基于有限元分析的变压器绕组松动判断系统和方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于智能变电站技术领域，特别设及了基于有限元分析的变压器绕组松动 判断系统和方法。
【背景技术】
[0002] 现代电力系统中的变压器结构都较为复杂，由许多部件构成，故当变压器运输过 程中受到碰撞或运行中发生外部短路故障时，都可能造成绕组松动和变形故障。变压器在 此状态下长期运行将会给电网的安全运行带来很大的危害。作为一种电磁设备，变压器运 行过程中会产生振动。变压器内部故障、性能改变，都会直接或间接地在变压器外部振动中 有相应表现。振动法是诊断变压器运行中潜伏故障的一种有效手段，其能够检测出变压器 内部故障的状况，对其进行充分地研究有良好的应用前景。
[0003] 从机械结构的角度来看，电力变压器器身表面的振动与变压器绕组的压紧状况密 切相关。变压器本体的振动主要来源于磁致伸缩及漏磁引起的铁巧振动和电磁力引起的绕 组振动，而漏磁引起的铁巧振动与其他振动相比较为微弱，所W-般可W忽略漏磁的影响。 由于在副边短路时，外施电压很小，则铁巧中磁通很少，此时由磁致伸缩引起的铁巧振动可 W忽略不计，而通过变压器油箱壁传递到油箱表面的振动信号主要就是由绕组引起的。
[0004] 由毕奥-萨伐尔定律计算可知，作用在导体上的电动力与电流和磁场强度的乘积 W及漏磁通与电流成正比，故变压器绕组振动的加速度与电流的平方成正比，而且振动信 号的基频分量是负载电流的两倍。通过研究，发现变压器正常运行时，其能量大部分集中在 100~400化内；当变压器绕组发生变形、位移或崩塌时，绕组间压紧不够，使绕组间高度差 逐渐扩大，绕组安应不平衡加剧，漏磁造成的轴向力增大，绕组振动加剧，使得高频成分增 加，主频段能量减小。因此，电动力引起的绕组振动频率主要为100化及其谐振频率。研究 发现，振动信号的分量幅值随电流的变化而变化，所W判定变压器绕组松动时需要考虑电 流的影响，而W特征分量占总分量的比例作为判定绕组松动的参数时，可W消除电流变量 的干扰。因此，可W将特征分量占总分量的比例作为特征信号，并与所设定的阔值比较，W 此来判断绕组是否严重松动。
[0005] 现有的变压器故障诊断和分析系统在设定松动阔值时存在过度依赖经验或具有 特殊性的缺点，使得所设定的阔值缺乏普遍性和可靠性。
【发明内容】
[0006] 为了解决上述【背景技术】提出的技术问题，本发明旨在提供基于有限元分析的变压 器绕组松动判断系统和方法，解决现有变压器诊断方法设定松动阔值缺乏可靠性和普遍性 的问题。
[0007] 为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
[0008] 基于有限元分析的变压器绕组松动判断系统，包括数据输入模块、数据存储模块、 分析判断模块、显示输出模块、信号转换模块W及数个振动传感器，所述数据存储模块内构 建了绕组松动缺陷数据库，所述绕组松动缺陷数据库存储有各类变压器绕组经有限元分析 的松动阔值，所述数个振动传感器分别设置在变压器外表面的不同位置，采集该位置的振 动信号传送给信号转换模块，信号转换模块接收振动信号并将其转换为特征信号后传送给 分析判断模块，数据输入模块向分析判断模块输入所监测变压器的性能参数，分析判断模 块根据变压器的性能参数从数据存储模块中调取匹配的松动阔值并将其与特征信号进行 比较，判断变压器绕组是否发生松动，并将判断结果在显示输出模块上显示。
[0009] 其中，上述振动传感器的数量为6,其中3个振动传感器分别采集变压器=相绕组 的轴向振动信号，另外3个变压器分别采集变压器=相绕组的径向振动信号。
[0010] 本发明还包括基于上述变压器绕组松动判断系统的判断方法，包括W下步骤：
[0011] (1)预设振动传感器的采样频率和采样时间；
[0012] (2)数据输入模块向分析判断模块输入所监测变压器的性能参数，分析判断模块 根据性能参数从绕组松动缺陷数据库中调取与所监测变压器匹配的轴向松动阔值和径向 松动阔值；
[0013] (3)振动传感器至少连续采样3次振动信号，并根据采样频率和采样时间，整周期 截取每次采样的振动信号；
[0014] (4)信号转换模块对整周期截取的振动信号进行滤波处理后进行傅里叶变换，得 到所监测变压器=相绕组的轴向特征信号和径向特征信号；
[0015] (5)分析判断模块将轴向特征信号、径向特征信号分别与轴向松动阔值、径向松动 阔值作对比，进行绕组松动判断：
[0016] 当变压器某相绕组的轴向特征信号大于对应的轴向松动阔值且它的径向特征信 号大于对应的径向松动阔值时，表明此时该相绕组存在明显松动，否则表明该相绕组不存 在松动或仅存在轻微松动；
[0017] (6)当分析判断模块至少连续2次判断变压器某相绕组发生明显松动，则显示输 出模块显示该相绕组发生松动。
[0018] 其中，步骤（2)所述所监测变压器的性能参数包括变压器的变比和容量。
[0019] 其中，步骤（2)中所述绕组松动缺陷数据库的构建方法：
[0020] (a)根据变压器各部分的尺寸参数，利用S维画图软件建立变压器的机械结构模 型，并导入有限元分析软件中；
[0021] 化）在有限元分析软件中，设置变压器各部分材料的密度、泊松比、弹性模量等相 关参数、进行合理的网格剖分W及施加载荷和约束；
[002引 （C)设定计算的频率范围、子步数和阻巧比率，并在绕组上施加加速度来模拟电磁 力的影响，从而进行谐响应分析；
[0023] (d)从分析结果中得到变压器各相绕组轴向和径向位置的加速度响应曲线，并从 各曲线中提取特征信号，将绕组松动时和正常时特征信号的比值作为绕组松动阔值；
[0024](e)存储步骤（d)所得到的松动阔值，并与变压器的变比、容量等性能参数相对 应，建立绕组松动缺陷数据库。
[00巧]其中，步骤（a)中所述S维画图软件为Pro/化gineer软件，有限元分析软件为ANSYSWor化ench软件。
[0026] 采用上述技术方案带来的有益效果：
[0027] 本发明通过有限元分析所得结果设定的松动阔值来判断变压器绕组松动，使其对 相同机械结构的变压器具有普遍性，并且诊断结果更加可靠。利用本发明可W方便地判断 变压器绕组是否发生松动，并进行初步定位。
【附图说明】
[0028] 图1为本发明的系统结构框图；
[0029] 图2为本发明振动传感器的安装示意图；
[0030] 图3为本发明判断方法的流程图；
[0031] 图4为实施例中C相绕组的预紧力与额定预紧力的比值为0时的加速度响应曲线 图；
[0032] 图5为实施例中C相绕组的预紧力与额定预紧力的比值为0. 5时的加速度响应曲 线图；
[0033] 图6为实施例中C相绕组的预紧力与额定预紧力的比值为1时的加速度响应曲线 图。
【具体实施方式】
[0034] W下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
[0035] 如图1所示为本发明的系统结构框图。基于有限元分析的变压器绕组松动判断系 统，包括数据输入模块、数据存储模块、分析判断模块、显示输出模块、信号转换模块W及数 个振动传感器，所述数据存储模块内构建了绕组松动缺陷数据库，所述绕组松动缺陷数据 库存储有各类变压器绕组经有限元分析的松动阔值，所述数个振动传感器分别设置在变压 器外表面的不同位置，采集该位置的振动信号传送给信号转换模块，信号转换模块接收振 动信号并将其转换为特征信号后传送给分析判断模块，数据输入模块向分析判断模块输入 所监测变压器的性能参数，分析判断模块根据变压器的性能参数从数据存储模块中调取匹 配的松动阔值并将其与特征信号进行比较，判断变压器绕组是否发生松动，并将