[发明专利]一种阻抗电弧模型及其仿真方法

权利要求书

1.一种阻抗电弧模型，其特征在于：包括交流电源、电源侧等效线路参数Z₁、负载Z_L、负载侧等效线路参数Z₂、理想开关K、等效电弧参数Za；所述交流电源与所述电源侧等效线路参数Z₁连接，所述电源侧等效线路参数Z₁与所述理想开关K连接，所述理想开关K还与所述负载侧等效线路参数Z₂连接，所述负载侧等效线路参数Z₂还与所述负载Z_L连接；

所述阻抗电弧模型还包括理想开关K₁、理想开关K₂和理想开关K₃；所述电源侧等效线路参数Z₁等效为电阻R₁、电感L₁和电容C₁，所述电阻R₁与电感L₁串联后与电容C₁并联；所述负载Z_L采用电阻R_L或电感L_L；所述负载侧等效线路参数Z₂等效为电阻R₂、电感L₂和电容C₂，所述电阻R₂与电感L₂串联后与电容C₂并联；所述等效电弧参数Za等效为等效电弧电阻Ra、弧柱电感La和弧隙电容Ca，所述等效电弧电阻Ra与弧柱电感La串联后和弧隙电容Ca并联；所述交流电源的一端与所述电阻R₁的一端连接，所述电阻R₁的另一端与所述电感L₁的一端连接，所述电感L₁的另一端分别与理想开关K一端和电容C₁的一端连接；所述理想开关K的另一端与所述电阻R₂的一端连接，所述电阻R₂的另一端与所述电感L₂的一端连接，所述电感L₂的另一端分别与所述电容C₂的一端和负载Z_L的一端连接，所述负载Z_L的另一端、所述电容C₂的另一端、所述电容C₁的另一端均与所述交流电源的另一端连接；若所述电感L₁的另一端与所述理想开关K₂的一端连接，所述理想开关K₂的另一端与所述等效电弧电阻Ra的一端连接，所述等效电弧电阻Ra的另一端和弧柱电感La的一端连接，所述弧柱电感La的另一端与所述电阻R₂的一端连接，则组成电弧阻抗支路低频通路；若所述电感L₁的另一端与所述理想开关K₃的一端连接，所述理想开关K₃的另一端与所述弧隙电容Ca的一端连接，所述弧隙电容Ca的另一端与所述电阻R₂的一端连接，则组成电弧阻抗支路高频通路。

2.根据权利要求1所述的一种阻抗电弧模型，其特征在于：在出现故障时电弧呈现周期性熄灭和重燃；电弧熄灭时，等效电弧电阻Ra很大，弧柱电感La忽略不计，此时所述电感L₁的另一端与所述理想开关K₁的一端连接，所述理想开关K₁的另一端与所述等效电弧电阻Ra的一端连接，所述等效电弧电阻Ra的另一端与所述电阻R₂的一端连接，则组成电弧阻抗支路低频通路；电弧熄灭时，相当于断开理想开关K和K₂，仅闭合理想开关K₁；电弧燃烧时，等效电弧电阻Ra很小，弧柱电感La计入，相当于断开理想开关K和K₁，仅闭合理想开关K₂；无论是电弧熄灭还是重燃状态，由于弧隙电容Ca的存在，高频通路始终是存在的；电弧电流高频分量呈现为高频脉冲，其对应的理想开关K₃以很高的频率分断和闭合。

3.根据权利要求1所述的一种阻抗电弧模型的仿真方法，其特征在于：包括以下内容：在仿真软件中搭载信号发生系统，所述信号发生系统包括低频通路、高频通路、故障电弧触发源模块、第一逻辑非模块、理想开关K、逻辑信号叠加模块、高斯白噪声信号发生模块、电流信号存储模块和显示模块；

所述故障电弧触发源模块通过所述第一逻辑非模块与所述理想开关K连接，所述理想开关K分别与所述低频通路和所述高频通路连接，用以控制低频通路和高频通路的通断；所述高斯白噪声信号发生模块用于模拟实际电流互感器在真实环境中信号采集时所具有的未知噪声，所述逻辑信号叠加模块用于低频电流与高频电流的信号叠加，以构成完整的电流信号；所述电流信号存储模块用于将完整的电流信号存储在MATLAB的工作区，并存储为.mat格式的电弧数据文件；所述显示模块用于显示仿真过程产生电流波形随时间的变化情况；

所述低频通路中电容C₁和电容C₂忽略不计，所述低频通路包括常数模块、阈值开关、第二逻辑非模块、第一理想开关K₁、第二理想开关K₂、等效电弧电阻Ra、弧柱电感La、电阻R₂、电感L₂、电压互感器、绝对值模块、电源模块、电阻R₁、电感L₁、第一电流互感器和阻性负载；对于低频通路，电弧支路是高电阻还是低电阻，取决于燃弧状态，即取决于电源电压是否超过燃弧电压；经过所述电压互感器采集瞬时电压，所述绝对值模块将电压信号转换为非负实数值，用于与阈值开关设定的阈值相比较，当电源电压绝对值超过设定的阈值时，所述阈值开关连通常数模块中的常数1即逻辑1信号，一方面该逻辑1信号经第二逻辑非模块转化为逻辑0信号，控制理想开关K₁断开，关断高电弧电阻支路；另一方面该逻辑1信号控制理想开关K₂闭合，导通低电弧电阻支路；当电源电压绝对值未超过设定的阈值时，所述阈值开关连通常数模块中的常数0即逻辑0信号，一方面该逻辑0信号经第二逻辑非模块转化为逻辑1信号，控制理想开关K₁闭合，导通高电弧电阻支路；另一方面该逻辑0信号控制理想开关K₂断开，关断低电弧电阻支路，最终得到低频电流；

所述高频通路包括高频伯努利信号发生器、第三理想开关K₃、第四理想开关K₄、电阻R₁、电感L₁、电容C₁、电源模块、弧隙电容Ca、电阻R₂、电感L₂、第二电流互感器、电容C₂和阻性负载；对于高频通路，其对应理想开关K₃是高速分合的，并具有随机性，在仿真中使用高频伯努利信号发生器产生满足伯努利分布的0和1信号序列，用以控制理想开关K₃的分合；由于设定的是高频伯努利信号发生器生成0和1的概率，而非指定具体的序列，所以能使高频通路的分合具有随机性；所述故障电弧触发源模块中的触发源在达到指定的触发时刻之前，输出逻辑0信号，一方面直接控制理想开关K₄断开，断开高频通路，另一方面经逻辑非模块转换成逻辑1信号，控制理想开关K闭合，将低频通路短路，最终得到高频电流；将得到的低频电流与高频电流通过所述逻辑信号叠加模块进行信号叠加，以构成完整的电流信号。