本發(fā)明涉及電力變壓器仿真的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于有限元理論的變壓器繞組振動傳遞特性監(jiān)測方法。

背景技術(shù)：

電力變壓器是電力系統(tǒng)中十分重要和昂貴的設(shè)備之一。它的運(yùn)行狀況不僅影響其本身的安全，而且影響著整個電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。長期以來，電力變壓器的安全、可靠運(yùn)行一直受到電力運(yùn)行和管理部門的普遍重視，這也是系統(tǒng)安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要指標(biāo)。隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對電的需求越來越大，電力變壓器所發(fā)揮的作用也日益重要，并且朝著電壓等級和容量更大的方向發(fā)展。

變壓器振動是由于變壓器本體的振動及冷卻裝置的振動產(chǎn)生的。變壓器本體的振動主要取決于鐵心和繞組的振動。國內(nèi)外的研究和試驗(yàn)證明，鐵心的振動主要取決于硅鋼片的磁致伸縮。隨著超取向高導(dǎo)磁硅鋼片(例如Hi-B硅鋼片)在變壓器制造中的使用，以及鐵心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改進(jìn)，鐵心工作磁密的降低，負(fù)載電流產(chǎn)生的漏磁引起的繞組振動也大大增加。目前，國內(nèi)外的研究均表明，變壓器繞組的振動主要是通過絕緣油傳至油箱的；鐵心的振動是通過兩條途徑傳遞給油箱，一條是通過其墊腳傳至油箱；另一條是通過絕緣油傳至油箱；風(fēng)扇、油泵等冷卻裝置的振動通過固體傳遞的途徑也會傳至變壓器油箱。這樣，變壓器繞組、鐵心以及冷卻裝置的振動通過各種途徑傳遞到變壓器器身表面，引起了變壓器器身的振動。由于風(fēng)扇、油泵振動引起的冷卻系統(tǒng)振動的頻譜集中在100Hz以下，這與本體的振動特性明顯不同，可以比較容易地從變壓器振動信號中分辨出來。建立變壓器振動有限元仿真模型，計(jì)算負(fù)載條件下變壓器電氣參量，磁場以及內(nèi)部電動力，綜合考慮變壓器機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣特性，建立“電磁-機(jī)械-流體”多物理場耦合模型，研究變壓器振動在油箱中的傳播特性以及箱體表面的振動分布。通過建立變壓器振動傳遞特性仿真模型，深入分析變壓器繞組及鐵心的振動信號在傳遞過程中發(fā)生的變化，對于建立科學(xué)完善的基于振動信號分析的變壓器診斷方法具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明的目的在于，提供一種基于有限元理論的變壓器繞組振動傳遞特性監(jiān)測方法，方法包括：

步驟一：根據(jù)變壓器繞組和鐵芯的實(shí)際尺寸建立三維的有限元模型；

步驟二：依次設(shè)置變壓器油，箱體，鐵芯以及繞組材料屬性；

步驟三：計(jì)算電力變壓器正常運(yùn)行條件下的內(nèi)部磁場分布；

步驟四：根據(jù)磁場分布算得洛倫茲力作為繞組所受電動力，載入COMSOL模型中；

步驟五：在COMSOL中設(shè)置固體力學(xué)，壓力聲學(xué)和殼三個物理場，建立電磁-機(jī)械-流體多物理場耦合模型；

步驟六：對電磁-機(jī)械-流體多物理場耦合模型計(jì)算100Hz下變壓器外殼振動加速度分布云圖。

優(yōu)選地，步驟一還包括：根據(jù)變壓器繞組和鐵芯的實(shí)際尺寸建立只包含三相鐵芯柱和繞組以及包含本部充滿變壓器油的變壓器箱體的三維的有限元模型，變壓器繞組模型包含線餅、墊塊、壓板。

優(yōu)選地，步驟二還包括：依次設(shè)置變壓器油，變壓器箱體，鐵芯以及繞組線餅、墊塊、壓板的材料屬性。

優(yōu)選地，步驟五還包括：在COMSOL模型中增加磁場(mf)這一物理場，設(shè)定安培定律，磁絕緣的應(yīng)用范圍，設(shè)置多匝線圈條件，并確定高低壓繞組的電流方向相反；

在COMSOL模型中增加固體力學(xué)(solid)這一物理場，設(shè)定線彈性材料和自由的范圍，規(guī)定初始值均為零，設(shè)置固定約束為壓板，設(shè)置體載荷為Lorentz力貢獻(xiàn)，載荷類型為單單位體積力；

在COMSOL模型中增加壓力聲學(xué)，頻域(acpr)這一物理場，設(shè)定壓力聲學(xué)和硬聲場邊界的范圍，規(guī)定初始值為零；

在COMSOL模型中增加殼(shell)這一物理場，設(shè)定線彈性材料和自由的范圍，規(guī)定初始值為零。

從以上技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

針對傳統(tǒng)的對于電力變壓器繞組動穩(wěn)性的二維及三維仿真計(jì)算忽略振動信號在變壓器油中傳遞過程及傳遞到油箱表面后所發(fā)生的變化這一明顯缺陷，采用三維有限元分析技術(shù)對變壓器振動信號的產(chǎn)生及傳遞過程進(jìn)行較為精確地計(jì)算，為研究變壓器振動傳遞特性提供參考。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，下面將對描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為基于有限元理論的變壓器繞組振動傳遞特性監(jiān)測方法流程圖；

圖2為繞組和鐵心模型圖；

圖3為電磁-機(jī)械-流體多物理場模型圖；

圖4為X軸方向變壓器穩(wěn)態(tài)時繞外殼的振動加速度云圖；

圖5為Y軸方向變壓器穩(wěn)態(tài)時繞外殼的振動加速度云圖；

圖6為Z軸方向變壓器穩(wěn)態(tài)時繞外殼的振動加速度云圖。

具體實(shí)施方式

為使得本發(fā)明的發(fā)明目的、特征、優(yōu)點(diǎn)能夠更加的明顯和易懂，下面將運(yùn)用具體的實(shí)施例及附圖，對本發(fā)明保護(hù)的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，下面所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而非全部的實(shí)施例。基于本專利中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其它實(shí)施例，都屬于本專利保護(hù)的范圍。

本實(shí)施例提供一種基于有限元理論的變壓器繞組振動傳遞特性監(jiān)測方法，如圖1所示，方法包括：

步驟一：根據(jù)變壓器繞組和鐵芯的實(shí)際尺寸建立三維的有限元模型；

步驟二：依次設(shè)置變壓器油，箱體，鐵芯以及繞組材料屬性；

步驟三：計(jì)算電力變壓器正常運(yùn)行條件下的內(nèi)部磁場分布；

步驟四：根據(jù)磁場分布算得洛倫茲力作為繞組所受電動力，載入COMSOL模型中；

步驟五：在COMSOL中設(shè)置固體力學(xué)，壓力聲學(xué)和殼等三個物理場，建立電磁-機(jī)械-流體多物理場耦合模型；

步驟六：對電磁-機(jī)械-流體多物理場耦合模型計(jì)算100Hz下變壓器外殼振動加速度分布云圖。

本實(shí)施例中，步驟一還包括：根據(jù)變壓器繞組和鐵芯的實(shí)際尺寸建立只包含三相鐵芯柱和繞組以及包含本部充滿變壓器油的變壓器箱體的三維的有限元模型，變壓器繞組模型包含線餅、墊塊、壓板。

步驟二還包括：依次設(shè)置變壓器油，變壓器箱體，鐵芯以及繞組線餅、墊塊、壓板的材料屬性。

步驟五還包括：在COMSOL模型中增加磁場(mf)這一物理場，設(shè)定安培定律，磁絕緣的應(yīng)用范圍，設(shè)置多匝線圈條件，并確定高低壓繞組的電流方向相反；

在COMSOL模型中增加固體力學(xué)(solid)這一物理場，設(shè)定線彈性材料和自由的范圍，規(guī)定初始值均為零，設(shè)置固定約束為壓板，設(shè)置體載荷為Lorentz力貢獻(xiàn)，載荷類型為單單位體積力；

在COMSOL模型中增加壓力聲學(xué)，頻域(acpr)這一物理場，設(shè)定壓力聲學(xué)和硬聲場邊界的范圍，規(guī)定初始值為零；

在COMSOL模型中增加殼(shell)這一物理場，設(shè)定線彈性材料和自由的范圍，規(guī)定初始值為零。

本實(shí)施例中，根據(jù)表1-表3中的變壓器參數(shù)建立變壓器繞組和鐵芯的三維的有限元模型，變壓器繞組1和鐵芯2如圖2所示；

表1 鐵心參數(shù)

表2 高壓繞組參數(shù)

表3 低壓繞組參數(shù)

變壓器油的粘度系數(shù)及其他基本參數(shù)為：

鐵心BH曲線及其他基本參數(shù)為：

導(dǎo)線楊氏模量，泊松比及其他基本參數(shù)為：

繞組墊塊楊氏模量，泊松比及其他基本參數(shù)為：

變壓器外殼結(jié)構(gòu)鋼體基本參數(shù)為：

基于上述數(shù)據(jù)參數(shù)建立包含三相鐵芯柱和繞組以及包含本部充滿變壓器油的變壓器箱體的三維的有限元模型，變壓器繞組模型包含線餅、墊塊、壓板；

依次設(shè)置變壓器油，變壓器箱體，鐵芯以及繞組線餅、墊塊、壓板的材料屬性；

在COMSOL中設(shè)置固體力學(xué)，壓力聲學(xué)和殼三個物理場，建立電磁-機(jī)械-流體多物理場耦合模型，如圖3所示；

其中，在COMSOL模型中增加磁場(mf)這一物理場，設(shè)定安培定律，磁絕緣的應(yīng)用范圍，設(shè)置多匝線圈條件，并確定高低壓繞組的電流方向相反；

在COMSOL模型中增加固體力學(xué)(solid)這一物理場，設(shè)定線彈性材料和自由的范圍，規(guī)定初始值均為零，設(shè)置固定約束為壓板，設(shè)置體載荷為Lorentz力貢獻(xiàn)，載荷類型為單單位體積力；

在COMSOL模型中增加壓力聲學(xué)，頻域(acpr)這一物理場，設(shè)定壓力聲學(xué)和硬聲場邊界的范圍，規(guī)定初始值為零；

在COMSOL模型中增加殼(shell)這一物理場，設(shè)定線彈性材料和自由的范圍，規(guī)定初始值為零；

在COMSOL模型中設(shè)置研究模塊，第一步計(jì)算穩(wěn)態(tài)下變壓器內(nèi)部磁場分布，第二步是頻域下固體力學(xué)，壓力聲學(xué)(頻域)以及殼的多物理場耦合計(jì)算，得到變壓器正常工作時(穩(wěn)態(tài))繞外殼的振動加速度云圖。變壓器正常工作時(穩(wěn)態(tài))繞外殼的振動加速度云圖如圖4、圖5、圖6所示。

這樣，針對傳統(tǒng)的對于電力變壓器繞組動穩(wěn)性的二維及三維仿真計(jì)算忽略振動信號在變壓器油中傳遞過程及傳遞到油箱表面后所發(fā)生的變化這一明顯缺陷，采用三維有限元分析技術(shù)對變壓器振動信號的產(chǎn)生及傳遞過程進(jìn)行較為精確地計(jì)算，為研究變壓器振動傳遞特性提供參考。

本說明書中各個實(shí)施例采用遞進(jìn)的方式描述，每個實(shí)施例重點(diǎn)說明的都是與其他實(shí)施例的不同之處，各個實(shí)施例之間相同相似部分互相參考即可。

對所公開的實(shí)施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對這些實(shí)施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。