％以下，当测点K值<2时，测点处的磁致伸缩未被有效限制，夹紧结构或夹紧力可能不足。

(5)运行过程中铁心及其框架夹紧结构的测量及预警：

在变压器运行中，变压器遭受包括雷电冲击、短路电流冲击、过励磁，变压器的绕组夹紧状态和铁心框架可能在受到较大的电动力或励磁磁密激励下，发生松动，采用步骤(1)-步骤(4)的振动测量的方式与投运之初的振动测点加速度进行比较，测点振动加速度变化率<50％，K值>2，说明此处铁心框架夹紧状态良好。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

(1)将具体的材料磁致伸缩特性数据与产品振动特性相结合，充分考虑材料特性的影响；

(2)考虑主磁通分布下的铁心振动的具体测点布置，准确判断振动分布及机械结构的稳定或异常，为故障定位提供参考；

(3)建立具体测量振动在不同励磁电压下，材料特性和铁心夹紧结构下的对应关系，实现整体机械状态判断和故障定位。

附图说明

图1为本发明基于材料磁致伸缩和主磁通分布特性的变压器铁心机械状态诊断流程。

图2为油箱振动测点的铁心框架对应位置。

图3为三相五柱铁心磁通分布。

图4为三相五柱变压器磁通曲线的波形。

图5为厚度为0.23mm某牌号的硅钢片磁致伸缩曲线。

图6为振动加速度和磁致伸缩率标么值对比图。

图7为测点1-6磁致伸缩率/振动加速度比值K。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

如图1所示，本发明提供了一种基于磁致伸缩特性和磁通分布的变压器铁心状态诊断方法，包括如下步骤：

(1)建立常用的硅钢片材料磁致伸缩率特性数据库；

(2)考虑主磁通分布的油箱振动测点的布置；

(3)测量并计算不同励磁工况下的分布各测点振动加速度标么值；

(4)振动标么值比例判断；

(5)运行过程中铁心及其框架夹紧结构的测量及预警。

以下为本发明具体实现过程。

(1)建立常用的硅钢片材料磁致伸缩率特性数据库

具体变压器产品的分析采用该产品材料的实测磁致伸缩率特性曲线，磁致伸缩率特性曲线测量范围不得小于1.9T磁密值，将磁致伸缩率曲线进行数据拟合，采用多项式形式，公式(1)，拟合系数>0.99。将材料特性以1.7T磁密为基准计算标么值，至少包括磁密B为1.7、1.75、1.8、1.85、1.9、1.95T的测量值，以每点振动测量值1.7T下磁致伸缩率为基准计算标么值，λ1.7*＝1,λ1.8*＝λ1.8/λ1.7，λ1.9*＝λ1.9/λ1.7，……，在测量范围内测点数据不足时可采用拟合曲线补全数据。

λ＝k₁*B⁶+k₂*B⁵+k₃*B⁴+k₄*B³+k₅*B²+k₆*B+k₀ (1)

式中：k₀～k₆为多项式系数。(1)

(2)考虑主磁通分布的油箱振动测点的布置

在油箱壁面上对应铁心的上下轭接缝处和旁轭中部水平位置，以及油箱顶部对应主柱和旁柱的垂直位置布置振动测点，与对应的器身位置透视相对，可以避开油箱加强铁，振动测点位置如附图2。

估算变压器铁心接缝处状态，旁轭与主柱接缝δ₁、上下主轭与主柱接缝δ₂，三相五柱铁心磁通分布如附图3，主柱磁通Ф1、Ф2、Ф3与旁轭Ф4、Ф5、上下主轭Ф6、Ф7的相位关系如附图4，Ф3与Ф6在Ф3达峰时刻为同方向，Ф3与Ф4在Ф3达峰时刻为反方向，该时刻Ф3、Ф4、Ф6基本是在峰值上，考虑磁密在铁心转角处集中，用λ_p-p估算接缝处的伸缩量，假设接缝与水平方向夹角为45°，接缝δ₁、δ₂处的磁致伸缩率λ₁、λ₂为：

λ₁＝(L₁+L₂)*λ_p-p*sin(45°) (2)

λ₂＝(L₁+L₃)*λ_p-p*sin(45°) (3)

式中，铁心高度L₁，旁轭长度L₂，上下主轭长度L₃，λ_p-p为磁致伸缩率峰峰值。

不同产品和不同生产厂家铁心接缝结构和工艺存在一定差异，接缝处磁密发生弯折，振动较大，均匀夹紧此处硅叠片也是结构设计和工艺的难点之一，此处是振动的关注点。

考虑工艺制造偏差，接缝控制值δ₁、δ₂不宜过小，应给磁致伸缩留有空间，振动加速度在此区域有较高值，建议接缝间隙控制值δ₁>λ₁+Δ、δ₂>λ₂+Δ，Δ为余量值。

(3)测量不同励磁工况下的分布各测点振动加速度标么值

测量不同励磁工况下的各分布测点振动加速度峰值，至少包括主磁通磁密1.7、1.75、1.8、1.85、1.9、1.95T，以每点振动加速度测量值1.7T下为基准计算标么值,a_1.7 ^*＝1,a_1.8 ^*＝a_1.8/a_1.7，a_1.9 ^*＝a_1.9/a_1.7，……；

铁心振动主要原因是硅钢片的磁致伸缩。根据电磁感应原理及铁磁材料磁致伸缩特性，可得铁心磁致伸缩引起的振动加速度a_c为：

式中，L为铁磁材料原始尺寸；λ_c为硅钢片的励磁电压U下的磁致伸缩率；U为电源电压幅值；N为一次侧绕组匝数；S为铁心横截面积；B_c为铁心励磁电压下磁感应强度；ω为电源频率。

(4)振动标么值比例判断

根据振动加速度a_c与U的比例关系，公式(4)，及振动加速度在铁心硅钢片被绑紧后受到限制下，振动加速度减小，根据磁致伸缩率与加速度的比值K，对铁心的夹紧状态做出分析和判断，在不同的励磁电压下，K值如下：

K_1.7＝λ_1.7 ^*/a_1.7 ^*,

K_1.75＝λ_1.75 ^*/a_1.75 ^*,

K_1.8＝λ_1.8 ^*/a_1.8 ^*,

K_1.85＝λ_1.85 ^*/a_1.85 ^*,

K_1.9＝λ_1.9 ^*/a_1.9 ^*,

K_1.95＝λ_1.95 ^*/a_1.95 ^*,

K值反映铁心夹紧结构对磁致伸缩振动的限制作用，K值>2或者更大，说明此测点振动加速度在夹紧状态下，磁致伸缩率被限制减小到50％以下，当测点K值<2时，测点处的磁致伸缩未被有效限制，夹紧结构或夹紧力可能不足。

(5)运行过程中铁心及其框架夹紧结构的测量及预警

在变压器运行中，变压器遭受各种雷电冲击、短路电流冲击、过励磁等，变压器的绕组夹紧状态和铁心框架可能在受到较大的电动力或励磁磁密激励下，发生松动，可以采用上述振动测量的方法与投运之初的振动测点加速度进行比较，测点振动加速度变化率<50％，K值>2，说明此处铁心框架夹紧状态良好。

铁心及其框架夹紧状态分析案例

(1)某常用的硅钢片材料磁致伸缩率特性数据

λ＝1931.7*B⁶-9848.7*B⁵+18632*B⁴-15856*B³+5865*B²-817.36*B

材料磁致伸缩特性测量曲线如附图5，2个样件的测量结果如表1所示。在油箱壁测点布置如附图2(图(a)为透视铁心及框架的油箱振动测点高度位置(正视图)，图2(b)为图2(a)的俯视图，图2(a)、(b)中1-15为测点，测点均布置于油箱P表面，与铁心Q(铁心由多块如图2(a)所示带开口的厚铁片叠放成图2(b)的厚度)的相应位置对应)，其中测点1～6测量的振动加速度如表2所示。图6为振动加速度和磁致伸缩率标么值平均值对比图，磁致伸缩为材料本身的振动特性，测量材料时未施加压力或夹紧力，振动加速度为产品的测量值，铁心是将硅钢片组装成产品部件，通过夹件、绑紧钢拉带等组成装配体，材料通过多点被施加夹紧力，材料的磁致伸缩特性受到夹紧力作用后，振动伸缩率受到限制，从图中可以看出随着电压的增加，产品测点振动增加远小于材料本身磁致伸缩的增加，通过各个测点的磁致伸缩率与振动加速度的比值可以看出该点材料特性在受到夹紧力后被约束的情况。图7为磁致伸缩率/振动加速度比值K，通过此图可以清晰地看出磁致伸缩与振动加速度的比值，显示磁致伸缩在铁心被夹紧后受到的限制，也可以绘制各测点的K值变化情况，分析各点在不同电压下振动受到的限制，确定各点的机械夹紧状态。

表1某23牌号硅钢片磁致伸缩测量和分析结果

磁致伸缩量/um	7-1#样件	7-2#样件	均值	σ标准偏差
					λ1.7	-20	56	18	54
λ1.8	168	242	205	52
					λ1.9	708	686	697	16
λmin	-138	-96	-117	30
					λp-p	846	782	814	46
λ1.7-1.8	-188	-186	-187	2

表2铁心及其框架夹紧状态平均值分析

*表示标么值

估算磁致伸缩在铁心转角区域的量值：

L₁＝2800，L₂＝600，L₃＝1500，磁致伸缩量为：

λ₁＝(2800+600)*814*10-6*sin(45°)＝1.96mm

λ₂＝(2800+1500)*814*10-6*sin(45°)＝2.48mm

接缝间隙δ₁、δ₂处建议大于磁致伸缩量，并留有一定余量。

其中K值在测点3电压1.03～1.16倍全范围内较小，此处可能夹紧力不足。测点2、3的分析结果参见表3，所有测点1-6的K值分析结果见表4，其中测点4的K值偏离平均值较大，应对该位置夹紧结构进行具体分析，并与类似、周边位置测量值进行对比，分析是否有可能存在压力过大受力不均匀的问题。

表3测点2、测点3夹紧状态分析结果

*表示标么值

表4测点1-6夹紧状态分析结果

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于磁致伸缩特性和磁通分布的变压器铁心机械状态诊断方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)建立常用的硅钢片材料磁致伸缩率特性数据库；

(2)考虑主磁通分布的油箱振动测点的布置；

(3)测量并计算不同励磁工况下的分布各测点振动加速度标么值；

(4)振动标么值比例判断；

(5)运行过程中铁心及其框架夹紧结构的振动测量及预警。

2.根据权利要求1所述的基于磁致伸缩特性和磁通分布的变压器铁心状态诊断方法，其特征在于，所述步骤(1)具体实现如下：

变压器的分析采用该台产品材料的实测磁致伸缩率特性曲线，磁致伸缩率特性曲线测量范围不小于1.9T磁密值，将磁致伸缩率曲线进行数据拟合，采用多项式形式如公式(1)所示，拟合系数>0.99；将材料特性以1.7T磁密为基准计算标么值，至少包括磁密B为1.7、1.75、1.8、1.85、1.9、1.95T的测量值，以每点振动测量值1.7T下磁致伸缩率为基准计算标么值，λ1.7*＝1,λ1.8*＝λ1.8/λ1.7，λ1.9*＝λ1.9/λ1.7，……，在测量范围内测点数据不足时采用拟合曲线补全数据；

λ＝k₁*B⁶+k₂*B⁵+k₃*B⁴+k₄*B³+k₅*B²+k₆*B+k₀ (1)

式中：k₀～k₆为多项式系数。

3.根据权利要求2所述的基于磁致伸缩特性和磁通分布的变压器铁心状态诊断方法，其特征在于，所述步骤(2)具体实现如下：

在变压器油箱壁面上对应铁心的上下轭接缝处和旁轭中部水平位置，以及油箱顶部对应主柱和旁柱的垂直位置布置振动测点，与对应的变压器器身位置透视相对；

估算变压器铁心接缝处状态，旁轭与主柱接缝δ₁、上下主轭与主柱接缝δ₂，三相五柱铁心磁通分布：主柱磁通Ф1、Ф2、Ф3与旁轭Ф4、Ф5，上下主轭Ф6、Ф7，Ф3与Ф6在Ф3达峰时刻为同方向，Ф3与Ф4在Ф3达峰时刻为反方向，Ф3达峰时刻Ф3、Ф4、Ф6是在峰值上，考虑磁密在铁心转角处集中，用λ_p-p估算接缝处的伸缩量，假设接缝与水平方向夹角为45°，接缝δ₁、δ₂处的磁致伸缩率λ₁、λ₂为：

λ₁＝(L₁+L₂)*λ_p-p*sin(45°) (2)

λ₂＝(L₁+L₃)*λ_p-p*sin(45°) (3)

式中，铁心高度L₁，旁轭长度L₂，上下主轭长度L₃，λ_p-p为磁致伸缩率峰峰值。

4.根据权利要求3所述的基于磁致伸缩特性和磁通分布的变压器铁心状态诊断方法，其特征在于，所述步骤(3)具体实现如下：

测量不同励磁工况下的各分布测点振动加速度峰值，至少包括主磁通磁密1.7、1.75、1.8、1.85、1.9、1.95T，以每点振动加速度测量值1.7T下为基准计算标么值，a_1.7 ^*＝1,a_1.8 ^*＝a_1.8/a_1.7，a_1.9 ^*＝a_1.9/a_1.7，……；

铁心振动主要原因是硅钢片的磁致伸缩；根据电磁感应原理及铁磁材料磁致伸缩特性，可得铁心磁致伸缩引起的振动加速度a_c为：

式中，L为铁磁材料原始尺寸；λ_c为硅钢片的励磁电压U下的磁致伸缩率；U为电源电压幅值；N为一次侧绕组匝数；S为铁心横截面积；B_c为铁心励磁电压下磁感应强度；ω为电源频率。

5.根据权利要求4所述的基于磁致伸缩特性和磁通分布的变压器铁心状态诊断方法，其特征在于，所述步骤(4)具体实现如下：

根据振动加速度a_c与电源电压幅值U的比例关系，以及振动加速度在铁心硅钢片被绑紧后受到限制下，振动加速度减小，根据磁致伸缩率与加速度的比值K，对铁心的夹紧状态做出分析和判断，在不同的励磁电压下，K值如下：

K_1.7＝λ_1.7 ^*/a_1.7 ^*,

K_1.75＝λ_1.75 ^*/a_1.75 ^*,

K_1.8＝λ_1.8 ^*/a_1.8 ^*,

K_1.85＝λ_1.85 ^*/a_1.85 ^*,

K_1.9＝λ_1.9 ^*/a_1.9 ^*,

K_1.95＝λ_1.95 ^*/a_1.95 ^*,

K值反映铁心夹紧结构对磁致伸缩振动的限制作用，K值>2，说明此测点振动加速度在夹紧状态下，磁致伸缩率被限制减小到50％以下，当测点K值<2时，测点处的磁致伸缩未被有效限制，夹紧结构或夹紧力可能不足。

6.根据权利要求5所述的基于磁致伸缩特性和磁通分布的变压器铁心状态诊断方法，其特征在于，所述步骤(5)具体实现如下：

在变压器运行中，变压器遭受包括雷电冲击、短路电流冲击、过励磁，变压器的绕组夹紧状态和铁心框架可能在受到较大的电动力或励磁磁密激励下，发生松动，采用步骤(1)-步骤(4)的振动测量的方式与投运之初的振动测点加速度进行比较，测点振动加速度变化率<50％，K值>2，说明此处铁心框架夹紧状态良好。