【正文】 有著廣泛的應(yīng)用。從各個診斷技術(shù)的分支來看，美國有著領(lǐng)先的地位。美國的很多權(quán)威機構(gòu)，如美國機械工程師協(xié)會，美國宇航局等都參與了在這一領(lǐng)域的研究，也有很多高校和企業(yè)都設(shè)立了診斷技術(shù)的研究中心。美國一些公司研制的檢測產(chǎn)品不僅能檢測還具有很好的診斷功能，在宇航、化工、醫(yī)藥、軍事等方面都具有廣泛的應(yīng)用。其他的國 家診斷技術(shù)也各有特色，如英國在摩擦診斷，丹麥在振聲診斷，日本在應(yīng)用方面都具有優(yōu)勢 [5]。 我國的診斷技術(shù)發(fā)展于 70 年代末，起步比較晚，但經(jīng)過不懈努力，特別是最近幾年的追趕，已經(jīng)基本跟上了國外的步伐，在有的理論研究方面已和國外不相上下。目前我國在一些特定的診斷研究領(lǐng)域很有特色，形成了自己的檢測故障產(chǎn)品，如西安交通大學(xué)的 “ 大型旋轉(zhuǎn)機械計算機狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng) ” ，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的 “ 機組振動微機監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng) ” 等?？v觀我國的設(shè)備故障檢測診斷技術(shù)現(xiàn)狀，其應(yīng)用范圍集中在化工、冶金、電力等方面，科研則主要集中在 高校和研究所。 變壓器故障種類 變壓器通常由許多部件構(gòu)成，其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致各種各樣的故障發(fā)生。變壓器的故障按變壓器本體劃分可分為內(nèi)部故障和外部故障。內(nèi)部故障主要有各相繞組間的相間短路、繞組的線匝之間的匝間短路、繞組或引出線與油箱外殼接地等故障。外部故障主要有油箱外部發(fā)生的絕緣套管短絡(luò)、絕緣套管損壞或破碎引起的外殼接地、引出線間的相間短路故障。若按變壓器的部位劃分，變壓器故障可分為鐵芯故障、分接開關(guān)故障、繞組故障和套管故障 [68]等。 變壓器故障主要有以下幾種 [9]: （ 1）鐵芯故障 鐵芯是變壓器 實現(xiàn)能量傳遞和電壓變換的主要部件。統(tǒng)計資料表明鐵芯故障是變壓器事故發(fā)生比較多的故障之一。變壓器鐵芯故障的原因主要包括兩個方面，一方面是由于鐵芯本身的夾件松動或損傷而與接地鐵芯碰接使鐵芯發(fā)熱。另一方面主要是因為施工工藝不良造成短路以及鐵芯多點接地、鐵芯接地不良等。變壓器正常運行時，變壓器鐵芯只有一點接地才是正確可靠的正常接地。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè) 計 第 2頁 共 46 頁 （ 2）繞組故障 繞組是電力變壓器的中心部件，它也是變壓器涉及電氣量的主要部件。變壓器的繞組故障約占整個變壓器故障總數(shù)的百分之六十左右。繞組故障發(fā)生的原因主要是繞組絕緣老化、繞組受潮、各相繞組之間發(fā)生的相間短路、單相繞組部分線匝之間發(fā)生的匝間短路、單相繞組通過外殼發(fā)生的單相接地、繞組斷裂、繞組擊穿、繞組過熱燒壞、系統(tǒng)短路和沖擊電流造成繞組機械損傷以及電磁力引起的繞組變形等。 （ 3）分接開關(guān)故障 分接開關(guān)是變壓器的重要部分，其可靠性直接影響著變壓器的可靠性。分接開關(guān)是變壓器高壓回路中的運動部件，其故障相對較高。分接開關(guān)故障的種類主要有：無載分接開關(guān)故障和有載分接開關(guān)故障。無載分接開關(guān)常見的故障有：變壓器滲油是無載分接開關(guān)裸露在空氣中受潮，導(dǎo)致絕緣性能下降，產(chǎn)生放電短路，損壞變壓器；無載分接開 關(guān)的設(shè)計和制造質(zhì)量差，結(jié)構(gòu)不合理，引起動靜觸頭絕緣擊穿，使兩抽頭間短路或?qū)Φ囟搪贩烹?，燒壞抽頭線圈；變壓器油的老化引起分接開關(guān)觸頭出現(xiàn)碳化膜和油垢，使導(dǎo)電部位接觸不良，接觸電阻增大，產(chǎn)生發(fā)熱和電弧而燒壞開關(guān)。有載開關(guān)的故障主要有：過渡電阻串連接螺栓松脫：輔助觸頭中的過渡電阻在切換過程中被擊穿或燒壞；分接開關(guān)由于密封不嚴(yán)而進水，導(dǎo)致絕緣性能降低造成相間短路；由于觸頭滾輪卡死使分接開關(guān)停在過渡位置，造成匝間短路而燒壞；選擇開關(guān)承受不了變壓器線圈分接引線的長期荷載而發(fā)生形變等。 （ 4）變壓器油絕緣故障 在變壓器運 行過程中，由于高溫、強電場以及光合作用的共同作用下，絕緣油會不斷地進行氧化。由于油中氣體、雜質(zhì)和金屬會加速油的氧化過程，會使油中水分、過氧化物、酸價、灰分、油泥等組分含量增加，從而使油質(zhì)逐步地發(fā)生污染和劣化，使變壓器油生成油泥，粘附在變壓器箱殼內(nèi)固體表面妨礙了散熱，并導(dǎo)致絕緣電阻降低和絕緣水平下降，加速了絕緣材料的老化。 （ 5）固體絕緣故障 油浸式變壓器采用的固體絕緣材料主要包含絕緣紙、絕緣板、絕緣墊、木塊等。這些絕緣材料的主要成分為纖維素，其在變壓器長期運行中會因發(fā)生分解而老化，甚至喪失絕緣強度，造成絕緣故障。當(dāng)故障點涉及固體絕緣時，在故障點釋放能量的作用下，油紙絕緣將發(fā)生裂解，纖維素要發(fā)生解環(huán)、斷鏈，水分從纖維素中脫離后將加速纖維材料脆裂，釋放出 CO 和 CO2和糠醛，使油紙絕緣的擊穿電壓和體積電阻率降低，介質(zhì)損耗增大，聚合度和抗張強度都將逐步降低。而故障必然因絕緣油的分解產(chǎn)生各種低分子烴和氫氣，同時會引起一氧化碳和二氧化碳含量的明顯增長。所以可通過分析各種特征氣體與 CO 和 CO2間的伴生增長情況，來判斷固體絕緣故障的原因。 （ 6）放電故障 通常根據(jù)放電的能量密度的大小將變壓器的放電故障分為局部放電、火花放電和 電弧放電三種類型。放電對絕緣有很強的破壞作用。電弧放電產(chǎn)生的熱使變壓器油發(fā)生分解，產(chǎn)生甲烷、乙炔、氫氣、一氧化碳、二氧化碳、乙烯、乙烷等多種特征氣體，并使介質(zhì)損耗增大，使局部絕緣受熱損壞。放電時產(chǎn)生的高壓氣體引起絕緣體開裂并形成新的放電點，產(chǎn)生惡性循環(huán)；同時放電產(chǎn)生的雜質(zhì)堆積和沉積在固體絕緣上使散熱困難，使放電增強和出現(xiàn)過熱。促使固體局部絕緣損壞，引發(fā)新的變壓器故障。對于局部放電、火花放電和電弧放電三種放電形式，它們相互之間不是獨立的，而是相互聯(lián)系和交織在一起的。通常局部放電是其他兩種放電的最初形式。隨著故 障的發(fā)展和擴大，常常會變成火花放電和電弧放電。 （ 7）油流帶靜電故障 在強迫油循環(huán)冷卻的大型電力變壓器中，由于變壓器油流過絕緣紙及絕緣紙板的表面時，會發(fā) 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè) 計 第 3頁 共 46 頁 生油流帶靜電的現(xiàn)象，簡稱油流帶電。變壓器的絕緣紙和紙板的組成成分主要是纖維素和木質(zhì)素，對于強迫油循環(huán)冷卻的大型變壓器，變壓器油經(jīng)油泵加速傳到繞組內(nèi)的冷卻油道時，油與絕緣紙板發(fā)生摩擦，在油與絕緣紙和絕緣紙板界面上產(chǎn)生靜電電荷的分離。纖維素和木質(zhì)素分子就被正極性的氫原子所覆蓋，并吸附油中負(fù)離子，使負(fù)電荷附在紙板表面，而油中的正電荷隨油流動。這樣油就 帶正電而紙板表面帶負(fù)電。隨著油的循環(huán)流動油中正電荷越積越多，場強增強。當(dāng)某處電荷積累超過某一程度時，就有可能向絕緣紙板放電，使絕緣紙板絕緣受損傷，并最終導(dǎo)致絕緣故障。 目前變壓器故障診斷的主要方法 現(xiàn)在變壓器故障診斷的常用方法有如下幾種 [10]： （ 1）基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的電力設(shè)備故障診斷 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (Artificial Neural Network，簡稱 ANN)是一種模仿人腦行為及其活動過程的推理分析方法。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，信息的存儲和處理是合為一體的，能從不完全的，不精確的信息聯(lián)想出完整 的信息，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強的學(xué)習(xí)能力、信息處理能力和學(xué)習(xí)過程中的完善性能。它能從一系列的數(shù)據(jù)中綜合出規(guī)律性的知識。其應(yīng)用已滲透到各個領(lǐng)域，并在智能控制、模式識別、計算機視覺、自適應(yīng)信號處理、知識處理、傳感技術(shù)與機器人等方面得到廣泛的應(yīng)用。其在電氣設(shè)備在線監(jiān)測、故障診斷、負(fù)荷預(yù)報、智能控制等方面也取得很好的成就 [11]。近年來很多國內(nèi)外研究學(xué)者都致力于運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行變壓器故障診斷的研究。 （ 2）基于模糊理論 CFuzzy Theory)的故障診斷 1965 年美國加州大學(xué) L. A. zadeh 教授首次提出了表達(dá) 事物模糊性的重要概念 :隸屬函數(shù)，從而奠定模糊理論的基礎(chǔ)。 1974 年，英國的 E .H. Mamdani 首次用模糊規(guī)則和模糊邏輯實現(xiàn)了蒸汽機的運行過程控制，取得了比傳統(tǒng)控制算法更好的效果，從而宣告模糊控制的誕生。模糊理論是以模糊集為基礎(chǔ)，以處理模糊事物為目標(biāo)，并將其嚴(yán)格數(shù)字量化后進行計算機處理的應(yīng)用研究。模糊理論作為一種精確描述不確定性關(guān)系的方法，在解決變壓器故障診斷的問題具有著獨特的優(yōu)勢。它為變壓器的絕緣故障診斷提供了一種新的途徑 [12]。 (3)專家系統(tǒng)診斷法 專家系統(tǒng) (Expert System ES)是一種具有大量專門知識的程序系統(tǒng)，它根據(jù)多個專家提供的專業(yè)知識進行推理，解決通常需要專家才一能解決的復(fù)雜問題。變壓器故障診斷專家系統(tǒng)是一個基于規(guī)則的專家系統(tǒng)，它通常由知識庫、數(shù)據(jù)庫、推理機、知識獲取系統(tǒng)、解釋系統(tǒng)和人機接口等 6部分組成。專家系統(tǒng)在解決難以建立數(shù)學(xué)模型，較多依賴人類專家經(jīng)驗知識的問題上有獨特的優(yōu)勢，在信息不完整或不確定的情況下仍能給出較為合理的結(jié)論，因此國內(nèi)外有不少學(xué)者從專家系統(tǒng)的角度去研究變壓器故障診斷 [1314]，與此同時，很多學(xué)者將專家系統(tǒng)與其它智能方法結(jié)合，進行變壓器的故障 診斷研究 [1517]。這些研究成果推動了專家系統(tǒng)的實用化，但同時也應(yīng)看到專家系統(tǒng)存在著兩個主要問題 :① 知識獲取的 “ 瓶頸 ” 問題。一方面由于專家知識的不完備，另一方面由于專家知識表述規(guī)則化有相當(dāng)?shù)碾y度，兩者造成了診斷系統(tǒng)知識庫的不完備，表現(xiàn)為當(dāng)遇到一個沒有相應(yīng)規(guī)則與之對應(yīng)的新故障現(xiàn)象時，系統(tǒng)顯得無能為力。 ② 診斷推理不確定性問題。對于一些數(shù)學(xué)相關(guān)性不確定的故障現(xiàn)象的診斷，其準(zhǔn)確性難以保證。這些問題大大影響了其故障診斷的準(zhǔn)確性。 （ 4）基于遺傳算法的故障診斷 遺傳算法簡稱 GA(Geic Algorithm)，是由生物進化思想啟發(fā)而得出的一種具有全局搜索能力的算法。它通過選擇、交叉和變異等操作，產(chǎn)生新一代適應(yīng)力更強的群體。 1967 年 Bagley J. D最早提出遺傳算法的概念。 1975 年 Michigan 大學(xué)的 J. H. Holland 開始了遺傳算法的理論和方法的系統(tǒng)性研究。目前遺傳算法在模式識別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、圖像處理、機器學(xué)習(xí)、工業(yè)優(yōu)化控制、自適應(yīng)控制、生物科學(xué)、社會科學(xué)等方面都得到了廣泛的應(yīng)用。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè) 計 第 4頁 共 46 頁 另外還有灰色理論、支持向量機 ((SVM)算法、 Bayes 推理法、證據(jù)組合法以及粒子群優(yōu)化算法(PSO)等多種人工智 能方法，亦各有其自身的特性和優(yōu)點。隨著各種智能方法的應(yīng)用研究，將多種智能方法融合起來進行故障診斷也成為智能診斷方法新興發(fā)展起來的一個方向。 本文研究的主要內(nèi)容 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法可以從變壓器油中溶解氣體數(shù)據(jù)中獲取隱含的故障診斷規(guī)律，而不用深入了解變壓器故障檢測的相關(guān)知識，便可以進行變壓器故障檢測診斷。同時能根據(jù)實際變壓器油中溶解氣體的數(shù)據(jù)進行自適應(yīng)調(diào)整。所以，本文的內(nèi)容就是運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對變壓器狀態(tài)監(jiān)測所得的數(shù)據(jù)進行分析處理，從而對變壓器狀態(tài)進行監(jiān)測，故障進行檢測診斷。 具體內(nèi)容包括： 1)選擇合適的神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，本文采用 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 、 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機 。 2）對于故障油浸變壓器，其主要表現(xiàn)形式為變壓器導(dǎo)熱油發(fā)生一定的溶解，導(dǎo)致變壓器腔內(nèi)存在不同的氣體， CH C2H C2H C2H H CO 和 CO2 等。同時，實踐表明不同氣體含量能夠從一定程度上說明變壓器的故障類型。為此，課題的故障數(shù)據(jù)為上述氣體數(shù)據(jù)。 3）分析故障數(shù)據(jù)的分布情況，對故障樣本和故障數(shù)據(jù)進行分析歸類，確定輸入向量和輸出向量，建立故障模型。 4）利用 matlab 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)軟件包， 建立網(wǎng)絡(luò)模型。用新 的故障數(shù)據(jù)，檢驗故障模型的準(zhǔn)確性和可靠性，得出相應(yīng)的指標(biāo)數(shù)據(jù)。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè) 計 第 5頁 共 46 頁 2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的變壓器故障檢測機理和基本理論 本文的主要特點是將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于變壓器故障檢測 。 所以，故障診斷技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本理論是研究的基礎(chǔ)和重點。 故障診斷技術(shù) 故障診斷是研究設(shè)備狀態(tài)運行的變化，進而識別設(shè)備狀態(tài)運行的一門科學(xué)。本質(zhì)而言，故障診斷是個模式識別與分類的問題，通常把機器的運行分為正常與異常。異常又屬于哪種故障，又是一個模式識別與分類的問題。 其運作流程如圖 所示 : 設(shè) 備 運 行 特 征 信 號 信 息 處 理 征 兆 診 斷 故 障決 策 圖 故障診斷運作流程 由圖 可知，設(shè)備診斷過程主要有信號采集，信號分析處理，故障診斷三個過程階段。具體如下： 信號采集技術(shù)。設(shè)備的診斷技術(shù)從設(shè)備的癥狀入手進行研究分析。設(shè)備的癥狀主要是指設(shè)備運行時所產(chǎn)生的能體現(xiàn)其狀態(tài)的信號。因而，信號采集是設(shè)備故障診斷的前提。 信號分析處理階段是故障診斷的關(guān)鍵，該階段實際上就是診斷技術(shù)的特征因子提取技術(shù)。原始信號為傳感器采集的信號，像溫度、位移等部分信號可以直接利用，但有的信號則不能，如振動信號，雖然經(jīng)過放大，但含有 噪聲，所以不能準(zhǔn)確地反映問題，必須利用信號分析處理技術(shù)，才能得到敏感的能夠反映設(shè)備狀態(tài)的特征因子。 傳統(tǒng)的信號分析處理技術(shù)有濾波技術(shù)、頻譜分析技術(shù)。新興的數(shù)字濾波技術(shù)、自適應(yīng)濾波技術(shù)、小波