变压器的故障诊断及研究.doc

变压器的故障诊断及研究 第1章 绪论1.1本课题的研究背景与意义电力行业的发展与国计民生是息息相关的，所以，我国对电力行业的发展十分重视。改革开放之后，随着我国政治、经济、文化的不断繁荣发展，人民的生活日益改善，人们对于电力的需求也日益增多。近些年，我国在电力行业的发展可谓突飞猛进，工业的区域性、大面积地兴起致使更为大的容量、更为大的电压级别成为电力系统的发展方向和趋势，与此同时，保证电力系统稳定、安全并且经济地运行，也是应运而生的一项至关重要的任务。国内外的研究人员一直都致力于这项工作的研究与探讨，寻求电力系统的未来的发展方向。电力系统所含设备甚多，需要将整个系统分层次、分结构的进行探求，然后加以整合，其中，电力变压器便是这众多层次和众多结构中的一个，我们要充分保证电力变压器稳定、安全、并且经济地运行。电力变压器的原理是建立在电磁感应之上的，变压器一次侧和二次侧之间不存在直接的电与电的关系，而是以磁路作为中介，间接完成电压、电流的交换任务，从而满足人们的需求。由于电力变压器在电力系统中起着关键的作用，所以，我们需要使变压器能够长期运转在无故障状态下，以减少其对整个电力系统的影响，以致减少不必要的经济损失，甚至是避免不必要的事故伤亡。由此看来，针对电力变压器故障诊断的研究便必不可少，国内外众多学者都在致力于这一课题的研究，并且取得了显著的成就。我国对于变压器的故障诊断起步虽然较晚，但在前人积累的理论与实践的基础之上，在变压器故障诊断领域也有着迅速的进步和突破。电力变压器的种类和型号各式各样，诊断方法也不尽相同。本文选取油浸式电力变压器为例进行变压器的故障诊断。随着电力系统的发展，变压器的电压等级越来越高，容量越来越大，人们不但要求变压器设计和制造品质高，而且要求必须加强对运行中变压器的维护管理。这既是延长变压器使用寿命的关键，也是最大限度地防止事故和非计划停电的关键。另外，对变压器维护管理的工作应该从设备制造时就加以关注和重视。当电力变压器处于运行状态时，应该进行仔细巡视，并予以检查。在绝大部分情况下，检查是根据工作人员本身的理论经验和实践经验来进行的，通过感官，即看、听、摸、闻来判断设备的运行状态。有些时候，工作人员可以根据个人掌握的技能直接对电气设备的异常状况进行识别，而有的时候，人的感觉不是足够准确的，那么，就需要依靠先进的测量设备进行二次诊断。（1）监视电力变压器油的温度。对变压器的日常巡视和检查最重要的是监视各部件的油温，已达到在正常冷却和正常负荷的情况下，变压器可能出现的油温升高的异常状况，并分析其原因且采用有效的措施加以处理。（2）警惕电力变压器工作时候的不正常声响。变压器正常运行时，会发出持续均匀、有节奏的“嗡嗡”声，内部接触不良和放电时，可能听到“吱吱”声或“啪啪声”，箱体内部有金属异物或者内部有金属部件松动时，能听到强烈的、不均匀的噪声，或有近似“吹风”和“锤击”声，触头对地放电、触头间短路、触头烧坏、分接开关接触不良，有可能会有 “吱吱”的放电声产生等等。（3）对电力变压器的油位进行检查，查看正常与否。在夏季高峰负荷时，正常油位不能高于温度的最大值，否则应适当地将变压器油放掉。冬季低负荷时，油位不能低至低温标志刻度以下，否则应该适度补油。油位不正常，应该查明原因，例如，油位太高，是否过负荷或冷却风扇未投入，而油位太低时，是否变压器油渗漏缺陷等。同时，要注意假油位的问题，例如老式油保护装置的胶囊堵死储油柜通往本体油箱的管口，就有可能出现假油位的现象。（4）油箱体外检查。有时候电力变压器发生故障时，仔细检查油箱的外表，就很可能发现某些异常的情况。储油柜放水阀和集污室的水分较多或者是吸湿器内吸附剂变色时效时，可能预示着变压器油甚至是固体绝缘受潮；防爆膜龟裂、破损时，可能是变压器内部发生了故障，或者是呼吸口堵塞不畅通；接线柱与引线连接不够牢固则会导致过热；软铜片或引线之间存在虚焊，也会引起过热现象。所有这些异常现象在巡视时均可以及时发现，以防止其发展为事故。（5）油箱体外渗漏油检查。变压器内有故障发生时，若变压器油的温度突然升高，可能会发生漏油现象，甚至是喷油现象。此外，箱沿、套管升高座或者是其他零件结合处密封不良，或者是焊件焊接不良，铸件、套管存在砂眼、裂纹等缺陷时，均能发生漏油现象。（6）警惕油箱附近的不寻常味道。当套管端子的紧固件不再紧固时，可能过热，严重时会引起颜色变化，并可能伴有难闻的气味，如冷却风扇电动机或油泵烧损时会产生焦糊气味等，日常巡视时应加以注意。（7）加强对设备组件的定期巡查。变压器故障，很多是发生在组件方面的，由于组件的检测手段有限，多依赖于认得感官进行检测和诊断，因此，日常维护对于组件故障的巡查时非常必要，也是非常重要的。1.2 油浸式变压器的故障诊断及研究现状1.2.1 油浸式变压器的内部故障诊断油浸式电力变压器的内部故障，大体可以分为两类，一类是发热性故障，另一类是放电性故障。其他故障，如机械性质的故障，可能是人为原因，导致设备受到振动，致使某些线圈移位、引线破损、紧固件松动等，或者是因为电应力的作用造成机械故障，到最后，这些故障均会表现出来，而其表现形式也无非是放热性故障或者是放电性故障。设备内部如果进水的话，导致受潮，也是一种很危险的情况，倘若工作人员不能尽早觉察，最终会转化为放电性故障，在故障严重的情况下，会对设备本身或者是工作人员的人身安全造成巨大威胁，因此，必须提高警惕，做好检查。研究人员做个一项调查，利用DGA技术选出358台存在故障的电力变压器，其中224台为过热性故障，占62.6%； 其中62台为高能量放点故障，占17.3%； 其中35台为过热故障兼高能放电故障，占9.8%； 其中24台为火花放电故障，占6.7%；其他的为受潮或局部放电故障8台，占2.2%。检测电力变压器的内部故障，我们可以依据DL/T596-1996中规定的各种检测项目。我们在大部分情况下需要依据多种诊断数据加以综合，进而做很出合理判断，原因是这些检测方法对于设备内部状态的判断，存在截然不同的“有效性”。大量实验表明，人们进行变压器内部故障诊断时，采用DGA技术是很有效的。而且，采用DGA技术，变压器无需停电，相比其他方法分析周期很短。所以，研究人员在进行故障诊断的时候，常常以DGA的检测数据作为核心，作为辅助，我们则可以选择其它的还没有监测的数据，来进行检测手段的设定。这样的话，对于变压器内部的早期故障，我们就能够以极大程度进行觉察和确诊。众所周知，传统的检修制度是预防性检修，它是依照制定的计划，进行检修的一种方式。定期检查以运行时间作为基准，不管变压器内部状况怎么样，只要到了规定的时间，检修便在所难免。另有状态检修，这种方法是依据对变压器内部状态的预知作为为基准的一种检修方式。如果状态好，就不用修，反之，则需要修。设备内部状态预知主要是依据在线连续检测或不停电非连续取油样检测，也就是说，设备不停电检测（在线监测或者是取油样检测）是状态检修的主要决策基础。当然，设备停运时的检测作为辅助判据，也是其内部状态诊断的综合判据之一。现阶段我国以在线连续检测、不停电试验和停电试验的各种动态数据和设备固有的静态数据作为依据，对设备内部状态进行诊断，例如交接试验数据、名牌等，最终实现对设备内部状态的全面掌控。1.2.2变压器故障诊断的研究现状随着国内外学者对电力变压器故障诊断的不断研究，随着理论和实践经验的积累，变压器故障诊断的方法日趋完善。根据诊断的手段，可以大体将变压器故障诊断分为两类：一个是传统的诊断方法，另一个是基于人工智能的诊断方法。传统诊断方法（1）利用变压器的特征气体进行诊断变压器在发生故障的时候，会伴有特征气体的产生，利用它们进行变压器的故障诊断已经是研究人员的首选方法。油浸式电力变压器产生异常时，会伴有一些特征气体的产生，根据这些特征气体的相关参数，可以对变压器的故障类型做出大致的判断。这些特征气体有、以及和等等。这些气体有一部分从变压器油中逸散出来，大部分则会溶解在变压器油中，根据溶解在变压器油中的这些气体的多少，我们就会根据已有的理论和实践经验，对其故障进行诊断，这种利用产生的特征气体对变压器进行故障诊断的方法的特点是简单、快捷，有助于人们尽早发现变压器的潜伏故障，不足之处是诊断准确率不够高。（2）利用特征气体之间的比值进行诊断我们习惯选取特征气体中的主要5种气体进行比值计算，选取的这五种气体分别是氢气、甲烷、乙烷、乙炔、乙烯，通过计算这五种气体的体积含量的比值，就能够知道变压器故障究竟是属于哪一种的。这些年，人们依据气体的相对含量这一研究成果创建了众多的诊断方法，二比值法是较早被创建和应用的方法。二十世纪七十年代，科学家提出了乙炔/乙烯与甲烷/氢气二比值判断法用来区分发热性故障和放电性故障。而根据乙烯/乙烷作图来判断的方法则是二比值法。二十世纪八十年代年，人们将都维法进行简化，于是一种新的二比值法产生了，被称之为“坐标法”。该方法采用纵、横轴坐标图的形式，纵、横坐标是和分别占、三者之和的百分比，另加的辅助判据则是含量占氢烃总量的百分比。英国的罗杰斯随后提出了四比值法，也称为罗杰斯法，每种比值的取值范围对应一定的编码，每种编码则对应相应的故障类型。这四个比值分别是/,/,/,/。之后，又提出了三比值法，即在四比值法的基础上，加以改进，去掉了比值/；随着对变压器故障诊断方法的不断研究和探索，日本“电协研组织”在前人提出的方法之上，提出了新的诊断方法，即电协研法，经过许多实践证明，与之前提出的三比值法相比较，这种方法的诊断准确率有很大提高，因此，这种方法在日本的应用非常流行，也非常的广泛。随着国际上对变压器故障诊断方法研究的不断深入和进步，我国的研究人员在这一领域也取得了重要突破，提出了改良三比值法，这种方法是在三比值法和日本电协研法的基础之上，经过改良得到的。传统的这些变压器故障诊断方法有着诸多优点，如简单、快捷等，但它们也有其缺点，传统的方法往往是阈值诊断，比值法过于绝对化，对于单一故障的诊断准确率尚且还可，但对于多故障叠加在一起的情况，则诊断过程会受到局限。基于传统诊断方法的这些缺点，人们不断寻求更多，更新的诊断方法，以解决传统诊断方法解决不了的问题。于是，将“智能化”引入到变压器故障诊断当中的方法便应运而生。智能诊断方法随着科技的发展，人工智能方法越来越受到人们的关注，人工智能的应用也越来越多，如神经网络、模糊算法、鱼群算法以及非常新颖的蜂群算法等等。研究人员将这些智能算法中的一种或者是多种应用于故障诊断中，得到了相当可观的效果，取得了相对准确的诊断结果。将智能算法与故障诊断相互融合的做法已成为当下研究的热点，也势必会成为未来发展的一个好的趋势。下面就一些智能算法做以简单介绍（1）神经网络。神经网络算法的提出源于人们对大脑认知的不断进步，研究人员从人的脑神经运作机理获得灵感，进而加以钻研，提出了神经网络的概念。神经网络是一种整体动态行为相当复杂的一种网络，它是由许多结构和功能都不那么复杂的神经元相互连接而成，通过组成高度非线性动力学系统来表达很多物理系统。神经网络的优越性体现在，它通过核函数的引用，巧妙地避开了或者说是很好解决了非线性这一难题，这样就很大程度上缩减了计算量，提高了效率，同时，神经网络具有和人脑类似的功能，能够对所获信息进行记忆，也可以像人脑一样学习新的知识，获取新的信息，良好的学习能力决定了神经网络的最大优点，即泛化能力较为出众。通过不断调整权值，神经网络就可以用来进行故障诊断了，而神经网络之所以能够做到这一点，就是基于其独自联想、独自学习这一优越性能来实现的。但神经网络也有其不足之处，那就是容易陷入局部最小值，并且存在收敛较慢。因此，人们在进行变压器故障诊断时，并不单纯只依靠神经网络这一种只能方法对故障进行分析，而是将人工神经网络和其他一些只能算法相互融合，进而进行诊断研究，这样可以很大程度上弥补其自身存在的种种缺陷，例如，可以引入另一种智能方法粗糙集，将其和人工神经网络相互作用，提高变压器的故障诊断率，许多实践证明，这样的方法是可行的，效果也是较为令人满意的。（2）模糊理论。所谓模糊，指的是在质上没有精确的含义，在量上也没有明确的界限，也就是有着不清楚的边界，这种模糊的概念是客观事物的一种固有属性。“模糊”是人们对周边事物的一种感知，基于这种感知，人们能够得到知识，随之理性推断，以致实行最终的策略。相对于“不模糊”也就是“清晰”而言，“模糊”涵盖更多的信息量，具有更为丰富的反映客观规律和客观现实的内容。1965年，美国加利福尼亚大学的教授Zadeh L A首先提出了模糊控制理论，现提出已有将近50年。现如今，人们在研究模糊理论的同时，更多关注模糊理论的实际应用，例如进行故障诊断。设备（变压器）在运行过程中，产生的故障征兆和引起该故障的原因之间的关系往往无法准确一一对应，尤其是一些大型的设备，这种“非对应性”就更为明显，研究起来也更为复杂，这时候，就需要引入新的智能方法，也就是基于模糊理论的故障诊断方法。目前，将模糊理论应用于变压器设备的故障诊断中，大体分为两种方法：一种是完全基于模糊理论的方法，将模糊集划分成多种相异的子集，每种子集代表其中的一种故障；另外一种是基于模糊关系和逻辑运算的诊断方法，也就是建立一个矩阵，该矩阵反映了故障征兆和故障类型之间的关系，再建立另一个矩阵，该矩阵反映了故障与征兆的模糊关系，通过模糊征兆隶属度函数和模糊关系矩阵，然后再逻辑运算，各种故障的隶属度则能顺利得到。（3）专家系统。人工智能算法的其中一个组成成员便是专家系统。国内外的研究人员赋予专家系统很多种说法，目前，仍旧没有一个固定模式的说法，但众多说法所要表达的核心内容是一致的。费根鲍姆，专家系统的奠基人，依他的观点，专家系统是种智能的计算机程序，它可以解决只有专家才可解决的问题，而该智能方法的这一优越特性是通过知识的运用和步骤的推理实现的。也就是说，在其领域内，专家系统含有丰富的专家知识；通过模拟人类专家求解问题的思维，来进行推理，从而解决研究领域内的相关疑难问题，并且其水平可以与人类专家相媲美。目前，将专家系统应用于设备诊断是其应用的一大发展趋势。应用专家系统对故障进行诊断大致有这些内容。一是专家知识的获取与表示。获取专家知识的过程可以看作是一个转移的过程，而这个过程是专业知识从知识源转移到知识库的一个过程。知识表示就是把获取到的专业领域知识用人工智能的语言加以表示，并以较为适当的形式存储在计算机中。二是专家推理。专家推理就是根据一定的推理策略从专家库中选取相关的知识，在用户给出症状基础之上，加以推理，直到发现故障。三是知识库维护。所谓知识库，就是用来存放由专家提供的专业知识的库。在这个库中，包含了许多“事实”和“规则”。四是机器学习。专家系统在不断的发展，在发展的途中会有各种困难和阻碍，其中的一个瓶颈就是对于知识的获取，也就是所谓的机器学习。构建专家系统的一个关键就是对于知识的获取。专家系统以灵活的诊断策略来解决诊断问题，这是它的优越之处，也是其智能之处，而它之所以具备这中性能，源于它能够综合利用各种信息的能力。同时，由于专家系统应用的结构是模块形式的，所以可以很方便的增加其功能，专家系统的不足之处在于存有知识获取这一“瓶颈”，缺乏自主学习、自主联想的能力，自适应能力也相对较差。这是在人们今后研究中需要探讨和解决的难题。1.3 本文主要的研究内容与结构的安排 人们在对变压器故障进行诊断的道路上始终没有停下脚步，不断有新的方法和新的思路产生。考虑到传统诊断方法和以上提到的一些人工智能方法的缺陷，本文提出了基于参数优化的支持向量机变压器故障诊断技术，即利用GA优化支持向量机的变压器故障诊断方法和利用PSO优化支持向量机的变压器故障诊断方法。基于这样的研究内容，本文的结构安排如下： （1）简单论述电力变压器故障诊断的背景和意义，介绍几种传统的故障诊断方法和几种人工智能的诊断方法，并扼要分析器优缺点。 （2）对变压器的基本结构和变压器分类加以阐述，介绍了变压器故障的常见形式，并利用油中溶解气体分析方法进行变压器故障诊断。 （3）介绍统计学习理论，并由学习理论引出支持向量机，利用支持向量机进行分类的原理。 （4）介绍支持向量机的核函数的相关理论。提出遗传算法和粒子群算法的基本思想，利用这两种算法对支持向量机参数进行优化，将参数优化的支持向量机应用在电力变压器故障诊断当中。第2章 变压器故障分析与诊断2.1 变压器用途与分类2.1.1 变压器的用途电力变压器的原理是建立在电磁感应之上的，变压器一次侧和二次侧之间不存在直接的电与电的关系，而是以磁路作为中介，间接完成电压、电流的交换任务，从而满足人们的需求。日常生活中的电气设备种类繁多，样式各异，每种设备的额定电压都是不同的，因此，每种用电设备都需要由与其相对应的电源来提供电能，从而正常工作。我国居民的用电电压是220V,例如日常生活的照明灯具、居家的家用电器，这些用电设备都是采用这个相同的额定电压；安全照明用灯的额定电压相对较低，只有12V 、24V或者是36V；工业用电的额定电压一般是380V；电厂直接发出的电压则可能达到几千伏。我们知道，从发电厂发出的电是不能通过输电线直接供给用户的，根据焦耳定律可知，电能在输送的过程中会有相当部分的热损耗，这就大大减小了电能的利用率，为解决这一问题，我们采取这样一种办法，即提高传输电能的电压，这时，可以使用可以达到升压目的的变压器。简单直白的说，在这里，升压变压器的作用就是提高从电厂发出的电能的电压等级，以便进行输送，我国的电压等级分为很多种，人们会根据具体情况有所选择。历经升压的电能经由输电线路传输到居民用户区之后，我们还不能直接对其加以使用，因为我们知道，居民家电等的额定电压是220V,经由输电线路传输过来的电压则达到千伏的等级，因此，我们还需要利用降压变压器，很显然，它的作用是将输电线路的电压加以降低，这样，从电厂发出的电能，经历了一个先升后降的过程，最终实现对用户用电的供给。我们还可以从其他角度来看电力变压器的重要作用，例如整个电力网络。我们可以很形象的将电力网络比喻成中国的56个民族，每种民族都有自己的语言。现将整个电网拆分成许多个部分，每一部分都看成独立的一块，每一块就代表每一个民族，在每一块中，为了实现每个“成员”的相互连接与沟通，必须采用同一种“信息语言”，在这里，这种“信息语言”就是电压等级，只有具有相同的电压等级，各个“成员”之间才能完成舒畅的沟通。每个部分中每个“成员”的沟通我们得以解决，即采用这种相同的“信息语言”。那么，采用什么样的办法才能使不同部分之间的“成员”能够相互沟通呢？于是，人们想到了变压器这个“翻译”，它可以轻松妥善的处理好不同部分不同“成员”之间的联络沟通问题，它成为了必不可少的纽带，由此，我们可以看出变压器在电网中的地位如此之高，作用如此之妙。2.1.2 变压器的分类电力变压器的种类是多种多样、五花八门的。每一种变压器都有着相异的运行条件、有着相异的的容量、相异的使用说明、相异的使用环境，以及相异的外形等等。因此，如果要对变压器进行区分，我们会运用不同的区分原则和区分理论。（1）用途相异 变压器分为仪用互感器、电力变压器、实验用的高压变压器、特种变压器、调压器等等。 （2）绕组构成相异 变压器分为自耦变压器、多绕组变压器、三绕组、两绕组（3）铁芯结构相异 变压器分为壳式变压器和芯式变压器。 （4）相数相异 变压器分为多相、三相、单相变压器。（5）调压方式相异 变压器分为有载调压变压器、无励磁调压变压器。 （6）冷却方式相异 变压器分为油浸自冷变压器、油浸风冷变压器、充气式变压器、干式变压器、强迫循环导向冷却变压器等。 （7）线圈结构相异 变压器分为多线圈变压器、双线圈变压器、三线圈变压器及单线圈变压器。 （8）中心点绝缘相异 变压器分为半绝缘变压器和全绝缘变压器。2.2 变压器的主要结构部件2.2.1 铁芯铁芯是变压器的主要部件之一，由它构成变压器的磁路。只有绕组不用铁芯的变压器也能变压，但是由于空气的磁阻很大，漏磁十分严重，要求有很大的励磁电流，所以实际变压器必须用铁芯，它是变压器的磁路部分。由于变压器的工作原理是根据电磁感应来的，一、二次绕组间并没有电的直接联系，只用通过铁芯形成磁的联系。利用变压器铁芯可以获得强磁场，增强一、二次绕组间的电磁联系，减少励磁电流。为了提高导磁系数和降低铁芯涡流损耗，铁芯用表面涂漆的硅钢片叠成，硅钢片的材质是非常薄的。在绝大多数情况下，人们使用的是厚度在零点二多一点至零点三多一点的硅钢片。铁芯的作用是构建一条磁路，以磁路作为中介，致使变压器两侧的线圈产生电的沟通，间接完成电压、电流的交换任务，从而满足人们的需求。在结构上，铁芯的夹紧装置使磁导体成为一个机械上完整的结构，而且在其上面套有带绝缘的绕组，支持着引线，并几乎安装了变压器内部的多有部件。铁芯的质量在配电变压器各部件中最大，在干式变压器中铁芯的质量占总质量的50%左右；在油浸式变压器中，由于有变压器油的邮箱，质量的比例稍有下降，约为30%。变压器的铁芯（即磁导体）是框形闭合结构。铁芯又包括用来构建闭合磁路的铁轭和带有绕组的铁芯柱。现代铁芯的芯柱和铁轭在一个平面内，即为平面式铁芯，新式的立体铁芯呈三角型立体排列。2.2.2 绕组在我国，芯式的变压器是作为主要生产对象的。针对这一现实，电力变压器的绕组排列就显得非常讲究，而不能任意为之。排列在外面的绕组，我们常选择高压绕组，排列在里面的绕组，我们常选择低压绕组。在这里，我们有必要提出绝缘空隙这一概念，它是存在于高低压绕组之间，绕组和芯柱之间的间隙，处于安全的因素，这个间隙是必须预留出来的，与之相对应的另一个概念是油道，也就是变压器用来挥发热量的通道，处于对变压器性能维护的考虑，它和绝缘空隙一样，也是必须预留出来的。因为通常我们把低压绕组放在靠近铁芯柱的位置，所以，绕组的尺寸就可以稍小一些。这样说的依据是：低电压等级的油道和绕组需要留有的空隙直接决定了绝缘距离的大小。它们之间存在一种简单的类似于线性的关系，空隙愈小，绝缘距离就愈小，空隙愈大，绝缘距离就愈大。电力变压器同心绕组按其结构不同可以分为下列几种基本形式。 1 圆筒形绕组。这种绕组的形状顾名思义是类筒形状的，这种绕组的匝线是扁状的，许多匝线相互紧固地缠绕成筒子形，就构成了圆筒形绕组。 2 螺旋形绕组。大容量变压器的低压绕组通常有“少、大、大”这样的说法。第一个少指的是匝数，第二个大指的是线圈中流过的电流，第三个大指的是线匝截面积，基于这样的特点，采用导线“多、并”的原则，即采用多股导线，连接形式选择并联形式。 3 可实现换位的绕组。为了减少大型变压器的低压绕组在采用多股导线并绕时产生的附加损耗，绕组往往需要做换位处理，但又为了不使绕组的轴向高度增加得太多，通常又不是采用完全换位，结果附加损耗还没有被减少到最低的程度，损耗数值仍非常可观，可达基本电阻损耗的30%左右，甚至还要更高。为了达到使绕组中导线的附加损耗减小到最低的程度，创造了换位导线。 4 连续式绕组。由于它不存在焊接头，所以，我们采用导线绕制而成，而导线选择扁的导线。它有非常讲究导线排列，是在独特的绕制技巧的辅助之下绕成的，说他特殊是因为绕制线圈的导线都是无接头的自然连接，连续式绕组最大的亮点也在以此。2.2.3其他结构部件电力变压器的其他附件有邮箱、油枕、分接开关、安全气道、气体继电器和绝缘套管等，其作用在于保证变压器的安全和可靠运行。2.3变压器故障的分类电力变压器经常产生的主要故障无非就两种，即来自内部的故障和来自外部的故障。如果故障产生在电力变压器油箱的内部，我们就成这种故障为内部故障。导致其内部故障的原因众多且不尽相同：例如接地故障和短路类型的故障，例如相间短路，也就是发生在每个相的绕组之间的短路现象；例如匝间短路，也就是线匝和绕组之间发生的短路等等。倘若因为绝缘套管的问题或者是引出线出现了故障，使变压器无法正常工作，我们就称这样的故障为外部的故障。同样的，导致其外部故障的原因众多且不尽相同：例如因绝缘套管闪络等导致的变压器外部接地，从而发生短路；另一种外部的短路故障可能是因为甲引出线和乙引出线之间出现了问题，导致短路。根据变压器内部故障的产生机理，我们大致上能够合理的进行两种划分：一个是电性故障，另一个是热性故障。电性故障，顾名思义，它的发生源于电自身的性质，绝缘材料难以长时间承受高场强，由此导致性能逐渐下降，最终恶化。电性故障还能够细分为大致三种情形：电弧、火花、局部这三种形式的放电故障，这样划分是有所依据的。因为放电的过程是伴随着能量产生的，不同的放电形式，就会有不同密度的能量产生，基于这一原理，我们才得以将放点故障进行更为详细的划分。热性故障，在大多数的情况下，人们可以观察和检测到的比较直观的现象是设备内部的局部地方的温度会明显高于其他部分的温度，也就是所谓的“过热”现象。有的“过热”现象的过热温度会高一些，而有的“过热”现象的过热温度会稍低一些，根据温度高低的不同，人们又将“过热”现象进行了详细的划分。划分的温度界限是这样的：700以上的发热现象，我们称之为高温过热;300和700之间的发热现象我们称之为中温过热、150和300之间的发热现象我们称之为低温过热、150以下的发热现象我们称之为轻度过热。由于电力变压器的类型繁多，致使其故障的类型颇多。对这些故障的划分，我们可以采用不同的原则，也就是说，我们可以从不同角度的对其故障分类加以研究讨论。譬如，我们可以从变压器中构成的所有回路这一角度进行故障谈论，于是，便有了包括油路、磁路和电路这几种回路的故障；我们也可以从变压器的整体外观构造这一角度进行故障讨论，于是，便有了包括绕组变压器油质、变压器铁芯、变压器绕组及其他附件的这几种故障。就变压器自身而言，“出口短路”是一种较为常见的故障，这种故障的最大两个特点是有很大的发生频率，对变压器有很大损害，除了这种“高频大故障”，还兼有其他的对变压器损害相比之下没那么大的一些故障，譬如保护装置误动作、譬如油箱漏油等故障。无论变压器器的故障有多少，无论变压器的故障是由什么原因导致的，究其根本，从宏观的角度，从宏观的现象来看，无非还是那两种表现类型：发热现象和放电现象。有的故障可能表现其中之一的一种现象，这样的故障判断起来相对较为容易，有的故障则两种现象兼而有之，这样的故障判断起来可能就麻烦一些。当然，在极其特殊的情况下，有的现象则不表现出两者中的任意一种，那么在这种情况下，据需要具体情况具体分析了，这时候，工作人员的实践经验便可发挥重要的作用。2.4变压器油中溶解气体分析法2.4.1油中溶解气体与变压器内部故障的关系为了确保变压器安全可靠地运行，及时发现和排除电力变压器在运行过程中的早期故障，是十分重要的。国内外的研究人员经过长期的实践，最后证明，利用油中溶解气体分析技术（DGA）,检测变压器内部潜伏性故障，效果是非常显著的。众所周知，在热应力和电应力的作用下，变压器运行过程中油/纸绝缘材料会逐渐老化，从而发生裂解，其产物是、以及其他一些低分子烃类气体。当变压器出现早期过热故障或者是放电性故障时，各种气体的生成量尤其是多种低分子烃类气体的生成量将会显著增大，且大部溶于油中。随着故障的进一步发展，产气量逐渐大于变压器油能够容纳的量时，便会有一部分气体以游离气体的形态释放出来。表2-1反映是设备内部状况与油中气体组分的关系。表2-1设备内部状况与油中气体组分的关系被测气体设备内部状况与5%或是更少的设备正常运行与大于5%的检查变压器密封情况、或，或是和同时存在变压器过负荷或过热，引起绝缘纸热裂解，检查运行条件和电晕放电，水电解或铁锈、和电晕放电涉及到绝缘纸或变压器严重过负荷、和少量、火花放电或其他不严重故障，在油中引起放电、及少量的其他烃类气体，通常不存在火花放电或其他不严重故障，涉及到固体绝缘、大量的及其他烃类气体，包括内部存在高能量的电弧放电，引起油快速劣化2.4.2气相色谱分析原理 色谱分析是一种对混合物质进行物理分离的技术。当物质在两相间分配达到平衡时，其分配系数即为该物质在两相中的浓度的比值，即 在固定相中的物质浓度/在流动相中的物质浓度 就气相色谱分析而言，当混合物（即式样）被流动相（即载气）携带通过色谱柱（填充固定相）时，式样分子与固定相分子之间发生相互作用（如被吸附、解析等），从而使式样分子在两相之间进行分配。在试样中，每种组分都有其自身的固有属性，这种固有属性是独一无二的，这样的话，当相对运动发生的时候，每种组分会在色谱柱中不停得运动，由于每种组分的值不尽相同，各自的运动速度也就有快有慢，各具差异。这种运动反复许多回的地不断进行着，致使每种组分都会在色谱中分出一定距离，哪怕是值相差微乎其微的两种组分，最终也能够做到这一点。按先后次序从柱后流出。然而，通过鉴定器把浓度变成电信号，经放大后，在记录仪上记录下来。在正常情况之下，每个组分在一定的位置上就出现了一个相应的色谱峰。根据各个组分标准物和待测物的色谱峰的位置及其面积，即可对待测物予以定性，并定量计算其含量。2.5变压器内部故障诊断 利用变压器油中溶解气体分析技术（DGA）进行故障诊断，包括很多步骤。简单概括起来分为三个步骤：一是取样，二是分离，三是分析处理。第一步取样就是对故障油样的提取；第二步分离就是从油中分离出特征气体；第三步分析处理就是用气相色谱法分析该气体的成分，对分析的结果进行数据处理，并依据各组分获得的气体含量进行最终判断。经过近三十年的实践研究，我国在此项检测技术方面，积累了丰富的诊断经验，且取得了显著成就。早在20世纪末，我国就先后发布了GB/T 17623-1998标准和DL/T 722-2000导则。前者对油中溶解气体分析方法作了明确的规定，后者不仅对分析方法，而且对分析数据的解释都提供了具体的指导性经验。中国电力出版社出版的变压器油中气体分析诊断与故障检查一书，根据DL/T 722-2000的要求，系统的介绍了油中溶解气体分析法，即分析周期、取样、脱气，适用色谱仪器和流程，具体操作和注意事项以及分析数据处理等全过程，并较为全面地介绍了设备内部故障诊断的程序和方法。2.5.1诊断程序为了通过DGA技术得到正确而有效的实验数据，从事DGA技术的研究人员在分析操作的整个流程中，投入了很多精力。尤其是针对数据误差这一环节，更是做足了文章，下足了功夫。用这种方法进行设备的故障诊断可是说已经超越了技术范畴，步入了艺术领域。通常，我们在面对一项分析结果，应该按照这样的步骤和方法进行研究：判断是否存在故障。判断该故障类型。譬如是电性故障，还是热性故障，如果是电性故障，具体属于哪种情况的放电；如果是过热性故障，具体属于哪种情况的过热。诊断该故障的状况。譬如溶解的特征气体的含量多少，受损情况如何、故障点的温度是多少等等参数。处理方法。譬如设备能否仍旧工作，倘若能够顺利运行，需要加以注意哪些情况，采取哪些保护的措施等等。以下是诊断过程的流程图如下2.5.2有无故障判定新出厂、新投运的变压器和电抗器应该严格遵循DL/T 722-2000提出的要求：无论设备是出厂前还有运行前，都需要进行仔细严格的测试，我们要记录其测试结果，当设备出厂之后，或者是运行之后，我们还要进行仔细严格的测试，并且加以记录，随后，我们需将这“一前一后”的测试结果加以比较，在理论上，这两次的测试结果不该有明显的差别，否则视为不符合要求规范。除此之外，DL/T 722-2000还对出厂的和新投运的变压器及其套管内部油中溶解气体含量作以严格规定，如表2-3所示。DL/T 722-2000同时对正常工作中的变压器及其套管内部油中溶解气体含量的注意值作以严格规定，如表2-3所示。表2-2 DL/T 722-2000对出厂和新投运变压器和套管油中气体浓度的要求 （）气体变压器和电抗器套管氢 10 150乙炔00总烃 20 10表2-3 DL/T 722-2000推荐变压器、电抗器和套管油中溶解气体浓度注意值（）设备气体组成含量330kV以上220kV以下变压器与电抗器总烃150150乙炔15氢150150一氧化碳*二氧化碳*套管甲烷100100乙烷12氢500500必须注意：（1）在有些非故障的情况之下，变压器油中也会有一定量的特征气体产生，在某些情况之下，这些特征气体的浓度比DL/T 722-2000推荐的注意值还要高出很多。所以，在判定设备是否真正存在故障的时候，我们需要提高警惕，尤其要留意这种特殊情况，否则会对我们的判断造成干扰，严重的话可能导致我们最终判断错误。（2）我们在对变压器进行维修的时候，应该考虑这样一种情况，纤维材料是具有吸附能力的，所以在吸附的变压器中会溶解一部分的特征气体。变压器维修结束之后，后投入运行，在运行的前期，维修时溶解在残油中的特征气体将会释放至已脱气的油中，因此应按式（2-1），对这些残气进行估算，并予以排除。 （2-1）式中 检修后油中残气组分的浓度； 检修前油中气体组分的浓度； 变压器装油量（）绝缘纸的密度，取0.8； 纸板的密度，取1.3； 纤维素的密度，取1.5； 设备中绝缘纸的体积（）设备中绝缘纸板的体积（）和可由制造厂家提供，如果万一不能及时获得制造厂提供的数据时，则建议可按油：纸/板 （4 （2-2）式中 绝对产气速率（/天）； 第二次取样测得油中组分的气体浓度（ ）； 第一次取样测得油中组分的气体浓度（ ）； 两次取样时间间隔中的实际运行时间（天）； 设备总油量（）； 油的密度（）。还应该提到的一点是，我们不但要对异常参数加以警觉，而且还要兼顾一些潜伏性的隐患。譬如说，在特征气体的含量没有达到注意值的时候，我们就应该加以留意，时刻保持警觉，因为很有可能浓度这一参数值会在人们不知情的情况下，骤然升高，如果我们事先有所准备，应付起来就不会显得慌乱无章，就会显的得心应手。另外，我们也不能武断的认为，只要气体浓度超过了推荐的注意值，该设备就一定存在问题，我们应该从多个方面和多个角度加以考虑，如果是经验老道的工作人员，可以依靠其丰富的理论和实践经验，最好再将其与以往故障数据加以对比分析，这样的话，得出的分析结果才更加可靠，也更加令人信服。我们知道，气体会有一个产气的速率，假使增长速率低于产气速率所应该注意的数值（见表2-4），我们依旧可以说，设备是没有问题的。表2-4 DL/T 722-2000推荐变压器和电抗器绝对产气速率注意值 （/天）气体开放式隔膜式总烃612乙炔0.10.2氢510一氧化碳50100二氧化碳100200表2-5是对油中特征气体单一组分产生速率注意值的不完整统计结果，该表中列出了DL/T 722-2000 目前尚未推荐的烷、烯烃三个单一组分的产气速率注意值，仅供大家参考。经验表明，当总烃产生速率尚未超过表2-4的注意值，但烷、烯烃中有一组分超过表2-5的数值时，也应引起注意。表2-5 油中特征气体产气速率单一组分注意值的不完全统计结果 （/天）要想进行科学、准确的诊断，得出理想的诊断结果，我们在进行诊断的时候应该铭记，一次诊断是不够的，我们需要依据相关方法和原则尝试多次的诊断，进而对诊断出的数据加以研究分析，再辅以理论和实践经验，最终得出分析的结果。假使其中某一项的产气速率的指标和绝对值指标都高于DL/T 722-2000所列出的注意值时，我们基本可以判定，设备是存在问题的，是有故障产生的；假使当产气速率超过注意值的2倍的同时，绝对浓度值超过注意值的5倍，那么，我们可以这样说，设备不但存在问题，而且是较为严重的问题。2.5.3故障诊断方法根据油中溶解气体分析数据诊断变压器内部故障类型的方法有很多。目前，国内外所采用的有效诊断方法不仅仅是依赖气体浓度的绝对值，而主要以气体浓度相对值来进行判断。20世纪80年代，人们在运用三比值法的时间过程当中，通过对各种方法进行比较，对事件经验进行系统总结，提出一种新的方法，即为改进三比值法，也称为改良电协研法，如图所示在应用改良三比值法的时候，我们需要注意以下这两个方面： 1 假使气体的比值被看作是具有意义的，我们应该清楚，它必须是基于这样一个原则，那就是我们有充分的理由和原因来根据气体各个组分含量多少的阈值或者是气体增长率的阈值判断设备可能存在的问题。在这样的原则基础之上，我们在进行深一层次的计算。 2 假使发现人工测定的气体比值相比先前的气体比值有些许差异或者是明显差异，我们就需要拓宽思路，应该考虑，这样的差异不单纯是基于某一种故障之上的，它在很大概率上是在原有故障的基础上进行累积，有个这样的推断，我们就可以继续下一步的研究。2.6本章小结电力变压器是现代电力系统中必不可少的设备，它在电网中扮演者重要的角色。本节就其主要结构加以简单阐述并讲明介绍了变压器的常见分类。我们总是希望变压器在电力系统中稳定、安全的运行，但是，我们却难以避免变压器故障的发生，变压器的故障种类是互不相同的，就其故障表象看，我们可以将其分为热性故障和电性故障两种。油浸式变压器进行故障诊断方法是基于油中溶解气体（DGA）技术的，因此，我们对DGA技术亦加以讨论。第3章 支持向量机理论基础支持向量机（SVM）是数据挖掘中的一个新方法，它是基于统计学习理论的一种方法。支持向量机 SVM 的产生标志人类在智能领域又迈进了一步，之所以这么说是因为，SVM极其擅长处理诸如分类和回归的问题，并且它的作用可以延伸到综合测评，或者是结果预测中，因此，它得以在诸多学科进行广泛地应用，譬如自然科学，譬如管理学等等。目前，国际上，支持向量机这种新方法在理论研究和实际应用这两个方面发展迅速且成效显著，被人们广泛应用于统计分类和回归分析当中。3.1 统计学习理论3.1.1机器学习理论机器学习（Machine Learning） 理论的产生是有其渊源的，这种理论源于科学研究者对人类学习能力的研究。众所周知，学习是人们获得知识的重要手段和方法，我们通过学习，可以不断掌握新的技能，我们通过学习，能够不断充实自己的头脑，可以毫不夸张的说，如果失去了学习能力，世界的科技就不会有所进步，人类的文明也就无法永久延续，那么，人类也就等于失去了一切，可见学习能力是如此之重要。人类在不断提升自己学习能力的同时，也在努力致力于人类学习能力的研究，期望将其应用到科技中，于是，机器学习这一概念被研究人员提了出来，并加以探索。在探索之前，我们必须先要弄清楚，究竟什么才是学习，学习究竟是怎样定义的。人对外界事物的学习和对知识的学习是一种综合性质的心理活动，它和人的许多种心理活动都是紧密相关的，譬如人对事物的感知、人在面对事情时的思维方式、人对往事经历的记忆等等。由于学习是这样一个包含多方面因素的活动，所以，时至今日，在科学领域，人们始终无法给学习以准确唯一的说法和定义。二十世纪八十年代，Simon对学习这一概念给出了一种说法：假使有这样一个系统，它本身是具备一定性能的，可能这种性能不是很优越，或者不是很出众，但是，一旦这个系统在执行了一个过程之后，性能有所改善，有所提高，我们就可以这样认为，这个系统具备了学习能力。这样的说法告诉我们，学习不是一个短暂的时间点，不是在瞬间完成的，他需要经历一个时间段，需要有一个过程；学习这一词是针对一个系统来说的，这个系统包括的范围是比较广泛的，可以是有生命的活物，也可以是没有生命的机器；在经历过某一个时间段的“过程”之后，该系统本身的某一性能或者是多方面性能都有所改善。现如今，大多数的致力于“学习”研究的专家学者都普遍认为：学习是一个过程，在这一过程中，学习的实体是具有某种特定目的的，而这种目的是为了得以掌握新的知识和技能，不断累积相关经验、获取事物的规律，不断累积相关经验的，表现为最终的效果就是改善自身的性能。根据比较严谨的说法，一个机器学习系统最起码应该包括最为基本的四个部分，为了方便理解，我们可以将机器学习的每一个组成部分和人类的学习过程加以比对分析。第一个部分是场景氛围，就如人类的学习一样，学习是需要有一个特定的环境的，这个环境有别于我们人类的学习环境，在这里，它是指必须要有一个信息的来源才行；第二部分是自身的能力，基于这种能力，机器才会取得较为理想的学习效果，所以，这一部分应该看成是一个基础；第三部分是具有一个存储知识的知识库，正如我们人类一样，人的大脑就相当于一个存储库，用来存储获得的信息和掌握的知识；第四部分是执行机构，用来将学习掌握的技巧与技能发挥出来，这一部分相当于人的四肢。一个简单的学习模型，大体就是由上述这四部分组成的。学习模型或者学习机器35模型图3.1.2 VC维理论学习过程是一个较为复杂的过程，包括很多的性能指标。研究人员主要关注的大致上是其中的两个，一个是系统的学习速度如何，一个学习速度较快的系统才算的上市一个成功的系统，才可以被人们加以利用，从而很好的服务于人；另外一个指标是学习性能的推广能力如何，简单的形容，也就是系统在经过学习之后，所学知识的适用范围大小。如果某个系统在经过一系列的学习之后，所学知识的应用范围非常之大，那么我们可以认为，这个系统的推广性能是令人满意的和学习能力是令人信服的，反之，则说明该系统是失败的系统。既然学习的性能指标是如此重要，我们就要着重进行研究分析。统计学习理论给予了函数集学习性能指标的定义，这其中，VC维是最重要的一个，VC维是以外国科学家Vapnik和Chervonenkis名字命名的一个概念。简单的说，VC维所研究的对象是一个函数集合和一定数量的样本，而且这个集合必须是指示函数集合。假使这些样本的数量是个，这个样本不是完全杂乱无章的，依据其自身性能，是可以将这些样本进行分类的。现在我们要做的工作，要完成的任务就是利用这个指示函数集合把这个样本区分开来，也就是进行样本分类。假使在这个样本中，有个样本能够被函数集中的函数区分开来，并且区分的方式是多种的，多的足够达到种，我们就可以说在这个样本里面,其中有 个样本是可以被指数函数集打散的。有界函数的VC维可以通过指数函数加以定义，而这个指数函数是能够利用一定的阈值转化得来的。为了更为形象地阐述VC维的概念，方便人们更好更深刻地对VC维进行理解和学习，在此举出一个范例。维坐标空间中的线性指示函数集合的VC维是 ，在这