关键词： 分子模拟   ReaxFF力场   击穿放电能量   组分含量特性   模式识别  

摘要： 电力变压器是整个电力系统中的核心设备,同时也是电能传递与电压变换的关键设备,目前电力变压器仍然是以油浸式绝缘为主。矿物油和绝缘油纸在放电性故障下会裂解产生H、CH、CH、CH、CH、CO和CO等气体溶解于油中,但是在突发严重绝缘故障时,气体并不能全部溶解于油中,部分气体会以游离气体的形式扩散在变压器内部,从而致使内部压力剧增,故障严重时还会导致变压器发生爆炸。尽管现阶段对油中溶解气体开展了一系列研究,但是油中溶解气体分析方法需要的时间长,不能短时间反应出故障状态,难以有效对突发性放电故障状态进行诊断。因此,为了发现变压器突发性故障,构建游离气体多组分含量与故障类型之间的规律具有十分重要的意义。针对变压器内部产生游离气体存在的主要问题,利用仿真结合试验的方式,本文对矿物油裂解产气的过程、游离气体组分含量特性和故障辨识方法进行了研究。本文主要研究内容为:（1）本文利用分子动力学仿真软件设计了含有20个矿物油分子的模型,基于Reax FF力场对矿物油模型进行模拟,探究了矿物油在相同电应力不同温度下的裂解反应过程。通过自编程序提取了四种不同仿真温度下生成的小分子个数与种类,探究了H、CH、CH、CH和CH等小分子与仿真温度之间的规律,为研究矿物油的产气规律提供了理论基础。（2）根据变压器内部的典型放电故障,研制了模拟变压器油箱的简化装置,搭建了变压器击穿放电产气模拟试验平台,设计了三种不同击穿放电模型,采用逐步升压法进行击穿放电试验。在试验中获得电压电流信号和气体体积大小,探究了气体体积与击穿放电能量之间的规律,得到三种不同故障类型下的放电能量。通过色谱分析仪检测得到三种不同故障类型下油中溶解气体和游离气体的组分含量,研究了油中溶解气体和游离气体的组分含量特性,为构建游离气体多组分含量与不同故障类型之间的规律提供了数据支撑。（3）研究了基于游离气体多组分含量辨识不同放电故障类型的方法。使用粒子群算法寻找支持向量机的惩罚参数C和核函数参数g的最优解,提高SVM的识别率,构建粒子群算法优化的支持向量机分类器模型。以H、CO、CH、CH、CH、CH六类特征气体以及总烃的含量,绘制了七种数据的归一化图谱,同时提取图谱的7个统计特征量用于模式识别。结果表明,PSO-SVM分类器能够有效地识别游离气体归一化图谱的统计特征量。

关键词： 非晶合金变压器   多物理场耦合   振动   有限元分析   降噪  

摘要： 非晶合金变压器作为电力系统中电能传输和转换的核心电力装备,其高效稳定工作对于电力系统的正常运行至关重要。然而,非晶合金变压器存在高振动问题,这主要是由于其材质的高磁致伸缩与其对应力敏感。若不加以限制,过高的振动会导致其结构件损坏和运行工况变差等。变压器振动与降噪研究是一个涉及电学、磁学、力学和热学等多个物理场的复杂科学问题。本文针对非晶合金变压器振动特性与噪声抑制开展研究,主要内容如下:(1)从宏观热力学关系出发,结合非晶合金变压器铁芯磁化的微观物理机制,建立铁磁材料的磁致伸缩本构方程,该计算结果可作为应力场磁致伸缩应变计算的本构关系。(2)基于有限元分析,计算了铁芯的主磁场及其在线圈与结构件中产生的漏磁场,分析了铁芯不同时刻电磁力分布和磁通密度分布导致的振动情况,顺序耦合了应力场,对比分析了洛伦兹力和磁致伸缩导致的非晶合金铁芯形变,求出铁芯表面应变的不同时刻有效加速度和振动能量分布;顺序耦合了声场,分别计算了铁芯未形成稳定的周期运动和稳定周期运动铁芯模型上声压的分布情况以及铁芯周围空气中的声强分布。(3)通过搭建铁芯振动与噪声测试平台,通过对比验证了实验测量值和仿真值,包括铁芯振动加速度、振动幅值以及噪声值,对铁芯不同位置振动信号在不同频率下的振动幅值进行了分析。从而验证了有限元计算的正确性。(4)非晶合金变压器噪声抑制的方法在参考传统硅钢变压器时必须结合其特殊的结构进行设计。基于前四章的研究结果,采用减振垫和对铁芯搭接口施加适当的约束力来抑制铁芯的振动对非晶合金变压器进行降噪,能有效抑制铁芯特定频率的振动。(5)利用小波包理论进行多层分解变压器振动信号,提取铁芯运行状况的特征向量并通过振动能量识别变压器的机械故障。对非晶合金的结构件松动、铁芯受力异常等机械故障通过振动特征值的数值和顺序变化进行了判别。本文研究结果不仅对探索非晶合金变压器振动机理与噪声抑制机制具有重要学术价值,同时对保障其绿色、高效运行也具有重要意义。

关键词： 变压器故障诊断   油中溶解气体   概率神经网络   天鹰优化算法   特征选择  

摘要： 变压器是电力系统中极为关键的电气设备,其运行状况直接影响到电网的供电质量。因此,为保障电网的稳定,变压器故障诊断方法具有十分重要的研究意义。本文将油中溶解气体分析法(Dissolved Gas Analysis,DGA)和概率神经网络(Probabilistic Neural Network,PNN)相结合,对基于DGA和PNN模型的故障诊断方法进行了深入研究和改进。论文的主要研究内容如下:(1)对基于DGA和PNN的变压器故障诊断方法进行了研究。研究了变压器故障产生机理以及传统DGA分析方法的基本原理。针对传统DGA方法存在编码缺失或故障划分过于绝对等问题,搭建了PNN变压器故障诊断模型,采用无编码比值法的故障特征作为PNN故障诊断模型的输入特征,对PNN的诊断精度进行了仿真测试。测试结果表明PNN故障诊断模型的诊断精度受平滑因子的影响很大,需对其进行优化才能提高PNN模型的诊断精度。(2)针对平滑因子的取值影响PNN诊断精度的问题,提出了一种基于天鹰优化算法(Aquila Optimizer,AO)与PNN模型相结合的变压器故障诊断方法。该方法采用AO算法对PNN的平滑因子进行优化,通过找到平滑因子的最优值来提升PNN的诊断性能。该方法与基础PNN和遗传算法(Genetic Algorithm,GA)优化的PNN方法对比,其具有较高的故障诊断准确率。(3)针对无编码比值法的故障特征存在相关性弱、冗余度高,影响AO-PNN故障区分能力的问题,提出了一种基于Relief F特征选择算法与AO-PNN模型相结合的变压器故障诊断方法。该方法通过Relief F算法对15个候选特征参量进行相关性评估,将挑选出的重要特征参量作为AO-PNN模型的输入特征。与无编码比值法、三比值法提供的特征参量相比,Relief F算法挑选的特征参量在输入AO-PNN模型后得出的故障诊断结果精度最高,证明了基于Relief F算法和AO-PNN模型的变压器故障诊断方法的有效性和实用性。

关键词： 油纸绝缘   非线性频域介电响应   绝缘老化   修正Davidson-Cole模型  

摘要： 电力变压器作为电网中的重要设备,其安全稳定运行关乎着人民的正常生活和社会的运行。油纸绝缘是油浸式变压器的重要组成部分,在长期运行过程中,将同时受到电、热、振动等多种老化因素影响,其老化状态决定变压器的使用寿命,因此近年来大量学者针对油纸绝缘老化状态评估展开研究。但根据研究发现,油纸绝缘频域介电谱受测试激励不同,存在非线性现象,这将导致测试结果与实际油纸绝缘电气性能不符,影响评估结果。为了研究油纸绝缘非线性频域介电响应现象并消除非线性现象对测试的影响,本文分别研究老化程度及水分对非线性现象的影响,为油纸绝缘老化评估提供准确的介电性能参数。为研究绝缘纸板老化对油纸绝缘非线性频域介电响应的影响,本文开展了在130℃下最长120天的热老化试验,搭建频域介电响应测试平台,进行不同老化程度下油纸绝缘在不同激励下的变温FDS测试。通过加入电导损耗修正Davidson-Cole模型,结合传递函数建立等效电路模型,其中不同老化程度的油浸纸板计算出的修正模型参数不同,而修正模型参数直接影响等效电路模型阻抗参数,由此得到老化程度对油纸绝缘非线性频域介电响应关系。为了研究水分对油纸绝缘非线性频域介电响应的影响,本文开展吸潮试验,并进行不同含水率油纸绝缘在不同激励下的变温FDS测试。根据Garton理论提出离子运动振荡模型,并分析离子运动对电导率的影响,采用频温平移、电导平移计算交流电导率主曲线;考虑到水分子以水分基团形态存在,通过电导率计算水分基团的迁移率,实现对不同含水率下导致非线性现象的油浸纸板损耗因数差值的计算,进而通过修正不同含水率所导致的非线性现象变化的影响。根据变压器绕组间绝缘测试结果发现,不同测试激励下测试得到的频域介电响应曲线确实存在非线性,本文基于IDAX从变压器绕组间绝缘频域介电响应测试接线分析,并仿真计算分析变压器绕组间绝缘非线性频域介电响应现象。在正确接线的前提下,通过现场对变压器进行频域介电响应测试验证非线性现象的存在,证明非线性现象对后续变压器绝缘状态评估存在影响。

关键词： 变压器   偏磁异常   绕组振动   状态辨识  

摘要： 随着社会经济的不断发展,我国用电量不断增加,同时由于存在电力传输远、用户分布松散杂乱等问题,多项超高压直流输电工程开始不断建设。但因为高压直流输电过程中存在单极大地回路运行方式,导致直流分量由大地侵入附近电力变压器,使其运行于交流与直流并存的复杂工况下。直流分量经变压器中性点入侵后,导致流经变压器绕组的电流波形发生畸变,谐波含量明显增加,并导致变压器铁芯以过饱和的工作状态运行,漏磁通增加,变压器振动更加剧烈,甚至导致变压器电磁与机械失稳。本文依托国家重点基础研发计划项目(2021YFB2400802)与吉林省科技发展计划项目(20190303007SF),分析变压器在直流偏磁环境下的工作特性,并研究其在直流偏磁环境下电磁参数的辨识方法,明晰变压器线圈异常振动和绕组电流的变化特性,并探究两者的内在联系,进一步采集振动信号特征,研究利用振动特征的变压器状态辨识方法。本文首先针对变压器磁场有限元计算方法进行介绍,通过利用不同有限元方法求解变压器磁场模型,通过对比分析,选择最准确可靠的有限元方法。然后基于能量平衡原则,实现电路与磁场的直接耦合,并基于电磁耦合机理提出电磁-机械耦合方法,构建变压器电磁-机械耦合模型,研究变压器直流偏磁时的电磁与振动变化规律。通过电磁模型求解变压器绕组电流、磁通及电磁力,并将电磁力作为机械模型激励,求解变压器振动加速度。以380V三相三柱式Y/Δ接线变压器为例,建立有限元模型,通过设置不同直流扰动水平,求解电磁与振动参数,研究其规律变化。同时搭建变压器直流偏磁动模实验平台,采集变压器电磁与振动参数。通过对比仿真与实验信息,得出变压器负载率越低,绕组电流与振动所受直流偏磁的影响越明显,同时绕组振动频谱在100Hz处幅值最大,且振动随直流扰动的增大而加剧。基于变压器在直流扰动下的电磁与振动特性分析,针对变压器振动特征的状态辨识问题,提出基于WPT-SOM的变压器运行状态辨识方法,通过振动数据采集模块,对不同故障状态下运行的变压器原始振动信号进行采集,同时将其分解重构,对各个状态下的振动信号特征参数进行提取与分析,总结特征参数变化规律,并通过自组织映射神经网络对变压器运行状态进行分类及辨识,提出了一种新的变压器运行状态辨识方法,为变压器故障诊断提供了依据。

关键词： 混合型模块化多电平变换器   交流阀侧接地短路故障   二倍频环流   子模块电容电压波动   能量平衡   故障穿越  

摘要： 模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)以高效、可靠等优势成为电能变换装置的主流拓扑,在中高压输配电网中承担关键角色,同时因具备多电平输出能力,可无需联接变压器以适应布局紧凑的未来城市换流站发展趋势。但无联接变压器的混合型MMC的交流侧不对称接地短路故障将造成零序故障电压直接作用到换流器上,并向故障侧换流站所连接的交、直流电网进行渗透,导致潜在的过压、过流风险。本文在完成交流阀侧短路故障的理论推导后,从三个不同角度深入挖掘混合型MMC的内部资源,进行交流阀侧短路故障穿越研究,保障交、直流电网的安全运行。一是提出了基于子模块电容电压波峰调控的故障穿越策略,通过主动调整子模块电容电压波峰与桥臂输出电压波峰相位匹配,降低为实现故障穿越而导致的子模块升压程度,避免子模块过压损坏。二是对调制基准点调控策略下半桥子模块的能量流动进行梳理,提出了基于独立二倍频环流注入的能量优化控制策略,对非故障相桥臂主动注入二倍频环流以拓宽半桥子模块的放电通道,利用故障相桥臂实现相间环流平衡,所提策略能够有效解决高调制比下半桥子模块能量失衡问题,保证故障穿越过程中换流站能继续与交流电网保持纯有功传输。三是对故障渗透中的过压、过流风险进行评估,提出了基于双边换流站接力式的故障穿越策略,利用同一直流母线两侧的换流站分别抑制一部分故障电压,保证了功率器件不发生过流损坏,同时尽可能地抑制了直流母线对地电压波动,降低了直流母线绝缘损坏的风险。以上策略均在MATLAB/Simulink中建立模型并进行了仿真验证,还搭建了一台单相MMC样机,对前两项策略进行了实验验证,仿真与实验均对所述分析提供了有力支持。

关键词： 电力变压器   油中溶解气体   邻域粗糙集   鲸鱼算法   LSSVM  

摘要： 电力变压器是电力系统中的关键电气设备,一旦发生故障,将会对整个电力系统及其用户造成严重影响,因此保障其安全稳定运行,并及时处理变压器潜在故障,减少重大事故发生,对于保障电力系统的稳定运行和实现我国电网的稳步发展有着重要意义。本文针对目前变压器故障诊断精度低、诊断方法复杂等问题,进行下述研究:首先对传统的变压器故障诊断技术和融入智能算法后的诊断技术分别进行深入研究,确定以油中溶解气体分析法(Dissolved Gas Analysis,DGA)作为本文研究的基础技术进行模型搭建。针对变压器故障数据复杂且边界模糊的问题,提出利用邻域粗糙集(Neighborhood Rough Sets,NRS)对故障数据进行约简。由于变压器故障样本数据具有非线性不可分的特点,因此利用最小二乘支持向量机(Least Square Support Vector Machine,LSSVM)能够将二次优化问题转化为线性方程组求解的特点,选择LSSVM作为变压器故障分类器。将IEC三比值数据、常用DGA数据和经NRS约简后的数据分别作为LSSVM的输入进行故障诊断实验,经实验验证了 NRS处理变压器故障数据的可行性和LSSVM的优越性,建立了 NRS-LSSVM诊断模型。其次,针对目前鲸鱼算法(Whale Optimization Algorithm,WOA)寻优精度低、收敛速度慢等问题,将冯诺依曼拓扑结构(Von Neumann,VN)引入到鲸鱼算法中,提出冯洛伊曼鲸鱼算法(Von Neumann Whale Optimization Algorithm,VNWOA),通过为每个鲸鱼个体构建VN拓扑结构,使算法局部搜索能力增强,收敛速度加快。通过选取测试函数进行验证,改进后的WOA算法全局优化能力有显著的提升,适用于LSSVM超参数的优化求解。最后,提出了基于NRS约简模型的VNWOA-LSSVM变压器故障诊断方法。将NRS约简后的故障数据作为各模型的输入对变压器故障进行诊断,与基础LSSVM、GA-LSSVM、PSO-LSSVM和WOA-LSSVM诊断模型进行对比实验,结果表明本文所提模型的最佳适应度最高,达到全局最优解的速度最快,诊断精度达到98.6%,证明本文所提模型对于变压器的故障诊断有着较高的精度,且在面对复杂情况时仍具有较强的稳定性,具有良好的应用前景。

关键词： 立体卷铁心变压器   匝间短路   电磁场   振动   噪声  

摘要： 变压器在电力系统中承担着电能的传输与变换任务,是电力系统中关键的设备之一。立体卷铁心变压器由于其硅钢片之间没有气隙,且填充系数高,具有节约成本、减少铁损、减小振动、磁路长度相同及噪声低的优点,在配电网中得到了广泛的应用。据统计,变压器故障中60～70%的故障是匝间短路和出口短路故障,基于此,本文针对一台50k VA的SG-RL-50/0.38/0.22型敞开式立体卷铁心变压器开展了匝间故障下的电压、电流、电动力、漏磁场和振动噪声等研究工作,主要研究内容如下:(1)基于单片硅钢磁致伸缩测量系统,对首钢20SQG090硅钢片的B-H曲线和磁致伸缩曲线进行了测量,给出了磁化曲线及磁致伸缩曲线。为后续的电磁,振动及噪声的分析提供了数据支持。其次,在有限元分析的基础上,对立体卷铁心变压器的电磁,振动特性进行了仿真与分析,建立了立体卷铁心变压器的稳态模型,并将仿真结果与出厂值进行了对比,验证了模型的有效性,为立体卷铁心变压器匝间短路故障的特征分析奠定了基础。(2)建立了立体卷铁心变压器绕组匝间短路故障下的等值电路模型和有限元模型,对匝间短路时的电流、轴向漏磁场和径向漏磁场、轴向电动力和径向电动力进行了仿真。通过对短路时过渡过程的仿真,分析了不同短路时刻对变压器状态的影响。给出了不同短路匝数的轴向漏磁场和径向漏磁场、轴向电动力和径向电动力的大小及分布。(3)采用有限元仿真软件对立体卷铁心变压器发生匝间短路后的磁场、振动和噪声进行了计算。深入研究了立体卷铁心变压器在正常运行和不同短路匝数下的磁场、振动、噪声。分析了匝间短路对立体卷铁心变压器性能和稳定性的影响。(4)对不同匝间短路下的变压器振动及噪声进行了实验研究。实验中,设置了不同短路匝数的匝间短路状态,测量了铁心和绕组振动位移,加速度等关键参数。验证了所提方案的正确性。