基于有限元仿真的变压器有载开关故障识别方法及系统与流程

1.本发明涉及变压器技术领域，尤其涉及一种基于有限元仿真的变压器有载开关故障识别方法及系统。


背景技术：

2.有载调压变压器在电力系统中的应用，能够稳定负荷中心的电压，同时增加电网调度的灵活性，目前使用的变压器有载分接开关类型可以分成两类，分别是油浸式有载开关和真空型有载开关，但是由于有载调压器调压次数的增多与相关工作人员的不当操作，致使变压器有载分接开关容易出现故障，因此需要做好变压器有载分接开关故障的诊断分析及工作人员的培训教学。
3.据国内外资料显示，机械故障是变压器有载分接开关的主要故障类型，这不仅会损坏分接开关和变压器，还会影响电力系统正常运行。目前，在对有载开关切换过程的测试中，由于有载开关机械特性测试频次较少，而对有载开关全部切换过程、切换波形、有载开关的机械故障种类需要人工进行验证，影响对有载开关机械特性故障结果的判断，对有载开关机械特性故障判断的准确性较低，且在测试过程中进行反复操作研磨触头以去除油膜电阻，增加有载分接开关使用次数，加重分接开关触头的磨损度，缩短有载分接开关的使用寿命。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种基于有限元仿真的变压器有载开关故障识别方法及系统，解决了现有技术中对有载开关机械特性故障判断的准确性较低，且缩短有载分接开关的使用寿命的技术问题。
5.有鉴于此，本发明第一方面提供了一种基于有限元仿真的变压器有载开关故障识别方法，包括以下步骤：s1、以变压器有载开关的几何模型为基础，设定有载开关中的各个零件的材料属性、配合关系和边界条件，采用有限元软件构建无故障状态下的有载开关仿真模型；s2、向有载开关仿真模型的动触头加载位移激励载荷或速度载荷，提取在有载开关切换过程中的动触头与静触头碰撞时的触头瞬间速度；s3、基于动触头与静触头碰撞时的触头瞬间速度进行动力学计算，得到动触头与静触头碰撞时的模拟振动信号；s4、计算所述模拟振动信号相对预先获取的实际振动信号的衰减系数；s5、根据多个预设的故障状态更改无故障状态下的有载开关仿真模型中各个零件的配合关系或材料属性，得到多个故障状态下的有载开关仿真模型，重复步骤s2~s4，计算得到多个故障状态下的有载开关仿真模型分别对应的模拟故障振动信号；s6、将所述模拟故障振动信号与衰减系数进行相乘运算，得到多个故障状态下的实际故障振动信号；
s7、将预先获取的实际振动信号分别与多个故障状态下的实际故障振动信号进行相似度比对，根据比对结果判断变压器有载开关的故障状态。
6.优选地，步骤s1具体包括：s101、以变压器有载开关的几何模型为基础，所述变压器有载开关的几何模型包括分接选择器、分接绕组、主绕组、弹簧、动触头和静触头，所述主绕组与所述分接绕组连接，所述分接选择器与所述分接绕组接触，所述动触头在所述弹簧的驱动下与所述静触头进行闭合或分离动作；s102、设定有载开关中的各个零件的材料属性、配合关系和边界条件，所述材料属性包括材料密度、刚度以及泊松比，配合关系包括各个零件之间的连接关系，根据各个零件的配合关系设定边界条件，其中，动触头设置为6个自由度；s103、采用有限元软件构建无故障状态下的有载开关仿真模型。
7.优选地，步骤s3具体包括：s301、基于动触头与静触头碰撞时的触头瞬间速度通过下式动力学方程计算外部荷载为：式中，m为质量，c为阻尼，k为刚度，p(t)为外部荷载，u(t)为位移与时间函数，为速度对时间高频函数，为加速度对时间函数；s302、将上式动力学方程转换为矩阵形式得：式中，m为质量矩阵，c为阻尼矩阵，k为刚度矩阵;s303、利用隐式算法对动力学方程的矩阵形式在离散化的时间上进行积分，求得位移对时间的函数，对位移对时间的函数求导运算得到加速度对时间函数作为模拟振动信号。
8.优选地，步骤s4具体包括：s401、在所述模拟振动信号和预先获取的实际振动信号分别选取多个时间点对应的振动幅值，构成所述模拟振动信号和预先获取的实际振动信号分别对应的模拟振动幅值集合和实际振动幅值集合；s402、基于所述模拟振动幅值集合和所述实际振动幅值集合计算模拟振动平均幅值和实际振动平均幅值；s403、基于所述模拟振动平均幅值和所述实际振动平均幅值之比计算衰减系数。
9.优选地，步骤s5具体包括：s501、根据多个预设的故障状态更改无故障状态下的有载开关仿真模型中各个零件的配合关系或材料属性，具体为，当故障状态为开关滑档故障时，将分接选择器与分接绕组之间的接触关系更改为非接触关系；当故障状态为开关切换故障时，降低所述弹簧的阻尼系数；当故障状态为开关工作失调故障时，将动触头与静触头在闭合动作下进行错位设置，得到多个故障状态下的有载开关仿真模型；s502、重复步骤s2~s4，计算得到多个故障状态下的有载开关仿真模型分别对应的模拟故障振动信号。
10.优选地，步骤s7具体包括：s701、将预先获取的实际振动信号与多个故障状态下的实际故障振动信号分别进行曲线拟合，得到实际振动曲线和多个实际故障振动曲线；s702、根据多个实际故障振动曲线分别到实际振动曲线的欧式距离，得到相应的相似度，获取相似度最高的实际故障振动曲线对应的故障状态作为变压器有载开关的故障状态。
11.第二方面，本发明还提供了一种基于有限元仿真的变压器有载开关故障识别系统，包括：仿真模块，用于以变压器有载开关的几何模型为基础，设定有载开关中的各个零件的材料属性、配合关系和边界条件，采用有限元软件构建无故障状态下的有载开关仿真模型；加载模块，用于向有载开关仿真模型的动触头加载位移激励载荷或速度载荷，提取在有载开关切换过程中的动触头与静触头碰撞时的触头瞬间速度；第一计算模块，用于基于动触头与静触头碰撞时的触头瞬间速度进行动力学计算，得到动触头与静触头碰撞时的模拟振动信号；第二计算模块，用于计算所述模拟振动信号相对预先获取的实际振动信号的衰减系数；参数更改模块，用于根据多个预设的故障状态更改无故障状态下的有载开关仿真模型中各个零件的配合关系或材料属性，得到多个故障状态下的有载开关仿真模型，计算得到多个故障状态下的有载开关仿真模型分别对应的模拟故障振动信号；第三计算模块，用于将所述模拟故障振动信号与衰减系数进行相乘运算，得到多个故障状态下的实际故障振动信号；故障识别模块，用于将预先获取的实际振动信号分别与多个故障状态下的实际故障振动信号进行相似度比对，根据比对结果判断变压器有载开关的故障状态。
12.从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：本发明通过采用有限元软件构建无故障状态下的有载开关仿真模型，获取有载开关切换过程中的动触头与静触头碰撞时的触头瞬间速度，基于动触头与静触头碰撞时的触头瞬间速度进行动力学计算，得到动触头与静触头碰撞时的模拟振动信号，计算模拟振动信号相对预先获取的实际振动信号的衰减系数，还对无故障状态下的有载开关仿真模型进行更改，得到多个故障状态下的有载开关仿真模型，并计算得到多个故障状态下的有载开关仿真模型分别对应的模拟故障振动信号，利用其与衰减系数进行相乘运算，得到多个故障状态下的实际故障振动信号，将预先获取的实际振动信号分别与多个故障状态下的实际故障振动信号进行相似度比对，根据比对结果判断变压器有载开关的故障状态，从而替代了现有技术中需要反复操作研磨触头的操作，提高了有载分接开关的使用寿命，同时，还提高了对有载开关机械特性故障判断的准确性。
附图说明
13.图1为本发明实施例提供的一种基于有限元仿真的变压器有载开关故障识别方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的有载开关的结构示意图；图3为本发明实施例提供的一种基于有限元仿真的变压器有载开关故障识别系统的结构示意图。
具体实施方式
14.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
15.为了便于理解，请参阅图1，本发明提供的一种基于有限元仿真的变压器有载开关故障识别方法，包括以下步骤：s1、以变压器有载开关的几何模型为基础，设定有载开关中的各个零件的材料属性、配合关系和边界条件，采用有限元软件构建无故障状态下的有载开关仿真模型；其中，有载分接开关切换过程涉及到分接选择器、分接绕组、主绕组、弹簧、动触头和静触头，其结构原理图如图2所示，主绕组与分接绕组连接，分接选择器与分接绕组接触，动触头在弹簧的驱动下与静触头进行闭合或分离动作，在无电流的情况下，选择开关无电流触头选择到相邻档位，该触头与切换开关中的无电流档位相接通，等待切换开关切换。切换开关完成蓄能后释放能量，按着主触头-过渡电路-过渡电路-主触头的顺序切换，从而实现不断流切换。电动操作结构为有载分接开关的整个切换过程提供能量。有载分接开关在整个切换过程中，切换开关部分机械结构出现的故障率比较常见，占总机械故障的50%，因此，只建立有载分接开关的仿真模型，精简零件数量，便于仿真。
16.s2、向有载开关仿真模型的动触头加载位移激励载荷或速度载荷，提取在有载开关切换过程中的动触头与静触头碰撞时的触头瞬间速度。
17.其中，通过有限元软件中速度分析结果获取动触头与静触头碰撞时的速度。
18.s3、基于动触头与静触头碰撞时的触头瞬间速度进行动力学计算，得到动触头与静触头碰撞时的模拟振动信号。
19.s4、计算模拟振动信号相对预先获取的实际振动信号的衰减系数。
20.其中，由于实际的传感器安装无法深入主变压器内部，因此，实际的传感器是安装在设备的表面来获取实际的振动信号。同时，振动信号从有载分接开关传递至设备表面存在线性衰减的情况，所以，需要对计算所得的模拟振动信号进行衰减系数的运算。
21.s5、根据多个预设的故障状态更改无故障状态下的有载开关仿真模型中各个零件的配合关系或材料属性，得到多个故障状态下的有载开关仿真模型，重复步骤s2~s4，计算得到多个故障状态下的有载开关仿真模型分别对应的模拟故障振动信号。
22.可以理解的是，通过更改无故障状态下的有载开关仿真模型中各个零件的配合关系或者零件的材料属性，可以得到仿真模拟出故障状态下的有载开关仿真模型。
23.s6、将模拟故障振动信号与衰减系数进行相乘运算，得到多个故障状态下的实际故障振动信号。
24.s7、将预先获取的实际振动信号分别与多个故障状态下的实际故障振动信号进行相似度比对，根据比对结果判断变压器有载开关的故障状态。
25.本实施例提供了一种基于有限元仿真的变压器有载开关故障识别方法，通过采用有限元软件构建无故障状态下的有载开关仿真模型，获取有载开关切换过程中的动触头与静触头碰撞时的触头瞬间速度，基于动触头与静触头碰撞时的触头瞬间速度进行动力学计算，得到动触头与静触头碰撞时的模拟振动信号，计算模拟振动信号相对预先获取的实际振动信号的衰减系数，还对无故障状态下的有载开关仿真模型进行更改，得到多个故障状态下的有载开关仿真模型，并计算得到多个故障状态下的有载开关仿真模型分别对应的模拟故障振动信号，利用其与衰减系数进行相乘运算，得到多个故障状态下的实际故障振动信号，将预先获取的实际振动信号分别与多个故障状态下的实际故障振动信号进行相似度比对，根据比对结果判断变压器有载开关的故障状态，从而替代了现有技术中需要反复操作研磨触头的操作，提高了有载分接开关的使用寿命，同时，还提高了对有载开关机械特性故障判断的准确性。
26.在一个具体实施例中，步骤s1具体包括：s101、以变压器有载开关的几何模型为基础，变压器有载开关的几何模型包括分接选择器、分接绕组、主绕组、弹簧、动触头和静触头，主绕组与分接绕组连接，分接选择器与分接绕组接触，动触头在弹簧的驱动下与静触头进行闭合或分离动作；s102、设定有载开关中的各个零件的材料属性、配合关系和边界条件，材料属性包括材料密度、刚度以及泊松比，配合关系包括各个零件之间的连接关系，根据各个零件的配合关系设定边界条件，其中，动触头设置为6个自由度；s103、采用有限元软件构建无故障状态下的有载开关仿真模型。
27.在一个具体实施例中，步骤s3具体包括：s301、基于动触头与静触头碰撞时的触头瞬间速度通过下式动力学方程计算外部荷载为：式中，m为质量，c为阻尼，k为刚度，p(t)为外部荷载，u(t) 为位移与时间函数，为速度对时间高频函数，为加速度对时间函数；其中，质量为动触头的质量；阻尼值是动触头的阻尼值；刚度为动触头的刚度。
28.s302、将上式动力学方程转换为矩阵形式得：式中，m为质量矩阵，c为阻尼矩阵，k为刚度矩阵;s303、利用隐式算法对动力学方程的矩阵形式在离散化的时间上进行积分，求得位移对时间的函数，对位移对时间的函数求导运算得到加速度对时间函数作为模拟振动信号。
29.在一个具体实施例中，步骤s4具体包括：s401、在模拟振动信号和预先获取的实际振动信号分别选取多个时间点对应的振动幅值，构成模拟振动信号和预先获取的实际振动信号分别对应的模拟振动幅值集合和实际振动幅值集合；s402、基于模拟振动幅值集合和实际振动幅值集合计算模拟振动平均幅值和实际振动平均幅值；
s403、基于模拟振动平均幅值和实际振动平均幅值之比计算衰减系数。
30.在一个具体实施例中，步骤s5具体包括：s501、根据多个预设的故障状态更改无故障状态下的有载开关仿真模型中各个零件的配合关系或材料属性，具体为，当故障状态为开关滑档故障时，将分接选择器与分接绕组之间的接触关系更改为非接触关系；当故障状态为开关切换故障时，降低弹簧的阻尼系数；当故障状态为开关工作失调故障时，将动触头与静触头在闭合动作下进行错位设置，得到多个故障状态下的有载开关仿真模型；其中，变压器有载分接开关的机械故障有多种，本实施例包括了开关滑档故障、开关切换故障、开关工作失调故障。
31.其中，开关滑档故障，是分接选择器与分接绕组之间发生了位移，造成分接选择器动作顺序上与分解绕组之间的连接配合出现问题，造成开关出现滑档故障。
32.针对安装位置发生位移，可以更改模型里面的装配配合关系，让模型模拟位置发生位移，改变分接选择器与分接绕组之间的配合关系，从初始状态下的接触修改为不接触，保持一固定值的距离。
33.开关切换故障是由触头的不切换、开关切换过慢和开关切换中途失败等因素造成的，其中，占比最大的是由主弹簧的疲劳和脱落引起的开关切换失败。
34.针对主弹簧的疲劳和脱落，弹簧发生脱落状况时修改模型中弹簧的安装位置，弹簧疲劳则更改弹簧的阻尼系数，降低设定值。弹簧疲劳与弹簧寿命相关，随着使用时长的增加会发生应力松弛，应力松弛是指弹簧在恒应变条件下的应力随工作时间的延续而减小的现象，因此降低初始切应力。
35.开关工作失调故障是由于动触头与静触头在闭合动作下进行错位导致的，可通过调整动触头与静触头在闭合动作下进行错位，调整动触头与静触头的位置，形成动触头与静触头的错位故障，实现开关工作失调故障。
36.s502、重复步骤s2~s4，计算得到多个故障状态下的有载开关仿真模型分别对应的模拟故障振动信号。
37.在一个具体实施例中，步骤s7具体包括：s701、将预先获取的实际振动信号与多个故障状态下的实际故障振动信号分别进行曲线拟合，得到实际振动曲线和多个实际故障振动曲线；其中，实际振动曲线和多个实际故障振动曲线是具有时序性的。
38.s702、根据多个实际故障振动曲线分别到实际振动曲线的欧式距离，得到相应的相似度，获取相似度最高的实际故障振动曲线对应的故障状态作为变压器有载开关的故障状态。
39.以上为本发明提供的一种基于有限元仿真的变压器有载开关故障识别方法的实施例的详细描述，以下为本发明提供的一种基于有限元仿真的变压器有载开关故障识别系统的实施例的详细描述，为了方便理解，请参阅图3，本发明还提供了一种基于有限元仿真的变压器有载开关故障识别系统，包括：仿真模块100，用于以变压器有载开关的几何模型为基础，设定有载开关中的各个零件的材料属性、配合关系和边界条件，采用有限元软件构建无故障状态下的有载开关仿
真模型；加载模块200，用于向有载开关仿真模型的动触头加载位移激励载荷或速度载荷，提取在有载开关切换过程中的动触头与静触头碰撞时的触头瞬间速度；第一计算模块300，用于基于动触头与静触头碰撞时的触头瞬间速度进行动力学计算，得到动触头与静触头碰撞时的模拟振动信号；第二计算模块400，用于计算模拟振动信号相对预先获取的实际振动信号的衰减系数；参数更改模块500，用于根据多个预设的故障状态更改无故障状态下的有载开关仿真模型中各个零件的配合关系或材料属性，得到多个故障状态下的有载开关仿真模型，计算得到多个故障状态下的有载开关仿真模型分别对应的模拟故障振动信号；第三计算模块600，用于将模拟故障振动信号与衰减系数进行相乘运算，得到多个故障状态下的实际故障振动信号；故障识别模块700，用于将预先获取的实际振动信号分别与多个故障状态下的实际故障振动信号进行相似度比对，根据比对结果判断变压器有载开关的故障状态。
40.所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
41.本系统通过采用有限元软件构建无故障状态下的有载开关仿真模型，获取有载开关切换过程中的动触头与静触头碰撞时的触头瞬间速度，基于动触头与静触头碰撞时的触头瞬间速度进行动力学计算，得到动触头与静触头碰撞时的模拟振动信号，计算模拟振动信号相对预先获取的实际振动信号的衰减系数，还对无故障状态下的有载开关仿真模型进行更改，得到多个故障状态下的有载开关仿真模型，并计算得到多个故障状态下的有载开关仿真模型分别对应的模拟故障振动信号，利用其与衰减系数进行相乘运算，得到多个故障状态下的实际故障振动信号，将预先获取的实际振动信号分别与多个故障状态下的实际故障振动信号进行相似度比对，根据比对结果判断变压器有载开关的故障状态，从而替代了现有技术中需要反复操作研磨触头的操作，提高了有载分接开关的使用寿命，同时，还提高了对有载开关机械特性故障判断的准确性。
42.在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
43.作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
44.另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
45.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例
对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。