基于电-振动特性的虚拟变压器研究及其在故障诊断中的应用

Power transformers are one of the most important devices in the power delivery system, whose safety is relevant to the grid reliability. This project is aimed to develop a virtual transformer model (VT), based on the electricity-vibration mechanism of transformers. The proposed VT model would be applied to transformer condition monitoring and fault diagnosis. During the model construction, electromagnetic excitation, structural vibration and wave motion mechanisms are considered, in addition to the vibration coupling features resulted by transformer faults. Unlike the traditional vibration based methods, the proposed VT based method could provide fault information from the mechanism point of view, thus establishing a more reliable and scientific basis for transformer condition monitoring. This project will not only make breakthroughs in the electrical-mechanical system fault simulation and nonlinear optimization, but will also develop an example application of the virtual system concept for scientific health and safety management of other electromagnetically excited equipment.

变压器是输变电系统中的重要设备之一，其安全运行是保障电力供应的关键环节。本项目基于变压器的电-振动机理研究，构建具有状态信息的虚拟变压器模型（Virtual Transformers，VT），并应用于投运变压器的状态监测与故障诊断。该虚拟变压器的构造思路结合了变压器电磁、振动和声波动力学原理，并考虑了变压器机械结构状态改变在振动耦合传递方面的特性。基于VT理念的变压器故障诊断方法继承了传统的振动分析法所具有的实时性和“非侵入”的优点，同时能够机理性地给出故障信息，为变压器的状态监测提供了更加科学的依据与支撑。本项目不仅会在机械和电系统故障模拟、非线性优化等基础研究上有所突破，这种虚拟系统的理念和应用也将为其他关键设备的健康和安全科学管理提供有价值的借鉴思路。

电力变压器的故障监测与预警是电网运维的重要内容。我国电网规模庞大，电力设备的保有量稳居世界首位，关键电力设备的在线监测技术也在不断发展进步。本项目从振动无损检测的角度出发，围绕变压器铁芯、绕组两大主要振动源，研究了激发本体振动的主、漏磁场，以及周期装配结构的振动模型，构建了用于故障检测的虚拟变压器模型。在此基础上，还开展了油浸式变压器在流场作用下的振动响应分析，以及包含温度场、电磁场综合老化下的振动特征演变研究。在虚拟变压器建模过程中，提出了一种基于基尔霍夫环路定律的铁芯角接磁场计算方法和考虑摩擦因子的硅钢叠片模量等效算法，完善了变压器振动建模领域的部分假设条件；在多物理场老化的延伸研究中，运用绝缘老化的分子动力学模型对加速老化过程进行拟合，得到绝缘纸受热、电、机械综合作用下的抗拉强度经验模型和刚度退化模型，对故障演变规律有了更深入的认识，为变压器故障检测提供了理论基础。在推广应用方面，开发了基于振动加速度传感器的便携式OMA参数识别装置和基于分布式光纤测振的变压器绕组振动成像系统，为上述模型的实际应用奠定了硬件基础。在基金支持下，课题组申请人以第一作者/通讯作者发表期刊论文 6 篇，国际会议论文 2 篇，登记软件著作权 1 项，申请发明专利 2 项。相关成果获得国网浙江省公司科技进步三等奖 1 项，培养研究生3名，按计划完成各项研究任务。