基于有限元仿真与现场试验的变压器结构性故障诊断方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及变压器故障诊断技术领域，具体是一种基于有限元仿真与现场试验的 变压器结构性故障诊断方法。
【背景技术】
[0002] 结构性故障是导致电力变压器发生损坏事故的主要原因之一。对运输或短路冲击 后的变压器进行结构性故障诊断可确保变压器的安全稳定运行。目前常用的变压器结构性 故障离线检测方法主要有频率响应法(Frequency Response Analysis，FRA)、短路阻抗法 (Short-Circuit Impedance Method,SCI)等。频率响应法能够在较宽的频带上测量分析电 路网络的频率响应特性从而判断绕组状态，具有较高的灵敏度。短路阻抗法能够反映线圈 径向形变，且积累了大量的现场试验数据。然而，目前对于频率响应曲线及短路阻抗等现场 试验结果变化的根本原因及其与故障类型的对应关系尚有待研究，因此存在试验结果认识 不明确、存在误判的问题，导致故障诊断可靠性降低。
【发明内容】
[0003] 本发明所要解决的技术问题是提供一种基于有限元仿真与现场试验相结合的变 压器结构性故障诊断方法，以提高变压器结构性故障诊断的可靠性，解决现场试验中对试 验结果认识不明确、存在误判等问题。
[0004] -种基于有限元仿真与现场试验的变压器结构性故障诊断方法，包括如下步骤：
[0005] 步骤一、在有限元仿真软件中建立变压器有限元模型；
[0006] 步骤二、在变压器有限元模型中对不同结构性故障进行模拟；
[0007] 步骤三、在步骤二设置的不同类型及程度结构性故障模型中，求解其主要电气参 数，建立"结构性故障-电气参数"之间的关系；
[0008] 步骤四、根据变压器有限元模型求解得到的电气参数，建立电路模型仿真对应的 现场试验结果，通过仿真电路模型求解不同电气参数下变压器的频率响应曲线及短路阻 抗，建立"电气参数-试验结果"对应关系；
[0009] 步骤五、以电气参数为中间变量，建立试验结果与结构性故障的对应关系:通过有 限元模型对不同类型及程度结构性故障进行模拟，求解其电气参数变化，进而建立不同的 电路模型，通过仿真电路模型求解不同电气参数下变压器的频率响应曲线及短路阻抗，建 立"结构性故障-电气参数-试验结果"的对应关系。
[0010] 进一步的，步骤一中建立变压器有限元模型时考虑主要支撑件的材料特性。
[0011] 进一步的，步骤二中通过改变变压器有限元模型中各部件的结构、相对位置、连接 方式对变压器常见结构性故障进行模拟。
[0012] 进一步的，所述结构性故障包括径向形变、轴向位移、匝间短路、饼间短路、不良接 地。
[0013] 进一步的，求解变压器电气参数主要是对其电容矩阵及电感矩阵进行，所述有限 元模型中变压器的η个线饼间电容构成变压器的η阶电容矩阵，其中：Clj为第i个线饼与第j 个线饼之间的耦合电容;Cu为第i个线饼的自电容，其主要包括线饼的对地电容及与其他线 饼的耦合电容之和，两个线饼间的耦合电容通过以下公式获得：
[0014]
[0015] 式中，Wij为电场储存能量，Di第i线饼对应的电位移密度，Ej为第j线饼的电场强 度；
[0016] 当外部电流仅通过第i个线饼时，其自电感Lii及电阻Rii可被描述为以下向量形 式：
[0017]
[0018] 式中，ω为角频率，[/为感应电压，上式的虚部仅与第i个线饼的自电感相关联， 因此求出其自电感：
[0019]
X y
[0020] 同理，第i个线饼与第j个线饼间的耦合电感通过下式获得：
[0021]
[0022] 进一步的，步骤四中的电路模型包括集中参数模型、"场-路"耦合模型，集中参数 模型用于仿真频率响应曲线，场-路耦合模型用于仿真短路阻抗。
[0023] 本发明提出了基于"结构参数-电气参数-试验结果"的故障诊断思路，通过建立变 压器有限元仿真模型，对不同结构性故障类型及不同故障程度进行仿真，求解不同结构参 数下的电气参数，根据求解的电气参数，建立仿真典型变压器现场试验(短路阻抗、频率响 应)结果，建立试验结果与结构性故障的对应关系，实现变压器结构性故障诊断。
【附图说明】
[0024] 图1为本发明基于有限元仿真与现场试验的变压器结构性故障诊断方法的流程示 意图；
[0025]图2为通过Ansoft Maxwell软件搭建的110kV电压等级的变压器有限元模型图； [0026]图3为变形绕组线饼示意图；
[0027]图4为绕组轴向位移示意图；
[0028] 图5为有限元求解得到的电容矩阵；
[0029] 图6为频率响应法对应电路模型图；
[0030] 图7为短路阻抗法对应电路模型图；
[0031] 图8为轴向位移故障3%、6%和9%时所对应的频率响应曲线。
【具体实施方式】
[0032] 下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0033] 图1所示为本发明基于有限元仿真与现场试验的变压器结构性故障诊断方法的流 程示意图，所述方法包括如下步骤：
[0034] 步骤一、在有限元仿真软件中建立变压器有限元模型；不同于一般的变压器仿真 模型，为对变压器结构参数变化引起的电气参数变化进行精确求解，本发明需建立考虑变 压器实际材料特性的有限元模型。除变压器铁心、绕组等结构，该模型还需考虑主要支撑件 (如撑条、垫块)的材料特性。
[0035] 图2为通过Ansoft Maxwell软件搭建的110kV电压等级的变压器有限元模型。该型 变压器为110/10.5kV，三相三柱油浸式心式变压器。高、低压绕组间由撑条进行结构支撑， 各线饼均由包围绝缘油纸的扁铜线构成，在仿真过程中，将高压侧绕组设置为8饼，每一饼 220匝;低压绕组设置为8饼，每一饼21匝。
[0036] 图2中Core cross section为变压器铁心截面示意图，铁心由采用DW360型娃钢片 通过叠片形式构成，其B-H曲线可通过外部输入以保持与实测相一致。图2中Clamping为变 压器夹件，Support为撑条，对绕组各线饼进行结构支撑，Spacer为弹性垫块，均匀分布在变 压器各线饼之间。
[0037] 步骤二、在变压器有限元模型中对不同结构性故障进行模拟;通过改变变压器有 限元模型中各部件的结构、相对位置、连接方式对变压器常见结构性故障进行模拟，主要包 括以下故障模拟:径向形变、轴向位移、匝间短路、饼间短路、不良接地等。下面以线饼径向 形变和绕组轴向位移为例进行说明。
[0038] (1)线饼径向形变
[0039]变压器内部绕组受到向内的电磁力，外部绕组受到向外的电磁力。因此在电磁力 的径向分量的作用下，变压器绕组可能发生径向形变。当绕组导体的刚度远小于支撑件的 刚度时，内部低压绕组被撑条牢固固定，电磁力使导体发生弯曲，造成绕组在一处或多出发 生凹陷，发生受迫翘曲。如图3所示，线饼的凹陷由两个平均半径均为R的线饼相交而成，在 此过程中两线饼的平均半径相同，且相交段对应的圆心角一致，因此圆周总长度不变。为衡 量圆环型线饼的畸变程度，定义了以下表征：
[0040]
[0041]式中，R为线饼的平均半径，R1为线饼的最小平均半径。
[0042] (2)绕组轴向位移
[0043] 图4为绕组整体轴向位移示意图，图中低压绕组在轴向上移动Ah。绕组轴向位移 是由于在短路电流及径向漏磁通的作用下，绕组整体受到轴向电磁力的作用而产生了轴向 的移动。同时由于绕组两端压板并不受短路电磁力的作用，向一端移动的绕组导体会对绕 组运动方向的端部压板产生挤压，可能诱发压板的损坏。
[0044] 步骤三、在步骤二设置的不同类型及程度结构性故障模型中，求解其主要电气参 数(例如对地电容、匝间电容、耦合电容等），建立"结构性故障-电气参数"之间的关系。
[0045] 求解变压器电气参数主要是对其电容矩阵及电感矩阵进行求解。
[0046] 有限元模型中变压器的η