[发明专利]一种阻抗电弧模型及其仿真方法

说明书

本发明涉及一种阻抗电弧模型及其仿真方法。阻抗电弧模型将电弧电流的产生路径分为低频通路和高频通路，低频通路采用了传统时变电阻模型，保留了电弧电流的低频零休特征，高频通路采用了弧隙电容模型，并考虑弧隙两侧的对地电容对弧隙电容及负载侧线路阻抗的高频充放电过程，克服了传统电弧模型在电弧电流高频特征仿真中具有的局限性。基于阻抗电弧模型的仿真方法在SIMULINK中搭建了基于阻抗电弧模型的故障电弧发生电路，可以通过调整电弧参数、线路参数、负载拓扑和参数实现不同负载类型电弧故障的虚拟仿真，该方法可以使研究人员仅通过仿真的方法就能获取大量的电弧数据。不需要购置大量的负载、进行大量的负载实验，节约了时间成本和设备成本。

技术领域

本发明涉及串联电弧故障建模领域，特别是一种阻抗电弧模型及其仿真方法。

背景技术

串联电弧故障是当前电力系统故障监测的难点。当串联电弧故障发生时，由于负载和电弧的串联关系以及故障电弧本身的阻抗特征，致使回路中的工作电流要小于负载正常工作电流，基于故障电流数值增大的过电流保护技术难以排查出串联电弧故障。电弧故障发生时，高温的电弧往往伴随着金属导体的溅射。一旦故障点附近有易燃易爆物品，容易引发火灾甚至爆炸。串联电弧故障时刻威胁着电力系统尤其是用电系统的人身和财产安全。

当前电弧故障检测重点是基于电流特征的电弧故障检测技术，即通过电弧故障模拟实验平台，开展各种负载的故障电弧实验，通过传统的时域、频域以及时频域的特征提取，并结合智能算法实现电弧故障检测。

电弧故障检测技术的前提是故障电弧数据的获取。实际研究中，电弧数据获取都是基于实际负载的故障电弧模拟实验，借助电弧发生装置对不同负载及其组合进行拉弧实验，负载种类越多，电弧数据就越多，提取的特征就可能越全面，提出的检测算法普适性就可能越好。然而，采购足够多的负载、进行足够多的拉弧实验（无论是手动方式还是自动方式）和数据采集是一个费时、费钱且费力的过程。以家用电器为例，仅阻性负载就包括电热水壶、电饭锅、电热毯、取暖器、白炽灯、饮水机、电吹风等多种负载，每种负载不同功率型号又导致负载电流特性出现不同的差异。电弧故障检测技术必须要从故障数据中提取故障特征，然而，实际故障实验用的负载种类总是很少的一部分，如何获得足够多的故障数据，是提高电弧故障检测准确率的重点和难点。

为了解决电弧数据的获取难题，建立以电弧数学模型为基础的仿真电路生成海量电弧数据的方法是可行的。电弧模型是电弧故障检测研究的一个重要方向，研究人员根据具体情况对电弧进行建模，以研究电弧的各种特性。根据研究的侧重不同，电弧模型主要包括基于电磁场和流体力学的物理模型、基于能量平衡理论的时域微分方程模型和等效电阻模型、结合等效电路模型和经验知识的启发式模型。通常，基于Mayr模型、Cassie模型以及二者的改进或组合模型，将电弧视作可变、时变或高频电阻。电流过零前和过零后的燃弧阶段，电弧呈现低阻值；电弧过零时的熄弧阶段，电弧呈现高阻值。这是电弧伏安特性得到的结论，也是电弧电流零休特征的合理解释。但是，将电弧等效为一个可变电阻模型，仅能对电弧电流的零休特征做出合理解释。实际上，电弧电流零休时间最多只有几百微秒，电弧电流的零休特征并非明显的电弧特征，且只有当电流信号仅采集低频（主要是工频）信号时，基于上述模型的仿真波形和实际波形才比较相似。如图1,2和3所示，当采集频率较宽时，可以发现电弧电流的高频振荡特征是串联电弧故障的主要特征。现有的电弧模型都是围绕电弧的热、电磁和运动等低频稳态特性进行研究，尚没有对电弧电流中的高频特征进行机理解释和建模的方法。