一种变压器匝间短路故障诊断方法及系统与流程

本发明涉及一种变压器故障诊断方法及系统，尤其涉及一种变压器匝间短路故障诊断方法及系统。

背景技术：

1、变压器是电力系统中承担能量转换和能量传输的核心设备，其安全稳定运行对维持系统稳定至关重要。相关统计资料显示，变压器绕组匝间短路故障发生的概率非常高，故障监测、运维成本也比较高，其诊断方法是变压器故障诊断领域的难点问题。有限元磁场-电路耦合计算方法是一种非常有效的变压器运行状态模拟方法，具有较高的计算精度，可以有效模拟出变压器匝间短路故障的电磁特性。目前这种磁场-电路耦合计算方法在变压器故障诊断领域的研究较少，尤其在变压器匝间短路故障诊断领域的应用具有广阔的发展空间。

技术实现思路

1、发明目的：本发明目的是提供一种变压器匝间短路故障诊断方法及系统，用于提高电力变压器故障诊断精度。

2、技术方案：本发明包括：构建变压器匝间短路磁场计算模型；构建变压器匝间短路电路计算模型；进行变压器匝间短路磁场-电路耦合计算，包括构建磁场-电路耦合计算数学模型及求解对应电流、磁位和感应电动势；提取变压器匝间短路故障特征量，包括提取副边绕组端口稳态电压及电流波形，并计算得到副边绕组端口瞬时功率波形；构建变压器匝间短路故障特征集；检索对应变压器匝间短路故障类型，通过对比不同匝间短路类型瞬时功率相关度，检索出最终变压器匝间短路故障类型。

3、所述变压器匝间短路磁场计算模型包括变压器几何模型构建、变压器几何模型网格剖分、变压器材料属性设置、以及变压器边界条件设置。

4、所述变压器匝间短路电路计算模型包括变压器绕组线圈模型关联、原边绕组线圈电路参数设置以及副边绕组线圈匝间短路工况电路参数设置。

5、所述变压器绕组线圈模型关联包括变压器原边绕组和副边绕组磁场计算模型与对应电路计算模型中的线圈模型关联，其中，副边绕组的线圈模型需与对应分匝几何模型一一关联。

6、所述原边绕组线圈电路参数设置包括原边绕组匝数设置，以及原边绕组激励设置；所述副边绕组线圈匝间短路工况电路参数设置包括副边绕组负载条件设置，以及副边绕组匝间短路类型设置，即设置需短接线圈。

7、所述变压器匝间短路磁场-电路耦合计算的具体过程为：

8、假设绕组区域材料和结构件具有常数磁导率和电导率，可得到瞬变电磁场与绕组电路方程耦合的空间与时间数值离散数学模型，如下式所示：

9、

10、式中，cia为感应阻尼矩阵，a为节点磁矢量位，i为节点电流密度，e为节点电动势，kaa为劲度系数，kii为电阻矩阵，kai为位电流耦合矩阵，kie为电动势矩阵，u0为外加电压矩阵；

11、节点磁矢量位的计算方法如下式所示：

12、

13、磁通密度在积分点处由单元形状函数计算而得，如下式所示：

14、

15、式中，b为磁通密度，为节点磁矢量位，为形状函数。

16、所述副边绕组端口瞬时功率波形的计算公式如下：

17、pi＝ui×ii

18、式中，pi为副边绕组端口瞬时功率，ui为副边绕组端口稳态瞬时电压，ii为副边绕组端口稳态瞬时电流。

19、所述检索对应变压器匝间短路故障类型包括提取待检索电压和负载率对应的不同匝间短路类型下的端口瞬时功率及计算待检索瞬时功率与对应变压器匝间短路故障特征集中瞬时功率数据的相关度。

20、所述待检索电压和负载率对应的不同匝间短路类型下的端口瞬时功率的提取方法如下式所示：

21、p(t1,t2)＝a×b×p(m1,n1)+a×(1-b)×p(m2,n1)+(1-a)×b×p(m1,n2)+(1-a)×(1-b)×p(m2,n2)

22、a＝(n2-t2)/(n2-n1) n1≤t2≤n2

23、b＝(t1-m1)/(m2-m1) m1≤t1≤m2

24、式中，p(t1,t2)为待检索电压和负载率对应的不同匝间短路类型下的端口瞬时功率，t1为待检索电压，t2为待检索负载率，a为负载率系数，b为电压系数，m1,m2为待检索数据所在电压区间，n1,n2为待检索数据所在负载率区间；

25、所述待检索瞬时功率与对应变压器匝间短路故障特征集中瞬时功率数据相关度的计算公式如下式所示：

26、

27、式中，r为待检索瞬时功率与对应变压器匝间短路故障特征集中瞬时功率数据相关度，p为特征集瞬时功率，为特征集瞬时功率平均数，p′为待检测瞬时功率，为待检测瞬时功率平均数。

28、一种变压器匝间短路故障诊断系统，包括：

29、磁场计算模块：构建变压器匝间短路磁场计算模型；

30、电路计算模块：构建变压器匝间短路电路计算模型；

31、磁场-电路耦合计算模块：进行变压器匝间短路磁场-电路耦合计算；

32、故障特征量提取模块：提取变压器匝间短路故障特征量；

33、故障特征集构建模块：构建变压器匝间短路故障特征集；

34、故障检索模块：检索对应变压器匝间短路故障类型。

35、有益效果：本发明通过构建变压器匝间短路磁场-电路耦合计算模型，构建变压器匝间短路故障特征集，并检索对应变压器匝间短路故障类型，有效提高了变压器故障诊断精度，对保证设备安全、降低事故损失，具有重要的理论和实际意义。

技术特征：

1.一种变压器匝间短路故障诊断方法，其特征在于，包括：构建变压器匝间短路磁场计算模型；构建变压器匝间短路电路计算模型；进行变压器匝间短路磁场-电路耦合计算，包括构建磁场-电路耦合计算数学模型及求解对应电流、磁位和感应电动势；提取变压器匝间短路故障特征量，包括提取副边绕组端口稳态电压及电流波形，并计算得到副边绕组端口瞬时功率波形；构建变压器匝间短路故障特征集；检索对应变压器匝间短路故障类型，通过对比不同匝间短路类型瞬时功率相关度，检索出最终变压器匝间短路故障类型。

2.根据权利要求1所述的一种变压器匝间短路故障诊断方法，其特征在于，所述变压器匝间短路磁场计算模型包括变压器几何模型构建、变压器几何模型网格剖分、变压器材料属性设置、以及变压器边界条件设置。

3.根据权利要求2所述的一种变压器匝间短路故障诊断方法，其特征在于，所述变压器匝间短路电路计算模型包括变压器绕组线圈模型关联、原边绕组线圈电路参数设置以及副边绕组线圈匝间短路工况电路参数设置。

4.根据权利要求3所述的一种变压器匝间短路故障诊断方法，其特征在于，所述变压器绕组线圈模型关联包括变压器原边绕组和副边绕组磁场计算模型与对应电路计算模型中的线圈模型关联，其中，副边绕组的线圈模型需与对应分匝几何模型一一关联。

5.根据权利要求3所述的一种变压器匝间短路故障诊断方法，其特征在于，所述原边绕组线圈电路参数设置包括原边绕组匝数设置，以及原边绕组激励设置；所述副边绕组线圈匝间短路工况电路参数设置包括副边绕组负载条件设置，以及副边绕组匝间短路类型设置，即设置需短接线圈。

6.根据权利要求1所述的一种变压器匝间短路故障诊断方法，其特征在于，所述变压器匝间短路磁场-电路耦合计算的具体过程为：

7.根据权利要求1所述的一种变压器匝间短路故障诊断方法，其特征在于，所述副边绕组端口瞬时功率波形的计算公式如下：

8.根据权利要求1所述的一种变压器匝间短路故障诊断方法，其特征在于，所述检索对应变压器匝间短路故障类型包括提取待检索电压和负载率对应的不同匝间短路类型下的端口瞬时功率及计算待检索瞬时功率与对应变压器匝间短路故障特征集中瞬时功率数据的相关度。

9.根据权利要求8所述的一种变压器匝间短路故障诊断方法，其特征在于，所述待检索电压和负载率对应的不同匝间短路类型下的端口瞬时功率的提取方法如下式所示：

10.一种变压器匝间短路故障诊断系统，其特征在于，包括：

技术总结本发明公开了一种变压器匝间短路故障诊断方法及系统，包括：构建变压器匝间短路磁场计算模型；构建变压器匝间短路电路计算模型；进行变压器匝间短路磁场‑电路耦合计算，包括构建磁场‑电路耦合计算数学模型及求解对应电流、磁位和感应电动势；提取变压器匝间短路故障特征量，包括提取副边绕组端口稳态电压及电流波形，并计算得到副边绕组端口瞬时功率波形；构建变压器匝间短路故障特征集；检索对应变压器匝间短路故障类型，通过对比不同匝间短路类型瞬时功率相关度，检索出最终变压器匝间短路故障类型。本发明通过构建变压器匝间短路磁场‑电路耦合计算模型，构建变压器匝间短路故障特征集，并检索对应变压器匝间短路故障类型，有效提高了变压器故障诊断精度，对保证设备安全、降低事故损失，具有重要的理论和实际意义。技术研发人员：张冰,国中琦,张海滨,周捷,王伟,吕顺利,李金波,罗欣,姬秋华,李志坚,杨建旭,张庚生,张鹏,左红兵,刘世裕,董璇,曹东宏,黄文礼,慈兆会受保护的技术使用者：国电南瑞科技股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/25