一种在多次短路冲击下变压器绕组应变的测量方法及系统与流程

1.本发明涉及航空运输不正常航班管理领域，尤其涉及一种在多次短路冲击下变压器绕组应变的测量方法及系统。


背景技术：

2.短路故障是致使变压器绕组形变的主要原因，并且在故障事故中所占比例较高，因此抗短路能力是变压器的重要指标之一。当短路电流和漏磁场共同作用时，会产生巨大的短路电磁力，绕组在承受这种电磁力时，可能会发生变形、鼓包等问题，进而出现绕组松动、绝缘性能下降、变压器整体的抗短路能力降低等问题。
3.目前现有的测量方法能够判断绕组是否在短路情况下发生形变，但也存在一些缺陷。比如短路阻抗法的横向漏电抗和纵向漏电抗易受现场环境因素影响导致测量准确度受影响。采用低压脉冲法测量电路、电缆的连接方式会对测试线路的杂散耦合电容分布产生影响，从而影响实验精度。因此，急需一种合理、普适的变压器绕组形变测量方法，具有较大的理论意义和工程价值。


技术实现要素：

4.为了解决现有的技术问题，本发明的目的是提供一种变压器绕组在多次短路冲击下应变测量方法，用于解决变压器绕组在短路冲击下的应变测量问题。
5.为了实现上述技术目的，本发明提供了一种在多次短路冲击下变压器绕组应变的测量方法，包括以下步骤：
6.数据测量阶段：在变压器绕组上布置若干个光纤光栅传感器，对变压器绕组实施多次短路冲击，获取每个光纤光栅传感器的中心波长变化量及温度变化值；
7.数据处理阶段：基于中心波长变化量和温度变化值，根据光-力理论转换方程，生成变压器绕组应变；
8.结果验证阶段：构建用于仿真变压器绕组的磁-路-力等效模型，获得理论电磁力以及理论应变，通过计算变压器绕组应变与理论应变的误差，验证变压器绕组应变的测量准确性。
9.优选地，在数据测量阶段，将光纤光栅传感器绕制于变压器绕组的1/4处和/或1/2处，其中，光纤光栅传感器的每根光纤搭配4组光栅传感器，布置在绕组同一高度，相隔90
°
。
10.优选地，在数据处理阶段，光-力理论转换方程的表达式为：
[0011][0012]
其中，ε
实测
为绕组实测辐向应变，δλb表示中心波长试验前后的变化量；λb表示传感器中心波长参数，取值1550nm；pe表示有效弹光系数，根据实验选用的光学材料，取值0.216；表示平均应变传递率。ζ表示热光系数，该参量只与光纤光栅本身材料有关，与环
境变化无关，取值6.7*10-6
/℃；α表示热膨胀系数，与环境变化无关，取值0.5*10-6
/℃。
[0013]
优选地，在结果验证阶段，基于变压器绕组，通过设置各部分材料及参数，按照短路冲击试验接线图设置电路模块，并对模型进行细化网格剖分，构建磁-路-力等效模型。
[0014]
优选地，在结果验证阶段，基于磁-路-力等效模型，通过获取变压器漏磁通分布规律，依次获取不同时刻、不同位置处的辐向电磁力；
[0015]
基于胡克定律，根据辐向电磁力，获取辐向应变，其中，辐向应变用于表示理论应变。
[0016]
优选地，在获取辐向应变的过程中，基于胡克定律，根据辐向电磁力，通过获取铜导线的弹性模量，生成辐向应变。
[0017]
优选地，在获取辐向应变的过程中，应变到应力的关系式为：
[0018][0019]
其中，ε
理论
表示理论辐向应变；σ表示导线辐向应力(是否为辐向电磁力)；e表示铜导线的弹性模量。
[0020]
本发明公开了一种在多次短路冲击下变压器绕组应变的测量系统，包括：
[0021]
数据采集模块，用于通过在变压器绕组上布置若干个光纤光栅传感器，对变压器绕组实施多次短路冲击，获取每个光纤光栅传感器的中心波长变化量及温度变化值；
[0022]
数据处理模块，用于基于中心波长变化量和温度变化值，根据光-力理论转换方程，生成变压器绕组应变；
[0023]
结果验证模块，用于通过构建用于仿真变压器绕组的磁-路-力等效模型，获得理论电磁力以及理论应变，通过计算变压器绕组应变与理论应变的误差，验证变压器绕组应变的测量准确性。
[0024]
本发明公开了以下技术效果：
[0025]
本发明可实现变压器绕组的应变观测，将光纤光栅传感器的测量数据转换成应变大小，监测绕组的变形情况，防止变压器绕组在突发短路下发生绕组松动、破损等现象，保障变压器的安全稳定运行。
附图说明
[0026]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0027]
图1为本发明所述的光纤光栅传感器安装图；
[0028]
图2为本发明所述的变压器磁-路-力仿真模型图；
[0029]
图3为本发明所述的方法流程图；
[0030]
图4为本发明所述的光纤布拉格光栅传感器原理图；
[0031]
图5为本发明所述的传感器布置示意图。
具体实施方式
[0032]
下为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0033]
如图1-5所示，本发明提供了一种在多次短路冲击下变压器绕组应变的测量方法，包括以下步骤：
[0034]
数据测量阶段：在变压器绕组上布置若干个光纤光栅传感器，对变压器绕组实施多次短路冲击，获取每个光纤光栅传感器的中心波长变化量及温度变化值；
[0035]
数据处理阶段：基于中心波长变化量和温度变化值，根据光-力理论转换方程，生成变压器绕组应变；
[0036]
结果验证阶段：构建用于仿真变压器绕组的磁-路-力等效模型，获得理论电磁力以及理论应变，通过计算变压器绕组应变与理论应变的误差，验证变压器绕组应变的测量准确性。
[0037]
进一步优选地，在数据测量阶段，将光纤光栅传感器绕制于变压器绕组的1/4处和/或1/2处，其中，光纤光栅传感器的每根光纤搭配4组光栅传感器，布置在绕组同一高度，相隔90
°
。
[0038]
进一步优选地，在数据处理阶段，光-力理论转换方程的表达式为：
[0039][0040]
其中，ε
实测
为绕组实测辐向应变，δλb表示中心波长试验前后的变化量；λb表示传感器中心波长参数，取值1550nm；pe表示有效弹光系数，根据实验选用的光学材料，取值0.216；表示平均应变传递率。ζ表示热光系数，该参量只与光纤光栅本身材料有关，与环境变化无关，取值6.7*10-6
/℃；α表示热膨胀系数，与环境变化无关，取值0.5*10-6
/℃。
[0041]
进一步优选地，在结果验证阶段，基于变压器绕组，通过设置各部分材料及参数，按照短路冲击试验接线图设置电路模块，并对模型进行细化网格剖分，构建磁-路-力等效模型。
[0042]
进一步优选地，在结果验证阶段，基于磁-路-力等效模型，通过获取变压器漏磁通分布规律，依次获取不同时刻、不同位置处的辐向电磁力；
[0043]
基于胡克定律，根据辐向电磁力，获取辐向应变，其中，辐向应变用于表示理论应变。
[0044]
进一步优选地，在获取辐向应变的过程中，基于胡克定律，根据辐向电磁力，通过获取铜导线的弹性模量，生成辐向应变。
[0045]
进一步优选地，在获取辐向应变的过程中，应变到应力的关系式为：
[0046][0047]
其中，ε
理论
表示理论辐向应变；σ表示导线辐向应力(是否为辐向电磁力)；e表示铜导线的弹性模量。
[0048]
本发明公开了一种在多次短路冲击下变压器绕组应变的测量系统，包括：
[0049]
数据采集模块，用于通过在变压器绕组上布置若干个光纤光栅传感器，对变压器绕组实施多次短路冲击，获取每个光纤光栅传感器的中心波长变化量及温度变化值；
[0050]
数据处理模块，用于基于中心波长变化量和温度变化值，根据光-力理论转换方程，生成变压器绕组应变；
[0051]
结果验证模块，用于通过构建用于仿真变压器绕组的磁-路-力等效模型，获得理论电磁力以及理论应变，通过计算变压器绕组应变与理论应变的误差，验证变压器绕组应变的测量准确性。
[0052]
本发明提供了一种在多次短路冲击下变压器绕组应变的测量方法，包括以下步骤：
[0053]
步骤1、在变压器绕组上安装光纤光栅传感器，分别绕制于距绕组顶部1/4及1/2处，每根光纤搭配4组光栅传感器，布置在绕组同一高度，相隔90
°
；
[0054]
步骤2、实时记录光纤布拉格光栅传感器采集的中心波长值；
[0055]
步骤3、计算各光栅的中心波长变化量及温度变化值，根据光-力理论转换方程计算得到实测应变；
[0056]
步骤4、基于comsol软件建立实际尺寸的变压器磁-路-力仿真模型，并剖分网格；
[0057]
步骤5、按照短路试验实际工况设置仿真条件，通过仿真获得理论电磁力以及理论应变，计算实测应变与理论应变的误差，验证测量方法的准确性。
[0058]
步骤1、在变压器绕组绕制过程中需提前安装fbg(光纤光栅应变传感器)和光纤光栅温度传感器，考虑到绕组线饼的轴向形变规律往往呈m型，且形变位置具有随机性，因此分别在距离绕组顶部1/4处、1/2处安装光纤，每根光纤的四个栅两两相隔90
°
均匀分布在绕组四周，如图1所示。
[0059]
步骤2、记录下光纤光栅应变传感器和温度传感器所测的数值。
[0060]
步骤3、通过fbg(光纤布拉格光栅)测量得到中心波长变化量，计算各光栅的中心波长变化量及温度变化值，根据光-力理论转换方程计算得到实测应变，方程如下式所示：
[0061][0062]
绕组状态发生变化时，光栅弹光特性和栅距尺寸的改变会使光栅中心反射波长大小发生变化；温度改变时，光纤热光特性和热膨胀特性也会导致光栅中心反射波长的改变，光栅中心反射波长为二者的叠加。同时，光纤光栅温度传感器所测数据通过方程进行温度补偿，将所测数据带入上式计算可得实测应变大小。
[0063]
步骤4、利用comsol仿真软件按照变压器的实际结构参数建立该变压器的磁-路-力等效模型，设置其各部分材料及参数，并按照短路冲击试验接线图设置其电路模块，对模型进行细化网格剖分以确保其计算准确性，如图2所示。
[0064]
步骤5、通过comsol软件按照变压器的实际参数建立该变压器的等效模型，根据所建模型和电磁场的基本理论，对漏磁场进行理论分析，得到变压器漏磁通分布规律，通过计算得到绕组辐向电磁力的大小。
[0065]
在磁场中，即有如下基于矢量磁位a的控制方程和边界条件：
[0066][0067]
控制域外围：
[0068]n×
a＝0
[0069]
通过矢量泊松方程求得矢量磁位a，可得
[0070][0071]
绕组轴向漏磁密与矢量磁位的关系为：
[0072][0073]
变压器绕组所受辐向电磁力由洛伦兹力公式计算，在每个有限元单元内，辐向电磁力为：
[0074]fρ
＝jbzs
ε
2πl
ε
[0075]
故变压器绕组的辐向电磁力为：
[0076]
f＝∑f
ρ
[0077]
其中，bz为漏磁通密度轴向分量(t)；j为电流密度(a/m2)；js表为源电流密度(a/m2)；μ为磁导率(h/m)；γ为电导率(s/m)；为标量电位(v)；r为位置矢量；s
ε
为单个有限元的面积；l
ε
为有限元单元重心到铁心中心线间的距离，矢量微分算符。
[0078]
根据不同时刻下的电流大小和漏磁通，依次计算出不同时刻、不同位置处的辐向电磁力。
[0079]
步骤6、本次试验中，通过辐向应力方程得到导线的理论辐向应力，再通过应变方程计算对应导线位置的理论辐向应变。
[0080]
辐向应力与辐向电磁力之间的关系如下式所示：
[0081][0082]
其中，σ为导线辐向应力；f为传感器测点处的辐向电磁力；s为导线的横截面积，s＝1.272*10-5
m2；w为低压绕组匝数，w＝107。通过传感器测点的值以及上述方程可计算得到传感器测点的理论辐向应力。
[0083]
在一定弹性限度内，应力、应变遵守胡克定律，由辐向应力到理论辐向应变的关系式如下式所示：
[0084][0085]
其中，ε
理论
为理论辐向应变；σ为导线辐向应力；e为铜导线的弹性模量，其值为115000mpa。
[0086]
将理论应变和实际应变进行对比分析，误差在5％以内，验证试验结果准确性，可
以此判断变压器绕组的状态。表明fbg传感器测量精准，可以通过这种方法对变压器绕组变形进行测量，具有较大的实际工程意义。
[0087]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0088]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0089]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0090]
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。