关键词： 电力变压器   脉冲电流法   局部放电   多端检测   多导体传输线  

摘要： 局部放电是引发变压器绝缘问题的主导因素,传统高频电流传感器一般安装在铁芯接地线上,不能满足局部放电定位及抗干扰要求,且随着超高压、特高压变压器的发展,变压器尺度效应的存在给局部放电检测提出新的挑战。本文针对局部放电多端检测与定位分析的工程问题开展研究,主要工作如下:搭建有效检测频率范围100kHz-30MHz的宽带局部放电检测系统,对一台110kV变压器和500kV换流变压器进行多端实测研究,计算结果表明,随着脉冲注入位置下移,首末端幅值比的整体趋势是逐渐降低;等效时长随着检测端与脉冲源之间的距离的增加而逐渐增加;等效频宽随着检测端与脉冲源之间的距离的增加而逐渐减小;随着绕组尺度的增大,500kV约为110kV变压器绕组信号衰减程度的12.050～37.725倍,可通过各绕组两端脉冲测量结果定位分析,判断脉冲来源于某个绕组或其首末端引线。建立了放电脉冲在110kV三相双绕组变压器和500kV单相三绕组换流变压器绕组中传播的多导体传输线模型。在110kV仿真模拟中,对绕组线匝对地放电和饼间放电两种情况进行仿真分析,采用集中参数模拟的方法,将多导体传输线模型计算端口由高压绕组首末两端拓展到高低压绕组首末端、铁芯和外壳共六个端口,实现多端传输特性的仿真计算;在500kV变压器中,对阀侧大尺度螺旋式绕组建模分析,针对和110kV变压器连续式绕组不同的绕制方式,改变线匝边界条件进行传输特性的计算;110kV单绕组模型、110kV多端口模型在100kHz～6MHz范围内的误差分别为18.2%、16.7%,500kV模型在100kHz～5MHz范围内的误差为21.4%;将500kV变压器与110kV变压器频域仿真结果对比,得到随着变压器尺度增大,信号衰减范围为28.1%～61.9%。基于多绕组模型进行局部放电的干扰识别和定位分析。在干扰辨识方面,随着绕组匝数的增多,整体上首波幅值相对于波形幅值(K值)有所下降,最大下降幅度为13.9%,但首波仍能被检测出来。开发了基于等效时长-等效频宽参数的脉冲聚类与定位分析方法,与现有的能比曲线法综合定位分析,变压器尺度效应的存在使得上述两种方法定位误差分别增大14.7%和10.4%。本文分析现有局部放电检测方法在超高压、特高压变压器的实用性,具有重要的实际工程意义。

关键词： 超导变压器   失超探测   超导磁体   失超仿真  

摘要： 导体性能研究平台是聚变堆主机关键系统综合研究设施(CRAFT)超导磁体研究系统的重要子单元。超导变压器是其重要组成部分,其主要的功能是为超导导体提供高达100 kA的测试电流。变压器磁体一旦失超,磁体中储存的电能将会转变为欧姆热,使得磁体的温度迅速升高,这不仅对导致超导变压器本身造成破坏,还会影响整个装置的运行安全。因此,设计一套安全可靠的失超探测系统是超导变压器的重要研究内容。本文在调研了国内外与超导变压器相关的失超检测方法的基础上,深入研究了超导变压器的运行特点,磁体的失超特征以及多耦合超导磁体失超过程。设计了一套全方面保护变压器的失超探测系统,检测对象包括初级线圈,次级线圈以及电流引线。本文的主要工作如下。1、在分析超导变压器的运行特点的基础上,根据磁体结构特性以及电磁参数,分别对变压器的初级线圈和次级线圈建立三维失超传播模型和一维失超传播模型。重点分析了三维失超传播过程。通过失超仿真研究超导变压器的失超特征以及磁体的失超的物理过程。2、研究分析导体性能研究平台交流磁体在各种运行模式下对背景场磁体失超检测的影响,特别是超导变压器失超对背景场失超探测系统稳定性的影响并3、在仿真分析的基础上,根据磁体的失超特征,对变压器磁体应用了平衡电桥检测,端电压检测,斜率检测,光纤检测等失超探测方法。并设计了失超信号处理与控制系统,包括高压隔离系统,失超补偿系统,失超判别系统以及数据采集系统。

关键词： 变压器局放   改进UCA-RB-MUSIC算法   声源定位  

摘要： 电力系统中,电力变压器的绝缘水平关系到变压器的性能,同时对系统供电的可靠性、安全性也至关重要。而局部放电是导致其绝缘强度降低的直接原因,同时局部放电情况也已成为其绝缘性能检测的一个非常重要的指标。为保障变压器的安全运行,尽可能降低电力变压器发生绝缘故障时的损失,各国学者均在变压器的局部放电检测定位方面投入了大量精力进行研究。但大部分局放检测方法在实际应用中都有其局限性,同时目前应用十分常见的声波检测法也存在着定位精度不足、易受相干信号干扰的问题。因此,提出应用于变压器局放故障定位的改进声源定位算法具有重要意义。本文重点展开基于所提出的改进UCA-RB-MUSIC(Uniform Circular ArrayReal Beamspace-Multiple Signal Classification)算法的变压器局放故障定位研究。首先,研究声源定位的原理及传统算法,提出一种改进的UCA-RBMUSIC算法。其次建立窄带局放声波信号的数学模型与仿真模型;接着为测试改进UCA-RB-MUSIC算法的定位性能、验证其适用于窄带局放声波信号的测向,开展基于其与传统算法的窄带局放信号测向仿真研究,并对二者的仿真结果进行对比分析。然后研究变压器局放声波信号产生的机理及特征,分析局放声波信号进行频域聚焦的必要性,并建立宽频带局放声波信号的数学模型与仿真模型。接着利用该仿真模型及结合宽带聚焦算法的改进UCA-RB-MUSIC算法,针对单、双局放源进行测向、定位的仿真研究,并分析其测向误差、定位误差,以验证所提出的改进算法针对宽频带局放信号源进行测向、定位具备可行性及准确性。最后搭建变压器局部放电试验系统,利用试验分析方法,进一步验证实际环境下改进UCA-RB-MUSIC算法应用于单、双局放源测向的可行性及准确性。试验采用传统UCA-RB-MUSIC算法和改进UCA-RB-MUSIC算法,分别对单、双局放源进行测向。接着对比分析二者的试验结果,同时确定改进算法的测向精度。

关键词： 油浸式变压器   图像增强   图像融合   白平衡   伽马校正  

摘要： 随着国家各行业的迅猛发展,社会用电需求与日俱增,由于发电厂与用户距离普遍较远,大部分地区的电能都依靠供配电系统来提供。变压器是我国供配电系统中的重要设备之一,其内部的绝缘与冷却介质一直在随着工业的进步而不断更迭,由于变压器油具有价格低廉、性能优异等特点,故以其作为绝缘与冷却介质的油浸式变压器得以广泛应用。油浸式变压器是我国在电力基础设施和农村电气化项目中的配电主力军,为了提高其运行的安全性、经济性与可靠性,应定期对其进行故障检测,以延长设备寿命及降低事故发生率。出于安全、高效等角度的考虑,国内外许多学者设计了可应用于油浸式变压器内部的巡检机器人,检测人员可通过机器人所搭载的视觉系统来获取油下图像,并通过分析图像来定位故障点。然而,变压器油随使用年限增加会出现变质、变色等现象,故想要通过分析图像来实现内部故障的精确定位,需要对图像进行清晰化处理。本文对多种应用于不同环境下的图像处理算法展开了深入研究,提出了一种针对变压器油下环境的图像增强算法,旨在通过改善图像质量,提高故障预警的准确性,具体研究如下:首先,对图像进行色彩校正预处理及对比度增强预处理;然后,将两种预处理后得到的结果通过图像金字塔的方法进行多尺度融合,得到显示效果较好、但带有噪声的变压器油下图像;最后,通过传统去噪方法与基于深度学习的分辨率增强方法对图像进行最终的清晰化处理。实验结果表明,与原始图像相比,经本文算法处理后的油浸式变压器内部图像具有更好的明暗对比效果和色彩显示,图像二维熵、水下彩色图像质量评估值分别平均提高了约23.56%、22.04%,图像特征点的数量大概扩大了8.05倍,且在色彩直方图实验上具有更均匀的灰度分布。实验证明,本文所设计的算法可有效提高变压器油下图像的质量,为油浸式变压器内部的故障检测提供依据。

关键词： 矿物绝缘油   硫腐蚀   溴代烷烃   分子模拟   加速热老化  

摘要： 配(农)网变压器作为农村电网的核心设备,其稳定运行对于电能的可靠传输至关重要,也是推进乡村振兴和实施乡村建设行动的重要保障。然而,长期运行过程中,变压器会受到各种因素影响,容易发生故障,甚至导致电力传输中断。近年来,变压器的绝缘故障时有发生,这当中,绝缘油中含有的腐蚀性硫化物会与铜绕组发生反应,引发硫腐蚀现象,严重破坏了绝缘绕组的机械及电气性能,导致变压器故障。为了抑制硫腐蚀的发生,国内外学者已经开展了大量研究,在按照IEC62535标准进行腐蚀性检测和添加金属钝化剂的情况下,硫腐蚀情况仍时有发生,影响了设备的正常运行。因此,如何有效抑制变压器油中硫腐蚀的发生对于保证设备的正常运行至关重要。基于此,为了研究变压器中硫化物的扩散规律以及卤代烷烃对绝缘油中硫腐蚀的抑制效果,本论文采用了分子模拟和试验相结合的方法,首先,构建了添加不同硫化物的绝缘油混合模型,筛选出对绝缘油硫腐蚀影响较大的硫化物。然后,构建了卤代烷烃与绝缘油的混合模型,模拟了不同结构的一溴戊烷对于绝缘油中二苄基二硫醚(DBDS)扩散的抑制效果,选择出相对较优的物质结构;通过分析不同链长溴代烷烃对于硫化物的抑制效果,筛选出抑制效果较好的碳链长度。接着,从不同种类、结构、链长的卤代烷烃中筛选出适合抑制DBDS的物质;将选出的1-溴十四烷添加到不同老化程度的绝缘油中,对绝缘油、纸和铜绕组进行了表面形貌检测,研究了绝缘油中酸值随老化时间的变化规律,分析了绝缘油近红外光谱的变化,并通过测试击穿电压、介质损耗因数、体积电阻率等来探究1-溴十四烷对绝缘油电气性能的影响。本论文得到了以下结论:(1)硫化物与绝缘油中的结合能力存在差异,从而导致它们在绝缘油中的分布和运动路径各不相同。具体而言,DBDS和正十六硫醇会分布在绝缘油中,而硫化氢则更容易逸出绝缘油,分布在绝缘油体系的边界。因此,DBDS和正十六硫醇容易引起绝缘油的劣化;而硫化氢则容易进入绝缘纸,对绝缘纸的机械性能、电气性能造成破坏。此外,研究还发现,硫化物在绝缘油中的扩散能力与其结合能成负相关。因此,在探索硫腐蚀的抑制方法时,应根据不同硫化物的特性来制定相应的方案,以确保最佳的抑制效果。(2)在绝缘油中添加一溴代烷可以有效地抑制硫化物在绝缘油中的扩散。不同结构和链长的一溴代烷对硫化物的抑制效果不同,因为它们与硫化物反应后形成的硫醚分子的分子量和结构都会发生改变。随着一溴代烷链长的增加,一溴代烷对DBDS的抑制效果减弱、对正十六硫醇的抑制效果增强。虽然硫醚链长并不一定与自由体积大小成正比,但链长较短的硫醚分子可能更易于形成紧密排列的结构,导致自由体积较小;而随着链长的增加,硫醚分子的空间排列方式变得更加复杂,可能会形成一些空隙和孔隙,从而导致自由体积增大。影响抑制效果的因素不仅包括卤代烷烃的结构和链长,还涉及到硫化物之间的相互作用力。硫醚分子的体积越大,分子间的相互作用力就会越强,自由体积分数就会越少,运动能力就会越低,从而其抑制硫腐蚀的能力就会越强。添加1-溴壬烷、1-溴十一烷和1-溴十四烷可以在绝缘油中有效地抑制硫腐蚀。因此,选择适合的1-溴代烷可以有效地抑制DBDS在绝缘油中的扩散,进而抑制硫腐蚀。(3)在绝缘油中添加1-溴十四烷会抑制变压器油中硫腐蚀的现象,并且在一定程度上提高绝缘油的电气性能。研究发现,变压器中的硫腐蚀会严重影响变压器的性能和寿命,随着老化时间的增加,绝缘纸和绕组上会聚集很多黑色腐蚀性物质;通过近红外光谱分析和酸值测试,发现1-溴十四烷在一定程度上抑制了硫腐蚀;通过击穿、介损、电阻率测试,发现其提升了绝缘油的击穿电压,最高提升了15.3%,降低了老化时间对于体积电阻率的影响,并且降低了介质损耗,最高降低了5.1%,在一定程度上提高了变压器的电气性能和运行安全性。

关键词： 碳纳米管阵列   压电变压器   热界面材料   瞬态热反射技术   振动器件热管理  

摘要： 压电变压器是一种利用材料的压电效应和逆压电效应,实现从电能到机械能、再转换为电能的能量传输器件。它体积小、重量轻、结构简单、无电磁干扰,具有与生俱来的高能量密度优势与广阔的应用前景。然而压电变压器的高功率密度会使其在工作过程中产生大量的热量,引起结构的温升。工作温度的逐渐升高则会促使结构内部的损耗增大,降低器件性能,限制压电变压器的应用和发展。因此需要对器件进行有效的热管理,但是传统的散热材料无法针对性解决振动器件的散热问题,这就需要寻求新型的振动热界面材料。垂向碳纳米管阵列是由碳纳米管在基底上垂直排列组成的一种薄膜状固体材料,具有高热导率和优异力学性能等优势,有望成为解决振动器件散热问题的优良热界面材料。 目前,关于碳纳米管阵列的特性研究在许多方面已经取得了大量成果,然而传统的研究大多集中在静态测量,对于碳纳米管阵列应用于振动环境时的动态特性还缺少系统性研究。因此本文基于碳纳米管阵列的结构特点,采用二次分割法建立了碳纳米管微柱阵列有限元结构模型,并通过仿真模拟的方法,研究了碳纳米管微柱在静态与动态条件下力学特性与传热特性。 本文的主要研究内容和结论如下: (1)由于传统碳纳米管阵列存在多尺度、多量级、多管数问题,因此难以对碳纳米管阵列进行整体建模。因此本文提出了一种二次阵列分割法,将传统的碳纳米管阵列分割成微柱阵列,从而降低计算量和仿真难度。 (2)基于建立的碳纳米管微柱阵列结构模型,通过稳态力学仿真模拟的方法,研究不同结构参数对碳纳米管微柱及微柱阵列的力学性能影响;通过动态循环加载仿真模拟的方法,研究了碳纳米管微柱的动态力学性能。仿真结果表明碳纳米管阵列具有高弹性模量特性,能够支持高频率、大幅度的可逆变形。而较高的弯曲模量与剪切模量,能够确保压电变压器在振动过程中的不发生相对滑移。 (3)基于建立的碳纳米管微柱阵列结构模型,通过稳态传热仿真模拟的方法,研究了环境温度与不同结构参数对碳纳米管微柱及微柱阵列的热学性能影响;通过动态热循环仿真模拟的方法,研究了碳纳米管微柱的动态热传导性能。仿真结果表明碳纳米管微柱在不同温度下都具有较高的热导率,并且在动态条件下依然表现出的优异传热性能,可以有效传导热量。 (4)通过对比各种碳纳米管阵列的制备方法,搭建了水辅助化学气相沉积法实验平台,制备了不同密度的碳纳米管阵列,并结合光刻技术与深硅离子刻蚀技术,制备了不同密度的碳纳米管微柱阵列。在此基础上,搭建瞬态热反射技术实验平台,通过该实验方法测量了室温状态下不同密度的碳纳米管阵列及微柱阵列的导热率与界面导热率。实验结果表面,随着碳管密度的增大,碳纳米管阵列与微柱阵列的导热参数都随之增大,该实验结果与仿真结果具有相同趋势。 本文的工作连接了碳纳米管阵列在力学与传热两个领域的应用,并为碳纳米管阵列应用于其他振动场合时的有限元分析与优化设计提供理论指导与技术支持。本文的研究工作得到国家自然科学基金面上基金“碳纳米管微柱阵列动热特性及其在压电变压器中的动界面传热研究(52175529)”和安徽省“高校与合肥综合性国家科学中心协同创新项目(GXXT-2022-048)”的资助。

关键词： 系统接地   主动变压器   差动保护  

摘要： 经济快速发展，对电力的需求日益增长，35kV系统电压等级逐渐升高，在电力系统中起到非常重要的作用。因此，需要对系统接地情况进行分析研究。本文针对35kV系统接地方式对主变压器差动保护的影响进行了研究，从底层逻辑入手，详细阐述35kV系统接地分类及差动保护的基本原理，分析不同接地方式对差动保护的动作特性、电流分布的影响。

关键词： 油浸式变压器   热点温度   故障率   大修决策   经济寿命  

摘要： 在保证电网安全、稳定运行的同时,电力公司也在积极承担社会责任、不断致力于建设精益集约型电网。设备资产管理、经济寿命评估就是其中的重要手段。当前电力公司针对变压器寿命常采取30年左右退运的固有方法,导致了真正应该退出的设备仍在使用、而不应该退出的设备却提前退出的情况,这给电力系统带来了很大的经济损失和运行安全隐患。这一问题随着城市快速发展、部分地区变压器过负荷运行而显得愈发突出。因此,需要从变压器实际负载条件和检修行为出发,基于设备运行状况下个体故障率分析变压器全寿命周期成本,预测退运时间,为电力公司提供理论指导,摆脱固有设备退役方法,提高其资产管理水平。本文基于热路模型法,搭建了改进顶层油温模型和基于顶层油温的热点温度模型,能准确预测油浸式变压器热点温度;基于变压器故障率历史统计数据,给出基准故障率曲线,同时考虑夏季运行短时过负荷需求,以不同负载条件下热点温度对应的老化加速因子和大修决策为影响因素对变压器个体故障率进行研究;依托于全寿命周期成本搭建经济寿命模型,并根据长期投运过程中的个体故障率曲线,进行经济寿命评估,同时得到最佳大修决策。论文主要工作及研究成果有:(1)搭建一种改进热路模型以计算考虑过负荷运行的油浸式变压器热点温度。在逐步分析油浸式变压器传热过程及温度分布后,根据相应传热方式和热阻建立热路,并在计算热阻时考虑传热介质随温度变化情况。经与实测数据对比,该模型在不同冷却方式、不同负载条件下均具有良好适用性。(2)提出了一种实际运行过程中油浸式变压器个体故障率预测方法。将故障率曲线分为偶然故障期和损耗故障期,在威布尔分布形式下,对偶然故障期故障率和损耗故障期形状参数、尺度参数进行拟合,给出基准故障率曲线表达式。在基准故障率曲线基础上,根据夏季短时过负荷下热点温度和大修决策预测个体变压器故障率。该模型综合考虑了不可修复和可修复因素对个体故障率的影响。(3)对油浸式变压器经济寿命进行评估。考虑初始投资成本、运行成本、可靠性成本及处置成本,将计及资金时间价值的成本等年值作为退运依据,建立基于全寿命周期成本的经济寿命模型。同时,利用粒子群算法搜索最佳大修时间,通过优化大修决策进一步降低等年值成本,提高经济效益。通过实例分析,对夏季短时过负荷运行的油浸式变压器最佳退运时间作出评估。

关键词： 数字孪生   油浸式变压器   结构振动   流固耦合传热   有限元法   降阶  

摘要： 将数字孪生技术应用于电力行业对于提高新型电力系统智能监测、控制与实时交互等功能具有重要意义,随着输变电设备数字孪生概念的提出,构建与物理设备等效且同步运行的数字孪生模型已成为当下研究热点。论文通过分析当前油浸式变压器振动、传热计算方法应用于数字孪生模型中存在的缺陷,提出基于多物理场模型驱动的数字孪生模型搭建方法,研究了变压器绕组结构振动、流固耦合传热理论与有限元法,并推导多物理场耦合有限元计算模型。进一步考虑高自由度模型在物理场瞬态计算过程中存在计算时间过长的缺陷,提出了结合有限元与本征正交分解(Proper Orthogonal Decomposition,POD)的模型降阶方法。最后针对一台220k V大型油浸式变压器建立温度场数字孪生模型,从而验证课题所提方法的可行性与优越性。详细工作内容介绍如下:(1)建立了基于IoT的油浸式变压器数字孪生实现架构,给出了基于多物理场模型驱动的变压器数字孪生建模及仿真计算的实现流程。进一步研究了油浸式变压器绕组轴向振动特性和热特性,搭建了绕组漏磁、轴向振动与瞬态流固耦合传热问题的物理场数学模型,为后续多场耦合提供理论支撑。(2)结合物理场数学模型与有限元法,分别推导了电磁-振动耦合场和电磁-流体-温度耦合场的伽辽金有限元离散格式,并建立有限元全阶计算模型。以一台100k VA/10k V小型油浸式变压器为基本算例,并结合实际短路试验分析了有限元法计算结构振动方程与瞬态流固耦合方程的基本特征,误差满足实际要求,验证了计算方法的有效性,同时通过修改负载系数与负载损耗分析了不同工况下的振动信号与温度分布。(3)针对结构振动与瞬态流固耦合传热计算过程存在模型自由度高、计算时间长达小时级的问题,提出了将本征正交分解与有限元相结合的模型降阶方法,推导了结构振动与瞬态流固耦合方程的POD降阶计算模型搭建原理,从降低有限元方程阶数的角度构建降阶模型。应用所提方法针对不同容量等级小型油浸式变压器建立不同阶数降阶模型并计算相应温度场分布,结果表明降阶模型的计算误差满足POD截断误差准则,计算时间由小时级降低至秒级,验证了所提降阶计算方法的准确性与高效性。(4)应用所提方法对一台240000k VA/220k V油浸式主变压器开展温度场数字孪生建模与分析,以真实运行数据驱动孪生模型计算,通过孪生模型反映实体设备的运行状态并提供运维决策。结果表明,温升误差符合标准规范,计算结果可作为油浸式变压器热特性安全稳定的判据。