一种基于有限元分析的铜包铝绕组变压器检测方法及系统与流程

本发明涉及变压器，具体地，涉及一种基于有限元分析的铜包铝绕组变压器检测方法及系统。

背景技术：

1、绕组是变压器最重要的组成部分之一，铜材和铝材作为两种常用的变压器绕组材质，由于铝材具有绝对的价格优势，故以铝线代替铜线，使用铜包铝以次充好的问题日益成为电力工业乃至国家层面普遍关心的话题。铝的电阻率比铜大，熔点比铜低，抗延展性较差，抗氧化性能比铜差。因为这样的性质差异存在，所以当设计相同时，铜线变压器性能一般优于铝线变压器；当性能相同时，铜线变压器的制作成本会高于铝线变压器。当设备制造商为了降低制造成本，违反合同使用铜包铝或以铝代铜，隐瞒变压器绕组材质真实情况时，就很容易导致一线操作人员错误认知变压器状态，给电力系统安全稳定运行带来巨大的隐患。

2、现有技术中，检查方法需要对变压器绕组进行直接观察，而绕组表面往往使用绝缘纸进行包裹，直接观察难以发现所有的次品设备，还需要拆除绕组绝缘层，通过肉眼观察的方式对绕组材质进行检查，这种检测方法会破坏变压器的绝缘结构且具有不可逆性，会对变压器的正常使用造成很大的影响，不适用于新设备的入厂检测。配电变压器绕组材质无损检测方法有：基于大数据的检测法，通过对变压器尺寸、质量及容量等参数测量与实验数据的收集，构建出配电变压器绕组参数标准数据，再将待检测配电变压器绕组参数测量数值和标准数据库进行比对得出结论。但由于客观原因，不同厂家、不同品牌的变压器设计及材料有较大差别，因此判断结果有待验证；基于热电效应的热电法，在一定的温差下，相同的材料导体间产生的热电势为零，不同材料导体间存在热电势，根据热电势即可判断变压器绕组是否是铝绕组，但在实际应用中，绕组回路温差的控制较为困难和绕组材质含有杂质造成测量误差，且应用于油浸式变压器时，加热方式受到限制，仍需要进一步吊罩解体处理；基于x射线在材质中的衰减规律的辨别法，该方法探究铜和铝作为线圈时的x射线透射方式，对两种材质下的绕组变压器x射线透射图片的黑度对比分析，但操作过程复杂，成本高检测周期长，只能在实验室进行，工程实用性差；基于电阻系数的检测法，通过计算铜和铝在不同温度下的理论电阻比，再实验得到变压器的实际电阻比进行对比，判断变压器绕组材质，但变压器低压绕组的直流电阻小，且受变压器油等外部因素影响，较难获得较高的测量精度。

3、上述检测方法普遍存在参数精度要求高，测量困难，效率低、成本高，操作复杂等问题，尤其对于铜包铝材质的绕组检测，传统检测方法难以准确辨别。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于有限元分析的铜包铝绕组变压器检测方法及系统，通过获得变压器铜包铝绕组的振动加速度数据，结合检测算法计算分析，快速准确地鉴别变压器中铜包铝绕组的材质。

2、本发明采用如下的技术方案。

3、本发明提出了一种基于有限元分析的铜包铝绕组变压器检测方法，包括：

4、按照待检测变压器各组件的实际尺寸，分别构建待检测变压器各组件的有限元模型，各组件的有限元模型包括箱体有限元模型、铁芯有限元模型和铜包铝绕组有限元模型，其中铜包铝绕组有限元模型的物理属性参数设置为铜包铝绕组的物理属性数据；

5、对待检测变压器各组件的有限元模型进行网格划分，将划分网格的各有限元模型通过网格映射得到待检测变压器有限元模型；

6、当待检测变压器为油浸式变压器时，获取待检测变压器箱体振动加速度的实测值，基于待检测变压器有限元模型获取在电磁力作用下的待检测变压器箱体振动加速度的仿真值；当待检测变压器为干式变压器时，获取待检测变压器铁芯振动加速度的实测值和绕组振动加速度的实测值，基于待检测变压器有限元模型获取在电磁力作用下的待检测变压器铁芯振动加速度的仿真值和绕组振动加速度的仿真值；

7、基于卷积神经网络构建绕组检测模型，绕组检测模型以仿真值为训练样本，训练好的检测模型输出绕组为铜包铝材质的检测结果；检测模型以实测值为测试样本，对待检测变压器的绕组材质进行检测。

8、在建立各组件的有限元模型时，保持铁芯、绕组的水平截面外缘轮廓对齐，保持铁芯的中心柱、旁柱、铁轭的尺寸与实际尺寸一致，将绕组等效为圆筒形状，保持内外半径、圆筒的高度与实际尺寸一致。

9、所述绕组的物理属性数据包括：密度、磁序、磁化率、电阻率、杨氏模量、剪切模量、体积模量、泊松比。

10、铁芯的有限元模型采用0.02m×0.02m的网格单元进行划分，绕组的有限元模型采用0.01m×0.01m的网格单元进行划分。

11、通过网格映射得到的变压器有限元模型中电磁场和结构场耦合；采用仿真软件计算电磁场和结构场的耦合率，当耦合率在耦合合格范围之内时判定耦合准确度满足要求；基于耦合准确度满足要求的待检测变压器有限元模型，获取在电磁力作用下的待检测变压器振动加速度的仿真值。

12、耦合合格范围为大于等于0.9且小于等于1.0。

13、容量小于等于100kva的干式变压器，待检测变压器铁芯振动加速度实测值和绕组振动加速度实测值的采集点设置在绕组的出线口；

14、容量大于100kva的油浸式变压器，待检测变压器箱体振动加速度实测值的采集点设置在变压器外壳的顶部。

15、在待检测变压器有限元模型上设置的振动加速度仿真值的采集点，与待检测变压器的振动加速度实测值的采集点一致。

16、采用小波包分解方法，对振动加速度的实测值和仿真值进行预处理，获得不同频率下的振动加速度的特征值。

17、实测值输入到绕组检测模型后，当待检测变压器绕组为铜包铝材质时绕组检测模型输出1。

18、本发明还提出了一种基于有限元分析的铜包铝绕组变压器检测系统，所述系统包括：有限元模型搭建模块，检测模块；

19、有限元模型搭建模块，用于按照待检测变压器各组件的实际尺寸，分别构建待检测变压器各组件的有限元模型，各组件的有限元模型包括箱体有限元模型、铁芯有限元模型和铜包铝绕组有限元模型，其中铜包铝绕组有限元模型的物理属性参数设置为铜包铝绕组的物理属性数据；对待检测变压器各组件的有限元模型进行网格划分，将划分网格的各有限元模型通过网格映射得到待检测变压器有限元模型；

20、检测模块，用于当待检测变压器为油浸式变压器时，获取待检测变压器箱体振动加速度的实测值，基于待检测变压器有限元模型获取在电磁力作用下的待检测变压器箱体振动加速度的仿真值；当待检测变压器为干式变压器时，获取待检测变压器铁芯振动加速度的实测值和绕组振动加速度的实测值，基于待检测变压器有限元模型获取在电磁力作用下的待检测变压器铁芯振动加速度的仿真值和绕组振动加速度的仿真值；基于卷积神经网络构建检测模型，检测模型以仿真值为训练样本，训练好的检测模型输出绕组为铜包铝材质的检测结果；检测模型以实测值为测试样本，对待检测变压器的绕组材质进行检测。

21、本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明提出通过变压器的振动特性数据检测绕组材质的方法，简单易行，可在变压器工作状态下进行，无需对变压器进行拆解即可对变压器绕组材质进行检测，且不受场地及设备限制，属于无损检测，检测成本低，检测效率高。

22、变压器的振动数据是绕组故障的检测手段，尚未应用于绕组材质检测，基于相关的研究发现振动加速度与物理属性数据有关系，因此本发明提出了一种基于有限元分析的铜包铝绕组变压器检测方法，利用绕组的物理属性数据建立有限元模型，利用变压器的振动数据，以仿真手段进行绕组材质的检测，能够准确地鉴别变压器中铜包铝绕组的材质。