一种基于多参量的电力变压器抗短路动态评估方法

一种基于多参量的电力变压器抗短路动态评估方法
【技术领域】
1.本发明涉及变压器抗短路能力评估技术领域，尤其涉及一种基于多参量的电力变压器抗短路动态评估方法。


背景技术：

2.抗短路能力不足造成的变压器损坏已是引起变压器故障的主要原因。为防止和减少变压器短路事故发生，必须对变压器承受短路的能力进行评估。国家及国际相关标准均对电力变压器承受短路的能力做出了规定，要求电力变压器在运行中应具有承受住各种短路事故的抗短路能力。
3.在变压器短路强度的研究初期，主要是对变压器绕组静态短路强度进行研究。但是在实际生产运行中人们发现，虽然对一些变压器按照静态强度的方法进行了强度校核，但是在遇到突发短路故障时，变压器仍然会发生绕组损坏事故。
4.变压器在遭受短路冲击时所能承受的短路强度和稳定性早期主要还是通过各种实验数据总结的经验公式进行研究；尹克宁教授将变压器设计计算方法进行了有效的整理，并总结了相关的校核计算公式；王春成通过计算变压器低压线圈不同高度的形变程度，得到线圈的临界失稳载荷；张博建立了有限元分析模型来模拟变压器遭遇短路冲击后出现的线圈翘曲、轴向变形等情形，在仿真时考虑实际情形来分析绕组多次冲击下的绕组稳定性。
5.目前电力变压器抗短路能力评估方法的专利有：专利名称为“—种在运电力变压器抗短路能力综合评估方法”对在运老旧变压器难以获得的结构参数，给出了评估思路和方法，但是没有考虑对绕组动态强度进行校核。专利名称为“一种电力变压器绕组损坏风险评估方法”对变压器绕组的运行状态提出了新型评估方法，考虑了运行年限，承受短路冲击情况，但是没有考虑历史重合闸、绕组的动态机械强度、绝缘水平等情况。专利名称为“一种具有抗短路校核功能的变压器保护方法”通过实际故障对变压器绕组所受的冲击和累积效应进行量化判断，以实现电力系统中的短路故障对变压器的冲击提供实时校核。但是对于在运变压器难以获得实时数据，计算流程较为繁琐，未考虑多个参量对变压器整体稳定性的影响。


技术实现要素：

6.本发明公开了一种基于多参量的电力变压器抗短路动态评估方法，其可以解决背景技术中涉及的技术问题。
7.为实现上述目的，本发明的技术方案为：
8.一种基于多参量的电力变压器抗短路动态评估方法，包括如下步骤：
9.步骤一、监测变压器的状态，并收集原始监测数据；
10.步骤二、通过公式(1)和(2)对收集的原始监测数据进行归一化处理，得到变压器归一化处理后的状态观测量对应于正常的临界值w，由公式(3)表达；
[0011][0012][0013][0014]
其中，r为归一化后的状态监测量；z为原状态监测数据；h和l分别为监测量处于正常状态时的上边界值和下边界值；h
max
为监测量处于正常状态时的最大上边界值，l
min
为监测量处于正常状态时的最小下边界值；e为数学常数；
[0015]
步骤三、通过公式(4)对得到的状态量进行加权平均，得到变压器的抗短路状态估计x，
[0016][0017]
其中，x为变压器的总体状态评估量，rj为归一化后得到的监测值，wj为每一个状态监测量根据其在变压器中的重要程度分配的一个权重因子，p是监测量的数目；
[0018]
步骤四、利用得到的抗短路状态估计以及变压器的历史状态数据和历史短路故障数据建立随变压器状态变化的可修复抗短路能力监测模型，由公式(5)到(7)表达；
[0019]
λ(x)＝ae
bx
c
ꢀꢀꢀ
(5)
[0020][0021][0022]
其中，a、b和c是三个待定常数，λ(x)为可修复短路故障率，为变压器在某个时段的状态评估量，fi为变压器发生短路故障的次数，λ为短路故障率，ng是第g数据段内和fi数据对的数目；
[0023]
步骤五、利用建立的可修复抗短路能力监测模型计算基于当前状态监测量对应的变压器抗短路能力。
[0024]
作为本发明的一种优选改进，在步骤一中，变压器的状态包括变压器的线饼、垫块、变压器油、套管、紧固件、绝缘系统、散热系统、附属设施以及通道环境的状态。
[0025]
作为本发明的一种优选改进，在步骤一中，原始监测数据包括绕组变形结果、历史运行状态、历史短路电流冲击、历史重合闸评估、绝缘水平情况以及轴向、辐向动态强度。
[0026]
作为本发明的一种优选改进，轴向动态强度计算在于将线饼视为质量单元，垫块视为弹簧，组成质量弹簧系统，在振动过程校核稳定性。
[0027]
作为本发明的一种优选改进，幅向动态强度计算在于将绕组看成两端支撑的梁且受内部支撑的圆环，校核动态稳定性。
[0028]
作为本发明的一种优选改进，所述线饼采用铜塑性材料制作，其屈服强度σ
0.2
选取为100mpa；所述垫块为绝缘纸板材料制造，且弹性模量e会根据所施加的预紧力的不同而变
化。
[0029]
本发明有益效果如下：
[0030]
1、根据轴向和辐向强度的校核情况，结合绕组变形结果、历史运行状态、历史短路冲击和历史重合闸评估、绝缘水平情况等多个参量对电力变压器在遭受巨大短路电流冲击后整体的稳定性做出综合判定，建立了可修复抗短路监测模型，其有利于依据电力变压器不同运行状态，对其抗短路能力做出动态评估，实现了变压器抗短路能力的可靠估计，有利于推动变压器的精准运维发展；
[0031]
2、本发明通过监测并收集原始监测数据，可以为准确评估变压器的抗短路能力奠定真实可靠的数据基础；
[0032]
3、本发明通过对原始监测数据进行归一化处理，可以使得不同状态量在正常范围的上或下边界值都对应于同一个恒定值w，可以将不同量纲的监测量变换到0到1之间，并且仍然能够直观的以w为临界值分辨出监测量是否已经出现异常；
[0033]
4、本发明提供的线饼由铜塑性材料，不存在明显的屈服强度。
【附图说明】
[0034]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
[0035]
图1为本发明基于多参量的电力变压器抗短路动态评估方法的流程图；
[0036]
图2为本发明可修复抗短路能力监测模型建立示意图；
[0037]
图3为本发明轴向动态校核模型；
[0038]
图4为本发明辐向动态校核模型；
[0039]
图5为本发明线饼应力-应变特性图；
[0040]
图6为本发明不同预紧力下垫块变化的弹性模量图。
【具体实施方式】
[0041]
下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0042]
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
[0043]
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0044]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，
例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0045]
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
[0046]
请参阅图1和2所示，本发明提供一种基于多参量的电力变压器抗短路动态评估方法，包括如下步骤：
[0047]
步骤一、监测变压器的状态，并收集原始监测数据；
[0048]
具体的，变压器的状态包括变压器的线饼、垫块、变压器油、套管、紧固件、绝缘系统、散热系统、附属设施以及通道环境的状态。原始监测数据即变压器状态监测量，包括绕组变形结果、历史运行状态、历史短路电流冲击、历史重合闸评估、绝缘水平情况以及轴向、辐向动态强度。
[0049]
其中，所述线饼所用材料铜为塑性材料，不存在明显的屈服强度，引用铜导线的应力应变曲线，其屈服强度σ
0.2
选取为100mpa，可参见图5所示。所述垫块为绝缘纸板材料制造，且弹性模量e会根据所施加的预紧力的不同而变化，可参见图6所示。
[0050]
其中，请参阅图3所示，轴向动态强度计算在于将线饼视为质量单元，垫块视为弹簧，组成质量弹簧系统，在振动过程校核稳定性。
[0051]
其中，请参阅图4所示，幅向动态强度计算在于将绕组看成两端支撑的梁且受内部支撑的圆环，校核动态稳定性。
[0052]
通过有限元仿真，计算短路时的轴向、幅向动态应力，分别计算轴向、幅向的安全指数。安全指数为:q1＝f/p，f为最大动态应力，p为许用应力最大值。q1越小，则抗短路能力更强，反之，更弱。
[0053]
步骤二、通过公式(1)和(2)对收集的原始监测数据进行归一化处理，得到变压器归一化处理后的状态观测量对应于正常的临界值w，由公式(3)表达；
[0054][0055][0056][0057]
其中，r为归一化后的状态监测量；z为原状态监测数据；h和l分别为监测量处于正常状态时的上边界值和下边界值；h
max
为监测量处于正常状态时的最大上边界值，l
min
l
min
为监测量处于正常状态时的最小下边界值；e为数学常数，是自然对数函数的底数，e≈2.71828；
[0058]
需要说明的是，经过归一化变换之后，不同状态量在正常范围的上或下边界值都
对应于同一个恒定值w。以上这种归一化变换方法，可以将不同量纲的监测量变换到0到1之间，并且仍然能够直观的以w为临界值分辨出监测量是否已经出现异常。
[0059]
步骤三、通过公式(4)对得到的状态量进行加权平均，得到变压器的抗短路状态估计x，
[0060][0061]
其中，x为变压器的总体状态评估量，rj为归一化后得到的监测值，wj为每一个状态监测量根据其在变压器中的重要程度分配的一个权重因子，p是监测量的数目；
[0062]
步骤四、利用得到的抗短路状态估计以及变压器的历史状态数据和历史短路故障数据建立随变压器状态变化的可修复抗短路能力监测模型，由公式(5)到(7)表达；
[0063]
λ(x)＝ae
bx
c
ꢀꢀꢀ
(5)
[0064][0065][0066]
其中，a、b和c是三个待定常数，λ(x)为可修复短路故障率，为变压器在某个时段的状态评估量，fi为变压器发生短路故障的次数，λ为短路故障率，ng是第g数据段内和fi数据对的数目；
[0067]
步骤五、利用建立的可修复抗短路能力监测模型计算基于当前状态监测量对应的变压器抗短路能力。
[0068]
下面以具体实施例1对本发明提供的一种基于多参量的电力变压器抗短路动态评估方法进行详细说明。
[0069]
实施例1
[0070]
下表1中列出了某电力公司对变压器短路能力的主要监测项目，每个监测项目根据其重要性分配一个权重值。
[0071]
表1
[0072] 状态监测项目权重值绕组绕组变形情况10短路电流幅值与持续时间等情况10垫块移位和脱落等情况8散热短路温升、散热系统等情况6绝缘水平金属裸露、放电等情况8绕组机械强度机械动态强度降低等情况6
[0073]
将各监测项目的监测结果进行归一化，把差异化非常大的监测量转换到0到1的范围内，0表示此监测量的状态最好，1代表监测量的状态最差。对变压器来说，有下面两种情况：
[0074]
1、一个监测项目的监测量z在达其下限值l
min
时对应于该监测项目的最佳状态，它的正常状态范围为[l
min
,h]。这个监测量只可能因违反上限而超出正常状态。从上表的监测
项目可知，变压器的大多数监测量都属于这种情况。在这种情况下，将监测量z归一化为
[0075][0076]
2、一个监测项目的监测量z在达其上限值h
max
时对应于该监测项目的最佳状态，它的正常状态的范围为[l,h
max
]。这个监测量只可能因违反下限而超出正常状态，例如绕组的机械强度。在这种情况下，则可将监测量z归一化为
[0077][0078]
上述公式(1)和(2)中，r为归一化后的状态监测量；z为原状态监测量；h和l分别为观测量处于正常状态时的上或下边界值。
[0079]
假设归一化后的状态观测量对应于正常的临界值w，由归一化公式(1)和(2)可知，w是一个恒定值：
[0080][0081]
经过归一化变换之后，不同状态量在正常范围的上或下边界值都对应于同一个恒定值w。以上这种归一化变换方法，可以将不同量纲的监测量变换到0到1之间，并且仍然能够直观的以w为临界值分辨出监测量是否已经出现异常。
[0082]
将有量纲的监测量归一化为无量纲的量，更有利于不同类型的监测量进行对比。每一个监测量根据其在变压器中的重要程度分配一个权重因子wj，如表1中第三列所示。变压器整体的状态评估指标由每一项归一化之后的监测量进行加权平均得到：
[0083][0084]
其中，x是变压器的总体状态评估指标，rj归一化后得到的监测值，p是监测量的数目。
[0085]
变压器总体状态评估指标x与可修复短路故障率λ(x)之间可以有如下关系：
[0086]
λ(x)＝ae
bx
c
ꢀꢀꢀ
(5)
[0087]
其中，a，b和c是三个待定常数。三个待定常数可以通过变压器在同一时段内的状态评估量和短路故障率历史统计数据来估计。
[0088]
假设某变压器在某时段内发生短路故障的次数为fi次，并且变压器在这个时段的状态评估量为可以取一年为时段的长度，倘若在一年之内变压器的状态变化较小或较大，根据数据量多少可以将时段取为两年或者半年。将过去一定历史时期内变压器的和fi的数据对收集起来，并按照的降序进行排列。将这些数据对按照的接近程度进行分段，每段内的由于非常接近，因此可以用段内的均值来表示这个段内变压器的状态。根据的接近程度，每段数据内可以有多个甚至只有一个数据。那么，在每个数据段内的整体状态评估量x和短路故障率λ可以表示如下：
[0089][0090][0091]
其中，ng是第g数据段内和fi数据对的数目，λ的单位为(次/年)。显然，公式(6)、(7)中得到的状态量x和故障率λ具有对应关系，表示在这个状态下变压器的短路故障率。假设通过这种方法可以得到n对状态量和短路故障率的数据对，然后将n对数据代入公式(5)中，用非线性最小二乘法来估计公式(5)中的三个待定系数a、b和c。
[0092]
根据历史数据估计出变压器的短路故障率模型，就可以根据变压器的状态评估量x通过(5)计算出变压器在这一年的短路故障率λ(x)(次/年)，从而判别在当前运行状态下，基于多个参量可靠估计变压器的抗短路能力。计算故障率λ越大，变压器抗短路能力越小。
[0093]
在上述估计变压器抗短路能力状态模型的过程中，所选取的变压器都属同一容量和一电压等级，才能找出稳定的状态量与短路故障率的对应关系。
[0094]
本发明的有益效果如下：
[0095]
1、根据轴向和辐向强度的校核情况，结合绕组变形结果、历史运行状态、历史短路冲击和历史重合闸评估、绝缘水平情况等多个参量对电力变压器在遭受巨大短路电流冲击后整体的稳定性做出综合判定，建立了可修复抗短路监测模型，其有利于依据电力变压器不同运行状态，对其抗短路能力做出动态评估，实现了变压器抗短路能力的可靠估计，有利于推动变压器的精准运维发展；
[0096]
2、本发明通过监测并收集原始监测数据，可以为准确评估变压器的抗短路能力奠定真实可靠的数据基础；
[0097]
3、本发明通过对原始监测数据进行归一化处理，可以使得不同状态量在正常范围的上或下边界值都对应于同一个恒定值w，可以将不同量纲的监测量变换到0到1之间，并且仍然能够直观的以w为临界值分辨出监测量是否已经出现异常；
[0098]
4、本发明提供的线饼由铜塑性材料，不存在明显的屈服强度。
[0099]
尽管本发明的实施方案已公开如上，但并不仅仅限于说明书和实施方案中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里所示出与描述的图例。