變壓器直流偏磁電-磁-力特性及振動(dòng)信號(hào)時(shí)頻特征分析研究.pdf

1、隨著我國(guó)特高壓直流輸電的建設(shè)和發(fā)展，引起了越來(lái)越多變壓器直流偏磁問題的出現(xiàn)。直流輸電接地極電流經(jīng)大地流入交流系統(tǒng)變壓器中性點(diǎn)，使其鐵芯磁飽和加劇，勵(lì)磁發(fā)生改變。不僅在電網(wǎng)中產(chǎn)生諧波，還導(dǎo)致變壓器鐵芯及其他構(gòu)件損耗增大而引起溫度升高，進(jìn)而對(duì)絕緣造成影響。同時(shí)還使變壓器振動(dòng)加劇，嚴(yán)重時(shí)可造成變壓器結(jié)構(gòu)松動(dòng)和機(jī)械疲勞。為電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行埋下隱患。
　　為更好的分析變壓器直流偏磁工作狀態(tài)，預(yù)防因偏磁問題造成的事故，并為電網(wǎng)的可靠運(yùn)行提供

2、支撐和參考。本文從變壓器振動(dòng)傳播機(jī)理的角度入手，圍繞直流偏磁對(duì)變壓器電磁學(xué)及力學(xué)性能的影響開展研究。論文首先研究了變壓器各部件振動(dòng)等效計(jì)算方法，基于該方法建立了變壓器電-磁-力耦合場(chǎng)瞬態(tài)計(jì)算模型，得到變壓器應(yīng)力及應(yīng)變的分布規(guī)律。而后研究了直流偏磁下變壓器各部位振動(dòng)時(shí)頻特性，結(jié)合鐵芯材料在不同電磁條件下力學(xué)性能的變化規(guī)律，提出了描述偏磁振動(dòng)和飽和狀態(tài)的特征提取方法。本文涉及了數(shù)學(xué)推導(dǎo)、材料參數(shù)測(cè)定、電-磁-力場(chǎng)仿真計(jì)算、振動(dòng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、信號(hào)

3、時(shí)頻分析等方面。論文主要工作包括：
　　（1）研究了變壓器振動(dòng)機(jī)理以及鐵芯和繞組作為振動(dòng)源的變壓器整體振動(dòng)過(guò)程。針對(duì)取向型硅鋼片受磁致伸縮作用，同時(shí)考慮鐵芯內(nèi)存在非均勻非恒定連續(xù)磁通變化的特點(diǎn)，將鐵芯柱軸向和鐵軛的水平及豎直方向上形變分別等效成彈性桿體進(jìn)行受力分析并推導(dǎo)其振動(dòng)方程。將繞組線圈等效為質(zhì)量單元的多自由度振動(dòng)系統(tǒng)，描述繞組振動(dòng)的數(shù)學(xué)過(guò)程。而后分析了各種附屬結(jié)構(gòu)件的等效模型，根據(jù)振動(dòng)學(xué)基本原理，將變壓器內(nèi)部各結(jié)構(gòu)件統(tǒng)一等效

4、為廣義彈簧阻尼元件，有效地描述了變壓器整體振動(dòng)過(guò)程。為后續(xù)建模提供理論依據(jù)。
　?。?）基于上述等效方法建立變壓器多物理場(chǎng)瞬態(tài)模型并研究其電-磁-力特性。根據(jù)所定制的試驗(yàn)變壓器實(shí)際結(jié)構(gòu)建立完整的三維變壓器物理模型，分析了變壓器電磁場(chǎng)與力場(chǎng)的耦合過(guò)程，包括控制方程和邊界條件。研制了硅鋼片應(yīng)變測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)不同磁感應(yīng)強(qiáng)度下的磁致伸縮進(jìn)行了測(cè)量。將測(cè)試結(jié)果的單值曲線作為硅鋼片力學(xué)屬性的計(jì)算條件，同時(shí)依據(jù)前述變壓器結(jié)構(gòu)件的材料屬性作為等

5、效統(tǒng)一彈簧阻尼系統(tǒng)的基本計(jì)算參數(shù)，對(duì)變壓器瞬態(tài)模型進(jìn)行了計(jì)算。通過(guò)多物理場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，重點(diǎn)分析了變壓器鐵芯、繞組以及外殼表面的受力形變情況，證實(shí)了變壓器偏磁振動(dòng)的不對(duì)稱性現(xiàn)象，準(zhǔn)確反映變壓器力學(xué)傳遞過(guò)程的同時(shí)，也得出了變壓器各方向振動(dòng)位移的變化規(guī)律。
　?。?）研制了變壓器振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)?；趶V泛使用的壓電式振動(dòng)加速度傳感器作為力學(xué)信號(hào)與電學(xué)信號(hào)的轉(zhuǎn)換元件，設(shè)計(jì)振動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)的同時(shí)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)頻譜分析等功能。以定制

6、的試驗(yàn)變壓器為研究對(duì)象，對(duì)直流偏磁下變壓器各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行了采集，分析了振動(dòng)加速度信號(hào)與直流偏磁的關(guān)系。并將該測(cè)量系統(tǒng)用于變電站實(shí)測(cè)。
　?。?）研究了變壓器振動(dòng)時(shí)頻特性，并提出了反映偏磁狀態(tài)的特征提取方法。根據(jù)振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)采集到直流偏磁下的變壓器振動(dòng)加速度信號(hào)，基于時(shí)域二積分得到振動(dòng)位移信號(hào)。運(yùn)用 HHT方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)各測(cè)點(diǎn)位移信號(hào)的自適應(yīng)時(shí)頻分析，總結(jié)了各本征模態(tài)函數(shù)與偏磁程度的關(guān)系，并以此為基礎(chǔ)提出了基態(tài)能量比的偏磁特

7、征量。同時(shí)基于鐵芯材料在磁化飽和過(guò)程中的非線性磁滯關(guān)系，提出了時(shí)域半波能量比的另一特征量。經(jīng)過(guò)實(shí)際計(jì)算和分析，證明了兩種特征量的組合應(yīng)用對(duì)偏磁振動(dòng)規(guī)律描述具有完備性。此外，根據(jù)鐵芯磁化產(chǎn)生振動(dòng)的奇次諧波增長(zhǎng)過(guò)程及其對(duì)信號(hào)成分比例的影響，對(duì)偏磁飽和規(guī)律進(jìn)行了研究。該特征提取方法及飽和狀態(tài)分析方法主要以位移信號(hào)的構(gòu)成成分為基礎(chǔ)，不受變壓器振動(dòng)強(qiáng)度的影響，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同型號(hào)變壓器的普遍適用性。
　?。?）完成了對(duì)變電站中實(shí)際受直流偏磁影響

8、的主變壓器振動(dòng)分析和研究。選擇在“金中直流工程”調(diào)試期間，距直流接地極16 km的220 kV變壓器為研究對(duì)象。三個(gè)不同時(shí)段和不同入地電流情況下，首先對(duì)變壓器中性點(diǎn)接地電流進(jìn)行測(cè)量并分析入地電流對(duì)其影響規(guī)律。而后采集了變壓器器身表面各點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行了時(shí)頻特性分析?；谇懊嫣岢龅钠盘卣魈崛》椒ㄓ?jì)算得到各點(diǎn)的特征量結(jié)果，驗(yàn)證了方法的準(zhǔn)確性。最后，針對(duì)大容量變壓器振動(dòng)強(qiáng)度較大這一特點(diǎn)，對(duì)偏磁振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行了探討，測(cè)量并分析了主變