重庆大学研究者提出一种虚实融合的变压器内绝缘状态孪生方法

数字孪生技术是数字化转型的关键技术之一，是指现实空间全要素在数字虚拟空间中全面、准确的映射，在航空航天、建筑建设、城市管理、健康医疗等领域已有成熟应用。发展数字孪生变压器对支撑高端电力装备智能化、数字化、可视化运维具有重要意义。

构建数字孪生体需要海量高精度、高可靠的分布式传感器，但对于变压器等电力装备而言，由于其内部结构复杂、存在强电磁场、传感器安装困难、特征参量形成的机理不明等因素，导致其数字孪生化进程很慢，还面临许多挑战。

现有变压器数字孪生工作已基本完成了数字孪生的形似部分（多物理场仿真和展示），但如何实现数字孪生的神似部分（性能可视化评估+辅助运维），获得更多状态参量的传感数据以构建具有生命力的数字孪生体还有待深入研究。为此，输变电装备技术全国重点实验室（重庆大学）等单位的罗豪、成立等，开展了虚实融合的变压器内绝缘状态孪生方法研究。

图1 虚实融合的变压器内绝缘状态孪生概念

他们参考航空航天领域结合虚实传感以丰富传感数据的思想，根据虚拟仿真可有效弥补现场实体传感器不足的痛点问题，增加传感器的种类和数量，提出了虚实融合的变压器内绝缘状态孪生概念，以内绝缘老化寿命最为关心的参量为例开展计算研究。

图2 虚实融合的变压器内绝缘状态孪生方法实现框架

研究者根据变压器内部油纸绝缘材料的多场耦合特性和有限元仿真获得内部稳态的温度场分布；其次，考虑温度分布影响，结合实体油中水分传感数据建立固体绝缘中水分分布推演模型；然后，改进水分平移因子建立时间-温度-水分分布联合老化作用的聚合度分布动态推演模型以计算任意时刻变压器内部的聚合度分布；最后，考虑到推演计算获得的水分、聚合度分布数据是离散的，采用Delaunay三角网来实现变压器内部聚合度分布的可视化。

图3 虚实融合推演的聚合度分布与实际退役变压器测量的聚合度分布的对比

结果表明，水分分布主要集中在纸板和底部固体绝缘处，第48年含水量最高值约为3.2%；聚合度分布规律与CIGRE报告基本相符，最低值位于低压绕组热点温度区域，第48年为252.15，验证了该方法的有效性和合理性。

该工作融合虚实传感数据实现了变压器内部水分、聚合度等老化状态参量的分布式监测，大幅提升了运维效率，为支撑数字孪生变压器的智能辅助运维提供了新的解决方案。

本工作成果发表在2024年第23期《电工技术学报》，论文标题为“虚实融合的变压器内绝缘状态孪生方法”。本课题得到国家重点研发计划的支持。