（通信与信息系统专业论文）基于关联规则的变压器故障诊断研究.pdf

t 、 声明户明 i i i iiiii rlr lf ll lri fiij 17 8 5 8 5 6 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于关联规则的变压器故障诊断研 究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我二同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：多垫 日 期：盘! 里：圣：! !学位论文作者签名：斗型 日 期：丛! 里：苎：! ! 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：翌重导师签名： ， 华北电力火学硕士学位论文摘要 摘要 变压器是电力系统的关键设备，其运行状态直接关系到电网的安全和经济运 行。早期诊断和识别变压器故障具有重要意义，由于变压器故障的复杂性，现有方 法在诊断中各有优势和不足，探索新的方法目前仍是具有挑战性的工作。关联规则 是数据挖掘的一种重要方法，主要用于获取各个数据项间有价值的联系。而变压器 油中气体与变压器故障类型关系密切，论文研究将关联规则用于挖掘变压器的油中 气体与已知变压器故障( 状态) 之间的联系，并进一步提炼为规则知识用于诊断变 压器故障( 状态) 。论文提出基于关联规则的变压器故障诊断方法，详细阐述了方 法的具体步骤，并进一步与i e c 三比值法比较验证其有效性。论文结合知识库，实 现了变压器故障诊断，给出了主要功能及实现方法和界面。算例和实验表明，基于 关联规则和知识库的变压器故障诊断可行。 关键词：关联规则，变压器，故障诊断，a p r i o r i ，知识库 a b s t r a c t t h ep o w e rt r a n s f o r m e ri sam a j o ra p p a r a t u si nap o w e rs y s t e m e a r l yd i a g n o s ea n d d e t e c tt h ei n c i p i e n tf a u l t si sn e c e s s a r yf o ra v o i d i n gc a t a s t r o p h i cf a i l u r e s ，c o s t l yo u t a g e s t h ee x i s t i n gm e t h o d ss o m e t i m e sf a i lt od e t e r m i n et h ef a u l tt y p e ，t h ew o r k e r so n s i t eo f t e n u s es e v e r a lm e t h o d so ro t h e rr e l a t e di n f o r m a t i o na b o u tt h et r a n s f o r m e rt od os u c hj u d g e w o r k s oe x p l o r i n gn e ww a yt or e s o l v et h i se a r l yw a r n i n gp r o b l e mi ss t i l lac h a l l e n g e a s s o c i a t i o nr u l em i n i n g ( a r m ) i so n eo ft h ed a t am i n i n gt e c h n i q u e su s e dt oe x t r a c t h i d d e nk n o w l e d g ef r o md a t a s e t sa n dt h e r ei sac l o s er e l a t i o nb e t w e e nt h et r a n s f o r m e ro i l a n dt h et r a n s f o r m e rf a u l tt y p e t h i st h e s i si su s i n ga r mt oe x p l o r et h er e l a t i o nb e t w e e n t r a n s f o r m e ro i la n df a u l tt y p e ( s t a t e ) ，a n do b t a i n t h er u l e sf o rd i a g n o s i so ft h en e w t r a n s f o r m e rf a u l t ( s t a t e ) i nt h i st h e s i s ，at r a n s f o r m e rf a u l td i a g n o s i sb a s e do na r m m e t h o di sp r e s e n t e da n di l l u s t r a t e dd e t a i l ，ac o m p a r i s o nw i t ht h ei e ct h r e e r a t i om e t h o d i sc a r r i e dt ov a l i d a t ei t se f f e c t i v e n e s s w i t hk n o w l e d g eb a s e ，t h ei m p l e m e n to f t r a n s f o r m e rf a u l td i a g n o s i si sa c h i e v e da n di n t r o d u c e d e x a m p l ea n de x p e r i m e n ts h o w t h a ti ti sf e a s i b l et ou s ea r ma n dk n o w l e d g eb a s ef o rt r a n s f o r m e rf a u l td i a g n o s i s d i n gq i a n ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db yz h a n gt i e f e n g k e yw o r d s ：a s s o c i a t i o nr u l e s ，t r a n s f o r m e r , f a u l td i a g n o s i s ，a p r i o r i ，k n o w l e d g e b a s e ， 华北电力人学硕十学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 选题背景及研究意义l 1 2 电力变压器故障诊断技术的研究现状2 1 3 关联规则理论的起源与发展及其研究现状4 1 4 本文主要工作5 第二章电力变压器的故障诊断6 2 1 变压器常见的故障类型6 2 2 变压器故障检测的主要方法8 2 2 1 油中溶解气体分析法8 2 2 2 绝缘油特性试验l l 2 2 3 其他试验方法1 l 2 3 变压器故障综合诊断1 l 2 4 本章小结1 3 第三章关联挖掘与知识库一1 4 3 1 关联规则简介1 4 3 1 1 定义1 4 3 1 2 分类1 5 3 1 3 挖掘步骤1 7 3 1 4 应用1 7 3 2 关联规则的算法1 7 3 2 1a p r i o r i 算法原理与描述1 8 3 2 1 1 频繁项集的产生1 8 3 2 1 2 关联规则的生成2 0 3 2 2a p r i o r i 算法示例及评价2 0 3 2 3h p r i o r i 算法的优化改进2 1 3 3 知识库理论2 2 3 3 1 知识概述2 2 3 3 2 知识的定义及表示2 3 3 3 3 知识的分层2 3 3 3 4 知识的具体表现形式2 3 i 华北电力人学硕七学位论文目录 3 4 知识库和知识库系统2 4 3 5 知识库系统实现的关键2 4 3 5 1 知识表示2 5 3 5 2 知识获取2 5 3 6 本章小结2 5 第四章基于关联规则的变压器故障诊断方法2 6 4 1 变压器故障诊断过程2 6 4 1 1 数据准备2 6 4 1 2 数据选择2 7 4 1 3 数据预处理2 7 4 2 基于关联规则的故障诊断方法2 9 4 2 1 数据项的建立3 0 4 2 2 挖掘频繁项集3 0 4 2 3 规则的生成3 1 4 3 结果分析及评价3 3 4 4 本章小结3 5 第五章基于关联规则的变压器故障诊断实现3 6 5 1 变压器故障诊断功能框图3 6 5 2 关联规则挖掘模块3 6 5 2 1 数据的预处理3 6 5 2 2 规则的生成4 1 5 3 知识存储模块4 2 5 3 1 变量表的建立4 2 5 3 2 规则表的建立4 3 5 4 故障诊断模块4 5 5 5 本章小结4 6 第六章结论与展望4 7 参考文献4 8 致谢5 2 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 3 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景及研究意义 第一章绪论 现代生活越来越离不开电能，电力网作为电能的传输设施，对其可靠性的要求 也越来越高。变压器故障可能引起输配电网络运行异常，严重的甚至可以导致局部 或大面积停电，甚至引起系统崩溃，给人民生活带来严重不便，给国民经济带来巨 大损失，也严重影响电网企业的声誉和地位。电力变压器作为电能变送的重要设备， 直接关系到电网的安全、可靠和经济运行。 因此，在电力变压器运行过程中通过某些检测和试验，及时有效地判断其状态， 预先发现早期潜伏性故障，减少事故的发生，将对电力系统的安全生产具有重要意 义【1 1 。 在中国，电力设备检修策略普遍采用以时间为基准的定期检修模式( t b m ，t i m e b a s e dm a i n t e n a n c e ) 。虽然定期检修一般可在检修时发现设备存在的缺陷，对保证设 备安全经济运行发挥了重大作用。然而，由于缺乏对设备运行状态的认知，这种盲 目的“到期必修 带来很多问题：浪费了大量的人力物力：增加了额外的变压器停 电次数和停电时间，造成频繁的运行操作，增加了误操作的可能性：过度维修造成 设备的频繁拆卸，使在维修过程中产生新的设备隐患的可能性增加；维修后按要求 进行的耐压等试验也会对变压器造成不可逆损伤，使其总体寿命下降；事故维修也 增加了变压器的维修难度和维修费用【2 3 】。检修计划缺乏针对性，导致“检修过剩 和“检修不足 的双重弊端，造成了检修费用的巨大浪费和设备可靠性的下降。面 对电力行业市场化的改革所带来的r 益严峻的竞争压力，改进变压器检修技术，提 高变压器故障诊断水平，降低维护成本成为电力系统亟待解决的问题。因此，国内 对从定期检修转变为状态检修的呼声开益高涨。 状态检修( c b m ，c o n d i t i o nb a s e dm a i n t e n a n c e ) 是以设备的当前实际工作状况为 依据，通过先进的状态监测手段、可靠的评价手段和寿命的预测手段来判断设备的 状态，对故障的部位、严重程度、发展趋势做出判断，识别故障的早期征兆，并根 据分析诊断结果在设备性能下降到一定程度或故障将要发生之前进行维修【4 】。 相关资料表明，目前美国电力系统已有一半以上采用了状态检修，实施状态检 修后，电力设备的大修间隔可以大大延长，检修期时问日j 隔也可以有所增加，在使 变压器稳定可靠工作的前提下，也取得了很好的经济效益。而状态检修很大程度上 取决于对设备的状态监测与故障诊断结果，这对及早发现潜在的故障隐患，有着十 分重要的实际意义。因此，变压器状念监测与故障诊断技术的研究得到了国内外专 华北电力大学硕士学位论文 家学者的普遍关注。 众所周知，变压器的故障诊断是个非常复杂的问题，许多因素如绝缘性能、工 作环境、运行历史，甚至不同厂家的产品等，均会对诊断结果产生影响。各种试验 方法和测试仪器只是起到获得变压器运行状态信息的作用，而根据这些信息做出正 确判断则必须要依靠丰富的运行维护经验。因为人类经验在这类问题中起着很重要 的作用，采用人工智能技术进行故障诊断具有实际意义。 1 2 电力变压器故障诊断技术的研究现状 电力变压器故障诊断技术的研究最早起始于2 0 世纪6 0 年代，经过专家们几十 年的努力，已经发展成了一门独立学科，在电工界受到广泛重视，由于理论研究同 渐趋于成熟，在实践中，各种诊断技术也获得了显著成果。而评估变压器状态的方 法包括油气检测、介质损耗检测、绕组阻抗、绕组变比测量、温度监测等传统方法， 以及局部放电、返回电压、调压装置在线监测、内部温度测量、在线功率因数测量、 绕组位移变形测量等非传统方法。其中，油气检测、介质损耗检测应用最为广泛。 诊断电气设备故障的方法大体上可以分为两种，即特征提取法( f e a t u r e e x t r a c t i o n ) 和模型分析法( m o d e l r e f e r e n c e d ) 5 1 。特征提取法主要是应用时域和频域 信号，借助于滤波、放大( 衰减) 和变换等信号处理技术，提取出反映设备状态j 下 常或异常的信号特征。模型分析法则是基于数学仿真模型和人工智能理论，通过分 析对比检测数据与模型数据来判断设备是否存在故障。 预防性试验是变压器故障最主要的诊断方法，有效性对诊断结果有着决定性影 响。通过各种有效的试验，获取可靠、准确的试验结果是j 下确诊断变压器故障的基 本前提。当变压器出现异常时，要迅速进行有关试验，对变压器的状况进行诊断， 确定有无故障。到目前为止，变压器的故障诊断常规预防性试验项目主要包括电气 试验、油中溶解气体分析以及绝缘油的特性试验等，此外，红外线测温技术、超声 波探伤技术、检测绕组变形缺陷的频率响应分析法和低压脉冲法等也逐步得到了应 用。 油中气体分析法是从变压器油中取样，通过分析其中溶解的各种气体相对含量 关系，从而达到诊断变压器故障的作用。虽然这种方法对于运行设备内部故障早期 的诊断有一定的灵敏性，在实际中也已广泛应用，但是对故障类型的诊断准确率还 不够高，故障准确位置也很难确定。 随着电子、信息和计算机等水平的不断提高，电力变压器在检测手段的可靠性 和实时性方面，和原始方法相比已经发生了巨大的变化。人工智能在电力设备故障 渗断领域的应用无疑是人们实践经验与现代计算机技术结合的产物。智能故障诊断 2 ， i 华北电力大学硕士学位论文 要求诊断系统通过对测得的试验数据的分析和处理，准确及时地判断故障的类型、 原因和部位，并依此进行决策。它的出现促进了传统故障检测手段的整合，并朝着 智能化的综合处理方向发展。下面简要介绍几种主要的智能诊断方法： ( 1 ) 基于人工神经网络的诊断方法 人工神经网络a n n ( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ) 理论【6 8 】是在现代科学研究成 果的基础上提出来的，反映人脑功能的若干特性。神经网络的本质一是非线性系统， 能够充分逼近任意复杂的非线性关系，二具有较强的自适应性和自组织性，能够学 习和适应严重不确定性系统的动态特性，三系统信息等势分布存储在网络的各神经 元及其连接权中，有很强的鲁棒性和容错能力，四信息采用并行处理方式。所以， 神经网络能处理模糊性、随机性、噪声或不相容的信息，但神经网络的隐藏节点层 的感知器在系统中不能解释，因此诊断结果的准确性依赖于样本的完备性，无法处 理不完整样本。 ( 2 ) 基于模糊推理的故障诊断方法 模糊理论是很好的处理不确定性知识的数学工具，它把人类对复杂事物进行的 描述、模糊判断、推理及决策等能力移植到自动诊断过程中。把模糊数学用于故障 诊断中，用精确的数学方法把模糊不清的概念或自然语言清晰化，从而对故障现象 合理加以量化。然而，目前确定隶属函数的方法还较简单，缺乏令人信服的客观依 据【9 , 1 0 】。 ( 3 ) 基于p e t r i 网的诊断方法 p e t r i 网是一种用网状图形表示系统建模的方法【1 1 彤】。p e t r i 网将领域知识编成一 系列产生规则，可以解决许多系统的故障诊断问题，但大量的规则导致运行速度较 慢，很难适应要求，当遇到新故障或新信息时，会产生“匹配冲突、“组合爆炸 的问题【1 4 1 。 其它人工智能方法比如小波分析【15 1 、狄色聚类【1 6 】也被引入故障诊断领域，并取 得一定的研究成果，然而，由于变压器自身的复杂性、测试手段的局限性、知识的 不精确性，各种方法都表现出不同的优缺点，因此，变压器故障诊断方法仍需要进 一步研究。 由上述几种方法可以看出，将人工智能方法用于变压器故障诊断中，越来越受 到关注，但是每种方法都存在它的缺点，本文拟利用关联规则挖掘在发现故障信息 变量之间联系上的优势，对故障进行诊断。 华北电力大学硕士学位论文 1 3 关联规则理论的起源与发展及其研究现状 关联规则就是在海量的数据中发现数据项之间的关系，是数据挖掘领域中研究 的热点问题。 1 9 9 3 年a g r a w a l 等人【1 7 】首先提出了交易数据库中不同商品之间的关联规则挖掘 和其他一些改进的相关算法f 1 8 】，并逐渐引起了专家、学者的重视。关联规则挖掘问 题可以分为：发现频繁项目集和生成关联规则两个子问题，其中发现所有的频繁项 目集是生成关联规则的基础。 最近几年，发现频繁项目集成了关联规则挖掘算法研究的重点，在经典的a p n o n 法的基础上提出大量的改进算法。文献 1 9 】提出了基于兴趣度的发现频繁项目集的 方法，可以进行并行计算，但算法执行的时间是主要的瓶颈；文献 2 0 】中，是通过 维护交易中的动态数据库，减少扫描数据库的时间来提高发现频繁项集的效率，仿 真结果表明，提出的算法具有良好的性能。 在国内，对关联规则的研究主要集中在以下三方面： ( 1 ) 提高原有算法的效率 在解决最大频繁项目集的生成问题上，为了提高对空间和时间的利用效率，对 数据库的扫描次数进行了缩减，由最初的两次扫描减少为一次就可以生成最大频繁 集，提高了算法的效率【2 。 ( 2 ) 结合其它理论对关联规则进行研究 引入粗糙集概念，使关联规则发现的模式具有较高的解释能力和精确度【2 2 1 。为 了解决数量关联规则提取过程中的连续属性离散化问题采用了聚类方法【2 3 】；通过 引入神经网络的概念，提出用相互激活与竞争网络来进行数据库中的关联规则的发 现【2 4 】等。可以看出通过引入其他领域的先进理论，丰富了关联规则研究的内容，提 高了算法的有效性。 ( 3 ) 不同形式关联规则的研究 关联规则最早是由购物篮分析开始的，但是随着研究的扩展和深入，关联规则 的应用范围不断扩大，因此出现了多种形式关联规则的研究。由最简单的单维、单 层、布尔关联规则逐渐向复杂形式扩展。在基本关联规则的基础上提出了布尔型加 权和广义模糊型加权关联规则算法【2 5 1 ，由单层的关联规则扩展为多层次关联规则的 研究【2 6 】等等。 4 华北电力火学硕士学位论文 1 4 本文主要工作 由于电力变压器故障原因复杂，目前诊断方法各有优点和不足，继续探讨新方 法新手段仍然是变压器故障诊断中具有挑战性的工作。论文研究基于关联规则的变 压器故障诊断，主要工作如下： 第二章介绍了变压器的主要故障类型、故障检测手段以及各种检测手段所提供 的故障特征量，简要阐述了以d g a 分析为基础，结合电气试验和化学试验的变压器 故障综合诊断原理。 第三章阐述了关联规则理论和知识库的相关基本概念，介绍了支持度与置信度 以及关联规则的几种算法，重点介绍了经典的a p r i o r i 算法及其原理和步骤。介绍了 知识及知识库的原理与内容，重点阐述了与故障诊断相关知识的表示方法以及推理 诊断方法。 第四章给出将关联规则用于变压器油中溶解气体数据进行故障诊断的方法和 过程。介绍了数据预处理的方法，修改a p r i o r i 算法进行关联规则的方法，以及将所 得规则知识进行提炼、存储的过程。最后结合实例将本文方法与i e c 三比值法进行 比较，验证本文方法的有效性。 第五章介绍了基于关联规则的变压器故障诊断的实现。分别介绍了实现过程中 的三个模块，关联规则挖掘模块、知识存储模块和故障诊断模块，并给出了模块的 相应界面。 最后一章对论文工作进行了总结。 华北电力火学硕士学位论文 第二章电力变压器的故障诊断 变压器是整个电力系统各个环节中最关键的设备之一，研究电力变压器的故障 检测与诊断技术，保证变压器安全可靠运行，保障送变电的稳定，不仅是电力系统 问题，更关系到用户的切身利益。本章对电力变压器常见故障以及主要的检测方法 作了简要介绍。 2 1 变压器常见的故障类型 变压器故障从性质上一般分为热故障和电故障。从回路划分可以分为电路故 障、磁路故障和油路故障。若从变压器的主体结构划分，主要有绕组故障、铁芯故 障、油质故障和附件故障。因此，很难以某一种规范来划分变压器故障类型，下面 以比较通用的分类方式来简要介绍变压器的常见故障【2 7 1 。 ( 1 ) 短路故障 变压器短路故障主要是指变压器内部绕组匝间短路，绕组或引线层间、相间短 路及对地短路，变压器出口短路等故障。变压器出口短路属于外部短路故障，但它 是导致很多变压器内部故障的直接原因。变压器突发短路时，其高低压绕组会通过 超过额定值数十倍的短路电流，强大的短路电流产生瞬时的高温过热，导致绝缘受 损。同时，短路电流感应出的电动力会使变压器内部绕组变形，匝间绝缘机械磨损， 绕组引线位移，严重的可以导致绕组损毁。据统计，近年来，一些地区l l o k v 以上 等级的变压器遭受短路电流冲击直接导致损坏的事故，约占全部事故的5 0 以上。 此外，涉及绕组和引线的短路故障在故障初期表现一般是伴有局部过热甚至小能量 放电现象出现。 ( 2 ) 放电故障 变压器的放电故障根据放电能量大小可分为局部放电、火花放电和电弧放电三 种类型。局部放电和火花放电属于低能量放电，产生的原因主要是变压器绝缘油中 存在气泡、水分等杂质以及由于制造工艺问题造成器身某些部位存在尖角、毛刺， 导致局部场强过高而产生放电。此外导电回路接触不良或金属件存在悬浮电位会引 发低能放电。电弧放电是高能放电，以绕组匝问或层间绝缘击穿最为常见，其次为 引线断裂或对地闪络和分接开关飞弧等故障。三种放电形式既有区别又相互联系， 低能放电是故障的早期形式，但如果不加以重视，会逐步发展成严重的击穿性故障。 ( 3 ) 绝缘故障 绝缘系统是变压器币常工作运行的基本条件，是影响变压器运行寿命的主要因 素。实践证明，大多变压器的损坏和故障都是因绝缘系统的损坏造成的，冈各种类 6 ， ， 华北电力大学硕士学位论文 型绝缘故障导致的事故约占全部变压器事故的8 5 。油绝缘和固体纸绝缘是目前变 压器主要的绝缘材料。正常情况下，固体纸绝缘存在不可逆转的老化特性，其聚合 度和抗张程度逐渐降低，并生成水、c o 、c 0 2 以及糠醛( 呋喃甲醛) 。绝缘纸本身 含有少量的水分，当绝缘纸周围存在过热故障时，会使水分从纸纤维材料中析出， 加速纤维材料脆化。纸绝缘脆化将导致绝缘本身的机械强度降低，在绕组电磁振动 或电动应力冲击下极易损伤从而演变成电气事故。油绝缘劣化的主要原因是变压器 内的空气。空气中的氧会导致绝缘材料氧化并产生水。由于技术条件制约，即使是 全封闭的变压器内部仍会存在容积为0 2 5 的氧。水分对绝缘介质的电气性能和理 化性能都有极大的危害，它会作为催化剂加速油的氧化，生成过氧化物、酸类、醇 类、酮类和油泥等杂质，降低油的绝缘能力和散热能力。 ( 4 ) 铁芯故障 变压器正常运行时，铁芯必须保持一点可靠接地，否则会造成铁芯对地悬浮性 放电。接地后，消除了铁芯形成悬浮电位的可能。但当铁芯出现两点以上接地时， 铁芯间的不均匀电位会在接地点之间形成环流，导致局部过热故障，严重的可能破 坏铁芯片间绝缘，造成短路故障，使铁损变大，严重影响变压器性能和正常工作。 ( 5 ) 分接开关故障 变压器的调压分接开关分为有载分接开关和无载分接开关。无载分接开关的故+ 障形式主要表现在触头接触不良、触头锈蚀使电阻增大发热、开关绝缘支架的金属 紧固件接地断裂造成悬浮放电等。有载分接开关的故障大多反映在：开关密封不严， 水分侵入导致绝缘性能下降而引发事故；分接开关的过渡电抗或过渡电阻在切换过 程中被击穿、熔断，使触头问发生电弧放电；开关滚轮卡死使分接开关停在过渡位 置造成相间短路；分接开关油箱密封不良造成像变压器本体油渗漏等众多故障。 ( 6 ) 渗漏故障 变压器渗漏一般包括空气渗漏和油渗漏两种类型。空气渗漏的危害在绝缘故障 中已经有所了解，主要是空气中的氧对变压器绝缘有巨大的危害。油渗漏可分为内 渗漏和外渗漏，内渗漏主要指套管和有载分接丌关中的油向变压器本体渗漏。充油 套管油渗漏会造成套管缺油，从而影响设备f 常运行。有载分接丌关油渗漏往往会 造成变压器本体油色谱异常而引起误诊断。外渗漏主要指焊缝渗漏和密封件渗漏， 这类故障也经常发生。 ( 7 ) 油流故障 油流故障主要是指油流带电和油流受阻导致过热故障。油质是影响油流的主要 因素，一般油的介损值大时具有更强的带电趋势。油流带电会导致c 2 h 2 气体增长， 色谱分析异常，局部放电量增大等故障特征。此外，油中杂质长期大量沉积是导致 7 华北电力大学硕士学位论文 油流受阻的主要原因。 由于数据收集的局限性，本文实例并未涉及以上所有故障，涉及到的变压器状 态有五种，分别是高温过热、高能放电、低能放电、中低温过热和正常。 2 2 变压器故障检测的主要方法 变压器的检测方法有很多，比如油中溶解气体分析法、常规电气试验法、绝缘 油特性试验法以及一些其他的试验方法。在这几种方法之中，用的最多的是油中溶 解气体分析法。下面简要介绍几种变压器检测的常用方法。 2 2 1 油中溶解气体分析法 油中溶解气体分析( d i s s o l v e dg a s e sa n a l y s i s 简称d g a ) 能够及时发现变压器 内部存在的早期故障，在以往的运行维护中消除了不少事故隐患，成为目前电力系 统中对油浸式电力变压器常规使用的重要检测手段。我国电网中有5 0 以上的故障 变压器是通过该试验结果检出的。 在实际运行中的电力变压器绝大多数以油和油浸绝缘纸作为主体绝缘材料，在 正常老化过程及故障初期，油纸绝缘劣化所形成的低分子烃、氢气以及碳的氧化物 等气态化合物绝大部分将溶解于油中。变压器油中溶解的各种气体成分的相对数量 和形成速度主要取决于故障点能量的释放形式及故障的严重程度，所以根据色谱分 析结果可以进一步判断设备内部是否存在异常，推断故障类型及故障能量等。 实践表明油中溶解气体分析是目前检测变压器内部潜伏性故障最有效的方法 之一。d l t 7 2 2 2 0 0 0 ( 变压器油中溶解气体分析和判断导则) 推荐改良三比值法为 变压器设备内部故障诊断的主要方法。表2 1 和表2 2 分别是改良三比值法的编码 规则和故障类型诊断，表2 3 油中溶解气体的正常极限注意值( 1 x l l ) 。 表2 1改良三比值法编码规则 气体的比值 比值范围的编码 范嗣 c 2 h 2 c 2 h 4 c h 4 h 2 c 2 h 4 ，c 2 h 6 = o 1 = l = 3 222 8 华北电力火学硕士学位论文 表2 - 2 故障类型诊断 编码组合 故障类型诊断 c 2 h 2 c 2 h 4 c h 4 a 1 2c 2 h 4 c 2 h 6 lo 局部放电 ol 低温过热( 低于1 5 0 ) 020 低温过热( 1 5 0 3 0 0 l ) 2l 中温过热( 3 0 0 7 0 0 ( 2 ) 0 ，1 ，2 2 高温过热( 高于7 0 0 ) 0 ，l0 ，l ，2 低能( 火花) 放电 2 2 0 ，1 ，2 低能( 火花) 放电兼过热 0 ，10 ，1 ，2 电弧放电 l 2 0 ，l ，2 电弧放电兼过热 表2 3 油中溶解气体的正常极限注意值( 斗u l ) l 气体成分 h 2 c h c 2 h 6c 2 h 4c 2 h 2 总烃 l 正常极限值 1 5 04 53 56 551 5 0 同时，d l t 7 2 2 2 0 0 0 还提出了应用改良三比值法的三项原则，分别是： ( 1 ) 只有气体各组中的分含量注意值或气体增长率的注意值有足够的理由判断 设备存在故障时，气体比值才是有效的，此时给予计算。对气体含量正常，且无增 长趋势的设备，比值就没有什么意义了。 ( 2 ) 如果气体的比值与以前不同，就有可能新的故障重叠在老故障或正常老化 上。为了得到仅仅由新故障的气体比值，我们从最后一次的分析结果中减去上一次 的分析数据，并重新计算比值( 尤其是在c o 和c 0 2 含量较大的情况下) 。并且在 进行比较时，要注意在相同的负荷和温度等情况下，还要在相同的位置取样。 ( 3 ) 由于溶解气体本身存在的试验误差，导致气体比值也存在着不确定性。对 气体浓度大于1 0 9 l l 的气体，两次的测试误差不应大于平均值的l o ，而在计算 气体比值时，误差有可能提高到2 0 。当气体浓度低于1 0 i l l 时，误差会更大， 从而使比值的精确度迅速降低。因此在使用比值法判断设备故障性质时，应注意各 种可能降低精确度的因素。 由于三比值法故障编码不多，实际工作中有许多变压器故障因查不到故障编码 而无法进行判断，而且判断方法复杂。因此，需要寻求更简单、更精确的诊断技术， 研究人员就提出了用无编码比值法分析和判断变压器故障性质的方法，并通过大量 9 华北电力大学硕士学位论文 的实验验证了这种方法的准确率，在某些情况下会高达9 4 。 用“无编码比值法 分析和判断变压器故障性质，首先是计算乙炔比乙烯的值。 当其值小于o 1 时为过热性故障，再计算乙烯比乙烷的值，确定其过热温度。当乙 烯比乙烷的值小于l 时，为低温过热( 小于3 0 0 ) ；当乙烯比乙烷的值大于1 小于3 时为中温过热( 3 0 0 - - 一7 0 0 c ) ；当乙烯比乙烷的值大于3 时为高温过热( 大于7 0 0 ) 。 当乙炔比乙烯的值大于0 1 时，为放电性故障。由此计算甲烷比氢气的值，确定是 纯放电还是放电兼过热故障。当甲烷比氢气的值大于l 时，为放电兼过热故障，反 之为纯放电故障。其分析判断方法见表2 4 。 表2 - 4无编码比值故障性质分析判断方法 故障性质c 2 h 2 c 2 h 4c 2 h 4 c 2 h 6c h 4 h 2典型例子 低温过热 o 1 l无关引线外包绝缘脆化，绕组油道堵塞，铁 ( 3 0 0 c ) 芯局部短路 中温过热 0 1l 比值 7 0 0 ) 高能放电0 1 比值无关 l l接地铜片与铁心对点接触，选择开关调 过热 节不到位 实践证明，用“无编码比值法 分析和判断变压器故障性质与“三比值法相 比有以下优点： ( 1 ) 计算和判断方法简单，只需计算两个比值就可确定一个故障，免去了先编 码，再由编码查故障的过程，可直接由两比值查找故障； ( 2 ) 解决了“三比值法”故障编码少，有些故障无法查找的技术难题： ( 3 ) “无编码比值法可以画成故障分区图进行判断，具有直观、明了、简单等 优点。对于色谱跟踪的变压器，还可以根据比值在故障分区图中位置变化情况，了 解故障发展趋势； ( 4 ) “无编码比值法 诊断准确率高于“三比值法： ( 5 ) 二维变量确定一个故障，易于计算机判断和制图。 但是，对纯氢超标的变压器不宜用“无编码比值法”诊断，宜用“特征气体法” 1 0 华北电力大学硕士学位论文 判断。 2 2 2 绝缘油特性试验 绝缘油特性试验是专门针对变压器绝缘油绝缘性能所做的检测，衡量变压器绝 缘油的绝缘特性主要有以下3 个指标： ( 1 ) 电气强度 电气强度即油耐压试验的击穿电压，从耐压值的大小可以判断出油中含杂质的 多少( 水分、纤维及微生物) 和变压器绝缘性能的优劣。 ( 2 ) 水分 电力变压器常因为绝缘受潮而导致绝缘水平下降。受潮的主要原因是变压器本 体密封不良或呼吸作用而进水，其次是由于本体绝缘材料在热和磁场作用下分解老 化而析出水分。 ( 3 ) 油介损( t g 吒) 变压器油的介损t g 皖是一项对油的品质极为敏感的指标，一般来说，变压器油 受到污染、受潮、老化程度加深等因素影响使油的品质下降，都会使油的馆皖增大。 2 2 3 其他试验方法 除了上面所讲的常规试验项目，通常在条件允许和必要的情况下，还要对变压 器进行其他试验，例如工频耐压试验、感应耐压试验，低压励磁试验等。这些试验 可以从不同角度反映出变压器内部主绝缘和纵绝缘的电气强度，能够检测出其绝缘 存在的局部故障。而需要注意的是，耐压试验是在对变压器施加高电压环境下进行 的破坏性试验，因此，这种检测手段在故障诊断的过程中应慎重使用。 2 3 变压器故障综合诊断 上面方法都是对变压器进行的单独过热、放电的诊断，而现在最主要的变压器 故障智能诊断系统都是基于油中气体分析的，但是，从上节可知，单凭油中气体分 析只能判断出变压器故障的性质( 过热或放电) 以及故障的程度，这些对于诊断一 台变压器的状态并制定相应的检修措施还略显不足。当变压器内部存在过热、放电 等故障时，除了热源使绝缘材料分解产生气体之外，还会伴有其他电气、物理和化 学性能的变化。此外，油中故障气体的产生有时与运行和检修情况有关。因此，当 根据油中气体分析认为可能存在故障时，还应结合电气、化学试验结果等进行综合 华北电力人学硕士学位论文 判断f 2 8 1 。这样不仅有助于准确判断故障类型，也有利于对故障部位做出估计。表2 5 是油中气体分析判断结果与其他试验项目的关系。 表2 5 油中气体分析与其他试验项目的关系 油中气体分析判断结果 变压器的试验项目 备注 过热故障电弧放电火花局部放电 击穿电压、酸值、 绝缘油试验 、， 、， 水分、闪点、电阻 率 铁芯多点接地或铁芯短路 、， 绕组绝缘电阻 、，、，、， 变压比试验 、，、， 直流电阻 、， 耐压试验 、，、， 介损试验 、， 局部放电试验 继电器动作试验 、， 确认动作特性 表2 - 6 中列出了电气、化学试验结果与油中气体结果具有一致性的实例。由表中可 以看出因导电回路接触不良而引起的过热故障时，直流电阻的不平衡可能超过规定的标 准；当油中c 2 h 2 单值较高，d g a 分析判断为可能存在低能放电时，配合局部放电量检 测可以进一步明确判断；如果h 2 单值较高，那么设备内部可能存在气泡放电或进水受 潮：当认为变压器可能存在匝间、层间短路故障时，可以进行变比试验。 表2 - 6 与油中气体分析具有一致性效果的电气、化学试验实例 变压器油中气体主要指标d g a 结论电气、化学试验结实际故障 果 总烃 1 6 0 直流电阻不平衡率 a 过热分接开关烧坏 c 2 h 4 1 3 6人丁2 总烃2 1 4 c 2 h 2 6 5 超卢波放测量c 相高低压用屏、角环垫多 b h 2 3 2 8 高能放电 人于1 0 4 p c ，a 、b处树枝装放电，有烧损、 二比值 1 0 2 相为4 1 0 2 p c 碳化痕迹 c o c 0 2 0 6 2 总烃 4 1 5 c 2 h 4 2 5 9 铁芯接地小套管绝油箱底部金属异物造成 c过热 c h 4 1 2 4缘电阻2 q铁芯多点接地 二比值0 2 2 华北电力大学硕士学位论文 续表2 - 6 与油中气体分析具有一致性效果的电气、化学试验实例 总烃 1 2 6 三相高压套管处a a 相引线对套管穿缆导 d c 2 h 2 6 2 低能放电相放电量明显高于 电管内壁放电 h 2 8 l b 、c 相 总烃 6 2 绝缘电阻显著下 e 受潮油箱底部积水 降，泄漏电流增加 2 4 本章小结 本章介绍了电力变压器的主要故障类型、故障检测手段以及各种检测手段所提 供的故障特征量，阐述了以d g a 分析为基础，结合电气试验和化学试验的变压器 故障综合诊断原理。变压器本身结构复杂，其故障类型与检测出的故障特征之间存 在关联关系，这就要求故障诊断方法具有处理关联分析的能力，而关联规则理论恰 恰在这方面具有优势。 - 一一一 念，如支持度与置信度以 及关联规则的几种算法，重点介绍了经典的a p r i o r i 算法及其原理和步骤。知识库方 面，主要介绍了知识及知识库的原理与内容，重点阐述了与故障诊断相关知识的表 示方法以及推理诊断方法。 3 1 关联规则简介 关联规则是寻找同一个事件中出现的不同项之间的相关性，即找出事件中频繁 发生的项或属性的所有子集，以及它们之间的相互关联性。研究人员最早用于发现 顾客交易数据库中不同商品间的联系，之后在此基础上对关联规则的挖掘问题进行 了扩展性研究。 3 1 1 定义 关联规则的相关基本概念和问题【2 9 】描述如下： 定义3 1 关联规则的挖掘数据库记为d ，d 是事务t 的集合，d = t l ，t 2 ，t 。) ， n 为数据库中事务的个数。事务t j = i i ，i 2 ，i m ) ，i m 称为项( i t e m ) ( m = l ，2 ，p ) 。 定义3 2 设i = i l , i 2 ，i 。) 是d 中所有项的集合，i 的任何子集a 称为项集 ( i t e m s e t ) ，i a i = k 称集合a 为k 项集。设气和a 分别为d 中的事务和项集，如果a t k ， 称事务乙包含项集a 。每个事务有一个标识符，称作t i d 。 事务和项集虽然都是项目的集合，但两者含义不同。事务是数据库d 的组成元 素，类似于关系数据库中的一个记录或元组；而项集是为了挖掘关联规则而定义的 项的组合，类似于关系数据库中一些字段的组合。 定义3 3项集a 的支持度计数是指数据库d 包含特定项集a 的事务的个数， 记为盯( 彳) ，可以表示为：仃( 彳) = i 么s f i ，气d l 项集a 的支持率或称支持度，记作s u p p o r t ( a ) ，即概率p ( a ) ：， s u p p o n ( a ) - p ( a ) 2 瞀l 毗 其中，i d l 是数据库d 的事务数。 则称a 为频繁项集( f r e q u e n ti t e m s e t ) ， ( 3 一1 ) 若s u p p o r t ( a ) 满足最小支持度阈值m i n _ s u p ， 否则称a 为非频繁项集。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 定义3 - 4关联规则 关联规则是形如a 、b 的蕴含式，其中a c ，b c i ，并且a n b = 。a 、b 分 别称为关联规则彳j 曰的前提和结论。 定义3 5关联规则的支持度和置信度【3 0 1 关联规则a b 的支持度( s u p p o r t ) 是数据库d 中包含a u b 的百分比，即概率 p ( a u b ) ，记作s u p p o r t ( a o b ) 。 s u p p o r t ( a - 9b ) = s u p p o r t ( aub ) = p ( aub )( 3 2 ) 关联规则彳斗召的置信度( c o n f i d e