基于多物理场耦合的变压器绕组振动声纹分析方法及系统技术方案

一种基于多物理场耦合的变压器绕组振动声纹特性分析方法与系统，根据真实的试验条件，建立基于有限元的变压器三维几何模型，并简化影响相对较小的构件。通过变压器铭牌参数，建立变压器短路状态下的电路结构，通过电磁场耦合，计算变压器内部的电磁场情况。最后根据变压器绕组漏磁通计算结果，建立声

【技术实现步骤摘要】
基于多物理场耦合的变压器绕组振动声纹分析方法及系统


[0001]本申请涉及变压器绕组振动噪声
，尤其涉及一种基于多物理场耦合的变压器绕组振动声纹分析方法及系统。

技术介绍

[0002]作为电力系统的核心设备之一，电力变压器的安全性与可靠性对电网的可靠运行至关重要。据统计数据表明，变压器的机械故障主要由长期累积形成，包括变压器的主件和部分构件，其中由于绕组变形所引起的故障占绝大比例。
[0003]长期以来，人们一直将变压器发出的声音视为噪声，但却忽略其内在价值，其运行声音包含着变压器运行状态信息。变压器的噪声主要是由铁芯磁致伸缩以及绕组受洛伦兹力振动产生。在变压器短路状态下，由于电压比较小，铁芯磁致伸缩的影响很小，所产生的声音与绕组振动产生的声音存在数量级上的差异，因此在这种运行状态下，只需要考虑变压器绕组振动所产生的声音。
[0004]目前国内外在变压器的声音信号的产生机理、降噪方法、声信号特征提取以及识别方法中已经取得了大量的成果，但在变压器正常及故障状态下的声音信号特性分析方面仍未有深入研究。这使得有效的特征量提取方法以及故障识别算法缺乏依据。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本申请提供了一种基于多物理场耦合的变压器绕组振动声纹特性分析方法，包括如下步骤：
[0006]步骤一：根据实际尺寸建立变压器几何模型，并对变压器几何模型进行网格划分；
[0007]步骤二：根据变压器实际运行情况，仿真变压器电磁场分布情况；
[0008]步骤三：根据变压器绕组中磁场与结构力场的耦合，仿真变压器绕组受力以及振动情况；
[0009]步骤四：根据变压器绕组结构力场与压力声场耦合，仿真变压器外围空间声场；
[0010]步骤五：依据变压器绕组常见三种机械故障，仿真变压器绕组在故障状态下的声纹特性；
[0011]步骤六：进行外围声场仿真结果分析以及实验验证分析。
[0012]进一步地，所述步骤一包括：
[0013]根据实际参数对变压器进行几何建模，对绕组上下两端施加固定约束，模拟构件加紧作用，铁芯采用硅钢片叠压而成，绕组采用均匀多匝形式，并对变压器有限元模型进行有效的网格划分。
[0014]进一步地，所述步骤二中，
[0015]变压器的磁场包括主磁场和漏磁场，漏磁场是变压器绕组振动的根源。
[0016]进一步地，变压器磁感应强度计算方法包括：
[0017]当绕组之中流过电流时，由于交变漏磁场的存在，使得绕组上产生电磁力，假设稳
态运行下流过绕组的电流I为：
[0018]I＝I
m
sin(ωt+φ0)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0019]其中I
m
为绕组电流幅值，ω为绕组中电流的角频率，φ0为绕组电流的初相位；
[0020]简化磁感应强度计算公式，在静态条件下，磁感应强度可表示为：
[0021][0022]其中为磁感应强度与电流之间的电动力系数。
[0023]进一步地，所述步骤三包括：
[0024]计算变压器绕组所受的电动力为：
[0025][0026]变压器绕组等效为多自由度线性弹簧质量系统，其固体力学微分方程可以表示为：
[0027][0028]式中：M为模型质量矩阵；C为模型阻尼矩阵；K为模型弹性系数矩阵；z(t)、式中：M为模型质量矩阵；C为模型阻尼矩阵；K为模型弹性系数矩阵；z(t)、分别为绕组模型的形变位移、形变速度和形变加速度；F(t)为绕组所受的电动力大小；g为重力加速度。
[0029]变压器绕组模型的振动形变位移计算如下：
[0030]将式(3)所推导出的电动力公式代入(4),可得：
[0031][0032]由式(5)可知，M、C、K皆为常数，其为二阶常系数微分方程，对于其齐次部分：
[0033][0034]其通解可以表示为：
[0035]z＝e
αt
(C
1 cosβt+C
2 sinβt)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0036]式中：C1、C2为常数，其大小由初始条件确定；
[0037][0038][0039]由式(5)可知，M、C、K、R、φ0等皆为常数，其为二阶常系数微分方程，求解方程可得：
[0040][0041]其中：A、θ为常数且有初始条件决定；
[0042][0043][0044][0045][0046]所述步骤四中，声压的波动方程表示为
[0047][0048]其中：
[0049]p(r,t)为声压，其为传播半径r和时间t的函数；c0为声速.
[0050]进一步地，所述步骤四中，
[0051]利用COMSOL中的声
‑
结构边界模块，耦合固体力学与压力声学模块，在绕组表面与空气介质接触面向外辐射噪声，将固体力学仿真数据作为声场分析的基础，分别计算变压器前后以及左右两个面的辐射噪声。
[0052]本专利技术还公开了一种基于前述方法的变压器绕组振动声纹特性分析系统，包括变压器建模模块、变压器电磁场分布仿真模块、变压器绕组受力及振动仿真模块、变压器外围空间声场仿真模块、变压器绕组声纹特性仿真模块；
[0053]所述变压器建模模块根据实际尺寸建立变压器几何模型，并对变压器几何模型进行网格划分；
[0054]所述变压器电磁场分布仿真模块根据变压器实际运行情况，仿真变压器电磁场分布；
[0055]所述变压器绕组受力及振动仿真模块根据变压器绕组中磁场与结构力场的耦合，仿真变压器绕组受力以及振动情况；
[0056]所述变压器外围空间声场仿真模块根据变压器绕组结构力场与压力声场耦合，仿真变压器外围空间声场；
[0057]所述变压器绕组声纹特性仿真模块依据变压器绕组常见三种机械故障，仿真变压器绕组在故障状态下的声纹特性。
[0058]进一步优选，
[0059]所述变压器绕组振动声纹特性分析系统还包括外围声场仿真结果分析以及实验验证分析模块，分析变压器外围声场状态，对于变压器噪声进行分析，对比仿真结果，验证模型有效性。
[0060]本专利技术同时公开了一种计算机系统，包括处理器及存储介质；
[0061]所述存储介质用于存储指令；
[0062]所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据基于多物理场耦合的变压器绕组振动声纹特性分析方法的步骤。
[0063]一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现基于多物理场耦合的变压器绕组振动声纹特性分析方法的步骤。
[0064]本专利技术研究了三相油浸式变压器的振动噪声特性，对S13
‑
M
‑
200/10型号的油浸式变压器进行短路试验，并测量了表本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多物理场耦合的变压器绕组振动声纹特性分析方法，其特征在于，包括：步骤一：根据实际尺寸建立变压器几何模型，并对变压器几何模型进行网格划分；步骤二：根据变压器实际运行情况，仿真变压器电磁场分布情况；步骤三：根据变压器绕组中磁场与结构力场的耦合，仿真变压器绕组受力以及振动情况；步骤四：根据变压器绕组结构力场与压力声场耦合，仿真变压器外围空间声场；步骤五：依据变压器绕组常见三种机械故障，仿真变压器绕组在故障状态下的声纹特性；其中，所述常见的三种机械故障是指变压器绕组松动、绕组变形及绕组绝缘脱落；步骤六：进行外围声场仿真结果分析以及实验验证分析。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤一包括：根据实际参数对变压器进行几何建模，对绕组上下两端施加固定约束，模拟构件加紧作用，铁芯采用硅钢片叠压而成，绕组采用均匀多匝形式，并对变压器有限元模型进行有效的网格划分。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤二中，变压器的磁场包括主磁场和漏磁场，漏磁场是变压器绕组振动的根源。4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，变压器磁感应强度计算方法包括：当绕组之中流过电流时，由于交变漏磁场的存在，使得绕组上产生电磁力，假设稳态运行下流过绕组的电流I为：I＝I
m
sin(ωt+φ0)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)其中I
m
为绕组电流幅值，ω为绕组中电流的角频率，φ0为绕组电流的初相位；简化磁感应强度计算公式，在静态条件下，磁感应强度可表示为：其中为磁感应强度与电流之间的电动力系数。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤三包括：计算变压器绕组所受的电动力为：计算变压器绕组所受的电动力为：指磁感应强度，R指线圈半径；变压器绕组等效为多自由度线性弹簧质量系统，其固体力学微分方程可以表示为：式中：M为模型质量矩阵；C为模型阻尼矩阵；K为模型弹性系数矩阵；z(t)、式中：M为模型质量矩阵；C为模型阻尼矩阵；K为模型弹性系数矩阵；z(t)、分别为绕组模型的形变位移、形变速度和形变加速度；F(t)为绕组所受的电动力大小；g为重力加速度。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，变压器绕组模型的振动形变位移计算如
下：将式(3)所推导出的电动力公式代入(4),可得：由式(5)可知，M、C、K皆为常数，其为二阶常系数微分方程，对于其齐次部分：其通解可以表示为：z＝e
αt
(C1co...

【专利技术属性】
技术研发人员：李勇，何萍，陈寿龙，朱雷，许洪华，张勇，李楠，尹来宾，马宏忠，刘宝稳，崔佳嘉，赵军，
申请(专利权)人：国网江苏省电力有限公司南京供电分公司，
类型：发明
国别省市：