(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210903252.X (22)申请日 2022.07.26 (71)申请人 费莱 （浙江） 科技有限公司 地址 314200 浙江省嘉兴 市平湖市新埭镇 创业路1号3幢 (72)发明人 李稳良　 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 17/13(2006.01) G06F 17/12(2006.01) H01F 27/28(2006.01) H01F 27/32(2006.01) H01F 30/12(2006.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种变压器三相不平衡运行绕组振动模态 探究方法 (57)摘要 本发明公开了一种变压器三相不平衡运行 绕组振动模态探究方法， 属于变压器三相不平衡 运行绕组振动模态技术领域， 包括以下步骤： S1： 建立电磁 ‑机械耦合模型； S2： 算例仿真： S3： 动模 实验， 有效模拟变压器不平衡运行时的内部电磁 环境， 进而分析绕组的受力、 振动情况， 通过仿真 和实验验证了该方法的正确性， 为绕组不平衡运 行异常特征的提取与辨识提供可行方法。 变压器 不平衡相绕组电流发生明显变化， 三相电流、 铁 心主磁通、 绕组漏磁通分布均不再对称， 但三相 绕组电磁力和振动不对称却影响变压器内部的 结构稳定性。 若在用电高 峰期持续运行则会导致 结构失稳、 设备老化和绝缘受损， 进而降低变压 器运行效率， 威胁系统安全。 权利要求书3页 说明书11页 附图8页 CN 115310279 A 2022.11.08 CN 115310279 A 1.一种变压器三相不平衡运行绕组振动模态探究方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： S1： 建立电磁 ‑机械耦合模型： S11： 电磁模型： 三维非线性磁场的伽辽金加权余 量形式， 如式(1)所示； 式中： μ为磁导率； J为电流密度； Mp、 Mq分别为权函数、 基函数序列； p、 q分别为对应的序 列编号， 已知任意时刻电流ik， 将加权余量方程离散形成磁场 模型代数方程组， 求解可得A， 进而求得磁通密度B等场量， 如式(2)所示： S12： 机械振动模型： 变压器绕组电磁力包含轴向及径向分量， 研究绕组机械振动过程 时简化为由弹性联系 的质量块所组成的机 械系统， 当预紧力一定时， 质量、 弹簧、 阻尼材 料参数可视为定值； F(t)为绕组动态电磁力荷载矢量， 可通过磁场模型计算绕组单 元的电磁力： 式中np为单个线饼绕组总单 元数； 当施加激励为 正弦激励时， 绕组单 元电磁力可表示 为 式中ω为角频率， 根据振动位移， 可计算振动加速度g： g＝d2s/dt2               (5) 初步分析， F变化的快慢取决于施加激励的频率,当施加激励为工频激励时， g在100Hz 下的分量幅值 最大； S13： 电磁 ‑机械耦合计算过程： 电磁‑机械耦合计算 时使用顺序耦合法， 并嵌入编译的控制程序进行电磁机械计算， 电 磁‑机械耦合计算时在电磁计算过程中， 对变压器绕组施加环形电流密度作为激励， 整个变 压器施加磁力线平行边界条件， 其余为自然边界条件， 即假设变压器箱体内部磁力线连通 闭合， 且不经过箱体向外扩散； 在机械场中对绕组底座施加位移全约束边界条件， 其余部分 施加横向位移约束， 即假设变压器底座刚性连接， 不发生 位移； S2： 算例仿真： 建立变压器铁心绕组三维磁场模型绕组机械振动参数数据， 对变压器铁心、 绕组、 绝缘 垫块进行设定， 以静态均布荷载进 行预紧力的施加； 并将绕组底座3个方向的自由度全部约 束固定， 进行刚性连接， 其 余部分设置为z向 自由度， 接触面设置为 不分离接触； S21： 正常运行模式： 设置变压器50％负载运行， 负载电阻为2 5Ω， 仿真计算S0模式下原、 副边电流， 变压器工 作于S0模式， 接50％负载时， 原边绕组电流有效值为0.86A， 副边绕组电流为2.45A， 以B相磁 密最大时刻为例， 分析变压器内部磁场环境， 此时， 各相铁心主磁通均与其他两相构成闭合 磁路， B相主磁通密度最大值 为1.13T， A、 C相铁心主磁通分布对称；权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115310279 A 2结合绕组机械振动原理， 分析g的频谱分布， 其主要分量应集中于所施加激励的2倍频 段， 即振动加 速度在100Hz处的分量最大,考虑到机械振动模型中M、 C和K的影响， 绕组振动 过程中出现高频分量， 且随着频率的升高， g分量减小,对比三相绕组的振动加速度， B相绕 组振动加速度大于A、 C相， 与g 绕组漏磁和电磁力分布一 致； S22： 不平衡运行模式： 调节负载使变压器处于单相不平衡运行， 结合S1模式仿真结果进行分析， 变压器A相不 平衡度α 为10％时， 各相副边绕组电流变化与S0相比分别增加2.54％、 3.05％、 2.43％； 变压 器B相不平衡度为10％时， 各相副边绕组电流变化与S0相比分别增加6.63％、 20.33％、 5.52％； 当α 达 到20％时， A、 B不平衡相副边电流与S0模式相比升高约40％； S3： 动模实验： S31： 绕组振动材 料参数测定； 为变压器磁场模型提供相关材料参数， 对实验变压器硅钢片、 绕组绝缘垫块及绕组线 饼参数进行量测， 采用FL 4000多功能拉压材 料实验机构进行 材料参数测定实验； S32： 绕组振动信号 量测， 搭建Δ /Y变压器不平衡运行动模实验平台： 1)将实验变压器原边与三相调压器连接， 副边与三相可调负载连接， 同时接入电流、 电 压监测模块， 加速度传感器位置与仿真模型绕组振动监测 点保持一致， 并调试传感器与振 动监测模块； 2)调节负载阻值， 使变压器处于50％负载运行， 由于磁场数据获取较为困难， 因此仅采 集变压器端口电流及振动加速度； 3)分别调节A、 B相负载电阻值， 令变压器处于不同运行模式， 范围为[20％， 20 ％]， 测量 变压器端口电流及振动加速度， 并记录相关实验数据,通过对比仿 真结果和实验 数据， 验证 模型的有效性及方法的正确性。 2.如权利要求1所述的一种变压器三相不平衡运行绕组振动模态探究方法， 其特征在 于， 针对S1中在变压器三相不平衡运行模态分析数学模型中， 利用变压器不平衡度表征其 不平衡模式下的运行状态,参照规 程， α 的计算方法为 式中： Imax为不平衡相副边电流最大值； Imin为副边电流最小值,当不平衡相电流增加 时， α 为正， 对应模式S1； 电流减小时， α 为负， 对应模式S2； 正常运行对应模式S0,利用电磁耦 合方法计算变压器磁场和等效电路， 时域电感矩阵和电流矩阵为耦合参数矩阵， 分别由三 维磁场模型和时域电路模型计算。 3.如权利要求1所述的一种变压器三相不平衡运行绕组振动模态探究方法， 其特征在 于， 针对S12中机械系统中绕组线饼以刚体质量块m表 示， 其线圈阻尼以阻尼器的形式表征， 阻尼系数为C， 垫块以刚度为K的受压弹簧表征， 首末端垫块预 紧力为Fy， 建立绕组轴向机械 振动动力学模型。 4.如权利要求1所述的一种变压器三相不平衡运行绕组振动模态探究方法， 其特征在 于， 针对S13中电磁机 械耦合原理的计算 步骤如下： 1)利用磁场计算状态变量L， 初始化磁场模型在tk时刻的线圈电流为ik， 计算动态电感 L；权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115310279 A 3