[发明专利]一种基于有限元理论的变压器绕组振动传递特性监测方法

说明书

本发明提供一种基于有限元理论的变压器绕组振动传递特性监测方法，根据变压器绕组和铁芯的实际尺寸建立三维的有限元模型；依次设置变压器油，箱体，铁芯以及绕组材料属性；计算电力变压器正常运行条件下的内部磁场分布；根据磁场分布算得洛伦兹力作为绕组所受电动力，载入COMSOL模型中；在COMSOL中设置固体力学，压力声学和壳三个物理场，建立电磁‑机械‑流体多物理场耦合模型；对电磁‑机械‑流体多物理场耦合模型计算100Hz下变压器外壳振动加速度分布云图。采用三维有限元分析技术对变压器振动信号的产生及传递过程进行较为精确地计算。

技术领域

本发明涉及电力变压器仿真的技术领域，尤其涉及一种基于有限元理论的变压器绕组振动传递特性监测方法。

背景技术

电力变压器是电力系统中十分重要和昂贵的设备之一。它的运行状况不仅影响其本身的安全，而且影响着整个电力系统运行的稳定性和可靠性。长期以来，电力变压器的安全、可靠运行一直受到电力运行和管理部门的普遍重视，这也是系统安全、稳定和经济运行的重要指标。随着国民经济的快速发展，人们对电的需求越来越大，电力变压器所发挥的作用也日益重要，并且朝着电压等级和容量更大的方向发展。

变压器振动是由于变压器本体的振动及冷却装置的振动产生的。变压器本体的振动主要取决于铁心和绕组的振动。国内外的研究和试验证明，铁心的振动主要取决于硅钢片的磁致伸缩。随着超取向高导磁硅钢片(例如Hi-B硅钢片)在变压器制造中的使用，以及铁心结构设计的改进，铁心工作磁密的降低，负载电流产生的漏磁引起的绕组振动也大大增加。目前，国内外的研究均表明，变压器绕组的振动主要是通过绝缘油传至油箱的；铁心的振动是通过两条途径传递给油箱，一条是通过其垫脚传至油箱；另一条是通过绝缘油传至油箱；风扇、油泵等冷却装置的振动通过固体传递的途径也会传至变压器油箱。这样，变压器绕组、铁心以及冷却装置的振动通过各种途径传递到变压器器身表面，引起了变压器器身的振动。由于风扇、油泵振动引起的冷却系统振动的频谱集中在100Hz以下，这与本体的振动特性明显不同，可以比较容易地从变压器振动信号中分辨出来。建立变压器振动有限元仿真模型，计算负载条件下变压器电气参量，磁场以及内部电动力，综合考虑变压器机械结构和电气特性，建立“电磁-机械-流体”多物理场耦合模型，研究变压器振动在油箱中的传播特性以及箱体表面的振动分布。通过建立变压器振动传递特性仿真模型，深入分析变压器绕组及铁心的振动信号在传递过程中发生的变化，对于建立科学完善的基于振动信号分析的变压器诊断方法具有重要意义。

发明内容

为了克服上述现有技术中的不足，本发明的目的在于，提供一种基于有限元理论的变压器绕组振动传递特性监测方法，方法包括：

步骤一：根据变压器绕组和铁芯的实际尺寸建立三维的有限元模型；

步骤二：依次设置变压器油，箱体，铁芯以及绕组材料属性；

步骤三：计算电力变压器正常运行条件下的内部磁场分布；

步骤四：根据磁场分布算得洛伦兹力作为绕组所受电动力，载入COMSOL模型中；

步骤五：在COMSOL中设置固体力学，压力声学和壳三个物理场，建立电磁-机械-流体多物理场耦合模型；

步骤六：对电磁-机械-流体多物理场耦合模型计算100Hz下变压器外壳振动加速度分布云图。

优选地，步骤一还包括：根据变压器绕组和铁芯的实际尺寸建立只包含三相铁芯柱和绕组以及包含本部充满变压器油的变压器箱体的三维的有限元模型，变压器绕组模型包含线饼、垫块、压板。

优选地，步骤二还包括：依次设置变压器油，变压器箱体，铁芯以及绕组线饼、垫块、压板的材料属性。

优选地，步骤五还包括：在COMSOL模型中增加磁场(mf)这一物理场，设定安培定律，磁绝缘的应用范围，设置多匝线圈条件，并确定高低压绕组的电流方向相反；