关键词： 概率神经网络   变压器故障诊断   油中溶解气体   灰狼算法   CAT混沌与高斯变异  

摘要： 变压器是电力系统中至关重要的组件,可将高电压电能转换为低电压电能并在电力传输和分配中发挥关键作用。变压器的运行状况直接关系到电网整体的稳定性和可靠性,因此建立和完善变压器故障诊断系统是电力工业不可或缺的一部分。目前,变压器故障诊断系统研究重心在于提高实时监测的能力和诊断的准确性,近年来,随着智能电网的建设和数据采集技术的发展,基于数据驱动的变压器故障诊断方法广泛应用于实践中。该方法基于变压器的历史运行数据,通过数据挖掘和机器学习等技术建立模型,从而提高故障诊断的准确性和效率。变压器故障诊断的意义不可小觑,它是确保变压器设备安全可靠运行,保障供电质量的关键。本文针对提高油浸式电力变压器故障诊断准确率的问题,首先对变压器故障类型及其产生气体的机理进行深入研究,建立了概率神经网络变压器故障模型,并基于灰狼算法对PNN故障诊断模型进行优化,建立了GWO-PNN变压器故障诊断模型。在此基础上,基于CAT混沌和高斯变异将GWO算法进一步优化,构建了CGGWO-P NN变压器故障诊断模型,该模型因结合了CAT混沌、高斯变异优化,新算法使得神经网络权重等参数得到优化,CAT混沌还能够有效平衡灰狼算法的全局搜索和局部搜索能力,可以有效避免算法陷入局部最优解陷阱,提高了算法的计算精度和收敛速度。通过Matlab对三种变压器故障诊断模型的仿真与分析,验证了CGGWO-PNN变压器故障诊断方法在故障准确率精度方面的优异性能,是一种高效的变压器故障诊断方式。同时,本文还构建了硬件平台,研制了基于Lab VIEW的变压器故障诊断系统,更加体现了本文研究内容的整体性。

关键词： 高温超导脉冲变压器   交流损耗   超导线圈   轴向错位   分磁环  

摘要： 交流损耗是超导电力设备运行中不可避免的,它直接影响超导设备的效率、体积和重量。在超导脉冲功率技术领域,高温超导脉冲变压器作为脉冲功率技术中的关键部件,它的交流损耗大小直接影响脉冲功率电源的小型化和轻量化。而以往关于高温超导脉冲变压器的研究主要集中在脉冲功率电源拓扑结构和脉冲变压器电磁结构的参数优化上,对于超导脉冲变压器的交流损耗研究较少,并且高温超导线圈的交流损耗的计算均是基于线圈完美缠绕,忽略了线圈匝带之间的错位影响。本文先后对超导带材、超导线圈和超导脉冲变压器进行系统的数值模型分析,分析超导体的交流损耗特性以及电磁特性。研究超导带材分别在自场、外场以及全场条件下的交流损耗特性,对比仿真结果与解析计算结果验证模型的正确性,并为超导线圈和变压器的建模分析提供了理论支撑和基础数据。对于超导线圈,重点探究了线圈结构发生倾斜错位和无序错位时对交流损耗的影响,同时对比分析两种轴向错位结构线圈与完美缠绕线圈的电磁特性差异。对于高温超导脉冲变压器,首先基于均质化方法探究三个关键参数对于交流损耗计算的精度和速度的影响,包括均质化的单元数、模型求解计算步长以及偏微分方程(PDE)离散化设置。提出了快速准确计算超导脉冲变压器绕组线圈交流损耗的优化方案。在实现简化绕组线圈之后建立超导脉冲变压器模型,分析计算原副边耦合作用下的交流损耗,通过加装分磁环降低了交流损耗。为了提升分磁环的作用,进一步降低超导脉冲变压器绕组的交流损耗,探究分磁环的安装位置、数量以及结构参数对超导脉冲变压器交流损耗的影响。仿真结果表明,施加激励在0.7至0.8倍带材临界电流范围内可消除线圈轴向错位对交流损耗的影响,这一结果对于超导脉冲变压器原副边绕组的带材选择和充放电电流峰值的调整提供了指导意义。超导脉冲变压器原副边绕组采用饼式线圈堆叠结构对降低交流损耗是有利的,并且对于搭载分磁环的多种超导脉冲变压器模型方案进行了交流损耗计算,最终得到最优方案,交流损耗比未加装分磁环的变压器降低了70.2%。为降低超导脉冲变压器交流损耗问题提供了解决方案,同时对高温超导脉冲变压器和冷却系统的设计和制造提供了重要参考。

关键词： 换流变压器   振动噪声   谐波及直流偏磁   多物理场耦合   降噪措施  

摘要： 在电力行业快速发展的同时,如何使资源和环境协调发展是我们需要克服的一项挑战。现如今在我国电力行业,不仅要为国民经济发展提供安全可靠的电能,而且要保证输变电工程不影响生态环境,这一直都是电力行业关注的一项研究课题。特高压直流工程对现实生活中资源配置和能源供应优化有着重要意义。随着特高压直流输电技术的飞速发展,生态环境与直流输电工程之间的矛盾更加突出。其中换流站中换流变压器的振动噪声问题备受关注。本文以一台换流变压器作为研究对象,对铁心磁致伸缩力和绕组电磁力引发的振动和噪声进行原理性分析,然后通过仿真对不同工况下的铁心和绕组产生的振动噪声特性开展研究。最后提出了三种降噪措施。本文主要研究内容介绍如下:(1)介绍了换流变压器的结构特点以及不同结构换流变压器的应用场所。从理论角度分析了铁心磁致伸缩效应和绕组电磁力的产生机理及振动传递过程。通过叠加谐波和直流偏磁分量分析两者对振动的影响,发现两者会对变压器振动数值有一定程度的增强。然后分析了噪声产生的原理以及通过声压推算出声压级的流程,同时介绍了噪声的传递及衰减过程。(2)基于上述的振动噪声机理,采用有限元的方法建立换流变压器的三维数学模型,采用顺序耦合的方式开展变压器的多物理场仿真计算,求解出在负载情况下变压器铁心的磁场分布、铁心和绕组的振动特性、油箱周围噪声的分布等情况。同时分析了在谐波和直流偏磁作用下绕组和铁心的振动位移和磁通密度的变化情况。(3)换流变压器振动和噪声的控制可以从声源和传递过程两个方向控制,在声源方面主要铁心材料采用低磁致伸缩率的硅钢片以及增加绕组预紧力的方式来抑制变压器产生的噪声。在传播过程方面,主要通过在油箱和地面之间设置弹簧阻尼器,消耗振动的能量从而降低振动噪声,几种方法均通过仿真计算来验证降噪的有效性。(4)搭建了振动测试平台,通过仿真结果进行传感器位置和数量的选择;通过开展空载和负载试验测量了变压器油箱表面各测点的振动加速度时域和频域的变化。最后在对使用降噪措施后的变压器进行试验。结果表明提出的几种振降噪措施刻都能在不同程度上降低变压器振动,具有一定的有效性和普遍适用性。

关键词： 三相五柱变压器   场路耦合模型   直流偏磁   结构件涡流损耗   无功功率  

摘要： 当直流输电单极运行或者地磁暴发生时,变压器中性点有直流电流流过,直流偏磁会造成励磁饱和程度急剧增加,漏磁通显著增加,导致励磁电流畸变严重,无功功率增加,结构件涡流损耗和过热。直流偏磁严重威胁着电力系统及变压器的安全可靠运行。三相五柱变压器广泛应用于我国的配电网中,成为供电所与变电站的重要设备。由于三相五柱变压器旁柱的存在,边相与中间相磁路存在差异,边相铁心磁通能够通过铁心上下轭和旁柱构成闭合磁路,为入侵的直流磁通提供通路,使得变压器铁心进一步饱和,影响变压器的正常运行。因此有必要对三相五柱变压器直流偏磁进行计算分析。论文以三相五柱铁心结构的变压器为研究对象,研究工作主要从变压器直流偏磁不同性质负载下的电流计算、无功功率、油箱涡流损耗的计算三个方面展开。根据三相五柱变压器的实际物理结构,对实体模型进行一部分的简化处理,忽略对励磁电流计算影响较小的结构件部分,建立场路耦合计算模型。利用有限元法计算变压器的电感及电流参数,得到考虑负载侧分别为纯电阻、阻抗和阻容性质负载的直流偏磁计算结果。由于变压器发生直流偏磁后,会出现不同次数的谐波,对于三种不同性质的负载,在各次谐波分量下的阻抗值大小不同,使得对发生偏磁后绕组电流的畸变方式也存在不同。针对不同直流电流大小下,取过渡过程结束后的一个完整周期的绕组电流及励磁电流进行分析,得到三种不同性质负载的直流偏磁变化规律。分析了三相五柱变压器发生直流偏磁时,无功功率的变化规律,并给出三相五柱变压器无功功率计算方法,进行无功功率特性分析。分析空载及纯电阻性质额定负载下,随着直流电流大小的增大,各相无功功率的变化规律,并且拟合出无功功率特性曲线。发现随着直流偏置电流的增大,三相五柱空载及负载无功功率特性曲线均大体呈线性增加。并结合变压器的磁路特点,分析三相无功功率变化存在差异的原因,得到三相五柱变压器无功功率响应特性。为分析三相五柱变压器油箱涡流损耗,建立三相五柱变压器三维涡流损耗计算模型,由于变压器油箱使用的材料为低磁钢,厚度大于磁场透入深度,故有必要对油箱壁使用渐进网格剖分方式。使用涡流场计算模型,计算得直流偏磁时三相五柱变压器油箱涡流损耗及漏磁场分布情况。通过对不同程度偏磁情况下油箱涡流损耗的进行仿真计算,发现随着偏磁程度加深,三相五柱变压器的涡流损耗不断增加。并结合三相五柱变压器的心柱结构及磁路特点,分析油箱涡流损耗在偏磁下变化原因。研究结果可为直流偏磁情况三相五柱变压器的运行和设计提供参考依据。

关键词： 变压器运行状态   投影离群函数   稳健   可视化  

摘要： 近年来,我国电网发展迅猛,电力系统规模不断扩大。因此,电力系统运营维护的难度显著增大。变压器在电力系统中起着电能变换与分配作用,是电力系统的关键设备,一旦发生故障,不仅会影响居民的正常用电,还可能危及公共安全。保证变压器的安全可靠运行是电力运营维护部门的重要工作。因此,对变压器状态进行准确评价是进行状态检修的首要前提。因此,近年来,如何监测变压器运行状态并及早识别可能存在的故障成为学者感兴趣的研究话题。实际中通过对油色谱数据也就是变压器中各气体含量进行监测来反映变压器状态的异常。然而,现有方法并未充分考虑变压器油色谱数据各指标的相关性、分布情况及因变压器老化而造成的趋势项等问题。这些问题极有可能影响最终变压器运行状态的评价结果。有鉴于此,本文结合投影离群函数这一非参数工具,创建不同识别窗口,计算每一窗口不同时刻变压器状态投影离群函数值。依据投影离群函数性质,可基于投影离群函数值得分和《输变电设备状态检修试验规程》(Q/GDW 1168—2013)划分变压器状态四种类型:绝对安全状态;一般安全状态;安全但需注意状态以及异常状态。最终实现对变压器状态的可靠评价以及分级预警。对现有变压器油色谱数据的异常值检测方法进行了扩展与创新;尔后,本文将对所提出的基于投影离群函数的变压器状态评价方法编写相关R程序,并针对于具有趋势项的异常观测引入评价方法进行了数值模拟,结果表明基于投影离群函数的变压器状态评级方法均具有良好的稳健性;最后,本文将该基于投影离群函数的异常值检测方法应用于变压器状态评价,以考察基于投影离群函数的变压器状态评价方法在实际数据中的应用情况,结果表明本文所提出的基于投影离群函数的变压器状态评价方法效果良好且具有一定实用性。本文首次将统计投影离群函数概念引入电力领域,不仅可解决实际电力数据中的高维问题,趋势问题以及数据分布未知问题。具体而言即数据分布并不满足正态分布假定。还能在变压器状态评价方法中实现更优功能。(1)分级预警功能:通过以上方法叙述的四类区域可对变压器状态进行分级预警。(2)稳健性:通过对变压器正常运行状态以及故障状态监测数据的分析表明:此方法不易受到样本异常值影响。(3)易于可视化,识别灵敏度更高以及可根据具体某几类气体含量异常导致变压器状态异常为查找变压器故障原因提供依据等典型特点,在实际应用中具有较好的推广性。

关键词： 矿热炉   变压器   温度   光纤传感   砷化镓  

摘要： 针对传统温度传感方法所存在的时间滞后、准确度低的缺点，将砷化镓光纤传感系统应用于锰硅矿冶炼中矿热炉变压器温度的实时在线监测。介绍了砷化镓半导体光纤测温技术的理论基础和工作原理，并以温度测试箱和矿热炉变压器为对象，对比了砷化镓光纤测温系统与传统温度传感系统的工作性能。结果表明，砷化镓温度传感器具有更快速的响应时间、更精确的测试结果，在冶金过程矿热炉变压器温度监测中具有极高的实际应用价值。

关键词： 变压器局部放电检测   FBG-FP结合传感器   全方向传感   超声定位  

摘要： 局部放电是变压器存在绝缘劣化的标志,进行变压器局部放电检测与定位有助于及时发现绝缘缺陷。光纤超声传感器具有结构简单、易于复用、抗电磁干扰、灵敏度高等优点,逐渐成为变压器局部放电检测的主要方法之一。然而,现有研究中缺乏对传感器方向响应特性的关注和优化,大多数光纤超声传感器高灵敏检测覆盖的空间范围有限,易造成局放信号的漏检;因此为实现局部放电的灵敏检测与准确定位,需在设备内部多点安装传感器进行联合检测,这将导致安装布点复杂,较难实现现场应用。论文开展了光纤光栅-法珀结合的变压器局部放电全方向超声传感及定位研究,主要工作包括:(1)基于光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)与法珀(Fabry Perot,FP)传感原理提出了一种FBG-FP结合的变压器局部放电全方向超声传感器,传感探头正面封装FP腔传感膜片,四个侧面封装FBG传感膜片,可灵敏接收不同方向的超声信号。考虑到光在FP腔内的传输损耗进行了FP腔干涉光谱分析;研究了FBG封装方式与长度对超声信号检测的影响;分析了膜片在空气中与液体中的振动特性;基于以上研究进行了传感器的研制。(2)开展了全方向超声传感器的性能测试,结果表明:传感器具有较强的抗油流冲击以及低频声学噪声干扰能力;其FP传感部分与FBG传感部分的高灵敏检测范围彼此互补,避免了明显的检测盲区,可对不同方向超声信号实现灵敏检测;传感器的检测灵敏度高于传统的PZT,可实现典型油纸绝缘局部放电的灵敏检测;温度会改变FBG中心波长及FP腔长从而影响传感器的灵敏度,对该现象加以利用可实现变压器油温传感,实验证明:FBG中心波长与温度近似呈线性关系,基于此特性可确定变压器的具体油温;温度快速变化会使FP干涉光功率直流分量呈快速周期性变化,基于此特性可监测变压器油温变化情况。(3)开展了FBG-FP结合的全方向光纤传感超声信号定位研究。设计了基于Teager能量算子-双门限法的超声特征信号提取方法以去除原始信号中的冗余信息;基于全方向传感器的超声响应特性建立了多层感知机定位模型,研究了学习率对模型训练的影响,并针对过拟合现象使用了权重衰退与Dropout对模型进行优化;最后通过5次5折交叉验证法评估了模型的性能,结果表明优化后模型的预测准确度较高,且具有良好的稳定性与泛化性,可实现超声信号的准确定位。

关键词： 直直变换系统   稳态增益特性   拓扑结构   控制策略   柔性牵引变压器  

摘要： 近年来，随着经济和科技的飞速发展，我国庞大的铁路运输网络正围绕国家“双碳”目标进行建设。低碳绿色的柔性牵引供电系统相比于既有铁路牵引供电系统更具备优势。然而在柔性牵引供电系统的工程化应用中，尚无一种专用于其驱动的供电系统，因此需要针对柔性牵引变压器设计专用的驱动供电系统。　　首先，本文研究了半桥三电平谐振(LLC)变换器的拓扑结构，并分别对其在调频模式和移相模式的工作原理进行了深入分析，推导了半桥三电平 LLC 变换器的稳态增益特性，并设计了 PSM(Phase Shift Modulation Control)基础控制策略;随后研究了同步 Buck 变换器的拓扑结构，分析其工作原理，推导了在连续导通模式(Continuous Conduction Mode, CCM)和断续导通模式(Discontinuous Conduction Mode, DCM)下的增益特性，并设计了PWM(Pulse Width Modulation)基础控制策略。为两级直直供电系统的设计奠定基础。　　其次，本文根据柔性牵引变压器的驱动供电环境，结合柔性牵引变压器所用的三相-单相整流器在可控和不控两种状态下存在直流输出电压波动的情况，以及大功率高压 IGBT 驱动用电电压情况，设计了用于柔性牵引变压器驱动供电的直直变换系统，该系统由两级 DC-DC变换器组成，其中前级为半桥三电平 LLC变换器，后级为同步Buck变换器。通过分析系统运行模态，发现两级系统存在中间稳压电容电流纹波问题;并通过对两级系统的联合建模，为后续提升系统整体性能提供理论依据。　　在系统运行模式的分析和系统联合建模的基础上，提出两级系统综合控制策略。通过改进型前级稳定运行控制策略提升输入电压变动时的前级稳压能力;通过稳压电容纹波抑制策略控制前后级的移相关系以实现稳压电容电流纹波的抑制。　　最后，通过 MATLAB/Simulink 仿真验证两级系统结构，并对两级综合控制策略进行了验证，设计并制作了基于 IGBT的半桥三电平 LLC变换器与同步 Buck变换器实验平台。在此基础上完成了两级直直供电系统的验证，并在通过实验样机完成了两级系统综合控制策略验证。实验结果进一步证明该用于柔性牵引变压器驱动供电的两级直直系统设计正确性，以及其两级综合控制策略的有效性。