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变压器直流偏磁电—磁—力特性及振动信号时频特征分析研究

刘行谋  
【摘要】:随着我国特高压直流输电的建设和发展,引起了越来越多变压器直流偏磁问题的出现。直流输电接地极电流经大地流入交流系统变压器中性点,使其铁芯磁饱和加剧,励磁发生改变。不仅在电网中产生谐波,还导致变压器铁芯及其他构件损耗增大而引起温度升高,进而对绝缘造成影响。同时还使变压器振动加剧,严重时可造成变压器结构松动和机械疲劳。为电力系统的安全运行埋下隐患。为更好的分析变压器直流偏磁工作状态,预防因偏磁问题造成的事故,并为电网的可靠运行提供支撑和参考。本文从变压器振动传播机理的角度入手,围绕直流偏磁对变压器电磁学及力学性能的影响开展研究。论文首先研究了变压器各部件振动等效计算方法,基于该方法建立了变压器电-磁-力耦合场瞬态计算模型,得到变压器应力及应变的分布规律。而后研究了直流偏磁下变压器各部位振动时频特性,结合铁芯材料在不同电磁条件下力学性能的变化规律,提出了描述偏磁振动和饱和状态的特征提取方法。本文涉及了数学推导、材料参数测定、电-磁-力场仿真计算、振动实验设计、信号时频分析等方面。论文主要工作包括:(1)研究了变压器振动机理以及铁芯和绕组作为振动源的变压器整体振动过程。针对取向型硅钢片受磁致伸缩作用,同时考虑铁芯内存在非均匀非恒定连续磁通变化的特点,将铁芯柱轴向和铁轭的水平及竖直方向上形变分别等效成弹性杆体进行受力分析并推导其振动方程。将绕组线圈等效为质量单元的多自由度振动系统,描述绕组振动的数学过程。而后分析了各种附属结构件的等效模型,根据振动学基本原理,将变压器内部各结构件统一等效为广义弹簧阻尼元件,有效地描述了变压器整体振动过程。为后续建模提供理论依据。(2)基于上述等效方法建立变压器多物理场瞬态模型并研究其电-磁-力特性。根据所定制的试验变压器实际结构建立完整的三维变压器物理模型,分析了变压器电磁场与力场的耦合过程,包括控制方程和边界条件。研制了硅钢片应变测试实验平台,对不同磁感应强度下的磁致伸缩进行了测量。将测试结果的单值曲线作为硅钢片力学属性的计算条件,同时依据前述变压器结构件的材料属性作为等效统一弹簧阻尼系统的基本计算参数,对变压器瞬态模型进行了计算。通过多物理场计算结果,重点分析了变压器铁芯、绕组以及外壳表面的受力形变情况,证实了变压器偏磁振动的不对称性现象,准确反映变压器力学传递过程的同时,也得出了变压器各方向振动位移的变化规律。(3)研制了变压器振动测试系统。基于广泛使用的压电式振动加速度传感器作为力学信号与电学信号的转换元件,设计振动试验平台,实现多路信号的同时采集、数据存储、实时频谱分析等功能。以定制的试验变压器为研究对象,对直流偏磁下变压器各测点振动加速度信号进行了采集,分析了振动加速度信号与直流偏磁的关系。并将该测量系统用于变电站实测。(4)研究了变压器振动时频特性,并提出了反映偏磁状态的特征提取方法。根据振动测试平台采集到直流偏磁下的变压器振动加速度信号,基于时域二积分得到振动位移信号。运用HHT方法实现了对各测点位移信号的自适应时频分析,总结了各本征模态函数与偏磁程度的关系,并以此为基础提出了基态能量比的偏磁特征量。同时基于铁芯材料在磁化饱和过程中的非线性磁滞关系,提出了时域半波能量比的另一特征量。经过实际计算和分析,证明了两种特征量的组合应用对偏磁振动规律描述具有完备性。此外,根据铁芯磁化产生振动的奇次谐波增长过程及其对信号成分比例的影响,对偏磁饱和规律进行了研究。该特征提取方法及饱和状态分析方法主要以位移信号的构成成分为基础,不受变压器振动强度的影响,实现了对不同型号变压器的普遍适用性。(5)完成了对变电站中实际受直流偏磁影响的主变压器振动分析和研究。选择在“金中直流工程”调试期间,距直流接地极16 km的220 kV变压器为研究对象。三个不同时段和不同入地电流情况下,首先对变压器中性点接地电流进行测量并分析入地电流对其影响规律。而后采集了变压器器身表面各点振动信号,并对其进行了时频特性分析。基于前面提出的偏磁特征提取方法计算得到各点的特征量结果,验证了方法的准确性。最后,针对大容量变压器振动强度较大这一特点,对偏磁振动产生的噪声进行了探讨,测量并分析了主变四周的噪声变化与直流偏磁的关系,为电网的安全运行提供参考。


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