一种变压器绕组机械状态分析方法与流程

本发明属于变压器
技术领域：
，具体涉及一种电力变压器绕组机械状态的分析方法。
背景技术：
：电力变压器是电力网络的关键节点，是关系到电力系统安全稳定运行的重要设备。短路事故是电网中常见且破坏性强的故障之一，由短路故障造成的绕组机械损坏严重影响了电力变压器的可靠运行。另外，如果变压器设计不当或者制造工艺不合格，在系统发生外部故障时，会引发严重的绕组损坏。这些损伤在多数情况下可能不是立即使变压器退出运行，但使得变压器机械结构变得脆弱，严重影响到变压器的安全运行。业内对变压器绕组的机械状态密切关注，提出了一系列的检修规程。实现对电力变压器机械状态的实时监测，能够有效地避免大型事故的发生。但是当前关于变压器绕组机械状态的监测都是采用间接的手段，如变形试验、振动试验、返厂吊罩等方法。这些方法费事费力，准确性不高，且无法实现实时监测，经济性差。技术实现要素：针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种电力变压器绕组机械状态的分析方法，该分析方法准确可靠、操作方便，可以直接对变压器绕组机械状态进行监测，且成本低廉、准确性高。为实现上述目的，按照本发明提供了一种变压器绕组机械状态获取方法，其特征在于，包括以下步骤：s1根据变压器的机械结构参数，搭建变压器的多物理场耦合绕组物理模型，所述多物理场包括电场、磁场和机械场；s2根据变压器的材料参数，设置步骤s1中所述电场、磁场、机械场的物理属性；s3设置步骤s1中所述电场、磁场、机械场的约束条件；s4设置变压器绕组在多物理场耦合作用下受到的洛伦兹力为变压器绕组机械场的变量；s5根据变压器实际运行状态在步骤s1中所述模型上加载电流，根据步骤s4中所述洛伦兹力求解得到相应的变压器绕组机械场结果，获取变压器绕组的机械状态，所述机械状态包括振动情况、应力情况和应变情况。在研究过程中，搭建物理模型，可以在各种仿真软件中模拟变压器的运行状态，根据仿真输出的结果，结合其他参考因素，对变压器的机械状态进行判断。一般来说，对具体的变压器，其机械结构等物理参数是一定的，根据这些参数，可以模拟搭建其多物理场虚拟模型。在变压器影响因素中，电场、磁场、机械场对变压器的机械状态影响是较为突出的，因此在搭建物理模型的时候，优先设置电场、磁场、机械场。仿真模拟的过程是一个虚拟过程，因此需要将一些必要参数和限制条件添加到搭建的物理模型中，也就是对电场、磁场、机械场的物理属性进行一定的设置，并确定电场、磁场、机械场的约束条件。在仿真模拟的过程中，电场、磁场、机械场的相互耦合后施加在绕组上的洛伦兹力可控可检测，因此选择将绕组受到的多物理场耦合洛伦兹力作为变压器绕组机械场的变量。也就是说，对于整个变压器的机械场而言，洛伦兹力是一个变量，其大小变化将会影响整个机械场的状态，即最终的检测结果。每一个洛伦兹力，均对应着一种机械场的状态，机械场的状态是受洛伦兹力的变化而变化的。变压器在工作的过程中，绕组线圈中加载有绕组电流，相应的，在仿真模拟过程中，需要根据变压器的实际运行状态加载运行电流，绕组线圈在耦合场的作用下受到洛伦兹力。绕组线圈受到的洛伦兹力施加在变压器绕组上，会对变压器绕组的物理状态产生影响。在上述物理模型中，可以根据洛伦兹力的大小和方向，通过一定程序，求解得到变压器绕组机械场结果，获取绕组的机械状态，机械状态包括振动情况、应力情况及应变情况。通过这些机械状态，可以有效监测变压器的运行状态，从而避免隐患发生。作为本发明的一个优选技术方案，步骤s2中所述物理属性包括固定参数和可变参数，所述固定参数为所述变压器绕组的固有值，所述可变参数为理想值。作为本发明的一个优选技术方案，固定参数包括泊松比、杨氏模量、密度、电导率、相对磁导率。作为本发明的一个优选技术方案，电场的可变参数包括绕组各线饼之间的匝绝缘为零、电流在绕组中分布均匀和绕组各处的电流面密度相同。作为本发明的一个优选技术方案，磁场的可变参数包括各结构件、绕组饼间油道和油纸绝缘结构对变压器绕组磁场的影响为零。作为本发明的一个优选技术方案，机械场的可变参数包括各器件的结构和/或材质对变压器机械场的影响为零和各器件为理想器件，不会在洛伦兹力的作用下发生变化，所述器件包括垫块、撑条、端圈。变压器的物理属性包括固定参数和可变参数，其中固定参数属于变压器的固有属性，一般由变压器的材质、结构等决定；可变参数一般受到技术限制，在不同情况下呈现不同的数值大小。本发明技术方案中，固定参数包括但不限于绕组的泊松比、杨氏模量、密度、电导率、相对磁导率等，这些参数都是可以根据待测变压器的实际材质和结构获得的，属于变压器绕组的固有参数。而可变参数包括但不限于绕组匝绝缘、电流分布情况以及电流面密度等，这些参数在变压器的实际运行中，可能受到温度、湿度、绕组缠绕方式、均匀程度等影响，以及在使用过程中由于变压器损耗也会带来一些参数变化。在理想仿真模拟模型中，上述可变参数可以取理想值。本发明技术方案中，电场、磁场和机械场的可变参量均设置为理想值。具体而言，在本发明技术方案的物理模型中，绕组各线饼之间的匝绝缘为零，绕组各处不存在因缠绕方式带来磁场的变化；电流在整个变压器绕组中分布均匀，绕组线圈本身材质均匀，绕组的缠绕也是均匀的；以及对整个变压器绕组而言，各处的电流面密度是均匀的。对于磁场，本发明技术方案的理想模型中认为各结构件、绕组饼间油道和油纸绝缘结构对变压器绕组磁场的影响为零。对于机械场，理想模型中忽略耦合场施加在变压器绕组上的洛伦兹力带来的变化，即各器件的结构和/或材质对变压器机械场的影响为零，且各器件为理想器件，不会在洛伦兹力的作用下发生变化，或者说认为各器件可以承受洛伦兹力的作用。前述的器件包括但不限于垫块、撑条、端圈等一系列可能因受到洛伦兹力而发生机械变化的变压器组成器件。作为本发明的一个优选技术方案，步骤s3中所述的电场约束条件为：设定绕组为多匝线圈模型，选取电流参考方向，按照选定的电流方向对线圈施加电流面密度载荷。作为本发明的一个优选技术方案，步骤s3中所述的磁场约束条件为：设定变压器油箱的外轮廓线，施加磁通量平行约束。作为本发明的一个优选技术方案，步骤s3中所述的机械场约束条件为：设定变压器绕组下底面零位移约束，上底面加载预应力约束，绕组体加载重力约束。对于一个变压器仿真物理模型而言，多匝线圈是变压器的必备特征，选取电流的参考方向对于输出结果的绝对值没有影响，只起到标示电流方向的作用。选定的这个方向与电流实际的方向也不尽相同，选取电流的参考方向与选定的变压器电流方向是可以不一致的。添加变压器油箱外轮廓线以及平行约束，是为了尽可能模拟变压器的实际工作状态，将磁场约束在一定的边界条件内，本发明技术方案中所利用的磁通量平行约束即为磁场边界条件的一种。此外，由于变压器具有一定的负载和自重，其与其他组件也具有一定的连接关系，设定变压器绕组下底面零位移约束、上底面加载预应力约束、绕组体加载重力约束，也是模拟变压器实际的工作状态。作为本发明的一个优选技术方案，步骤s4中所述的洛伦兹力，包括正常运行及短路情况下变压器绕组受到的洛伦兹力。本发明技术方案是为了增强变压器运行的可靠性，对于变压器运行的各种状态都需要进行监测，尤其是短路状态。对比正常运行和短路情况下变压器绕组受到的洛伦兹力，可以快速发现变压器的运行异常，从而快速做出相应的措施，减少因变压器运行异常带来的损失。总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：1)本发明的变压器绕组机械状态分析方法，是将电-磁-机械耦合的有限元分析方法应用于变压器绕组机械状态分析，实现了对变压器绕组机械状态的在线分析，避免了振动检测试验、变形检测试验、返厂吊罩等一系列工作，显著地减少了工作量，节约了维护成本，同时具有一定的准确性。2)本发明的变压器绕组机械状态分析方法，采用基于多物理场耦合的变压器绕组机械状态分析方法能够对各种运行状态下的变压器绕组的机械状态进行预判断，指导工作人员合理安排检修工作，提高工作效率。附图说明图1是本发明实施例的处理流程结构示意图；图2是本发明实施例的变压器多物理场耦合仿真模型示意图。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。如图1所示，本发明实施例的变压器绕组机械状态分析方法，具体包括以下步骤：步骤1：根据变压器的实际结构参数搭建变压器多物理场耦合几何模型。本发明实施例所创建的变压器多物理场耦合几何模型包括电场、磁场和机械场。在搭建上述物理模型的过程中，需要尽可能模拟变压器的实际工作状态，其客观存在的物理形态是变压器的固有特征。本实施例在，优选实际的结构建模的部分参数如下表所示：参数序号建模参数1铁心结构2铁心直径(mm)3铁心窗高(mm)4心柱中心距(mm)5心柱与旁轭中心距(mm)6旁轭长度(mm)7旁轭宽度(mm)8旁轭高度(mm)9上、下轭长度(mm)10上、下轭宽度(mm)11上、下轭高度(mm)12下轭下端与油箱底部内侧的距离(mm)13夹件长度(mm)14夹件厚度(mm)15夹件高度(mm)16箱体内屏蔽层厚度(mm)17箱体内屏蔽层高度(mm)仿真物理模型建立在虚拟空间内，是一个理想模型，所施加的电场、磁场、机械场都是模拟场，并没有实际的场源。因此在搭建上述物理模型的时候，还需要设置场源条件，也就是待测变压器的实际物理尺寸和属性。一般来说，为了仿真结果的真实可靠性，模拟变压器模型越接近真实情况越好。实际上，变压器多物理场耦合几何模型实际上就是一个理想物理模型，搭建基于电场、磁场和机械场的多物理场耦合几何模型，不是本方案的核心和关键，实际上其搭建方式本领域技术人员可以根据相应的建模参数进行具体选择和确定的，本方案中的上述状态分析方法对所有的基于电场、磁场和机械场的模拟变压器模型均可适用，当然优选是模拟变压器模型越接近真实情况越好。本发明实施例所搭建的物理模型中使用了上述参数，但是实际可使用的参数并不限于上述参数，上述参数并不能成为本发明技术方案的具体限制。步骤2：根据变压器材料参数设置电场、磁场、机械场的物理属性。对于一个变压器来说，影响其运行的物理属性包括变压器材质、结构、形状、连接方式等方面，这些方面具体到仿真模型中，就是一些具体的物理参数。这些参数有些是根据变压器本身可以确定不变的，属于其固有参数，如泊松比、杨氏模量、密度、电导率、相对磁导率等。另一些则是不同的情况下参数值会发生变化，这部分参数一定程度上还受到技术的限制。例如变压器绕组的缠绕方式可能影响到各线饼之间匝绝缘的大小，线圈本身粗细均匀程度会影响到绕组各处电流大小，线圈缠绕密度不同会导致电流面密度不同。磁场方面，各结构件、绕组饼间油道、油纸绝缘结构对变压器绕组磁场也会产生影响。机械场也很容易受到外界的影响，变压器运行的时候会产生一定大小的洛伦兹力，该力施加在变压器上，一定时间后会对元件的机械状态有所改变，造成元件损耗，从而导致整个变压器的运行受到影响。这些可以发生变化的参数都是囿于现有技术的缺陷，不能够达到理想状态。因此，在本发明实施例的物理模型中，设置电场、磁场、机械场的物理属性包括两部分内容，即一部分是固定参数的设置，如在建模过程中设置绕组的泊松比、杨氏模量、密度、电导率、相对磁导率等材料物理属性参数。这些物理参数都是变压器固有参数，并不会随时发生变化，其根据变压器绕组的实际情况进行设置即可。另一部分是设置可变参数，实际上这种可变参数在变压器的实际使用中都是客观存在的，但是由于其在不同的条件下呈现的影响程度并不一致，在抽象化模型中，可以将其视为理想条件。本发明实施例中所涉及的设置可变参数即为将所述可变参数设置为理想值。具体地，对上述参数的设置优选如下：在电场的建模过程中作以下基本假设，也即将这些电场的可变参数设置为理想状态值：忽略绕组各线饼之间的匝绝缘，认为电流在绕组中均匀分布，绕组各处的电流面密度相同。在磁场的建模过程中作以下基本假设，也即将这些磁场的可变参数设置为理想状态值：忽略各结构件、绕组饼间油道、油纸绝缘结构对变压器绕组磁场的影响。在机械场的建模过程中作以下基本假设，也即将这些机械场的可变参数设置为理想状态值：忽略垫块、撑条、端圈等结构对变压器机械场的影响，认为垫块、撑条、端圈能够承受洛伦兹力的作用。步骤3：设置电场、磁场、机械场的约束条件。具体来说，本方案中，电场模型的约束条件为：设定绕组为多匝线圈模型，选取电流参考方向，对线圈施加电流面密度载荷。磁场模型的约束条件为：设定变压器油箱的外轮廓线，施加磁通量平行约束。机械场模型的约束条件为：设定变压器绕组下底面零位移约束，上底面加载预应力约束，绕组体加载重力约束。上述电场的约束条件中，变压器绕组本身是多线圈缠绕形成，因此需要添加多匝线圈模型，具体的缠绕半径和匝数，根据待测变压器的实际情况设置。选取电流的参考方向是为了确定一些物理量的方向，对于物理量本身的绝对值大小没有任何影响。除此之外，选取参考方向还可以为相应的物理计算提供方便，是一种常用的计算处理手段。变压器绕组通电后，即可在绕组表面形成面电流。本发明方案的实施例中的磁场约束条件中，先变压器油箱的外轮廓线，然后设定了磁通量的平行约束，将磁场限制在一定的约束条件内。这种约束条件也称作边界条件，是为了进一步缩小理想模型与变压器线圈实际运行时的状态差别，以尽可能得到最真实的仿真结果。由于变压器本身是安装在一定的电力输送装置上，且具有一定的自重，因此绕组线圈必然会受到一定的重力作用，同时与之相连接的其他电力输送装置也会对其有一定的作用力。本发明技术方案的实施例中，所模拟的机械场中，设置了位于下底面的零位移约束、上底面的加载预应力约束和重力约束，所列举的约束条件并不构成对本发明技术方案本身的限制。步骤4：设置变压器绕组在多物理场耦合作用下受到的洛伦兹力为变压器绕组机械场的变量。变量是作为检测结果的参照对比，观察不同的变量对于测量结果的影响，以得出一定的结论。在实际情况下，变量的数量和对象选择并不唯一，可以选择包括电场、磁场在内的多个物理量作为变量。本发明技术方案的实施例中，选择设置变压器绕组在多物理场耦合作用下受到的洛伦兹力为变量。一方面洛伦兹力相较于其他物理量，无论是在仿真模拟过程中还是实际的变压器使用过程中，测量都相对方便。另一方面，电场、磁场和机械场施加在绕组上的耦合作用本身较为复杂，将这些物理量全部设为变量虽然可以但没有必要，其结果完全可以由洛伦兹力呈现。洛伦兹力与变压器绕组之间可以用原因和结果来解释，即因为洛伦兹力发生了变化，相应的变压器绕组的机械场状态发生变化，从而变压器的机械状态发生了变化。步骤5：根据变压器实际运行状态在模型上加载电流，包括正常运行和短路情况下的电流，根据步骤s4中所述洛伦兹力求解得到相应的变压器绕组机械场结果，获取变压器绕组的机械状态，所述机械状态包括振动情况、应力情况及应变情况。变压器的作用是转换电压，其工作过程中有一定大小的电流通过，带电导体在磁场中会受到洛伦兹力的作用，其对应着变压器绕组的一种机械状态。力作用在物体上，会使物体的物理形态发生一定的变化，如使物体发生振动、物体内部相互作用的状态、外形上发生的局部相对变形等。本发明技术方案的实施例中，振动情况、应力情况和应变情况是观测变压器绕组机械状态的重要参考，这些因素与变压器运行状态密切相关。需要特别说明的是，本发明技术方案所提出的绕组机械状态分析方法，是一种基于变压器实际运行、在计算机仿真软件中搭建的理想物理模型。在物理学中，由于研究对象和所涉及问题的复杂性，常常把研究对象概括为理想模型。它是人们在真实实验的基础上，作出的一种抽象假设。理想模型可以突破技术的限制，直观的对问题的关键进行研究，从而对其实际应用做出指导。本技术方案的电力变压器绕组机械状态的分析方法中，充分利用了这一概念，以上假设不会对仿真的结果准确性产生影响，工程计算也允许对以上对象进行适当简化。本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12