摘 要

本文设计的基本内容是基于升船机变压器故障特征提取的方法研究，深入研究升船机变压器短路故障机理。在此基础上，以不同程度的匝间短路故障和相间短路故障来作为切入点来展开研究。基于软件matlab中simulink环境下搭建出升船机所用变压器模型。就几种故障类型进行仿真实验，得到相应的故障波形图，再通过后续希尔伯特-黄变换和小波变换的方法去提取故障特征。最后使用基于PNN神经网络的方法，来识别并快速判断故障位置。

论文主要研究了解升船机变压器的工作原理及其发展状态,并说明了升船机使用最多的三相双绕组干式变压器的原理、组成、特点及其产生故障的原因,着重讲介绍了其相间短路和匝间短路故障。针对相间短路和匝间短路故障,列举出了几种故障类型并就其做了仿真实验。

本文举出的故障类型有:一次侧与二次侧故障下的A相3种不同程度的匝间短路故障，AB两相的相间短路，A相单相接地短路。并利用仿真实验得到了在不同故障时变压器A相输入电流与输出电压的波形变化。将此波形作为升船机变压器的故障特征。后介绍了PNN神经网络基本原理,并通过仿真实验分别得到希尔伯特-黄变换和小波变换最终的故障识别正确率,从而完成了对升船机变压器短路故障模式的识别。

关键词：升船机；变压器；短路故障；故障诊断

Abstract

The basic content of this paper is to study the short circuit fault mechanism of the transformer of ship lift based on the method of fault feature extraction. On this basis, the research is carried out with different degrees of interturn short circuit fault and interphase short circuit fault as the entry point. Based on matlab in simulink environment, the transformer model used in the ship elevator was built. Simulation experiments were carried out on several fault types, corresponding fault waveforms were obtained, and fault features were extracted by means of subsequent Hilbert - yellow transformation and wavelet transformation. Finally, the method based on PNN is used to identify and quickly judge the fault location.

This paper mainly studies and understands the working principle and development state of the ship lift transformer, and gives the principle, composition, characteristics and causes of the faults of the three-phase double-winding dry type transformer most used in the ship lift in the market, with emphasis on introducing its interphase short circuit and interturn short circuit faults. In this paper, several fault types are listed and simulated for interphase and interturn short circuit faults.

The fault types listed in this paper are: phase A and phase b, phase A and phase A, phase A and phase A, phase A and phase A. The waveform changes of a-phase input current and output voltage in different faults are obtained by simulation experiments. This waveform is used as the fault feature of the ship lift transformer. Then, the basic principle of PNN is introduced, and the final fault recognition accuracy of hilbert-yellow transform and wavelet transform is obtained through simulation experiments, so as to complete the identification of the short-circuit fault mode of the transformer of ship lift.

Keywords: Ship lift; Transformer; Short circuit fault; Fault diagnosis

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的背景及意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.2.1故障检测方法的研究现状 3

1.2.2故障特征提取方法的研究现状 3

1.2.3故障算法的研究现状 4

1.3 本文的主要研究内容 6

1.4论文结构安排 6

第2章 升船机变压器的工作原理及故障仿真 7

2.1升船机变压器的工作原理及基本结构 7

2.1.1升船机变压器工作原理 7

2.1.2升船机变压器基本结构 10

2.2变压器常见短路故障类型 10

2.2.1变压器匝间短路故障 10

2.2.2变压器相间短路故障 11

2.3升船机变压器故障仿真 12

2.3.1仿真模型的构建 12

2.3.2短路故障模型的构建 14

2.3.3 一次侧输入电流和二次侧输出电压的波形分析 17

2.3.4一次侧输入电流和二次侧输出电压FFT分析 25

2.3小结 27

第3章 基于希尔伯特-黄变换的变压器故障特征提取方法的研究 28

3.1 希尔伯特—黄变换的基本理论 28

3.1.1 EMD基本原理 28

3.1.2Hilbert变换 29

3.2基于希尔波特-黄变换的故障特征提取 30

3.2.1三相故障电流与电压的EMD分解 30

3.2.2三相故障电流与电压的Hilbert时频谱分析 32

3.2.3基于特征频带能量熵的故障特征提取 35

3.3本章小结 38

第4章 基于小波包变换的变压器故障特征提取方法的研究 39

4.1小波包变换理论 39

4.2基于小波包变换的故障特征提取 40

4.2.1三相故障电流与电压的小波包变换 40

4.2.2基于小波包能量熵的故障特征提取 42

4.3本章小结 46

第5章 基于概率神经网络的升船机变压器故障模式识别研究 47

5.1 PNN 基本原理 47

5.2 基于概率神经网络的故障模式识别研究 48

5.2.1构建概率神经网络的模型 48

5.2.2故障诊断结果分析 49

5.3本章小结 52

第6章 总结与展望 53

6.1 本文工作总结 53

6.2 展望 53

参考文献 54

致谢 56

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

升船机是一种利用机械装置克服航道集中水位下降，从而达到升沉船舶的目的的大型通航设备。它是由各种零部件组成的，如承船厢，支撑和导向结构，驱动装置和事故装置。作为一种拖船通过水坝的装置，它通常被称为在河上建造的电梯或自动扶梯，以克服水位差距。与船闸相比，升船机具有效率高、扬程大、耗水量少的优点。

世界上第一个机械化的升船机是由英国Keitley在1788年建成的。从那时起，升船机在欧洲“无处不在”。进入20世纪，升船机的发展进入快车道。其中，在技术和规模上都达到了世界最高水平的由德国在1934年建造的尼德芬诺垂直升船机是最具有代表性的工程之一。如图1-1所示。

图1-1 尼德芬诺垂直升船机

在此之后,升船机发展进入规模越建越大,提升高度越来越高, 种类也越来越多样化的全新阶段。如图1-2所示的三峡升船机于2015年12月成功完成三峡大坝试验，为2016年试航奠定了重要基础。三峡升船机布置在三峡工程双线五级永久船闸的右侧和左岸，采用螺杆螺母柱安保和齿条齿轮爬升驱动。三峡升船机是世界上最大、技术难度最大的升船机使得三峡枢纽通航效率得到了很大的改善并为国家社会的诸多方面创造了巨大效益^[1]。