基于有限元理论的变压器绕组松动状态下监测方法及系统

摘要

本发明公开了基于有限元理论的变压器绕组松动状态下监测方法及系统，涉及电力技术领域，包括建立三维模型，设置变压器绕组材料属性，施加三维建模边界网格化限制，利用COMSOL模拟三维模型，通过设置线饼间的垫块的弹性模量模拟绕组预紧力的状态。本发明能够模拟正常运行和松动状态下的电磁力分布和振动响应等，实现了对振动波形的频域分析判定，通过调整弹性模量来模拟不同预紧力状态，实现了对绕组松动程度的定量评估，该方法提供了一种先进的仿真分析与监测手段，有利于及时准确判断绕组松动状态，为操作与维护提供重要技术支撑。

说明书

技术领域

本发明涉及电力技术领域，特别是基于有限元理论的变压器绕组松动状态下监测方法及系统。

背景技术

近年来，随着新型电力系统的构建及电网智能化的提高，作为电力系统中电磁转换和变换电压的重要电气设备变压器，其安全稳定尤为重要，随着新型电力系统朝着高比例新能源发展，新增运行的变压器的数量急剧上升，变压器由于结构复杂、工作周期长、运行环境差等原因，导致变压器的大量投入给电网带来了巨大的安全隐患，保障变压器安全工作是电网工作者的重要任务之一。

目前随着电力系统对变压器运行状态的监测要求越来越高，尝试应用有限元理论来模拟变压器绕组的工作状态，有限元理论通过将连续体离散化为有限单元，在每个单元上建立控制方程，求解各单元的物理量，最终合成整体的近似解，这种数值计算方法可以精确描述变压器绕组的应力和变形状态，但现有的有限元理论监测变压器绕组松动状态的研究还不够深入，还需要进一步加强变压器绕组有限元建模，求解算法等方面的工作，以提高监测的精度，利用有限元理论监测变压器绕组松动状态仍处于探索阶段，还需进一步的优化。

发明内容

鉴于现有的基于有限元理论的变压器绕组松动状态下监测方法及系统中存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明的目的是提供基于有限元理论的变压器绕组松动状态下监测方法及系统，能够在无法监测变压器绕组松动状态下，通过绕组预紧力的弹性模量变化反应松动程度。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

第一方面，本发明实施例提供了基于有限元理论的变压器绕组松动状态下监测方法，其包括，根据变压器绕组振动受到线饼间的垫块和挡板预紧力的影响，对变压器进行三维建模，设置变压器绕组材料属性，施加三维建模边界网格化限制，在物理场模型中对磁场和固体力学进行洛伦兹耦合；利用COMSOL模拟三维模型，分析变压器正常运行时绕组的漏磁分布、电磁力分布规律以及正常额定运行时的加速度振动波形；当绕组预紧力出现松动时，通过设置线饼间的垫块的弹性模量模拟绕组预紧力的状态。

作为本发明所述基于有限元理论的变压器绕组松动状态下监测方法的一种优选方案，其中：所述变压器绕组包括线饼和线饼间的垫块组成，所述线饼的上下端部设有挡板，所述挡板与上下端线饼间均匀设置垫块，所述三维建模包括根据模型的收敛性对变压器箱体按长宽高尺寸进行三维建模。

作为本发明所述基于有限元理论的变压器绕组松动状态下监测方法的一种优选方案，其中：所述材料属性包括线饼和垫块的材料参数，将变压器油、铁芯、线饼以及垫块材料参数赋予有限元模型，所述网格化限制包括在变压器绕组上部的垫块表面设置边界预紧力载荷，绕组端部的垫块表面按物理状态设置为固定约束，限制线饼在X和Y方向上的位移，所述进行洛伦兹耦合包括对模型进行瞬态分析，设置时长周期，对不同的周期区域采用的剖分方式处理，所述剖分方式包括常规化网格剖分和精细化网格剖分。

作为本发明所述基于有限元理论的变压器绕组松动状态下监测方法的一种优选方案，其中：所述漏磁分布包括将绕组所处的漏磁分解为轴向和径向，所述径向指作用在线饼上产生轴向的力，进而导致轴向振动，由于漏磁呈现出对称特性，所述绕组上部线饼电磁力呈现出两端向下的趋势，而绕组下部线饼所受电磁力对绕组呈现为轴向拉力和径向扩张的趋势，所述加速度振动波形包括绕组A、绕组B以及绕组C三相周期，每个周期都排满Q个编号。

作为本发明所述基于有限元理论的变压器绕组松动状态下监测方法的一种优选方案，其中：所述绕组A包括A

读取数据库中存储的绕组A、绕组B以及绕组C的固有频率值；

选取固有频率内的频率峰值作为频率分量；

将频率分量与固有频率值逐一进行对比；

设置匹配度阈值将对比结果进行验证；

所述固有频率值是通过历史数据统计分析得出，所述频率分量是取幅值较大的频率峰，所述对比包括如下判定；

若固有频率值大于频率分量，则固有频率值对应的绕组产生了频率分量，此时振动信号选择所对应的绕组进行验证；

若固有频率值小于频率分量，则固有频率值对应的绕组未产生频率分量，此时无须进行验证；

若固有频率值等于频率分量，则无法直接做匹配判断，此时须重新读取和选取固有频率值和频率分量；

所述验证包括设置阈值P对匹配度进行排查，预设匹配度阈值初始值为P

当s＞P

当P

当s＜P

作为本发明所述基于有限元理论的变压器绕组松动状态下监测方法的一种优选方案，其中：所述对加速度振动波形进行判定包括任一绕组的加速度振动波形进行判定；

当s＞P

当P

当s＜P

作为本发明所述基于有限元理论的变压器绕组松动状态下监测方法的一种优选方案，其中：所述模拟绕组预紧力的状态包括采用绕组弹性模量的变化反应绕组预紧力，具体公式如下：

δ＝cε+dε

其中，δ和ε分别为应力与应变，c＝1.05×10

第二方面，本发明实施例提供了基于有限元理论的变压器绕组松动状态下监测系统，其包括：网格化限制模块，其根据变压器绕组振动受到线饼间的垫块和挡板预紧力的影响，对变压器进行三维建模，设置变压器绕组材料属性，施加三维建模边界网格化限制；分析模块，其利用COMSOL模拟三维模型，分析变压器正常运行时绕组的漏磁分布、电磁力分布规律以及正常额定运行时的加速度振动波形；设置模块，其当绕组预紧力出现松动时，通过设置线饼间的垫块的弹性模量模拟绕组预紧力的状态。

第三方面，本发明实施例提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其中：所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的基于有限元理论的变压器绕组松动状态下监测方法的任一步骤。

第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中：所述计算机程序被处理器执行时实现上述的基于有限元理论的变压器绕组松动状态下监测方法的任一步骤。

本发明有益效果为：通过建立三维模型，设置变压器绕组材料属性，施加三维建模边界网格化限制，利用COMSOL模拟三维模型，通过设置线饼间的垫块的弹性模量模拟绕组预紧力的状态。本方案能够模拟正常运行和松动状态下的电磁力分布和振动响应等，实现了对振动波形的频域分析判定，通过调整弹性模量来模拟不同预紧力状态，实现了对绕组松动程度的定量评估，该方法提供了一种先进的仿真分析与监测手段，有利于及时准确判断绕组松动状态，为操作与维护提供重要技术支撑。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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它的附图。其中：

图1为本发明一个实施例提供的基于有限元理论的变压器绕组松动状态下监测方法及系统的流程图；

图2为本发明一个实施例提供的基于有限元理论的变压器绕组松动状态下监测方法及系统的绕组电磁力分布图；

图3为本发明一个实施例提供的基于有限元理论的变压器绕组松动状态下监测方法及系统的绕组加速度波形图；

图4为本发明一个实施例提供的基于有限元理论的变压器绕组松动状态下监测方法及系统的不同松动程度下振动加速度波形图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”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，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

参照图1和图4，为本发明第一个实施例，该实施例提供了基于有限元理论的变压器绕组松动状态下监测方法，包括：

S1：根据变压器绕组振动受到线饼间的垫块和挡板预紧力的影响，对变压器进行三维建模，设置变压器绕组材料属性，施加三维建模边界网格化限制，在物理场模型中对磁场和固体力学进行洛伦兹耦合。

其中，变压器绕组包括线饼和线饼间的垫块组成，线饼的上下端部设有挡板，挡板与上下端线饼间均匀设置垫块，三维建模包括根据模型的收敛性对变压器箱体按长宽高尺寸进行三维建模。

进一步的，选择研究三维模型的维度，在物理场选择时要清楚计算所涉及的物理场，针对绕组振动计算，需添加AC/DC模块下的磁场和结构力学下的固体力学，本文研究的是某企业提供的S11系列三相全密封油浸式变压器，其额定容量为400kVA，一二次绕组匝数比为693/32，研究变压器基础参数表如下表1所示：

表1研究变压器基础参数表

表格描述了一台S11-15kV型号、额定容量为400kVA和额定电压为15kV/400V的变压器的主要技术参数，变压器的铁芯截面直径为210毫米，芯柱中心距为537.4毫米，窗高为604毫米，绕组高度为434毫米，变压器的油箱外形尺寸为长2000毫米，宽1200毫米，高1800毫米，通过数值准确地给出了变压器的铁芯尺寸参数，包括截面直径、芯柱距离、窗高以及绕组高度参数，同时给出了变压器油箱的三个外形尺寸参数长度、宽度和高度。

优选的，绕组是变压器工艺最复杂的部件，绕组是由铜导线按照一定的绕制方式绕制而成，绕组主要由线饼及线饼间的垫块组成，同时为保障轴向稳定，其上下端部设有挡板结构，挡板与上下线饼间均匀布置垫块，预紧力通过挡板结构作用在垫块表面，由于挡板的弹性系数较大，材料属性对结果影响不大，以作用在垫块表面的预紧力代替，建立的几何模型绕组线饼轴向分布22饼，线饼间均匀布置四个垫块，端部线饼上下各均匀分布4个线饼。

S1.1：材料属性包括线饼和垫块的材料参数，将变压器油、铁芯、线饼以及垫块材料参数赋予有限元模型，网格化限制包括在变压器绕组上部的垫块表面设置边界预紧力载荷，绕组端部的垫块表面按物理状态设置为固定约束，限制线饼在X和Y方向上的位移，进行洛伦兹耦合包括对模型进行瞬态分析，设置时长周期，对不同的周期区域采用的剖分方式处理，剖分方式包括常规化网格剖分和精细化网格剖分。

进一步的，对变压器绕组的属性设置主要分为线饼和垫块的材料参数，绕组及垫块的材料属性如下表2所示：

表2绕组及垫块材料属性表

有限元建模和仿真的线饼和垫块两种材料的详细参数，包括相对磁导率、电导率、相对介电常数、密度、杨氏模量以及泊松比等，其中，线饼材料具有较高的密度和杨氏模量，而垫块材料的电导率较低，密度和杨氏模量也较线饼低，两种材料的各项关键参数如磁导率和介电常数等都进行了明确的定量描述，各参数为有限元模型的建立提供了精确和可靠的材料输入，有助于提高对变压器振动特性和电磁场的模拟计算准确性。

S1.2：网格化限制包括在变压器绕组上部的垫块表面设置边界预紧力载荷，绕组端部的垫块表面按物理状态设置为固定约束，限制线饼在X和Y方向上的位移，进行洛伦兹耦合包括对模型进行瞬态分析，设置时长周期，对不同的周期区域采用的剖分方式处理，剖分方式包括常规化网格剖分和精细化网格剖分。

优选的，模型的网格化是有限元分析的重要部分，对剖分网格的质量和精度不仅要达到计算收敛性的要求，同时还应该满足计算结果的准确，网格剖分过粗，仿真的结果将难以达到预期，但过细的网格同时造成迭代时间长、计算收敛速度慢和占用计算内存大等问题，对模型进行剖分时，针对不同的求解域采用不同的剖分方式，既保证了计算的速度，又能够保证结果的快速收敛，模型共剖分1202507个单元，常规化网格剖分16116个网格单元，精细化网格剖分542972个网格单元，并对模型进行瞬态分析，设置计算时长为一个周期，即0.02s，设置输出步长为0.0001s。

S2：利用COMSOL模拟三维模型，分析变压器正常运行时绕组的漏磁分布、电磁力分布规律以及正常额定运行的加速度振动波形。

其中，漏磁分布包括将绕组所处的漏磁分解为轴向和径向，径向指作用在线饼上产生轴向的力，进而导致轴向振动，由于漏磁呈现出对称特性，绕组上部线饼电磁力呈现出两端向下的趋势，而绕组下部线饼所受电磁力对绕组呈现为轴向拉力和径向扩张的趋势，加速度振动波形包括绕组A、绕组B以及绕组C三相周期，每个周期都排满Q个编号。

进一步的，变压器绕组的振动是漏磁与电流的相互作用，由于变压器绕组垫块无电流因而不产生电磁力，对线饼间的垫块进行隐藏，绕组所处的漏磁可分解为轴向和径向，径向漏磁分量作用在线饼上产生轴向力，导致轴向振动，在磁场接口中调用径向分量漏磁，绕组所处的漏磁呈现出对称的特性，在绕组的中间位置径向漏磁为0，沿着中间位置上下呈现漏磁大小相等，方向相反，在端部径向分量达到最大值，漏磁的轴向分量对变压器的轴向振动无影响。

更进一步的，绕组上部线饼电磁力呈现出两端向下的特点，表现在绕组上为向下的压力以及绕组径向扩张，而绕组下线饼所受电磁力对绕组呈现为轴向拉力和径向扩张，绕组中部线饼所受的电磁力径向分量达到最大，绕组径向受力严重，因此在实际运行中的变压器遭受短路冲击时，对绕组的中部影响最大，受损往往也更严重，而中部受电磁力很小。

S2.1：绕组A包括A

读取数据库中存储的绕组A、绕组B以及绕组C的固有频率值；

选取固有频率内的频率峰值作为频率分量；

将频率分量与固有频率值逐一进行对比；

设置匹配度阈值将对比结果进行验证；

固有频率值是通过历史数据统计分析得出，频率分量是取幅值较大的频率峰，对比包括如下判定；

若固有频率值大于频率分量，则固有频率值对应的绕组产生了频率分量，此时振动信号选择所对应的绕组进行验证；

若固有频率值小于频率分量，则固有频率值对应的绕组未产生频率分量，此时无须进行验证；

若固有频率值等于频率分量，则无法直接做匹配判断，此时须重新读取和选取固有频率值和频率分量；

验证包括设置阈值P对匹配度进行排查，预设匹配度阈值初始值为P

当s＞P

当P

当s＜P

进一步的，由于绕组A、B、C三相具有周期相似性，在探究绕组的振动特性时，正负加速度幅值大小相等，幅值维持在±0.4m/s

在一定误匹配率容限下，通过多次迭代测试来确定最优阈值，初步值可取匹配度的60％～80％区间，当s＞80％时，确认当前匹配频率为对应绕组固有频率值，标记加速度振动波形来源绕组，模拟绕组预紧力的状态；

当60％≤s≤80％时，保留当前匹配频率作为对应绕组候选固有频率值，获取传感器数据验证，进行二次计算匹配，排除绕组候选频率；

当s＜60％时，当前匹配不可靠，无法确定绕组固有频率值，进行传感器三次计算匹配，计算后若s仍低于60％时，则标记为不可判定区分。

进一步的，由于绕组A、B、C三相具有周期相似性，在探究绕组的振动特性时，正负加速度幅值大小相等，幅值维持在±0.4m/s

更进一步的，对加速度振动波形进行判定包括任一绕组的加速度振动波形进行判定；

当s＞80％时，若绕组A＝B＝C，则绕组的振动波形一致，峰值差异不明显，则绕组处于正常状态，若绕组A>B>C、绕组B>A>C或绕组C>A>B，则绕组的振动波形出现轻度松动，若绕组A相对于绕组B和绕组C发生了明显位移，则绕组出现中度松动，若任一绕组振动波形全部发生非线性增长和位移，则绕组出现高度松动；

当60％≤s≤80％时，若绕组A＝B＝C，则绕组的振动波形一致，峰值差异不明显，则绕组处于正常状态，若绕组A

当s＜60％时，进行传感器三次计算匹配，与s＞80％和60％≤s≤80％状态下任一保持一致。

S3：当绕组预紧力出现松动时，通过设置线饼间的垫块的弹性模量模拟绕组预紧力的状态。

其中，模拟绕组预紧力的状态包括采用绕组弹性模量的变化反应绕组预紧力，具体公式如下：

δ＝cε+dε

其中，δ和ε分别为应力与应变，c＝1.05×10

进一步的，通过设置绝缘垫块的弹性模量来模拟变压器轻度松动(85％预紧力)、中度松动(55％预紧力)以及高度松动(25％预紧力)状态，各松动状态下对应的弹性模量如下表3所示：

表3各松动状态下对应的弹性模量数据表

当绕组处于轻度松动状态时，对应的垫块弹性模量为24.3兆帕，当绕组处于中度松动状态时，对应的垫块弹性模量为23兆帕，当绕组处于高度松动状态时，对应的垫块弹性模量为16.5兆帕，随着绕组松动程度的加重，垫块的弹性模量值逐渐减小，通过给出不同绕组松动程度下垫块弹性模量的定量参数，明确了两者之间的对应关系，为有限元建模提供了松动状态下的输入属性数据，有助于准确模拟不同松动程度情况下的动力响应。

在一个优选实施例中，基于有限元理论的变压器绕组松动状态下监测方法及系统，该系统包括网格化限制模块，其根据变压器绕组振动受到线饼间的垫块和挡板预紧力的影响，对变压器进行三维建模，设置变压器绕组材料属性，施加三维建模边界网格化限制；分析模块，其利用COMSOL模拟三维模型，分析变压器正常运行时绕组的漏磁分布、电磁力分布规律以及正常额定运行时的加速度振动波形；设置模块，其当绕组预紧力出现松动时，通过设置线饼间的垫块的弹性模量模拟绕组预紧力的状态。

上述各单元模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

该计算机设备可以是终端，该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、通信接口、显示屏和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的通信接口用于与外部的终端进行有线或无线方式的通信，无线方式可通过WIFI、运营商网络、NFC(近场通信)或其他技术实现。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。

综上，本发明通过建立三维模型，设置变压器绕组材料属性，施加三维建模边界网格化限制，利用COMSOL模拟三维模型，通过设置线饼间的垫块的弹性模量模拟绕组预紧力的状态。本方案能够模拟正常运行和松动状态下的电磁力分布和振动响应等，实现了对振动波形的频域分析判定，通过调整弹性模量来模拟不同预紧力状态，实现了对绕组松动程度的定量评估，该方法提供了一种先进的仿真分析与监测手段，有利于及时准确判断绕组松动状态，为操作与维护提供重要技术支撑。

实施例2

参照图1～图4，为本发明第二个实施例，该实施例提供了一种基于物联网的多源电网信息融合方法，为了验证本发明的有益效果，通过仿真实验进行科学论证。

当绕组出现松动时，其振动加速度时域波形幅值会有所增加，随着松动程度的加剧，振幅先出现微小的增幅，随着故障进一步发展，绕组线饼振幅会明显增大，由于绕组垫块自身的非线性应力应变导致，在实际运行中的变压器在长期振动下，慢慢由轻微松动发展成为严重松动故障，因此及时有效地检测出绕组松动程度对保障变压器安全稳定尤为重要，此外从波形图中可以看出，当故障程度不断加重，其波形也会发生相应偏移。

研究表明，绕组在额定负载运行时，绕组线饼的加速度振幅最大达到1m/s2，最小振幅0.2m/s

表4与现有技术综合对比表

通过六个方面对现有技术和我方技术进行了对比分析，以突出我方技术的优势，在模型建立方面，现有技术采用简化的二维模型，而我方技术建立了更加精细的三维模型，可以使仿真结果更加贴近实际情况，在多物理场分析方面，现有技术仅进行单一的力学分析，我方技术实现了电磁力学的耦合分析，更全面准确地考虑电磁效应，计算结果更加准确，在松动模拟方面，现有技术使用固定参数，而我方技术通过设置可变的弹性模量来模拟不同程度的松动状态，实现对松动程度的定量评估，在信号处理方面，现有技术采用简单的频谱分析，而我方技术引入了频域判定和多传感器融合，大幅提高状态检测的可靠性，在运行评估方面，现有技术stoppingat定性分析，而我方技术进行定量的故障指标评估，有利于定量判断变压器的健康状态，我方技术还设置了自适应优化机制，可避免过度相关性，提高系统的高效性。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。