畢業(yè)論文-變壓器繞組故障診斷方法

第頁1緒論1.1課題研究的背景及意義大型變壓器是電力系統(tǒng)的重要設(shè)備之一，是電力系統(tǒng)系統(tǒng)的樞紐設(shè)備，在系統(tǒng)中，變壓器承擔(dān)著電壓轉(zhuǎn)換，電能分配和運(yùn)送的重要職能。電力變壓器的正常運(yùn)行對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定和供電可靠性提供了最基本的保障。變壓器發(fā)生故障的時候，其將對電力系統(tǒng)的正常發(fā)電和供電造成非常大的影響，這造成的損失也必將是巨大的。尤其是變壓器發(fā)生故障后修復(fù)工作十分艱難，現(xiàn)場對變壓器修復(fù)工作比較困難，因為變壓器的維修會場地而受到限制，而且其修復(fù)工作也會受到氣候條件和季節(jié)的影響。例如大型的500KV的變壓器繞組出現(xiàn)損壞的話在現(xiàn)場完成修復(fù)工作幾乎是不可能的。因此許多變壓器發(fā)了故障后不得不送回到原廠對其就行修復(fù)或者更新工作。變壓器發(fā)生故障后，運(yùn)行部門和制造部門都必須對其進(jìn)行認(rèn)真的檢查，分析發(fā)生故障的原因，然后根據(jù)故障原因采取有針對性的改進(jìn)，使變壓器發(fā)生故障的次數(shù)降到最低，使變壓器在它的壽命期內(nèi)對電力系統(tǒng)做出盡可能大的貢獻(xiàn)。電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)驗表明，不同的年份生產(chǎn)的變壓器和在不同運(yùn)行時候發(fā)生的變壓器故障特性差不多都是類似的。本世紀(jì)以來，因為變壓器發(fā)生故障而發(fā)生大面積停電事故的案例有好幾起，比如在2003年，北美發(fā)生了8.14大停電事件，8月28日倫敦因為變壓器故障發(fā)生發(fā)面積停電，9月1日馬來西亞和悉尼發(fā)生大停電，9月23日瑞典丹麥發(fā)生大面積的停電，9月28日意大利也發(fā)生了大面積的停電。其中停電影響最大的是加拿大和北美的那起停電事故，其波及的面積是最大的，事故造成的損失也是非常巨大的，直接損失就有五百到六百億美元，簡介損失至今也沒有估算出來[1]。在國內(nèi)因為變壓器故障產(chǎn)生很大影響的就是2008年南方那場雪災(zāi)造成變壓器停止正常運(yùn)轉(zhuǎn)，然后導(dǎo)致南方雪災(zāi)區(qū)大面積的停電，事故造成的直接損失就高達(dá)1526.5億元[2]。因為電壓器的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，且電壓等級越來越高，容量也越來越大，對變壓器的檢修時間通常很長，如下圖1-1可供參考[3]。表1-1國內(nèi)外的變壓器檢修期不完全統(tǒng)計數(shù)據(jù)表電壓等級（KV）平均年事故率（%）平均修復(fù)時（月）＜3002123005002.9147006.37.9在電力系統(tǒng)中，變壓器擔(dān)負(fù)著很重要的任務(wù)，作為電力系統(tǒng)最重要的設(shè)備之一。發(fā)電廠發(fā)電，發(fā)出的電通過升壓變壓器使電壓升高到一定的等級后輸送到電網(wǎng)的一端，然后經(jīng)過電網(wǎng)的另一端經(jīng)過降壓變壓器將電變換成適合用戶需求的電壓等級。為了將發(fā)出的電的利用率達(dá)到最大，電力系統(tǒng)中采取高壓或者超高壓輸電線路進(jìn)行電能輸送。所以各級的電網(wǎng)之間都是經(jīng)過變壓器來連接的。當(dāng)前，電力系統(tǒng)中使用的變壓器主要的就是油浸式變壓器，其使用的絕緣材料主要是變壓器油，油紙絕緣和絕緣紙板等。電力變壓器在電網(wǎng)運(yùn)行過程中會受到各種因素的影響，其中包括電，熱，機(jī)械，或環(huán)境等對其的作用。這些因素將會造成變壓器內(nèi)部絕緣的老化，損壞，因此會引起變壓器發(fā)生故障。有實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計，大部分變壓器發(fā)生故障的原因都是因為其絕緣系統(tǒng)被損壞。對電壓等級為110KV以上的變壓器事故進(jìn)行統(tǒng)計，其中占很大比例的是絕緣損壞事故，1984年到1986年，其所占的臺次比率為68%，1990年其所占的臺次比率為76%[3,4]1.2國內(nèi)外研究的發(fā)展現(xiàn)狀造成變壓器繞組的絕緣受損的原因通常是多種的，例如，變壓器在電網(wǎng)運(yùn)行時缺油沒有及時補(bǔ)給，變壓器在組裝或者檢修的時候金屬導(dǎo)體被遺留在本體，繞組發(fā)生變形，變壓器的內(nèi)部繞組發(fā)生短路或者線路發(fā)生短路等情況都可能使變壓器的繞組的絕緣收到破壞。如果變壓器存在絕緣缺陷以后，它的絕緣性能就會降低。它的許多特征量與變壓器正常運(yùn)行狀態(tài)相比會出現(xiàn)比較大的差異，例如變壓器絕緣受損時它的電氣參數(shù)，幾何形狀，物理尺寸，溫度等都會改變。目前有許多種試驗項目可以檢查出變壓器繞組的絕緣情況，試驗項目不僅能夠判斷出變壓器繞組的故障，而且還可以檢測出變壓器的主要缺陷，如下表所示[5]。圖1.3變壓器試驗項目及所檢測出的缺陷變壓器繞組的絕緣故障的方法有很多，例如有，檢測繞組的絕緣電阻、吸收比、極化指數(shù)；繞組介質(zhì)損耗因數(shù)檢測，泄露電流的檢測，短路試驗等，這些方法對變壓器繞組的故障起到了一定的減少作用。但是這些方法需要對電力變壓器進(jìn)行幾項的現(xiàn)場試驗然后做出綜合的判斷。按照規(guī)定，這些試驗在電力變壓器出產(chǎn)前，設(shè)備的現(xiàn)場交接，變壓器的例行試驗，變壓器進(jìn)行檢修后再投運(yùn)前都是需要做的。每一項試驗差不多都需要巨大而且笨重的電源，還要做好嚴(yán)格的抗干擾措施，現(xiàn)場還需要專業(yè)的技術(shù)人員，還需要專門的測控儀表等。而且進(jìn)行這些試驗所花費(fèi)的時間也是比較長的。測量變壓器的絕緣電阻。吸收比或者極化指數(shù)，雖然能有效的檢測出繞阻絕緣整體受潮，部件表面受潮的缺陷，但是這種方法不能檢測出絕緣的局部缺陷；繞組介質(zhì)損耗檢測法能有效的發(fā)現(xiàn)絕緣繞組局部缺陷，但是對于大電容量的變壓器的局部絕緣缺陷往往是不容易發(fā)現(xiàn)的；短路試驗可以檢測出繞組的股線換位差錯、大電流引線存在的過大損耗和因為焊接質(zhì)量出現(xiàn)的局部過熱等故障，但是這種方法實施起來有很大的難度，而且還受到現(xiàn)場條件的限制。目前，在油浸式變壓器故障診斷中最方便有效的方法是變壓器的油中溶解氣體分析（DGA）技術(shù)，通過分析變壓器油中溶解性氣體的成分，含量或氣體之間的比值就可以反映出變壓器內(nèi)部故障的特征，但是這種方法在工程實際運(yùn)作中仍然暴露出編碼邊界過于絕對，編碼不全等弊端，離開專家經(jīng)驗，往往會出現(xiàn)漏判或者誤判，還有一種比較簡單有效的方法是三維曲面檢測法，這種方法只需要比較各繞組的電壓和電流的相關(guān)系數(shù)的三維曲面極值分布，然后確定三維曲面的最大值坐標(biāo)，這樣就可判斷缺陷所在的位置和嚴(yán)重程度，但可靠性缺乏實踐案例驗證。不同的試驗項目反映的缺陷及限制條件是不相同的，孤立的試驗結(jié)果不能可靠的對變壓器繞組絕緣故障狀態(tài)做出結(jié)果。所以目前需要一種方便有效的方法對變壓器繞組的絕緣缺陷進(jìn)行檢測，傳統(tǒng)變壓器繞組絕緣故障的診斷方法都存在著其各種不足，所以依靠單一的方法不能夠全面的系統(tǒng)的診斷出變壓器繞組故障。1.3本文的主要工作電力變壓器作為電力系統(tǒng)核心設(shè)備之一，其直接關(guān)系到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，電力變壓器繞組的絕緣缺陷問題是變壓器發(fā)生故障的主要原因。如何能夠及時的發(fā)現(xiàn)變壓器早期潛伏性故障，以及如何提高診斷預(yù)控水平成為了輸變電設(shè)備維護(hù)管理中普遍關(guān)注的焦點問題。本文將致力于探究高效率檢測繞組絕緣缺陷的方法。本文的研究工作如下1研究分析變壓器的絕緣分類和繞組的故障情況等，研究分析現(xiàn)有變壓器繞組故障的檢測方法，分析這些方法的優(yōu)點和不足。2研究應(yīng)用變壓器油中氣體分析方法，用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對變壓器故障進(jìn)行診斷，提出了基于BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型。3針對變壓器繞組故障特點，構(gòu)造出BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對提取的油氣特征量用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練并進(jìn)行仿真驗證。2變壓器繞組故障分析2.1變壓器的絕緣分類在電力變壓器中，電力變壓器是其重要的一個組成部分。變壓器的絕緣性能（電氣，機(jī)械性能和耐熱）是決定變壓器能否正常運(yùn)行的基本條件之一。如果變壓器局部絕緣受損的話，其有可能使變壓器發(fā)生故障，甚至損壞整臺變壓器。變壓器造成損壞以后就會危及輸配電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行了。變壓器是由線圈，引線，分接開關(guān)，和套管等部件組成的，而且這些部件幾乎都涉及到了絕緣問題。變壓器的絕緣可以分為外絕緣和內(nèi)絕緣兩大類。而且內(nèi)絕緣又可以被分為主絕緣和縱絕緣兩類。主絕緣主要指的是同一相不同等級之間和繞組對相間、地之間的絕緣；縱絕緣指的是同一個電壓等級的一個繞組，不同的部位之間，匝間，繞組對靜電屏之間以及層間之間的絕緣。變壓器的絕緣分類如下圖所示[5]。圖2.1變壓器的絕緣分類2.2影響變壓器絕緣的因素在油浸式變壓器中，內(nèi)絕緣的主要絕緣材料變壓器油和絕緣紙、紙、木板等的固體絕緣材料，其中固體絕緣材料的主要成分是纖維素。當(dāng)這些材料受到內(nèi)部或者外界環(huán)境不利因素影響時，這些絕緣物的絕緣性能將會收到損壞，也有可能會喪失他們的絕緣性能，造成變壓器繞組絕緣故障。溫度、濕度、過電壓或者油保護(hù)方式都是影響變壓器繞組絕緣性能的主要因素。2.2.1溫度的影響在不同的溫度在，變壓器中油，紙中的含水量的平衡曲線是不一樣的。在一般情況下，變壓器內(nèi)部溫度升高以后，其絕緣紙內(nèi)的水分要向泊中析出來，如果溫度降低了，絕緣紙要從油中吸收水分。所以，根據(jù)上面的變化我們可以知道當(dāng)變壓器內(nèi)部溫度比較高的時候，變壓器的內(nèi)絕緣油的微水量較大，與這種情況相反的是，當(dāng)變壓器溫度比較低的時候，變壓器的內(nèi)絕緣油的微水含量就小。變壓器在一定溫度下時，一氧化碳和二氧化碳的生成速度是恒定不變的，變壓器油中的一氧化碳和二氧化碳的含量是伴隨著時間是呈線性關(guān)系的。變壓器內(nèi)部的溫度不斷升高的情況下，變壓器油中一氧化碳和二氧化碳的的產(chǎn)生速度將會呈現(xiàn)指數(shù)式增長的。根據(jù)此依據(jù)，變壓器的絕緣紙老化和油中的一氧化碳和二氧化碳的含量有著一定的關(guān)系，因此可以根據(jù)油中的一氧化碳和二氧化碳的含量變化來判斷變壓器的絕緣紙層有沒有異常。電網(wǎng)在長時間過載的情況下，電網(wǎng)中的變壓器會出現(xiàn)高溫狀況，變壓器在高溫的時候其繞組線圈絕緣將會變的脆弱，使其絕緣性能降低，同時可能會使導(dǎo)線的絕緣脫落造成繞組匝間短路。變壓器的壽命往往取決于其絕緣的老化程度，而變壓器運(yùn)行的溫度又會影響變壓器的絕緣性能。2.2.2濕度的影響纖維素度在有水分存在的情況下其，水分會加速其降解速度。所以，一氧化碳和二氧化碳生成速率與纖維素材料的含水量也有關(guān)系。濕度一定的時候，纖維素材料內(nèi)含水量越高的話，其分解出來的二氧化碳就會越多，相反的是，含水量低的時候，分解出來的一氧化碳就會越多。當(dāng)變壓器的油中有微量水分存在的時候，變壓器絕緣物質(zhì)的理化性能和電氣特性會因為油中有水分的存在而受到極大的損壞。這些水分的存在不僅可能會降低絕緣油的放電電壓，而且還有可能會增加介質(zhì)損耗因數(shù)；油中有水分的存在還會促使絕緣油的老化與絕緣性能的劣化。變壓器發(fā)生受潮情況時，其各種性能都會隨著降低以致造成電力設(shè)備運(yùn)行可靠性的降低或降低了設(shè)備的壽命，而且更可能的是設(shè)備發(fā)生損壞甚至?xí)＜暗饺松戆踩?.2.3過電壓的影響暫態(tài)過電壓對變壓器繞組絕緣的影響，當(dāng)三項變壓器正常運(yùn)行時產(chǎn)生的相地之間的電壓是相與相之間電壓的58%，當(dāng)發(fā)生單相繞組故障的時候，主絕緣對中性點接地系統(tǒng)的電壓會增加30%，而對中性點不接地系統(tǒng)的電壓會增加73%，所以暫態(tài)過電壓可能會損壞絕緣。操作過電壓對變壓器繞組絕緣的影響。操作過電壓的波頭相當(dāng)平緩，所以其電壓分布近似線性相關(guān)。當(dāng)操作過電壓波從一個繞組轉(zhuǎn)移到另一個繞組上的時候，這時電壓和這兩個繞組間的匝數(shù)近似成正比關(guān)系。根據(jù)此依據(jù)可以判斷操作過電壓容易使主絕緣或者相與相之間絕緣的損壞和劣化。雷電過電壓對變壓器繞組絕緣的影響。由于雷電過電壓的波頭陡，其容易引起縱絕緣（并間，匝間，絕緣）上的電壓分布不均勻，也可能會在絕緣上留下放電痕跡，固體絕緣因此會遭到破壞。短路電動力對變壓器繞組絕緣的影響。變壓器的出口短路時，可能會使其引線移位以及繞組變形。原有的絕緣距離被改變以后，導(dǎo)致絕緣發(fā)熱，加速老化或者絕緣受到損傷，以及發(fā)生短路故障。2.2.4油保護(hù)方式的影響變壓器油中的含氧量和油保護(hù)方式有關(guān)，而變壓器油中氧的存在會加速絕緣分解反應(yīng)。油保護(hù)方式不同時，油中一氧化碳和二氧化碳的溶解和擴(kuò)散狀況也會不同。例如，一氧化碳的溶解量較小，使用開放式變壓器時，一氧化碳容易擴(kuò)散到油面空間。所以，在一般情況下一氧化碳在開放式變壓器中的體積分?jǐn)?shù)不會大于300x10-6。在密閉式變壓器中，油面和空氣是絕緣的，所以一氧化碳和二氧化碳不容易揮發(fā)，所以在密閉式變壓器中這兩者的含量比較高。2.3電力變壓器繞組故障分析從圖2-1的變壓器絕緣分類情況中，我們可以知道變壓器的故障分為外部故障和內(nèi)部故障這兩大類。其中，變壓器外部故障指的是變壓器油箱的外部絕緣套管及其引出線上所發(fā)生的各種故障等，主要的外部故障包括有：絕緣套管的破碎或者閃絡(luò)引起了變壓器外殼接地短路，引出線之間如果發(fā)生了相間故障的話會引起變壓器的內(nèi)部故障。變壓器的內(nèi)部故障主要是指變壓器油箱內(nèi)部所發(fā)生的各種故障，主要的內(nèi)部故障有：繞組匝與匝之間所發(fā)生的匝間短路故障，繞組相與相之間發(fā)生的相間短路故障，繞組或者引出線經(jīng)過外殼時所發(fā)生的接地短路故障等。變壓器繞組是變壓器重要的組成部件，變壓器電能的輸入以及輸出需要變壓器繞組來構(gòu)成電氣回路。變壓器繞組故障主要在于變壓器的器身中的繞組以及其絕緣物發(fā)生的故障。繞組故障主要表現(xiàn)在變壓器中各部分絕緣的老化，繞組相間、匝間、層間、高低壓繞組間發(fā)生接地、擊穿、斷路、短路或者燒毀的故障；系統(tǒng)短路將會造成繞組機(jī)械損傷，沖擊電流也會造成變壓器繞組發(fā)生機(jī)械損傷等。變壓器繞組的事故和故障可分為機(jī)械損傷故障以及電氣故障兩大類。2.3.1機(jī)械損傷故障在變壓器中發(fā)生機(jī)械損傷的故障主要有：冷卻裝置堵塞或者產(chǎn)生裂紋，密封裝置的損壞、老化而造成變壓器密封不嚴(yán)，變壓器繞組受到電動力或機(jī)械力而變形或受損，分接開關(guān)發(fā)生變形或錯位，穿桿鐵夾件發(fā)生松動變形，穿桿螺栓發(fā)生松動，絕緣瓷管發(fā)生了破裂，油箱變形或者發(fā)生泄漏等。變壓器繞組發(fā)生機(jī)械故障時會導(dǎo)致發(fā)生電氣故障，例如，變壓器油箱密封不嚴(yán)油箱發(fā)生了泄漏的時候，其箱內(nèi)的油量會逐漸減少，所以變壓器油箱內(nèi)的油面整體發(fā)生了下降，導(dǎo)致變壓器繞組沒有完全被油覆蓋住，當(dāng)外界的濕氣或者空氣從密封不緊密的的地方進(jìn)入到油箱內(nèi)的時候，變壓器繞組和絕緣物質(zhì)會因此受潮，繞組和絕緣物質(zhì)受潮以后其絕緣電阻會隨著下降。當(dāng)變壓器的絕緣電阻下降時，變壓器繞組可能局部發(fā)生放電，變壓器的繞組像與相之間或者匝與匝之間發(fā)生短路故障，也可能會發(fā)生擊穿故障。變壓器由于內(nèi)部繞組發(fā)生短路的話會出現(xiàn)嚴(yán)重發(fā)熱，到變壓器油箱內(nèi)的油達(dá)到了燃燒點時會發(fā)生燃燒或者爆炸。2.3.2電氣故障繞組短路故障，繞組接地故障，繞組斷路故障，繞組擊穿或者燒毀故障，繞組局部放電或者閃絡(luò)，繞組連接錯誤和繞錯、接反等都是屬于電氣故障。1．繞組短路故障變壓器的短路故障主要有匝間短路、相間短路、層間短路和股間短路等。其中變壓器繞組匝間短路對變壓器造成的影響最大，當(dāng)變壓器繞組方式匝間短路故障時，發(fā)生短路的線匝會構(gòu)成一個閉合回路，在短路回路中將會流過很大的電流，短路電流將會使線匝產(chǎn)生很大的熱量，變壓器繞組的溫度將會急劇升高，短路的線匝附近的絕緣也很可能會被燒毀，經(jīng)過連鎖的反應(yīng)，其他線匝也將會發(fā)生短路，講過反復(fù)的匝短路直到變壓器繞組都全部被燒毀，所以說匝間短路對變壓器造成的損壞是巨大的，也是不可修復(fù)的。造成變壓器繞組匝間短路故障的原因有很多種，例如，線圈在制造過程當(dāng)中，由于操作不當(dāng)，在電動力的作用下使變壓器繞組部分的線匝發(fā)生了軸向位移，這種情況會時繞組匝間受到損壞從而形成了穿越性的短路；變壓器油箱內(nèi)的油變少時沒有得到及時的補(bǔ)充導(dǎo)致繞組暴露出油面，長時間運(yùn)行下去的話繞組過熱會使繞組短路；變壓器繞組導(dǎo)線匝絕緣不夠時，承受不住長時間的運(yùn)行或者在短時的沖擊電流的作用之下也會是繞組匝間短路；變壓器在不同電壓的作用下會使變壓器的絕緣性能劣化，這樣也會時變壓器發(fā)生匝間短路；電網(wǎng)出過載運(yùn)行時會使變壓器繞組導(dǎo)線過熱，變壓器繞組絕緣會加速老化，松弛等；變壓器繞組發(fā)生局部放電時也會引起繞組發(fā)生匝間短路故障。2.繞組斷路繞組斷路，顧名思義就是變壓器的繞組發(fā)生了斷路故障，當(dāng)變壓器繞組受到了強(qiáng)雷電流侵入時，雷電流流過變壓器，變壓器上的繞組會受到一個很強(qiáng)大的沖擊力，如果沖擊力很大的話，不在繞組的承受范圍之內(nèi)，則繞組就很可能發(fā)生斷路。同樣，如果變壓器外部發(fā)生短路時，也可能引起變壓器內(nèi)部繞組發(fā)生斷路。3.局部放電局部放電只是存在于絕緣的局部位置，并不會立即形成整個絕緣貫通性閃絡(luò)或者擊穿。局部放電的電量很微弱，若果靠人的直觀感受是發(fā)現(xiàn)不出來的，只有在靈敏度很高的局部放電測量儀器才能檢測的到局部放電。變壓器內(nèi)部絕緣在運(yùn)行中長期處于工作電壓的作用下，特別是隨著電壓等級的提高，絕緣承受的電場強(qiáng)度值很高，在絕緣薄弱的地方很容易發(fā)生局部放電。發(fā)生局部放電的原因有：電場過于集中于某一點，或者說某一點的電場強(qiáng)度過大。局部放電的時間雖然短，能量也很小，但是它對變壓器有比較大的危害，如果長期存在局部放電的話，它將對絕緣材料造成較大的損壞，接近局部放電處的絕緣材料會受到放電質(zhì)點的直接轟擊受到破壞，還有就是局部放電產(chǎn)生的熱、氧化氮等活性氣體的化學(xué)作用，局部絕緣會遭受腐蝕老化，電導(dǎo)增加，最終會發(fā)生熱擊穿。2.4已有的變壓器繞組故障診斷方法2.4.1變壓器繞組絕緣電阻、吸收比和極化指數(shù)檢測絕緣電阻檢測主要是針對變壓器主絕緣性能的檢測，通過絕緣電阻的檢測可以診斷出變壓器的整體受潮、劣化或貫穿性缺陷等。變壓器絕緣電阻測試的等效電路圖如下圖所示，當(dāng)電源通以直流電壓時，閉合開關(guān)S，電路電流隨著時間逐漸衰減，最終趨向于一個穩(wěn)定的數(shù)值，電路的絕緣電阻的阻值則是電路中電壓與這個恒定電流值的比值。根據(jù)測試電流隨著時間變化的，我們將60s和15s的絕緣電阻值的比叫做吸收比，10min和1min的絕緣電阻的比值作為絕緣的極化指數(shù)。如果絕緣電阻的阻值和吸收比數(shù)值大，則可以判斷出變壓器的絕緣性能比較好，反過來，變壓器的絕緣性能不好，則絕緣阻值比較低，吸收比也比較小。圖2.2絕緣電阻測驗等效電路變壓器繞組的絕緣的電阻和吸收比可以反映出繞組本身絕緣的狀況，它們也跟變壓器本身絕緣電阻大小還有變壓器的油絕緣狀況有關(guān)。為了找到繞組本身絕緣電阻值低的原因需要測試變壓器各部分絕緣電阻。測試變壓器絕緣電阻、吸收比或者極化指數(shù)，可以檢驗出變壓器繞組絕緣的整體受潮情況、部件表面受潮、臟污和貫穿性故障等，但是這種試驗不能檢查出變壓器的局部缺陷。因為變壓器絕緣發(fā)生局部缺陷的時候，其兩極間的絕緣仍然是保持良好的，所以絕緣電阻降低的很少甚至沒什么變化。2.4.2繞組直流電阻檢測變壓器發(fā)生故障以后，變壓器的繞組直流電阻也會隨著發(fā)生異樣的變化。變壓器繞組直流電阻測試方法簡單而且又有效。這種方法的試驗電壓低而且試驗的時間也比較的短，且對變壓器來說是非破壞性的測試項目。在變壓器的檢測中，我們可以檢測變壓器的直流電阻來觀察繞組的狀態(tài)。在應(yīng)用當(dāng)中，可以通過測試變壓器三相繞組的平衡度，來發(fā)現(xiàn)變壓器繞組的絕緣缺陷。在實際變壓器直流電阻檢測中，我們可以用電壓電流法和電橋法來檢測。直流電阻測試完以后，判斷繞組缺陷的方法有兩種，一種是利用同一時期的測試結(jié)果進(jìn)行比較，另一種是用非同一時期的結(jié)果就行比較。同一時間的測試結(jié)果比較是對同一電壓等級的繞組，比較其三相繞組的阻值，然后再計算三相平衡度，如下圖2.3為這種比較的要求；不同時期比較是比較不同時期相同部位的測試值，這種比較的變化量不應(yīng)該大于2%。圖2.3變壓器三相直流電阻相互差值的要求繞組直流電阻檢測是一種簡單而且有效的方法，但是在實際操作的時候需要注意的是，測試的時候需要采用足夠的截面的測試連線而且需要保證接觸要良好；測試時需要讓儀表的指針穩(wěn)定等。2.4.3繞組介質(zhì)損耗因數(shù)檢測繞組絕緣電能損耗很小，不能用瓦（W）作為計量單位，用的是tanδ表示。測量繞組介質(zhì)因數(shù)損耗時，在繞組兩端施加的是50Hz的工頻電壓。實際上繞組兩端在施加交流電壓之后，電導(dǎo)電流和水分子的極化會導(dǎo)致電能發(fā)生損耗。分子極化是導(dǎo)致繞組發(fā)生介質(zhì)損耗的主要原因。水是極化分子，所有它的極化作用是比較明顯的。檢測出繞組的介質(zhì)損耗因數(shù)能夠映射出繞組的含水量。繞組介質(zhì)的損耗因數(shù)tanδ的值非常的微小，現(xiàn)今測量的方法一般采用的是電橋法。用的最多的電橋是QSI型西林電橋，除此之外也會用電流比較型電橋或者M(jìn)型試驗器。 QSI型電橋是一種交流平衡電橋，用于專門測試電壓器的介質(zhì)損耗因數(shù)的。介質(zhì)損耗因數(shù)規(guī)定值隨變壓器等級的不同而不同。如下圖2-4所示圖2.3電力變壓器tanδ測試值的要求在變壓器交接或者檢修的時候測的tanδ，在相同溫度下不能高于出廠值的1.3倍。測量變壓器的tanδ的試驗電壓確定如下圖2.4所示。圖2.4試驗電壓的確定測量電容量比較小的變壓器介質(zhì)因素?fù)p耗時，能夠有效的發(fā)現(xiàn)變壓器絕緣的局部缺陷，但是，這樣試驗設(shè)備的電容量比較大時，這種方法不容易發(fā)現(xiàn)其絕緣的局部缺陷。測量繞組的時候應(yīng)該使非測試?yán)@組接地或者將其屏蔽，若測試結(jié)果不符合要求，還需要對繞組進(jìn)行分解測試，分別測試各個部位繞組的介質(zhì)損耗因素，直至找到絕緣不良的位置。此外，這種方法測試?yán)@組的時候還會受到環(huán)境因素的影響，在設(shè)備和外部溫度低于5℃、變壓器油溫高于50℃時不能用此方法。2.4.4泄露電流檢測繞組兩端施加比較高的直流電壓時，電流隨時間衰減很快，并在一分鐘電流就趨于穩(wěn)定，此時被試設(shè)備的伏安呈線性關(guān)系。如果施加的電壓升高的話，線性關(guān)系就會被破壞，電導(dǎo)電流急劇增加，使繞組發(fā)生熱損耗，絕緣被擊穿。根據(jù)此依據(jù)，如果變壓器存在絕緣缺陷，例如發(fā)生老化、局部受潮或者機(jī)械受損的話，繞組電導(dǎo)電流就會增大，破壞的區(qū)段的線性關(guān)系。在同一次的測試，隨著試驗電壓的升高，泄露電流值不能非線性的急劇增加。泄露電流的測試值不能與往年測試的值存在太大偏差。泄露電流檢測用在大容量變壓器時不是很有效。此方法發(fā)現(xiàn)集中性的缺陷成功率比較高，檢測分布性缺陷的例子不是很多。2.4.5局部放電量測量變壓器繞組受潮，繞組內(nèi)部焊接不良或者接觸不良，繞組間絕緣距離減小，箱壁間絕緣距離減小時都會使變壓器發(fā)生局部放電。如果變壓器局部放電時間比較長，變壓器絕緣會受到緩慢性的侵蝕，最終會使繞組的整個絕緣被擊穿。變壓器絕緣壽命會受到局部放電量的影響。局部放電的測量會受到干擾信號的影響，局部放電量的測量會因為存在嚴(yán)重的干擾信號而無法進(jìn)行。測量局部放電量的方法有電測法和非電測法。用電測法測量主要有脈沖電流法、無線干擾電壓法。這兩種方法只能確定放電源的電氣位置，而放電源具體位置不能被確定。非電測法有聲測法和光測法，這兩種方法能確定放電源的空間位置而不能用于定量測量。2.4.6交流耐壓試驗1.倍頻感應(yīng)耐壓試驗被測設(shè)備是全絕緣變壓器的話，感應(yīng)耐壓試驗可以對其縱絕緣電氣強(qiáng)度進(jìn)行檢驗，被測設(shè)備是分級絕緣變壓器的話，感應(yīng)耐壓試驗可以對繞組段、層、匝間絕緣和相間絕緣及其繞組對地或者對其它繞組的絕緣強(qiáng)度進(jìn)行檢測。感應(yīng)耐壓試驗電壓持續(xù)時間內(nèi)，被試品或者試驗電源的電流和電壓如果沒有發(fā)生變化，被試驗的設(shè)備內(nèi)部也沒有放電聲音，且試驗前后的空載數(shù)據(jù)也沒太大的變化，可以判斷出變壓器的絕緣性能是良好的，反之，則需要小心的對繞組進(jìn)行檢測，找到放電位置。2.外施工頻耐壓試驗變壓器的主絕緣耐壓強(qiáng)度可以用工頻耐壓試驗進(jìn)行檢測。這種方法用于全絕緣的變壓器檢測，但是在變壓器為分級絕緣的，這種方法只能檢測引線對地的絕緣強(qiáng)度。但不能檢測判斷繞組跟地與繞組之間的絕緣強(qiáng)度。工頻耐壓試驗中用儀表指示的變化和被試設(shè)備是否有異常聲音來判斷變壓器絕緣性能的好壞。試驗中，儀表指示穩(wěn)定無明顯變化，被試品也無異常聲響的話可以判斷出絕緣性能良好，反之說明變壓器絕緣存在缺陷。此方法不能直接觀察到變壓器的內(nèi)部故障，所以還需要其他的方法進(jìn)行檢測。2.4.7沖擊電壓試驗1.雷電沖擊電壓試驗變壓器要有足夠的沖擊絕緣強(qiáng)度并且能夠承受沖擊過電壓才能保障其安全穩(wěn)定運(yùn)行。一般在變壓器整裝完以后都要對其進(jìn)行雷電沖擊試驗以檢驗其絕緣質(zhì)量情況。雷電沖擊電壓的波前時間主要是影響繞組的縱絕緣，波頭越陡則對繞組段間、匝間絕緣的影響越嚴(yán)重；雷電沖擊波波長主要影響繞組的主絕緣，波頭越長則對地絕緣承受的電壓越高[6-7]。沖擊電壓波形法輸入不同的電壓會產(chǎn)生不通過的電流波形，我們通過比較輸出電流波差異來判別。輸入的電壓波形一般是50%標(biāo)準(zhǔn)電壓和100%的標(biāo)準(zhǔn)電壓，通過觀察各自輸出電流的波形幅值、波形走勢和振動頻率，這三者出現(xiàn)太大畸變的話，則說明變壓器繞組出現(xiàn)嚴(yán)重的故障，如果出現(xiàn)的是小范圍故障時，電壓波形上的變化不是很明顯，需要用其他方法進(jìn)行檢測。中性點電流法通過采集流過被測試的繞組中性點端子上的電流波形，比較全電壓和降低電壓下的電流波形的變化，判斷變壓器繞組是否有故障存在。如果電流的波形發(fā)生嚴(yán)重的變化，可以判斷繞組的內(nèi)部或者繞組對地的絕緣被擊穿；中性點的電流明顯增大的話，說明被測繞組內(nèi)部存在故障，中性電流減小的話，則說明被測繞組對地或者對相鄰繞組的絕緣存在故障。2.操作沖擊電壓試驗這種方法的基本原理和雷電沖擊試驗采取判斷故障的方法類似，都是通過比較降低電壓與全電壓下的試驗電流、電壓波形變化，如果變化發(fā)生畸變則可以說明被試的設(shè)備有故障。如果變壓器在操作沖擊試驗中，變壓器油箱有異常聲音，或者在試驗后對設(shè)備進(jìn)行空載試驗，繞組勵磁電流和損耗明顯增大的話，都可以說明變壓器繞組存在故障。如果變壓器故障不太明顯時，可能不會出現(xiàn)上述現(xiàn)象，故障診斷的主要方法仍然是判斷波形變化。2.4.8檢測方法綜合分析上面分析了目前檢測變壓器繞組絕緣缺陷的方法，可以看出不同的試驗項目所反映出來的故障類型是不同的，所以，僅僅單獨的對各項檢測項目結(jié)果進(jìn)行分析的話并不能夠完整準(zhǔn)確描述出變壓器繞組絕緣狀態(tài)，而需要的是把這些檢測項目的結(jié)果以及變壓器的運(yùn)行情況綜合起來才能夠系統(tǒng)全面的對變壓器絕緣狀態(tài)做出準(zhǔn)確的結(jié)論，從上可以，如果每個項目都試驗一遍的話會勞力傷財，因此我們需要一種新的準(zhǔn)確率高的變壓器繞組絕緣缺陷判斷方法。2.5本章小結(jié)在本章開始著重介紹了變壓器繞組的絕緣分類，以及介紹了影響變壓器絕緣性能的主要因素等，針對比較常見的變壓器繞組故障，對他們產(chǎn)生的原因及影響進(jìn)行了分析，最后闡述了現(xiàn)有的對變壓器繞組絕緣故障檢測的方法，分析了各種方法的優(yōu)點和缺點，需要將各個試驗綜合起來才能對變壓器繞組絕緣狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確的評估，因此急需一種效率高而且實用的檢測方法對變壓器絕緣狀態(tài)進(jìn)行檢測。3基于DGA數(shù)據(jù)對變壓器故障進(jìn)行分析3.1變壓器油中溶解氣體和故障的聯(lián)系變壓器在長期的運(yùn)行下，變壓器內(nèi)部的絕緣材料會逐漸的分解和老化，并且會產(chǎn)生少量的低分子烴類、一氧化碳和二氧化碳等特征性氣體。在正常的情況下這種分解是緩慢進(jìn)行的。當(dāng)變壓器繞組存在故障的時候，會影響氣體的速度，而且這些氣體濃度也增加了。變壓器的故障進(jìn)一步惡化的話，產(chǎn)生的氣體就會不斷的溶解在變壓器油箱中的油內(nèi)。經(jīng)驗表明，變壓器的故障類型和嚴(yán)重程度與油中溶解的氣體成分含量密切相關(guān)。不同的故障類型和故障能量或者所涉及的絕緣材料的不同，這些溶解的氣體組分特征也會不同。如下圖3.1所示。在設(shè)備運(yùn)行過程中，能夠定期的檢測變壓器油箱油中溶解的氣體成分和含量的話就能夠及早的發(fā)現(xiàn)變壓器存在的潛伏故障，并根據(jù)故障類型制定處理故障的方法。圖3.1用特征氣體判斷變壓器性質(zhì)從上圖我們可以知道，幾乎每一種故障都含有,在低能量的局部放電中不產(chǎn)生或者是產(chǎn)生少量的氣體。從這可以判斷出是故障點周圍分解出特征性氣體， 氣體含量也是區(qū)別放電性故障和過熱故障的主要指標(biāo)。從上圖我們可以知道大部分的過熱性的故障，尤其是出現(xiàn)了嚴(yán)重過熱性故障時有少量的C2H2產(chǎn)生，所以不是武斷的認(rèn)為凡是有C2H2產(chǎn)生的故障都是放電性故障。變壓器的絕緣材料主要是絕緣油和絕緣紙等，變壓器運(yùn)行過程中受到多種因素作用以后，變壓器的絕緣材料就會逐漸老化，絕緣紙等固體材料主要分解產(chǎn)一氧化碳和二氧化碳，我們可以把這兩種氣體作為油紙絕緣系統(tǒng)中固體材料分解的特征性氣體。3.2變壓器有無故障診斷（1）變壓器在出廠和新投運(yùn)前的診斷變壓器在出廠和新投運(yùn)前，要求分析出廠試驗前后的兩次結(jié)果，并且分析的這兩次結(jié)果無明顯差別的話才可以放心投入電網(wǎng)中運(yùn)行。（2）變壓器運(yùn)行中的診斷判斷變壓器內(nèi)部有沒有故障時，需要對變壓器油中溶解性氣體進(jìn)行分析，然后將氣體分析結(jié)果和《變壓器油中溶解性氣體分析和判斷導(dǎo)則》所規(guī)定的濃度注意值進(jìn)行對比，如果有某種氣體的指標(biāo)超過了注意值的話，應(yīng)該對其進(jìn)行跟蹤分析，再對其產(chǎn)氣速率進(jìn)行分析，當(dāng)油中的氣體分析值濃度大于了注意值，氣絕對產(chǎn)氣速率也超過了注意值，則可以說明變壓器內(nèi)部存在故障。變壓器油中溶解性氣體組分含量注意值如下圖3-1所示：圖3.1變壓器油中溶解氣體含量注意值μL/L如果僅僅考慮氣體分析結(jié)果的絕對值很難正確判斷出變壓器故障的嚴(yán)重性，因此我們還必須考慮到故障的發(fā)展趨勢，換句話說是故障點的產(chǎn)氣速率，氣體的產(chǎn)氣速率跟故障部位，故障消耗能量大小，故障點的溫度等情況都是有直接的聯(lián)系的。研究氣體的產(chǎn)氣速率能更好的觀察出故障的存在以及故障的嚴(yán)重程度。判斷故障必須用絕對產(chǎn)氣速率，每運(yùn)行日產(chǎn)生某種氣體的平均值叫做絕對產(chǎn)氣速率，公式如下：（1.1）上式中：絕對產(chǎn)氣速率為，m L/d;第一和第二次取樣測得的油中某一種氣體濃度分別為和，μL/L;兩次取樣時間間隔的實際運(yùn)行實際用表示，單位為d；設(shè)備總油量用m表示，單位為t;油的密度為，單位為t/。變壓器絕對產(chǎn)氣速率注意值如下圖3-2中所示，對于總烴的產(chǎn)氣速率＞24ml/d時可以判斷設(shè)備存在故障，如果總烴的含量超過正常值，但是不大于正常值的3倍，產(chǎn)氣塑料布小于正常值，則可以說明設(shè)備有故障，但是故障發(fā)展比較緩慢，仍然可以繼續(xù)運(yùn)行，當(dāng)總烴含量超過正常值，但是不大于正常值的3倍，產(chǎn)氣速率是正常值的12倍，可以判斷設(shè)備有故障并且應(yīng)該密切觀察故障的發(fā)展，縮短故障檢測周期；如果總烴含量超過正常值3倍，產(chǎn)氣速率超過正常值的3倍，可以判斷設(shè)備存在嚴(yán)重的故障，故障的惡化速度很快，應(yīng)該對故障采取必要的措施。圖3.2變壓器絕對產(chǎn)氣速率注意值ml/d變壓器油中氣體的相對產(chǎn)氣速率也是可以判斷變壓器內(nèi)部的情況的，當(dāng)總烴的相對產(chǎn)氣速率超過10%/月，此時應(yīng)該關(guān)注變壓器內(nèi)部狀況，可能會存在故障，每運(yùn)行月的某種氣體含量增加到原來值的百分?jǐn)?shù)的平均值表示相對產(chǎn)氣速率，計算公式如下：（1.2）相對產(chǎn)氣速率用表示，單位為%/月，第一和第一次取樣測的油中某種氣體的濃度用和表示，單位為μL/L，兩次取樣實際間隔的運(yùn)行時間用表示，單位為月。3.3DGA技術(shù)的欠缺和不足DGA技術(shù)在變壓器故障診斷中起到了很大的用途，但是僅靠這樣單一的運(yùn)用在故障診斷中還是存在著不少問題的，總結(jié)起來如下表3.1所示：表3.1單一油氣利用溶解氣體分析故障的不足1油中溶解氣體存在累積效應(yīng)和取樣分析時存在誤差，常規(guī)的DGA診斷方法比較難再溶解氣體含量很小的情況下對故障進(jìn)行分析，只有當(dāng)某些特征氣體含量超過注意值時，根據(jù)DGA結(jié)果的判斷才會是有意義的2DGA技術(shù)和變壓器負(fù)荷、油中的含水量、溫度、油的保護(hù)系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)以及取樣和測試的許多因素有關(guān)，在判斷變壓器是否存在故障的時候需要綜合方方面面的因素。3比值定義分類故障的方法主要是依據(jù)人的判斷，而沒有根據(jù)DGA數(shù)據(jù)做過系統(tǒng)研究。4目前的大部分依據(jù)DGA的結(jié)果來分析變壓器故障類型的仍然是局限于三比值法的思想，僅僅是從物理特性來分析故障點的，最后的判斷結(jié)果不能對變壓器維修策略提供有意義的指導(dǎo)。5三比值法推薦的故障性質(zhì)及比值范圍有限，實踐中仍然查找不到相應(yīng)比值范圍而無法判斷故障類型6當(dāng)多種故障同時發(fā)生時，比值法難以區(qū)分隨著科技的發(fā)展，計算機(jī)技術(shù)和數(shù)字波形采集與處理的高科技的應(yīng)用，把人工智能的理論方法和DGA技術(shù)結(jié)合起來，發(fā)展智能DGA技術(shù)是變壓器故障診斷的一條全新的途徑。3.4本章小結(jié)本章首先介紹了基于DGA數(shù)據(jù)的變壓器故障診斷基本原理，介紹了根據(jù)變壓器油油中氣體成分及含量對變壓器有無故障及故障類型進(jìn)行診斷，最后指出了僅僅基于DGA技術(shù)上對變壓器繞組故障類型進(jìn)行判斷的缺點和不足，最后提出把人工智能的理論方法和DGA技術(shù)結(jié)合起來發(fā)展智能DGA技術(shù)是對變壓器故障診斷的一條全新的途徑，而且這種方法的準(zhǔn)確率也是蠻高的。4基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的油浸式變壓器故障診斷實踐證明利用DGA技術(shù)能夠非常有效的發(fā)現(xiàn)變壓器繞組故障以及故障發(fā)展趨勢，三比值由于簡單和方便被各國廣泛應(yīng)用，但是這種方法的準(zhǔn)確率一般只有80%左右，而人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有出來非線性關(guān)系數(shù)據(jù)的能力，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有輸入和輸出非線性映射特性，可以將信息進(jìn)行分布儲存，可以將數(shù)據(jù)并行處理和全集體作用，這些功能讓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)成為處理故障非常有效的方法，診斷的正確率達(dá)到80%以上。4.1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本原理4.1.1神經(jīng)元結(jié)構(gòu)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是把人類大腦的神經(jīng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抽象化所得到的一種理論模型，它可以模擬人腦的思維，然后把大量的神經(jīng)元構(gòu)造成一個復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，它可以像人類大腦一樣進(jìn)行思維的處理并且可以處理非線性的問題。神經(jīng)元主要由輸入信號、信號處理單元和輸出信號這三部分組成，神經(jīng)元是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基本單位也是實現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能的核心。圖4.1神經(jīng)元模型輸入信號：其他相連神經(jīng)元輸入的信號，也可以是獲取外界的信號，這些信號即是輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)。信號處理單元：由激勵函數(shù)和求和單元組成，求和單元采用加權(quán)的方式對輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行求和，神經(jīng)元之間的權(quán)值大小相當(dāng)于他們的關(guān)系強(qiáng)弱，權(quán)值為正則對信號進(jìn)行增強(qiáng)，權(quán)值為負(fù)則表示信號被抑制，信號被激勵函數(shù)非線性地映射并把輸出的大小控制在[-1,1]或者[0,1]之間。輸出信號：即經(jīng)過神經(jīng)元內(nèi)部處理以后所產(chǎn)生的結(jié)果，可以當(dāng)做神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出結(jié)果，也可以當(dāng)做另一個神經(jīng)元的輸入。信號處理單元中存在一個閥值（或=-）。用數(shù)學(xué)表達(dá)式表述上述作用如下（4.1）（4.2）（4.3）上式中：，，…,表示輸入信號，表示線性組合的結(jié)果，，，…，表示神經(jīng)元k的權(quán)值，表示閥值，表示神經(jīng)元k的輸出，表示激勵函數(shù)。把閥值包括進(jìn)去的話，輸入維數(shù)進(jìn)增加了一維，如（4.4）（4.5）這時增加了一個新的鏈接進(jìn)去，輸入為（或+1），權(quán)值（或），圖4.2輸入擴(kuò)維后的神經(jīng)元模型激勵函數(shù)的幾種形式:1)閥值函數(shù)（4.6）此種神經(jīng)元稱為M-P模型2）分段線性函數(shù)（4.7）3）Sigmoid函數(shù)，有單調(diào)性，最常用的函數(shù)形式如下（4.8）式中的參數(shù)a可以控制斜率，另一種也用的比較多的函數(shù)形式如下（4.9）4.1.2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有單調(diào)的性質(zhì)，除了這種性質(zhì)，從結(jié)構(gòu)上看，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以分為前饋型網(wǎng)絡(luò)和反饋型網(wǎng)絡(luò)。1）前饋型網(wǎng)絡(luò)，這種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點分為輸入單元和計算單元，對于計算節(jié)點可以有各種數(shù)量的輸入，但是輸出必須是一個。上一層的神經(jīng)元輸出信號輸?shù)较乱粚由窠?jīng)元，兩個神經(jīng)元中間不存在反饋，而且每一層的輸入只能連接上一層的輸出。2）反饋型網(wǎng)絡(luò)，這種的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點都是計算節(jié)點，可以接受輸入信號和輸出結(jié)果，下圖4-3描述出了兩種的反饋網(wǎng)絡(luò)圖4.3單層全連接反饋網(wǎng)絡(luò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包括學(xué)習(xí)階段和工作階段，學(xué)習(xí)階段是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)正式工作前所必須經(jīng)歷的過程，這個階段向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入大量的學(xué)習(xí)樣本，改變神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之間的權(quán)值來進(jìn)行學(xué)習(xí)的，為以后變壓繞組故障類型識別打下基礎(chǔ)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在工作階段中神經(jīng)元之間的權(quán)值都已經(jīng)固定了，輸入油氣分析特征量就可以對變壓器繞組故障類型進(jìn)行診斷。前反饋網(wǎng)絡(luò)可以進(jìn)行模式識別和函數(shù)逼近，這兩種體現(xiàn)出函數(shù)的映射關(guān)系。反饋網(wǎng)絡(luò)利用函數(shù)有極小點的情況可以分成兩種類型，一種是全部能量函數(shù)的極小點都起到了作用，這類可用作于聯(lián)想儲存器，另一種是僅用到了全局的極小點進(jìn)行求解和優(yōu)化。4.1.3人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有個很好的特性，它可以將從外界獲取到的信息來完善自身結(jié)構(gòu)和提高性能，在這個過程中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的參數(shù)連續(xù)的改變來實現(xiàn)既定的目的，其學(xué)習(xí)方式如下：1）監(jiān)督學(xué)習(xí)，這個方式中，必須要有“教師”的監(jiān)督指導(dǎo)，“教師”對輸入的數(shù)據(jù)給出準(zhǔn)確的結(jié)論，對于已經(jīng)得出結(jié)論的輸入數(shù)據(jù)和對應(yīng)的結(jié)論我們叫做訓(xùn)練樣本集，在學(xué)習(xí)部分，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)已經(jīng)得到的結(jié)論和實際結(jié)論的誤差對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行改善。2）非監(jiān)督學(xué)習(xí)，在這種學(xué)習(xí)方式下，沒有“教師”的指導(dǎo)，在學(xué)習(xí)時，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)全部根據(jù)外界提供的數(shù)據(jù)的性質(zhì)和規(guī)律對系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行改善，進(jìn)而可以描述出外界輸入所具有的本質(zhì)特性。3）再勵學(xué)習(xí)，在這種學(xué)習(xí)方式下，外界可以評價人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得出的結(jié)論但沒有提供準(zhǔn)確的結(jié)論，所有受獎的行為會被神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)系統(tǒng)進(jìn)行增強(qiáng)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)算法如下：1）誤差糾正學(xué)習(xí)，輸入時，表示神經(jīng)元k在n時刻的實際輸出，應(yīng)有的輸出用表示，則誤差信號為：（4.10）誤差糾正學(xué)習(xí)算法的目的是為了讓某一基于的目標(biāo)函數(shù)趨于最小，從而讓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的每一個輸出單元的輸出在某種統(tǒng)計意義上逼近應(yīng)有輸出，用的最多的目標(biāo)函數(shù)是均方誤差判據(jù)，誤差平方和的均值定義如下：（4.11）上式中E表示求期望算子，上式（4-11）前提條件是被學(xué)習(xí)的過程需寬平穩(wěn)，具體用到了最優(yōu)梯度下降法，如果直接用J作為目標(biāo)函數(shù)則需要獲知整個過程的統(tǒng)計特性，為了解決這個問題，用J在時刻n的瞬時值代替J,如下（4.12）問題轉(zhuǎn)化為求對權(quán)值w的極小值，由梯度下降法得（4.13）上面就是所謂的誤差糾正學(xué)習(xí)規(guī)則。2）Hebb學(xué)習(xí)算法，當(dāng)某一突出（連接）兩端的神經(jīng)元同步激活（同為激活或同為抑制）時，這種連接的強(qiáng)度會增強(qiáng)，否則則減弱，用數(shù)學(xué)描述如下（4.14）式（4-14）中，分別表示兩端神經(jīng)元的狀態(tài)，最常用的一種情況是（4.15）3）競爭學(xué)習(xí)算法，在這種學(xué)習(xí)算法下，網(wǎng)絡(luò)各輸出單元互相競爭，最終只有一個最強(qiáng)者激活，用的最多的競爭學(xué)習(xí)算法如下：（4.16）4.2BP神經(jīng)網(wǎng)的基本原理BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中是運(yùn)用最多的，經(jīng)典的三層BP網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下圖4.5所示圖4.4三層BP網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在輸入層中有m各節(jié)點，對應(yīng)的輸出向量表示為，在隱含層中k個節(jié)點，對應(yīng)的隱層輸出向量表示為,而在輸出層有n個節(jié)點，其對應(yīng)的輸出向量表示為。如令輸入層任一節(jié)點至隱層任一節(jié)點的連接權(quán)值為，隱層節(jié)點到輸出節(jié)點的連接權(quán)值為，表示網(wǎng)絡(luò)隱層的第個神經(jīng)元的閥值，表示網(wǎng)絡(luò)輸出層第個神經(jīng)元的閥值，其中：；；。各層信號之間的數(shù)學(xué)關(guān)系如下1、對于輸入層，輸入=輸出，有2、在隱含層內(nèi)有輸入：（4.17）輸出：（4.18）3、對于輸出層有輸入：（4.19）輸出：（4.20）上式中為激勵函數(shù)，這里采用的Sigmoid函數(shù)。（4.21）4.3BP網(wǎng)絡(luò)算法假設(shè)輸入的學(xué)習(xí)樣本為p個，則，，…，對應(yīng)輸出的期望值為，,…,當(dāng)?shù)赑個樣本對輸入到網(wǎng)絡(luò)后，然后經(jīng)過各層運(yùn)算，最后得到網(wǎng)絡(luò)的實際輸出值,而在網(wǎng)絡(luò)的實際應(yīng)用中，假如網(wǎng)絡(luò)的實際輸出和期望輸出不等，我們將兩者之間的誤差設(shè)為E，定義誤差函數(shù)如下：式中：網(wǎng)絡(luò)的期望輸出是，則是實際輸出。隱含層誤差公式有輸入層的誤差公式有（4-22）由上式可見，輸入誤差是各層權(quán)值，的函數(shù)，調(diào)整權(quán)值可以改變誤差E。我們調(diào)整權(quán)值應(yīng)當(dāng)是是誤差不斷的減小，權(quán)值的調(diào)整量和誤差的負(fù)梯度呈正比，有（4.23）（4.24）式子中負(fù)號表示的是梯度下降，常數(shù)為學(xué)習(xí)因子，反映學(xué)習(xí)的速度。網(wǎng)絡(luò)隱含層與輸出層之間的連接權(quán)值修正量為：（4.25）令(4.26)則（4.27）稱為輸出層誤差等效信號，，一般取值，輸出神經(jīng)元的實際誤差，同理得：（4.28）由上可見，輸出層的誤差信號同網(wǎng)絡(luò)的期望輸出與實際輸出之差有關(guān)，而且隱含層的誤差信號和前面各層的誤差信號都有關(guān)系，是從輸出層開始反傳過來的，各層權(quán)值調(diào)整公示為：(4.29)4.4BP算法程序?qū)崿F(xiàn)上面說敘述的只是BP算法的基礎(chǔ)，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)，還需要通過計算機(jī)編程，步驟如下：1.初始化設(shè)置連接權(quán)值初值，各個連接權(quán)值初值設(shè)為隨機(jī)數(shù)，學(xué)習(xí)率和網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練誤差精度設(shè)置為（0,1）的小數(shù)。2.正向計算各層輸出輸入訓(xùn)練樣本對,正向順序計算每一樣本個隱層和輸出層神經(jīng)元的輸出。3.反向計算各層誤差信號從輸出層開始對P個學(xué)習(xí)樣本一直到輸入層，逐層反向計算各層神經(jīng)元的等效誤差。4.對連接權(quán)值做出調(diào)整根據(jù)修正公式和等效誤差調(diào)整各層的連接權(quán)值。5.返回第2步，根據(jù)新的連接權(quán)值進(jìn)行正向計算，直至誤差滿足精度要求則訓(xùn)練結(jié)束，否則需要重復(fù)計算。6.算法結(jié)束BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法程序流程圖如下：圖4.5BP學(xué)習(xí)算法程序框圖4.5Matlab神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱在變壓器故障診斷的應(yīng)用Matlab的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱是以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論為基礎(chǔ)的，用Matlab語言構(gòu)造出了理論所涉及的公式運(yùn)算，矩陣操作以及方程求解等大部分子程序，用戶只需要根據(jù)自己的需要調(diào)用的相關(guān)程序。變壓器油中氣體色譜分析師變壓器故障診斷的重要手段，為變壓器故障診斷提供了重要依據(jù)，在油氣分析技術(shù)中，專家經(jīng)驗是一些經(jīng)過了實踐驗證的正確的變壓器故障樣本數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以用來訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，首先用搜集到的變壓器故障診斷的油中氣體色譜分析數(shù)據(jù)來確定單隱層BP網(wǎng)絡(luò)各參數(shù)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)初值會影響網(wǎng)絡(luò)的收斂性，故本文數(shù)據(jù)取5次訓(xùn)練結(jié)果的平均值。4.5.1BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)確定Cybenko證明，三層網(wǎng)（一層隱藏層）如果有足夠多的隱藏節(jié)點，可以逼近任何函數(shù)，隱藏層少也是可以勝任的。層數(shù):三層（輸入層、隱藏層、輸出層）節(jié)點數(shù)：輸入層節(jié)點數(shù)7,輸出層節(jié)點數(shù)5。（1）輸入特征向量的確定變壓器故障時分解出來的氣體主要有、、、、、、等，由于對故障類別的判斷影響不大，以這其他六種種氣體濃度作為網(wǎng)絡(luò)的輸入特征向量，因此輸入層節(jié)點數(shù)為6，為了網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的更好，本文對輸入進(jìn)行歸一化處理。計算公式如下：（4.30）上式中：和分別表示的是第j個樣本為的最大值和最小值。（2）輸出特征向量的確定輸出量代表的是要系統(tǒng)得出的結(jié)論，在變壓器故障診斷中，輸出量為0或1的7位故障編碼，對應(yīng)的是七種故障類型分別為：低溫過熱、中溫過熱、高溫過熱、高能放電（電弧放電）、高能放電兼過熱、低能放電和局部放電。局部放電的放電能量比較低，可以把局部放電故障歸為低能放電故障類型，設(shè)定網(wǎng)絡(luò)輸出層節(jié)點數(shù)為7，故障編碼表如表4.1所示。表4.1故障編碼對應(yīng)表故障類型編碼（依次為低溫過熱0000001中溫過熱0000010高溫過熱0000100高能放電0001000高能放電兼過熱0010000低能放電0100000局部放電1000000（3）激活函數(shù)的確定Matlab神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱中提供了線性型、閥值型和S型三種激活函數(shù)，激活函數(shù)是用來控制輸入和輸出函數(shù)激活，用函數(shù)對輸入和輸出進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將可能無限域的輸入和輸出變成了有限范圍內(nèi)的輸出和輸出。圖4.2輸出激活函數(shù)為logsig圖4.3輸出激活函數(shù)為purelin圖4.4輸出激活函數(shù)為Tansig根據(jù)上面的各種激活函數(shù)訓(xùn)練過程圖可以知道logsig函數(shù)為激活函數(shù)在達(dá)到相同誤差的情況下，用的時間比其他激活函數(shù)的時間少而且可以保證100%收斂，其他激活函數(shù)在本次訓(xùn)練的優(yōu)越?jīng)]有l(wèi)ogsig函數(shù)好，因此選擇logsig作為本文的輸出激活函數(shù)(4)初始權(quán)值的確定初始權(quán)值對學(xué)習(xí)是否收斂以及訓(xùn)練時間的長短有聯(lián)系，一般是希望初始在加權(quán)之后的每個神經(jīng)元的輸出值跟0接近，這樣可以使神經(jīng)元的權(quán)值能在sigmoid型函數(shù)變化最大的地方選擇，在本次訓(xùn)練，給每個連接權(quán)都賦予了-1到1之間的任一隨機(jī)數(shù)值。（5）期望誤差選擇根據(jù)前面的網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練情況，期望誤差為1e-10時滿足了系統(tǒng)精度要求。（6）樣本輸入模式為了能夠使訓(xùn)練速度更快，以及本次樣本數(shù)量，選擇了總體輸入樣本法對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。4.6網(wǎng)絡(luò)驗證及仿真結(jié)果1.BP網(wǎng)絡(luò)驗證實例將訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)，把實際檢測到的變壓器故障加以驗證，并將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷出來的結(jié)果和實際結(jié)果進(jìn)行比較。下表給出訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)，單位均為ppml（zL/L）。表4.3訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)實際故障類型163.358.18.760.10126.9高溫過熱23303565270577633020343高溫過熱34.2311.7502.659.1123.51高能放電46.71011713.995.9高能放電520010004003000304430高溫過熱6330200016005100308730高溫過熱7129181.343.9243.70.1469高能放電兼過熱8251313483882.1752高能放電兼過熱914.761015191701678高溫過熱102000180012603600106670低溫過熱1120001080032002400017038170高溫過熱12460044004004004005370高溫過熱13140152301057低能放電144760034960212005040025600132160局部放電或受潮15328380821012211493高溫過熱161601400900800018010480高溫過熱174.321931181250436中溫過熱18390085080120019604090高能放電表4.4格式化處理后的數(shù)據(jù)10.10520.10480.10070.10500.05000.950020.44620.69240.83960.95000.05000.137730.11820.15060.05000.11140.13920.950040.10650.11410.11640.22510.05000.950050.14580.36130.19970.95000.05000.307460.14730.41080.34770.95000.05000.379370.49520.65560.23430.84700.05000.950080.59180.71430.19070.86250.05000.950090.11280.63220.23170.95000.05000.3469100.29680.27700.22360.45500.05000.9500110.16140.45690.20170.95000.05000.1077120.18090.17720.10420.10420.05000.9500130.65760.15250.05000.21310.13230.9500140.84370.58960.31310.95000.40150.0500150.34780.38980.14920.95000.05000.1646160.05000.22650.17550.95000.10200.1143170.11790.95000.58910.61810.05000.3487180.95000.26130.05000.33460.49370.31364.6神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)驗證和仿真結(jié)果1.網(wǎng)絡(luò)驗證神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷模型的構(gòu)建是最為復(fù)雜的一部分，利用Matlab神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱先進(jìn)行仿真和應(yīng)用，接著直接引用Matlab訓(xùn)練好后的網(wǎng)絡(luò)。圖4.5神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練界面圖4.6神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對訓(xùn)練樣本的預(yù)測輸出結(jié)果圖4.7神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對訓(xùn)練樣本預(yù)測輸出結(jié)果表4.6神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測輸出結(jié)果4.32e-134.26e-071.63e-060.0001280.999531.25e-063.98e-142.05e-051.14e-091.03e-054.73e-190.999991.49e-055.09e-094.12e-105.14e-058.73e-070.9999132.48e-057.79e-072.13e-129.71e-121.61e-081.27e-060.9997266.01e-055.29e-072.47e-136.81e-073.51e-121.60e-091.03e-0513.63e-081.00e-097.44e-079.69e-122.54e-095.05e-070.9999823.22e-083.42e-101.44e-071.63e-080.9999721.23e-051.28e-104.99e-063.49e-153.56e-069.03e-060.9999832.32e-068.32e-115.69e-067.49e-159.09e-062.34e-123.33e-061.21e-050.9999782.56e-067.47e-095.29e-091.70e-052.67e-052.66e-058.09e-102.53e-063.94e-143.27e-064.75e-122.16e-096.90e-0618.58e-084.58e-092.93e-123.44e-052.16e-061.58e-070.9995442.29e-063.84e-143.18e-060.9999561.54e-057.23e-123.98e-067.67e-065.08e-130.9999769.58e-061.07e-051.3e-051.12e-053.83e-061.01e-054.03e-069.60e-124.69e-098.06e-0613.7