（电机与电器专业论文）基于支持向量机的油浸式变压器故障诊断研究.pdf

河北科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l a r g ee l e c t r i cp o w e rt r a n s f o r m e ri st h ek e ya p p a r a t u si nt h ee l e c t r i cp o w e rs y s t e m f a u l t so fap o w e rt r a n s f o r m e rm a yh a v eag r e a te f f e c to nt h ep o w e rs y s t e mt ow h i c ht h e t r a n s f o r m e ri sc o n n e c t e d ，a n dm a yc a u s eas e r i e sl o s st ot h ep o w e rc o n s u m e r s t h e r e f o r e ， t h e r ei sg r e a ta c a d e m i ca n de n g i n e e r i n gs i g n i f i c a n c et o s t u d yf a u l td i a g n o s i st e c h n o l o g y a n df a u l tp r e d i c t i o nt e c h n o l o g yo np o w e rt r a n s f o r m e r s s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ( s v m ) i san o v e lm a c h i n el e a r n i n gm e t h o db a s e do nt h e s t a t i s t i c a ll e a r n i n gt h e o r ya n dt h es t r u c t u r a lr i s km i n i m i z a t i o np r i n c i p l e i tc a l lb a l a n c e o p t i m a l l yt h ec o m p l e x i t yo fa l g o r i t h m ( v cd i m e n s i o n ) a g a i n s tt h e t r a i n i n ga c c u r a c y ( s t r u c t u r a lr i s km i n i m i z a t i o n ) i ti sw i d e l yu s e di nt h ef i e l dc h a r a e t e r i z e db ys m a l ls a m p l e ， n o n l i n e a r i t y ，a n dl o c a lm i n i m a s i n c et h er e s o l u t i o np r i n c i p l eo fs v mi sq u a d r a t i c p r o g r a m m i n gw h o s el o c a lo p t i m a lv a l u ei sj u s ti t sg l o b l ev a l u e ，i ta v e r t sf a l l i n gi n t ol o c a l o p t i m a lv a l u ei nt r a i n i n ga n dr e c o g n i t i o n s oi th a sg o o dg e n e r a l i z a t i o na b i l i t y t h i sp a p e rm a k e sa ni n - d e p t hs t u d yt ot h ea p p l i c a t i o no fs v mi nt h ef a u l td i a g n o s i s o ft r a n s f o r m e r t h ee f f e c t i v e n e s so fa l g o r i t h m si sv a l i d a t e dt h r o u g hb yt h es i m u l a t i o n e x p e r i m e n t o ft h ef a u l td i a g n o s i so ft r a n s f o r m e r t h ei n n o v a t i v ea c h i e v e m e n t sa r e c o n c l u d e da sf o l l o w s 1 ) a c c o r d i n gt ot h ec o m p a c t n e s sp r i n c i p l eo ft h ef a u l td i a g n o s i so ft r a n s f o r m e r ，t h e t r a i n i n gs a m p l e sa r ec l u s t e r e db yf u z z yk e r n e lc l u s t e r i n ga l g o r i t h m ，t h ef i g h to n e s c l u s t e r e db yf u z z yk e r n e lc l u s t e r i n ga r ep u ti n t ot h ec l a s s i f i e ro fs v mm u l t i - c l a s so b j e c t s i m p l i f i e ds t r u c t u r ea n dt r a i n e db yt h i ss t r u c t u r e ，f i n a l l y ，t h ef a u l to ft h et r a n s f o r m e rc a n b ed e t e c t e d 2 ) am o d e lb a s e do ns u p p o r tv e c t o rm a c h i n ea c t i v el e a r n i n ga n dk a r h u n e n - l o e v e ( k - l ) f e a t u r ee x t r a c t i n gi sp r o p o s e df o ro i l - i m m e r s e dt r a n s f o r m e rf a u l td i a g n o s i s ，a n da s v ma c t i v el e a r n i n ga l g o r i t h mw i t ht h ee u c l i d i a nd i s t a n c eb a s e do nm e r c e rf u n c t i o ni s i n t r o d u c e dt os e l e c tt h et r a i n i n gs a m p l ed a t a t h ek lt r a n s f o r mi su s e dt oe x t r a c tt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h es a m p l eo ft h ed a t as e tw h i c ha r ed i s p l a y e di nt h et h r e e - d i m e n s i o n f i g u r e t h et h r e e d i m e n s i o nf i g u r ev a l i d a t e st h ec o m p a c t n e s sp r i n c i p l eo ft h ef a u l td a t ao f t r a n s f o i t l l e r 3 ) t h ei n f l u e n c e so ft h ee r r o rp e n a l t yp a r a m e t e rca n dt h ek e r n e lp a r a m e t e ryo n s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e sg e n e r a l i z a t i o na b i l i t ya n dt h em e t h o do ft h ec h o i c eo ft h e o p t i m u mp a r a m e t e ra tp r e s e n t a tt h es a m et i m e ，a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n td a t as e t , s v m a b s t r a c t s h o u l dc h o o s ed i f f e r e n tk e r n e lf u n c t i o na n dt h et w o d i v i d e dm e t h o di sp r o p o s e dt ot h e c h o i c eo ft h eo p t i m u mp a r a m e t e r ( c ，y ) o fs v m k e yw o r d s f a u l td i a g n o s i so ft r a n s f o r m e r ；s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ；f u z z yk e r n e l c l u s t i n g ；s v ma c t i v el e a r n i n ga l g o r i t h m ；m o d e ls e l e c t i o n n 1 河北科技大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发 表或撰写过的作品或成果。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：幸幽嗬 锄7 年乡月，日 指导教师签名： 药1 兢毛 训年月3 - e l 河北科技大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权河北科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 口保密，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 口不保密。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名： 幸硅略 卅年乡月y 日 i 指导教师签名：裔、l 戒善 伽7 年彭月，日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 电力变压器内部故障诊断的意义 随着国民经济的持续高速发展，我国的电力建设己进入了超高压、大电网、大 容量、自动化的新阶段。南部电网、中部电网和北部电网的联网已在加速建设中， 随着三峡电站的建设，全国联网也将在未来几年形成。在这样的电网格局下，提高 电力设备特别是大型电力变压器运行的可靠性对整个电网的安全可靠运行具有重要 的意义。电气设备是组成电力系统的基本元件，电力生产的设备投资占企业投资的 6 0 7 0 以上，设备是保证供电可靠性的基础，是安全生产的最大保证【。无论是 大型关键设备如发电机、变压器，还是小型设备如电力电容器、绝缘子等，一旦发 生失效必将引起局部以致全部地区的停电。大量资料表明导致设备失效的主要原因 是其绝缘性能的劣化。例如我国1 9 8 4 1 9 8 6 年间l l o k v 及以上等级电力变压器事故 统计分析表明【2 1 j 由于绝缘劣化引起事故台次占事故总台次的6 8 和总事故容量的 7 4 ，而1 9 9 0 年的统计分别为7 6 和6 5 【3 】。1 9 8 0 年电力部对3 6 台故障电流互感 器进行分析，绝缘事故占9 2 1 4 1 。1 9 9 0 年全国1 1 0 k v 及以上等级互感器中绝缘故障 占总事故台次的5 5 。国外的统计也有类似结果，例如美国某地区4 8 k v 配电系统 对1 9 8 0 1 9 8 9 年间失效电容器的统计分析指出其中9 2 是因为绝缘劣化引起失效【5 1 。 电力设备特别是大型电力设备故障所造成的经济损失是非常巨大的。有些非大型设 备虽自身价值并不昂贵，但故障后果严重，例如以往互感器、电容器、避雷器常因 绝缘故障发生爆炸和起火，不仅会波及邻近设备，且由于故障的突发性会因爆炸而 造成人员伤亡。所以运行中电气设备的绝缘状态对电力系统的安全运行至关重要， 要求电力工作人员必须加强电气设备绝缘的监测与诊断，及时发现隐患以确保电力 设备和人身安全。电力设备故障可能引起电网故障，甚至导致系统崩溃和瓦解，其 危害极大。如1 9 6 5 年1 1 月9 日美国纽约市发生的大面积停电，时隔1 2 年，1 9 7 7 年 7 月1 3 日由于两次雷击高压输电线路及多处设备问题和操作人员失误，又造成第二 次大面积停电，停电时间长达4 5 2 5 小时，使全市出现大混乱，经济损失惨重。又 如，1 9 9 3 年1 月1 9 日内蒙古丰镇发电厂发生一起2 2 0 k v 、2 4 0 m v a 主变压器内部短 路着火的重大设备损坏事故，直接经济损失近百万元l6 | 。可见在实现电力正常生产的 同时，预防和减少设备事故，是十分重要的大事，对提高电力企业的生产效率和管 理水平均具有突出的重要意义。 电力变压器由绝缘材料和导电、导磁材料及结构材料构成。绝缘材料大多为有 机材料，如矿物油、绝缘纸、各种有机合成材料等。相对于金属材料而言，绝缘材 河北科技大学硕士学位论文 料在运行中，由于受到电、热、机械、环境等各种因素的作用，很容易逐渐劣化而 使机电强度显著降低，造成设备故障而引起供电中断。大量研究资料表明：导致变 压器事故的主要原因是其绝缘性能较差【7 8 】。因此，设备的绝缘结构性能的好坏，往 往成为决定整个变压器寿命的关键所在。 对包含变压器在内的电气设备绝缘是人们十分重视的技术，全世界维修技术的 发展大致可以分为三个阶段：事故检修一定期检修一状态检修。事故检修是5 0 年代 以前主要采取的方式，就是在设备发生了故障或事故以后才进行检修【9 1 。这是基于那 时没有形成象现在这样庞大的系统网络，因此设备发生故障时的影响面小，同时大 部分设备都比较简单，设备的设计裕量大而且修复容易，设备停运对企业的经营活 动影响不大，人们的依赖性也没有现在这样强烈，所以当时只进行简单的日常维护 和检修，没有开展系统的检修。 我国采用的定期计划检修即为电力设备预防性试验制度，即通过对电力设备进 行定期的停电预防性试验，根据试验结果决定电力设备在下一次投运前是否需要进 行必要的维修。定期检修是一种基于时间的检修，其理论依据是：设备能通过定期 检修，周期性地恢复到接近新设备的状态。因此，检修工作的内容与周期都是预先 通过计划安排设定的，不管设备的状态如何，到时间就要修，目的是为了防止或延 迟故障的发生，以期望达到最大限度地保证设备运行的可靠性。但这种定期检修的 管理制度往往是以牺牲企业的自身经济利益为代价的，在设备尚未发生缺陷且可正 常运行的情况下就进行停运检修甚至更换设备，易造成了不必要的人、财、物的浪 费。同时，预防性试验条件与变压器实际运行条件相差甚远，根据在较低的试验电 压下测试出的参量难以发现绝缘潜在的缺陷和故障( 绝大部分预防性试验是在低于 运行电压的试验电压下进行的) ；绝缘的劣化、缺陷的发展总有一定的潜伏期和发展 时间，预防性试验是定期进行的，不能及时准确地发现故障，往往在预防性试验周 期内时有故障发生。因此，从以停电进行预防性试验为基础的计划检修逐步过渡到 以在线监测为基础的状态维修，已成为电力系统发展的必然趋势。 1 2电气设备故障诊断的原理及技术 诊断学d i a g n o s t i c s - - 词源于希腊文，意指鉴别、确定。它的含义是“根据症状来 识别病人所患何病 。从智能理论的观点来看，诊断是医生收集病人症状( 包括医 生的感观、病人的主观陈述以及各种化验检测结果) ，并根据症状进行分析处理， 以判断患者的病因、严重程度，从而确定对患者的治疗措施与方案的过程。当前国 内外工程科技领域流行的“诊断技术方面的术语有两种：一种叫做机械故障诊断 ( m e c h a n i c a lf a u l td i a g n o s i s ) 包括机械设备、工程结构和工艺过程的故障诊断：另一种 叫做技术诊断( t e c h n i c a ld i a g n o s i s ) 或工程诊断( e n g i n e e r i n gd i a g n o s i s ) 。本文所指的“诊 2 第1 章绪论 断”是指前者，即指对异常状态的检测、异常状态原因的识别以及包括对异常状态 预测在内的各种技术的总称。对机器故障处理、状态监测、诊断和预报的研究，始 于美国和欧洲。7 0 年代美国的飞机诊断技术，挪威的船舶诊断技术，瑞典的轴承监、 测技术，以及月麦的振动监测诊断技术等都各有千秋，并取得了显著的社会和经济 效益。电气设备绝缘诊断技术的含义是通过对电气绝缘的试验和各种特性的测量， 了解及评估设备在运行过程中的状态，从而能早期发现故障的技术。“试验和测量” 是“诊”，“识别和评估”是“断”，这是对诊断技术广义的了解。狭义而言，“诊 断”指故障诊断，指特征量收集后的分析判断过型1 0 j 。 故障诊断技术是保障电气设备安全运行的基本措施之一，它能够在电气设备故 障初期对故障的发展情况作出分析和预测。其目的是在充分掌握电气设备实际状况 的基础上，制定合理的维修策略，以便在允许的条件下充分挖掘设备潜力延长其服 役期限和使用寿命，降低电气设备全寿命周期费用的故障诊断技术主要包括以下几 方面内容： 1 ) 状态监测技术实时采集反映电气设备运行情况的各种信号和参数，并对 设备的状态加以记录，为电气设备的故障分析、性能评估及合理使用提供基础信息； 2 ) 故障识别技术根据状态监测所获得的信息对异常状态做出报警并对故障 类型进行初步分析以便运行人员及时了解电气设备的工作情况； 3 ) 诊断推理技术根据各种检测方法得出的初步结论，结合具体电气设备的 结构特点，综合考虑电气设备的运行历史( 包括运行记录曾发生过的故障情况及维 修记录等) 和各种环境因素的影响，对电气设备发生的故障进行分析，确定故障的 性质、程度以及部位，推测诱发故障的直接原因； 4 ) 寿命预测技术对已识别出的故障进行预测，指出故障的发展趋势及其后 果，估算电气设备的剩余寿命，确定检修周期，提出控制故障发展和消除故障的维 修策略。 总体来说，电气设备故障诊断既要保证电气设备运行的安全、可靠，又要力求 获取最大可能的经济效益和社会效益。 1 3 变压器故障诊断技术研究的现状及发展趋势 电力变压器是保证电力系统安全运行的最重要的电气设备之一，研究变压器故 障诊断技术对电力系统安全、可靠的运行具有十分重要的意义。对变压器故障进行 及时准确地诊断，可以避免和减少事故由于电力变压器的故障和事故多数是由直接 原因、间接原因和扩展性原因综合起来而引起的，非常复杂，而故障现象却具有一 定的模糊性，往往表现为同一故障的现象呈现多样性，不同故障的现象却具有相似 性【1 1 】。因此要想根据具有相似的或相近的表现特征来判断和区分不同的故障类型是 3 河北科技大学硕士学位论文 有一定困难的。 1 3 1油浸式变压器的常见故障及其划分 油浸式电力变压器的故障通常被分为内部故障和外部故障两种。内部故障为变 压器油箱内发生的各种故障，其主要类型有：各相绕组之间发生的相间短路、绕组 的线匝之间发生的匝问短路、绕组或引出线通过外壳发生的接地故障等。外部故障 为变压器油箱外部绝缘套管及其引出线上发生的各种故障，其主要类型有：绝缘套 管闪络或破碎而发生的接地( 通过外壳) 短路，引出线之间发生相间故障等而引起 变压器内部故障或绕组变形等。变压器的内部故障从性质上一般又分为热故障和电 故障两大类。热故障通常为变压器内部局部过热、温度升高。根据其严重程度，热 性故障常被分为轻度过热( 一般低于1 5 0 ) 、低温过热( 1 5 0 3 0 0 ) 、中温过热 ( 3 0 0 7 0 0 ) 、高温过热( 一般高于7 0 0 ) 四种故障情况。电故障通常指变压器内 部在高电场强度的作用下，造成绝缘性能下降或劣化的故障。根据放电的能量密度 不同，电故障又分为局部放电、火花放电和高能电弧放电三种故障类型【1 1 】。 1 3 2油浸式变压器离线故障综合诊断方法 ( 1 ) 油色谱分析判断有异常若变压器油色谱分析有异常时，可采用的针对性 检测方法有：检测变压器绕组的直流电阻，铁芯的绝缘电阻和铁芯接地电流，空载 损耗和空载电流，在运行中进行油色谱和局部放电追踪监测，检查变压器潜油泵及 相关附件运行中的状态，用红外测温仪检测运行中变压器的油箱表面温度分布及套 管端部接头温度，进行绝缘电阻、吸收比、极化指数、介质损耗、泄露电流等绝缘 特性试验，绝缘油的击穿电压、油介质损耗、油中含水量、油中含气量等检测，变 压器运行或停电后的局部放电检测，绝缘油中糖醛含量及绝缘纸材聚合度检测，交 流耐压试验检测。 ( 2 )变压器出口短路若发生变压器出口短路，可采用的针对性检测方法有： 进行油色谱分析，绕组直流电阻检测，短路阻抗试验，绕组的频率响应试验，空载 电流和空载损耗试验。 ( 3 )变压器器绝缘受潮若初步判断变压器受潮，则要进行绝缘电阻、吸收比、 计划指数、介质损耗、泄露电流等绝缘特征试验，变压器油的击穿电压、油介质损 耗、含水量、含气量( 5 0 0 k v 级时) 试验，绝缘纸的含水量检测。 ( 4 ) 绝缘老化若初步判断变压器绝缘老化，则要进行油中一氧化碳和二氧化 碳的含量及其变化等色谱分析，油的酸值检测，油中糖醛含量检测，油中含水量检 测，绝缘纸或纸板的聚合度检测。 ( 5 ) 变压器振动及噪声异常若发现变压器振动及噪声异常，则要进行振动检 测，噪声检测，油色谱分析，变压器阻抗电压测量，进行空载试验，测量三相空载 4 第1 章绪论 电流和空载损耗值，以此判断变压器的铁芯硅钢片之间有无故障或磁路有无短路， 以及绕组短路故障等现象。 1 3 3 油浸式变压器在线故障综合诊断方法 ( 1 )电检测法利用示波器、局部放电仪或无线电干扰仪，查找放电的波形或 无线电干扰程度。电测法的灵敏度较高，测到的是视在放电量，分辨率可达几皮库。 ( 2 ) 超声波检测法利用检测放电中出现的超声波，并将声波变换为电信号， 录在磁带上进行分析。超声传感器的频带约为7 0 1 5 0 千赫兹，以避开铁芯的铁磁噪 声和变压器的机械振动噪声1 1 2 1 。超声测法的灵敏度较低，大约几千皮库，其优点在 于可避免电磁干扰的影响，便于空间定位，易于实现在线检测，缺点是放电源和超 声探头之间的超声波阻抗是非常复杂的，超声信号常常因为多种因素影响而失真( 如 传播途径、频率、速度相关特性以及不同介质中的传播衰减等) 。在电力变压器的离 线和在线检测中，它是主要的辅助测量手段。 ( 3 ) 红外成像检测法红外成像技术是不接触电气设备，在不停电的情况下进 行电气设备绝缘故障检测和诊断的现代化手段。虽然红外成像测温能对电气设备进 行实时带电检测，可以发现常规试验手段所不能发现的设备故障【1 3 l 。 ( 4 ) 脉冲电流检测法它是通过检测阻抗来检测局部放电引起的脉冲电流信 号，从而获得局部放电的基本信息，如视在放电量、放电次数以及放电相位。由于 检测阻抗和放大器对测量的灵敏度、准确度、分辨率以及动态范围等都有影响，因 此当试样的电容量较大时，受耦合阻抗的限制，测试仪器的测量灵敏度受到一定限 制；测量频率低、频带窄，包含的信息量少【1 4 】。 ( 5 ) r i v 检测法局部放电会产生无线电干扰的现象很早就被人们所认识。例 如人们常采用无线电电压干扰仪来检测由于局放对无线电通讯和无线电控制的干 扰，并已制定了测量方法的标准。用r i v 表检测局放的测量线路与脉冲电流直测法 的测量电路相似。 ( 6 ) 光检测法光测法利用局放产生的光辐射进行检测。在变压器油中，各种 放电发出的光波长不同，研究表明通常在5 0 0 7 0 0 m m 之间。在实验室利用光测法来 分析局放特征及绝缘劣化等方面已经取得了很大进展，但是由于光测法设备复杂昂 贵、灵敏度低，且需要被检测物质对光是透明的，因而在实际中无法应用。 ( 7 ) 微水分析法变压器油在运行条件下易发生氧化并产生析水现象，引起油 质进一步劣化，从而使固体绝缘结构的绝缘材料性能下降，甚至酿成严重的后剁1 5 】。 最初不少变压器专家利用钯栅场效应管作为变压器油中溶解氢气监测传感器，后来 采用催化燃烧测试技术测量油中游离氢的含量和微水含量，从而了解变压器内部绝 缘状况( 由于游离态气泡含水分、杂质等容易产生油中的悬浮电位，继而产生电小 5 河北科技大学硕士学位论文 桥导致击穿电压下降，对变压器危害甚大) 。 ( 8 ) 超高频检测法利用罗果夫斯基线圈从变压器中性点处测取信号，测量的 信号频率可以达到3 万千赫兹，大大提高了局放的测量频率，同时测试系统安装方 便，检测设备不改变电力系统的运行方式。目前，超高频方法的研究也面临着一些 问题，由于测量机理与脉冲电流法不同，因此无法进行视在放电量的标剧1 6 ，1 7 1 。此 外，由于变压器内部绝缘结构的复杂性，局部放电产生的电磁波在内部的传播将存 在大量的散射、折反射以及衰减；因而传播特性研究和局部放电源定位工作将注定 是难度很大而且充满挑战的。 ( 9 ) 化学检测法( d g a 法)检测溶解油内各种气体的含量及增减变化规律。 此法在运行监测上十分适用，简称“色谱分析”。目前，在变压器故障诊断中，单靠 电气试验方法往往很难发现某些局部故障和发热缺陷，而通过变压器油中气体的色 谱分析这种化学检测的方法，对发现变压器内部的某些潜伏性故障及其发展程度的 早期诊断非常灵敏而有效，这已为大量故障诊断的实践所证明【1 8 】。 油中溶解气体分析( d i s s o l v e dg a sa n a l y s i s ，d g a ) 是目前诊断充油电气设备故障 的重要手段，已作为变压器内部潜伏性故障的主要试验项目列于d 5 9 6 1 9 9 6 变 压器试验项目的首位i l 引。通过分析溶解在油中的特征气体将有助于对变压器内部的 早期潜伏性故障进行及时的检测。 1 3 4 基于人工智能的油浸式变压器故障诊断系统 利用人工智能的方法处理d g a 数据与故障类型之间的关系是典型的基于数据 的机器学习。基于数据的机器学习是现代智能技术的一个十分重要的方面，归结起 来，其目的是从数据( 样本) 中学习知识、获取信息，即通过对已知数据的学习， 找到数据内在的相互依赖关系，从而对未知数据进行预测或对其性质进行判断。 目前很多人工智能的方法如神经网络、专家系统、聚类分析、灰色理论、支持 向量机、粗糙集等，它们中的一种或几种集成的方法被应用于电力变压器绝缘诊断 中，并取得了较好的诊断效果。其中，文献 1 1 1 1 2 0 2 1 介绍了几种神经网络模型在 变压器故障诊断中的应用；文献【2 2 1 将神经网络与专家系统结合对变压器进行故障诊 断；文献1 2 3 1 2 4 乖1 j 用不同算法改进了神经网络，提高了诊断准确率；文献 2 5 2 6 1 将神经网络与其他智能诊断方法结合，对变压器故障进行组合诊断；文献【2 7 1 【2 8 1 利 用模糊聚类与其他算法结合，对变压器故障进行组合诊断，但模糊聚类分析中采用 了模糊c 均值( f u z z yc m e a n s ，f c m ) 算法，其无需任何先验知识，只考虑故障在特征 气体空间上的聚集效应，自动将故障进行分类。因此存在受样本的分布和初始参数 影响大，容易陷入局部最小的缺点；文献【2 9 】利用灰色关联度进行变压器故障诊断； 文献 3 0 l 利用免疫算法进行变压器故障诊断；文献【3 1 1 将数据挖掘技术引入变压器故 6 第1 苹绪论 障诊断系统；文献f 3 2 】介绍了组合诊断的概念；文献【3 3 利用数据融合技术进行变压 器故障诊断；文献f 3 4 】介绍了其他几种诊断方法；文献 3 5 】将通讯技术引入了变压器 故障诊断系统。 1 9 9 2 年至1 9 9 5 年，v a p n i k 在统计学习理论的基础上提出了支持向量机( s v m ) 。支 持向量机算法在解决小样本问题的同时，又能解决神经网络算法中的高维问题和局 部极值问题，使其具有更大的优势，其结构也非常简单，为统计学习理论的实际应 用提供了有效的工具1 36 1 。支持向量机针对小样本情况所表现出来的优良性能引起了 众多故障诊断领域研究人员的注意。肖健华对应用于故障诊断的s v m 进行了理论研 究，针对样本不对称情况进行了算法改进，在齿轮故障诊断中进行了应用研列3 7 1 。 陈毅松等提出了一种渐进直推式支持向量机学习算法p t s v m ，该算法可以较好适应 各种不同的训练样本分布1 3 引。 1 4 主要研究内容 主要研究了支持向量机、模糊核聚类、基于核的欧氏距离分类等人工智能分类 方法的原理及其在变压器故障诊断中的应用，根据各种方法的优缺点，扬长避短构 建了不同的组合分类器。在实际应用中，根据所获取的变压器油中溶解气体数据的 特点，采用不同方法对变压器的状态进行诊断，并对结果进行分析比较，从中找出 最适合进行变压器故障诊断的方法。具体的研究工作如下： 1 ) 以油中溶解气体为特征量诊断内部故障的比值诊断法 介绍了油中溶解气体的分析原理，分析了变压器中存在的各种典型的故障和变 压器存在潜伏性故障时油中和固体绝缘中气体产生的机理、典型故障及其油中的产 气特征。介绍了诊断变压器是否有故障的方法和变压器的故障诊断方法，而后者包 括传统的特征气体法和比值法的具体应用。 支持向量机理论及其多分类方法的研究 研究了支持向量机的理论来源统计学习理论，以及支持向量机分类算法的 推导过程。由于支持向量机分类是从二分类发展而来，多分类主要通过多个二分类 器的组合构成。重点研究了目前常用的几种多分类方法：s v m 一对多分类、s v m 一 对一分类、d a g s v m 方法和树形s v m 方法，并对它们的优缺点进行详细的分析比 较。 3 ) 以d g a 为特征量的基于模糊核聚类与s v m 多类目标简化结构的故障诊断模 型研究 详细探讨了模糊核聚类的基础理论，根据变压器故障具有紧致性原理，提出了 首先使用模糊核聚类对变压器故障训练样本进行选择，剔除个别偏差较大的样本数 据，有助于支持向量机的正确构造。同时，文中构造了一种新的多类分类法。并基 7 河北科技大学硕士学位论文 于故障数据通过仿真对该模型进行了验证。 4 ) 以d g a 为特征量的基于s v m 主动学习与k l 特征提取的故障诊断模型研究 针对变压器多故障问题，提出了基于m e r c e r 核函数的欧式距离查询策略的s v m 主动学习算法，以达到对训练样本数据的选择，同时介绍了基于k a r h u n e n l o e v e ( k - l ) 变换特征提取的原理，通过该方法将变压器故障样本数据由六维降为三维， 并显示于三维图中，验证了变压器故障所具有的紧致性。 5 1 支持向量机最优参数的选择研究 核函数及其参数的选择对支持向量机的正确构造具有重要作用，因此在介绍了 几种核参数寻优方法后，根据参数( c ，) ，) 对支持向量机的影响，提出了利用二分法进 行参数寻优。并通过仿真实验对该模型进行了验证。 8 第2 章基于油中溶解气体的故障比值诊断法及其分析 第2 章基于油中溶解气体的故障比值诊断法及其分析 对于大型电力变压器，目前几乎都是用油来绝缘和散热，变压器油与油中的固 体有机绝缘材料( 纸和纸板等) 在运行电压下随运行时间的增加，因放电和热的作 用会逐渐老化和分解，产生少量的各种低分子烃类及c o 、c 0 2 气体而变压器的内部 绝缘故障却伴随着局部过热和局部放电现象，使油或纸或油和纸分解产生c h 4 、 c 2 h 6 、c 2 h 4 、c 2 h 2 、h 2 、c o 和c 0 2 等气体当故障不太严重产气量较少时，所产 生的气体形成的气泡在油里经对流、扩散，不断地溶解于绝缘油中。当设备内部存 在潜伏性过热，或放电故障时，就会加快这些气体的产生速度。当产生速率大于溶 解速率时，在变压器里会有一部分气体进入气体继电器。此外，发热和放电的产生 程度不同，所产生的气体种类、油中溶解气体的浓度和各种气体的比例关系也不相 同，而与绝缘油的种类与牌号无关。正常运行变压器设备内的绝缘材料在热、电等 作用下将逐渐老化，产生某些可燃性气体和使油的闪点降低，引起故障。因此，油 中溶解气体的组分和含量在一定程度上反映出变压器绝缘老化或故障的程度，通过 对油中溶解气体进行气相色谱分析，便可发现变压器内部的发热和放电性故障。 然而，变压器内部故障并不限于发热和放电这两类故障，还有如螺丝松动、导 体接触不良等机械类故障和油中混入导电性杂质等其它故障。这些原因无法检测出 来，但是这类初始原因往往是变压器向伴随发热或放电故障发展的一个阶段。例如， 内部电气触头接触不良会引起局部发热，导电杂质会引起局部放电j 故障发展到发 热或放电阶段便可检测出来。由此可见，油中溶解气体的组分和含量可以作为反映 电气设备电气异常的特征量。 2 1变压器油中气体的产生和溶解及正常运行时的含量 2 1 1 气体的产生 在运行变压器内部气体形成的两个主要原因是热和电的故障。由于导体损耗加 重，油和固体绝缘受热分解而产生气体。油和绝缘受到电弧温度的影响也会分解产 生气体。通常，分解气体的形成主要由于离子的碰撞。低能放电或电晕时有少量或 没有热量产生。油中气体的产生机理与材料的性能和各种因素有关。 ( 1 ) 纤维素的分解绝缘纸、绝缘纸板的主要成份是纤维素，它是由许多葡萄 糖基借1 - 4 配键连结起来的大分子，其化学通式茭b ( c 6 h 1 0 0 5 ) 。具有很大的强度和弹性， 机构性能良好。 由于油浸纤维绝缘的过热或热解产生碳的氧化物( c o 、c 0 2 ) 和一些氢或甲烷 ( h 2 c h 4 ) ( c 0 2 是不可燃气体) 。它们产生的比率取决于温度指数和在该温度下材料 9 河北科技大学硕士学位论文 的体积。由于体积效应，中等温度下，一个较大体积的绝缘材料受热将会和一个较 高温度下较小体积的绝缘材料受热产生同样数量的气体。 模拟试验结果表明【4 5 】绝缘纸在1 2 0 1 5 0 长期加热时，产生c o 和c 0 2 ，且c 0 2 为主，在2 0 0 8 0 0 下热分解时除产生c o 、c 0 2 外还含有氢烃类气体( c h 4 、c 2 h 4 等) 且c o c 0 2 比值越高，说明热点温度越高，纤维素在高温下的分解可参看表2 - 1 。 表2 - 1纤维素在4 7 0 时热分解的产物 t a b 2 1t h ed e c o m p o s ep r o d u c t i o nw h e nt h ec e l l u l o s ei sh e a t e da t4 7 0 c 分解产物重量分解产物重量 c o 4 2 0水3 5 5 0 c 0 2 1 0 4 0醋酸1 4 0 c i - 1 4 0 2 7丙酮0 0 7 q h 4 0 1 7 焦油4 2 0 焦碳3 9 5 9其它5 2 0 可见，纤维素热分解生成的气体中，碳氢化合物很少，而c o 、c 0 2 很多。当油 纸绝缘遇电弧作用等还会分解出更多的乙炔( c 2 h 2 ) 等气体。而且同样在电弧作用 下，不同材料裂解出的气体组分和相对数量也不同。 ( 2 ) 油的分解矿物变压器油是许多不同碳氢化合物分子的混合物，包括烷烃、 环烷烃、芳香烃烯烃等，在热或电气故障复杂情况下，这些碳氢化合物的分解过程， 主要是碳一氢和碳一碳链的破裂，生成活泼的氢原子和短链碳氢化合物。这些游离 的原子因可相互结合生成气体：h 2 、c h 4 、c 2 h 6 等。也可化合成新的缩聚的分子， 进一步的分解和重排会形成比如c 2 h 4 及c 2 h 2 这样的产物，直至生成中碳链的碳氢 化合物分子。 根据模拟实验的结果【3 9 】发生故障时油分解出的气体为： 1 ) 3 0 0 8 0 0 。0 时，热分解产生的气体主要是低分子烷烃( c h 4 、c 2 h 5 ) 和低分子 烯烃( c 2 h 4 、c a h 6 ) ，也含有氢气h 2 ； 2 ) 当绝缘油暴露于电弧中时，分解气体大部分是h 2 和c 2 h 2 并有一定量的c h 4 、 c 2 1 - 1 4 ； 3 ) 发生局部放电时，绝缘油分解出的气体主要是h 2 和少量c h 4 。发生火花放电 时，则还有较多的c 2 h 2 。 由上可知，利用形成的气体组分浓度的相对比值，可用以推测此处的油或油纸 绝缘所处的裂解条件，这就是目前在油中溶解气体色谱分析中被广泛采用的比值法 的依据。 1 0 第2 章基于油中溶解气体的故障比值诊断法及其分析 2 1 2 气体在油中的分解 油纸等绝缘材料所产生的气体能溶解于油中，也有释放到油面上，每神气体在 一定的温度、压力下达到溶解和释放的油平衡，即最终将达到溶解的饱和或接近饱 和状态。油中气体溶解度可用奥斯特瓦尔德( o s t w a l d ) 系数k 值表示。 奥斯特瓦尔德系数定义为【删： 。k t 器鞣篇嬲( 2 - 1 ， = - 一 气相中气体的浓度( c 。) 7 即：当气液两相达到平衡时，对某特定气体来说： 巳= k 巳 ( 2 - 2 ) 式中e ，在平衡条件下，溶解在油中组分的浓度，uu l ； c 一在平衡条件下，气相中组分的浓度，u 虮； k 组分f 的奥斯特瓦尔德系数。 各种气体在矿物绝缘油中的奥斯特瓦尔德系数见表2 - 2 1 4 1 1 表2 - 2 各种气体在矿物绝缘油中的奥斯特瓦尔德系数k 值 t a b 2 2t h ev a l u eo ft h eo s w a l dc o e f f i c i e n tko fv a r i o u sg a s e si nm i n e r a li n s u l t i n go i l 气体k气体 k 2 0 5 0 2 0 5 0 氢( h 2 ) o 0 50 0 5 二氧化碳( c 0 2 ) 1 0 81 o o 氮( n 2 ) o 0 90 0 9 乙炔( c 2 h 2 ) 1 2 00 9 0 一氧化碳( c o ) 0 1 20 1 2 乙烯( c 2 地) 1 7 01 4 0 氧( 0 2 1 o 1 70 1 7 乙烷( c 2 h 6 ) 2 4 01 8 0 甲烷( c h 4 ) 0 4 30 4 0 丙烷( c 3 h 8 ) 1 0 0 0 k 用于表不组分气体溶于油中的溶解发它和温度有关溶解度低的气体如h 2 、c 0 、n 2 随温度上升i 面增加，c i - h 和溶解度高的c 0 2 、c 2 h 2 、g h 4 、c 2 h 6 则随温度上升而下降。 当变压器内部存在潜伏性故障时，若产气速率很慢则热分解产生的气体仍以气 体分子形态扩散并溶解于周围油中，只要油中气体尚未达到饱和，就不会有自由气 体释放出来。若故障存在时间较长，油中气体已达到饱和，即会释放出自由气体， 进入气体继电器中。若产气速率很高，热分解的气体除一部份溶于油中外，还会有 一部份成为气泡，气泡上浮过程中把溶于油中的氧、氮置换出来，置换过程和气泡 上升速度有关。故障早期阶段，产气量少，气泡小，上升慢，与油接触时间长，置 换充分，特别对于尚未被气体溶解饱和的油，气泡可能完全溶于油中，进入气体继 电器内的就几乎只有空气成份和溶解度低的气体如h 2 、c h 4 而溶解度高的气体则在 1 1 河北科技大学硕士学位论文 油中含量较高。 反之，若是突发性故障，产气量大，气泡大，上升快，与油接触时间短，溶解 和置换过程来不及充分进行，热分解的气体就以气泡形态进入气体继电器中，使气 体继电器中积存的故障气体反比油中含量高得多，从而还可能引起报警，这就是通 常采用色谱分析判断故障的一个较大的局限性，捕捉不到突发性故障的征迹，因而 无能为力。实施在线监测，可以在_ 定程度上得到改善，在监测过程中有可能观察 到并非瞬间发生的故障先兆，如能在积累运行经验的基础上采取必要的措施，可以 减少一部分事故的损失。当然，对于有些突发性故障，如短路引起的故障，可以在 几秒钟内导致严重的绝缘击穿事故，在线监测同样无能为力作用【1 1 】。 2 1 3 正常运行时变压器油中气体含量 正常运行的变压器，油中气体含量很少，主要是氧和氮，尤其可燃性气体( h 2 、 c h 4 、c 2 h 6 、c 2 i - 1 4 、c 2 h 2 、c o ) 更低占总量( t c g ) 的0 0 1 0 1 之间，新油更低。 油中总含气量和氮氧比例与变压器的密封方式、油的脱气程度、注油的真空度等因 素有关。正常变压器含氧量稍比空气大些为2 0 一3 0 。但含氮量比空气少，这和变 压器保护结构形式有关，氮封变压器含氧气占5 左右，薄膜密封变压器要小3 ， 而一般开放型变压器占3 0 左右。 正常变压器油中的c o 和c 0 2 分布比空气含量大一数量级，运行年限越长，其 数值越大，这是绝缘材料老化的象征。 正常变压器可燃性气体总量为o 1 以下，而有轻度故障的变压器在0 1 o 5 之间，故障变压器可燃性气体总量在0 5 以上，所以按可燃性气体总量来判别变压 器运行状态是可行的。表2 3 给出正