【摘 要】
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我国的低压配电网一般采用三相四线制,受到单相用电负荷投切、临时性及季节性用电、线路故障等问题的影响,网络中存在大量时空分布不均衡的单相负荷,造成多数配电变压器长期处于三相不平衡运行状态,从而导致线损增加、设备利用率降低等问题。同时,由于变压器各相负载不同,使绕组电流存在差异,进而影响内部电磁环境与机械特性,并危害变压器的整体结构稳定性,甚至造成严重事故。本文依托吉林省科技发展计划项目（201903
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我国的低压配电网一般采用三相四线制,受到单相用电负荷投切、临时性及季节性用电、线路故障等问题的影响,网络中存在大量时空分布不均衡的单相负荷,造成多数配电变压器长期处于三相不平衡运行状态,从而导致线损增加、设备利用率降低等问题。同时,由于变压器各相负载不同,使绕组电流存在差异,进而影响内部电磁环境与机械特性,并危害变压器的整体结构稳定性,甚至造成严重事故。本文依托吉林省科技发展计划项目（20190303007SF）、吉林市科技创新发展计划项目（20166014）、国家自然科学基金项目（51507027）及多项国家电网科技项目,探索变压器不平衡运行模-态下的绕组电磁-机械特性及变化规律,研究基于振动信号的变压器运行状态辨识方法。首先对有限元法及其在变压器电磁场计算方面的应用进行介绍,分析有限元对变压器磁场计算的有效性。阐述电磁直接耦合及电磁-机械间接耦合方法,在此基础上构建变压器电磁-机械耦合模型。然后针对变压器三相不平衡运行所造成的绕组不平衡受力振动问题,研究变压器在不同运行模-态下的绕组电流、内部漏磁及振动特性。基于电磁原理建立变压器模-态分析状态方程,通过电磁-机械耦合求解绕组振动加速度,在此基础上构建变压器三维有限元仿真模型。仿真分析变压器不同运行模-态下绕组电流、内部磁密分布、以及绕组电磁力及振动,研究变压器不同运行模-态下内部电磁参数与绕组受力振动特性的对应关系。搭建动模实验平台,采集变压器不同运行模-态下绕组电流及振动加速度数据,仿真结果与实验数据综合表明,20%不平衡条件下,不平衡相绕组受力及振动加速度可增加1倍,三相绕组的不平衡振动加速度相差约2倍,严重危害变压器内部结构的稳定性。针对变压器不同运行模-态下绕组振动特性变化及振动数据利用率较低问题,基于变压器不同运行模-态电磁机械耦合原理及绕组振动机械模型,利用小波包变换分解重构原始振动信号,研究不同频域尺度的能量分布规律,提出基于尺度-能量占比的振动特征辨识方法。通过动模实验获取绕组振动信息,利用小波包分解重构信号,提取尺度-能量占比特征值,研究不平衡运行绕组振动特性,为变压器不平衡异常工况提供新的诊断手段。变压器正常运行时,二倍频分量信号占总信号能量的46.72%,当不平衡运行α为-20%、20%时,二倍频能量占比分别下降75.67%和升高42.07%,且不平衡运行时三相绕组振动特征差异较大,所产生的不平衡振动力矩将会危害变压器绕组整体结构的稳定性。相关结论为变压器运行状态监测及维护策略制定的数字孪生技术奠定基础。
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