[發明專利]一種阻抗電弧模型及其仿真方法

有效

• 申請號: 202010991703.0
• 申請日: 2020-09-21
• 公開（公告）號: CN112131735B
• 公開（公告）日: 2022-07-12
• 發明（設計）人: 鮑光海;高小慶
• 申請（專利權）人: 福州大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 福州元創專利商標代理有限公司 35100
• 代理人: 錢莉;蔡學俊

本發明涉及一種阻抗電弧模型及其仿真方法。阻抗電弧模型將電弧電流的產生路徑分為低頻通路和高頻通路，低頻通路采用了傳統時變電阻模型，保留了電弧電流的低頻零休特征，高頻通路采用了弧隙電容模型，并考慮弧隙兩側的對地電容對弧隙電容及負載側線路阻抗的高頻充放電過程，克服了傳統電弧模型在電弧電流高頻特征仿真中具有的局限性。基于阻抗電弧模型的仿真方法在SIMULINK中搭建了基于阻抗電弧模型的故障電弧發生電路，可以通過調整電弧參數、線路參數、負載拓撲和參數實現不同負載類型電弧故障的虛擬仿真，該方法可以使研究人員僅通過仿真的方法就能獲取大量的電弧數據。不需要購置大量的負載、進行大量的負載實驗，節約了時間成本和設備成本。

技術領域

本發明涉及串聯電弧故障建模領域，特別是一種阻抗電弧模型及其仿真方法。

背景技術

串聯電弧故障是當前電力系統故障監測的難點。當串聯電弧故障發生時，由于負載和電弧的串聯關系以及故障電弧本身的阻抗特征，致使回路中的工作電流要小于負載正常工作電流，基于故障電流數值增大的過電流保護技術難以排查出串聯電弧故障。電弧故障發生時，高溫的電弧往往伴隨著金屬導體的濺射。一旦故障點附近有易燃易爆物品，容易引發火災甚至爆炸。串聯電弧故障時刻威脅著電力系統尤其是用電系統的人身和財產安全。

當前電弧故障檢測重點是基于電流特征的電弧故障檢測技術，即通過電弧故障模擬實驗平臺，開展各種負載的故障電弧實驗，通過傳統的時域、頻域以及時頻域的特征提取，并結合智能算法實現電弧故障檢測。

電弧故障檢測技術的前提是故障電弧數據的獲取。實際研究中，電弧數據獲取都是基于實際負載的故障電弧模擬實驗，借助電弧發生裝置對不同負載及其組合進行拉弧實驗，負載種類越多，電弧數據就越多，提取的特征就可能越全面，提出的檢測算法普適性就可能越好。然而，采購足夠多的負載、進行足夠多的拉弧實驗（無論是手動方式還是自動方式）和數據采集是一個費時、費錢且費力的過程。以家用電器為例，僅阻性負載就包括電熱水壺、電飯鍋、電熱毯、取暖器、白熾燈、飲水機、電吹風等多種負載，每種負載不同功率型號又導致負載電流特性出現不同的差異。電弧故障檢測技術必須要從故障數據中提取故障特征，然而，實際故障實驗用的負載種類總是很少的一部分，如何獲得足夠多的故障數據，是提高電弧故障檢測準確率的重點和難點。

為了解決電弧數據的獲取難題，建立以電弧數學模型為基礎的仿真電路生成海量電弧數據的方法是可行的。電弧模型是電弧故障檢測研究的一個重要方向，研究人員根據具體情況對電弧進行建模，以研究電弧的各種特性。根據研究的側重不同，電弧模型主要包括基于電磁場和流體力學的物理模型、基于能量平衡理論的時域微分方程模型和等效電阻模型、結合等效電路模型和經驗知識的啟發式模型。通常，基于Mayr模型、Cassie模型以及二者的改進或組合模型，將電弧視作可變、時變或高頻電阻。電流過零前和過零后的燃弧階段，電弧呈現低阻值；電弧過零時的熄弧階段，電弧呈現高阻值。這是電弧伏安特性得到的結論，也是電弧電流零休特征的合理解釋。但是，將電弧等效為一個可變電阻模型，僅能對電弧電流的零休特征做出合理解釋。實際上，電弧電流零休時間最多只有幾百微秒，電弧電流的零休特征并非明顯的電弧特征，且只有當電流信號僅采集低頻（主要是工頻）信號時，基于上述模型的仿真波形和實際波形才比較相似。如圖1,2和3所示，當采集頻率較寬時，可以發現電弧電流的高頻振蕩特征是串聯電弧故障的主要特征。現有的電弧模型都是圍繞電弧的熱、電磁和運動等低頻穩態特性進行研究，尚沒有對電弧電流中的高頻特征進行機理解釋和建模的方法。