有限元

干式变压器在运行中受到电、热、机械等应力的共同作用,可能导致铁心松动和绕组变形等异常故障。振动分析法可以灵敏地反映铁心和绕组的机械状态,适用于干式变压器机械故障的检测。文中构建了干式变压器的有限元模型,仿真探究了干式变压器的振动机理与振动特性,发现干式变压器的绕组振动远小于铁心振动,正常运行状态下振动主要来源于铁心的磁致伸缩效应。文中搭建了干式变压器实验平台,采集并对比分析了正常工况和铁心松动状态下干式变压器表面的振动信号。发现随着铁心逐渐饱和,振动信号不再随电压平方呈线性关系增长,总振动信号峰值增长变快,基频振动信号幅值增长变慢。根据实验得到不同工况下干式变压器的振动信号频谱,发现可将振动信号的基频占比、高低频比作为诊断干式变压器机械状态的特征参量。

共气室结构的双断口隔离开关（double-fracture disconnect switch，DDS）在不停电耐压试验过程中存在因试验侧断口击穿而影响运行侧断口绝缘性能的风险，在设计阶段需要对其电场分布和击穿特性进行研究。为此，以新研发的110 kV三相共箱式GIS双断口隔离开关为例，采用有限元方法对电场进行仿真分析，得到其在现场不停电工频耐压试验中的内部电场强度分布。根据电场的计算结果，采用基于汤逊放电理论的击穿判据，研究不停电试验中两个断口的击穿特性，证明了在DDS现场不停电交流耐压试验过程中，试验侧断口击穿不会对运行侧的绝缘性能造成影响。研究结果可以为在运的DDS二期扩建时的不停电扩建与现场绝缘试验工作提供安全保证的理论支撑，也为未来新型DDS设备研发过程中的绝缘校核提供了更加翔实的理论依据。

内部短路等引起的电弧放电是特高压变压器最为严重的故障之一，容易造成油箱变形破裂甚至起火爆炸。为了分析电弧放电引起的变压器应力应变水平，建立了1 000 kV单相特高压变压器有限元模型，仿真分析了特高压变压器内部不同部位、不同能量的电弧放电引起的油箱压力分布，计算了油箱和螺栓的应力应变水平，结合材料参数对油箱和螺栓的力学性能进行安全校核，并给出了箱壁破裂或螺栓损伤的放电能量阈值。结果表明：油箱内高压绕组附近电弧放电时最大应力出现在箱壁拐角处，最大形变出现在长轴侧箱壁中间部位；升高座内电弧放电时最大应力出现在升高座支架处，最大形变出现在升高座拐弯处。

复合绝缘子内部缺陷是影响电网安全稳定运行的一大隐患，如何有效地检测电网绝缘子内部缺陷一直是研究的 热点问题。微波无损检测技术已被广泛应用于航天工业、军事等领域，其在电网绝缘子缺陷检测方面的应用研究近年来 愈发受到关注。本文利用有限元软件COMSOL建立了绝缘子内部微波传播过程的仿真计算模型，并针对不同工况的绝缘子 进行了微波检测仿真，结果表明：存在内部缺陷的绝缘子微波传播过程与正常绝缘子明显不同，尤其是当缺陷处的相对 介电常数、电导率和相对磁导率远大于绝缘子有机材料时，大量电磁波在缺陷处发生反射；缺陷距离输入边界处越近， 边界处功率密度的峰值越大，采用微波检测可以诊断绝缘子内部缺陷位置。本文研究结果可为复合绝缘子微波无损检测 技术的实践提供理论参考。

文中设计并制备了一种硅凹槽膜片型光纤法布里-珀罗(Fabry-Perot,F-P)超声传感器,用于电力设备局部放电检测。采用有限元软件优化设计传感膜片的凹槽参数,与传统圆形膜片相比,硅凹槽膜片的静态灵敏度提升4.09倍且谐振频率基本不变。通过耦合效率修正传统双光束干涉模型,研究F-P腔长对传感器干涉光谱对比度的影响,以提升传感器的声压灵敏度。利用微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)制备硅凹槽膜片,其凹槽直径为829.44 μm,厚度为2.09 μm,F-P腔长为163.600 μm。在谐振频率61.5 kHz处,传感器声压灵敏度可达357.78 mV/Pa,并结合气体绝缘开关(gas insulated switchgear,GIS)局部放电缺陷模型对传感器性能进行验证。实验结果表明,文中所制备的光纤F-P超声传感器具有声压灵敏度高、实时性好、超声信号检测能力强等优点。

针对变压器绕组变形、轻微匝间短路故障诊断准确率低的问题，提出一种变压器绕组早期故障诊断方法。首先，利用ANSYS仿真软件建立与实验变压器相关参数一致的有限元模型，分析变压器在绕组发生各种故障的漏磁场分布规律，并根据这些规律选取合适的故障特征以及光纤漏磁场传感器安装位置。然后，通过改进长鼻浣熊优化算法(improved coati optimization algorithm, ICOA)寻找残差神经网络(ResNet)的最优超参数，以此参数构建ICOA-ResNet模型，将所得故障特征量输入模型进行故障诊断。最后，通过仿真数据和动模实验验证所提出的变压器绕组早期故障诊断模型的可行性。所提模型与支持向量机等4种模型相比，在绕组早期故障诊断上有更高的准确率，表明所提方法对变压器绕组变形、匝间短路故障诊断的有效性。

使用ABAQUS/CAE建立连续五档导线-绝缘子塔线体系有限元模型，采用驻波法模拟导线舞动激励，通过在模型右 侧施加驻波，左侧不施加驻波，模拟舞动分界点环境。通过简化导线张力比计算公式，分析舞动分界点两侧导线应力情 况。通过某时刻杆塔Mises应力分布图，分析舞动分界点杆塔受力 情况。结合分析结论和现场实际情况，讨论针对舞动 分界点杆塔的过渡防舞措施。

三芯电缆结构为各相线芯绞合而成，相电流互呈120°分布，造成电缆周围某点磁场均为三个空间矢量叠加。目 前由于尚无较为准确的理论计算模型，致使磁传感器测量值与理论计算值相差较大，无法实现对三芯电缆相电流准确测 量与评估。为解决该问题，本文提出一种与三芯电缆结构相符的载流细螺旋线计算模型，推导得知线芯电流与磁场之间 量值关系。通过建立物理数学模型，确定磁传感安装位置为电缆轴心与线芯中心连线两侧各20°范围内，并利用有限元 仿真验证所提方法的正确性。

特高频（UHF）技术通过检测局部放电辐射电磁波信号来实现对设备局部放电的检测，抗干扰能力强，检测灵敏度高，因此在输变电设备局部放电在线检测领域取得了广泛应用。目前大多数绝缘组合电器（GIS）设备上未安装内置式UHF传感器，只能采用外置式传感器进行检测，但是由于GIS绝缘子外表面被金属法兰包裹，导致普通外置式UHF传感器很难检测到其内部的局部放电信号。为了解决这一问题，本文提出了利用金属法兰在制造时遗留的孔洞，研制GIS专用外置式UHF传感器的方法。本文在了解现有GIS盆式绝缘子金属法兰结构特点的基础上，从理论角度分析了电磁波经过金属法兰孔的传播机理，采用有限元分析软件ANSYS对126kVGIS绝缘子建模，并以此为基础分析在不同尺寸金属法兰孔情况下GIS绝缘子电场的分布情况。研制了具有射频和检波放大功能的GIS盆式绝缘子金属法兰浇注孔局放检测专用UHF放大器。最后，建立了GIS局部放电UHF检测研究平台，测试了专用UHF传感器在不同尺寸的浇注孔上对不同放电故障模型的局放检测灵敏度。

转子绕组匝间短路故障是新型同步调相机的一种典型故障，对调相机长期运行和电网稳定都有严重影响。为保障新型同步调相机高可靠稳定运行，文中提出一种转子绕组匝间短路故障在线诊断与定位的方法。从故障导致的气隙磁场磁动势畸变出发，推导出定子同相两支路将出现偶次谐波环流现象，并通过对支路环流进行傅里叶分解，提取谐波中的明显特征量。对该特征量进行分析，得出其大小仅与故障所在转子上的空间位置有关，而与故障匝数无关的结论，最后通过查表的方式来实现故障诊断与定位。文中基于已规模投入使用的TTS-300-2型同步调相机开发有限元软件的仿真模型，并搭建基于新型调相机的模拟机实验平台进行实验。仿真与实验结果验证了利用支路环流谐波进行转子匝间短路故障定位的有效性。