故障电弧检测技术与应用

在交直流供电系统中，故障电弧是引起电气火灾的重要因素之一。近些年，中国、国际电工技术委员会及美国均发布了相关产品标准。故障电弧的检测技术已成为学术研究热点方向之一。本书总结了故障电弧的一些特点及故障电弧的检测方法，同时对几个主要的故障电弧检测产品标准进行了对比分析。全书共8章。第1章为绪论；第2章介绍了电弧的物理特性及电弧模型；第3章介绍了不同负载下交流故障电弧对线路电流的影响；第4章介绍了基于线路电流高频分量及随机性的故障电弧检测；第5章介绍了基于小波变换和奇异值分解的串联故障电弧检测方法；第6章在分析直流故障电弧对线路电流影响的基础上，介绍了基于线路电流和供电电压的直流串联故障电弧检测方法；第7章结合当前交直流故障电弧发展趋势，介绍了几种基于人工智能技术的典型交直流故障电弧的检测方法；第8章介绍了故障电弧检测与保护产品标准。本书适合电气专业、消防工程专业的研究生及相关工程技术人员使用和参考。

第1章 绪论1
1.1 电弧的定义1
1.2 故障电弧及其危害2
1.3 故障电弧检测技术研究现状6
第2章 电弧的特性及电弧模型10
2.1 电弧的物理特性10
2.1.1 电弧的组成10
2.1.2 电弧的温度13
2.1.3 电弧的直径14
2.1.4 电弧的弧根和斑点15
2.1.5 电弧的等离子流16
2.1.6 电弧的能量平衡17
2.1.7 弧隙电压的恢复20
2.2 电弧的伏安特性21
2.2.1 电弧的电压方程22
2.2.2 气体放电时的伏安特性23
2.2.3 直流电弧的伏安特性25
2.2.4 交流电弧的伏安特性29
2.3 电弧数学模型31
2.4 本章小结36
第3章 不同负载下交流故障电弧对线路电流的影响37
3.1 交流故障电弧相关电气特性分析37
3.2 纯阻性负载下故障电弧对线路电流及电压和电流关系的影响分析39
3.3 整流电路+电容滤波类负载下故障电弧对 线路电流及电压和电流关系的影响分析41
3.4 感性负载下故障电弧对线路电流及电压和 电流关系的影响分析44
3.5 故障电弧对几种民用负载下的电流波形影响分析47
3.6 本章小结55
第4章 基于线路电流高频分量及随机性的故障电弧检测56
4.1 故障电弧检测的硬件原理56
4.2 电弧特征的检测58
4.2.1 线路电流高频分量及其随机性特征的检测58
4.2.2 电流脉冲特征检测61
4.2.3 负载切换与电弧特征的辨别66
4.2.4 故障电弧的检测算法实现68
4.3 基于电流信号频谱数字化处理的检测方法70
4.4 本章小结77
第5章 基于小波变换和奇异值分解的串联故障电弧检测方法78
5.1 小波变换和奇异值分解79
5.1.1 小波变换的基本原理79
5.1.2 奇异值分解的基本理论81
5.2 串联故障电弧的特征提取算法82
5.2.1 数据预处理82
5.2.2 特征矩阵的构造83
5.2.3 特征参数的定义83
5.3 串联故障电弧模拟实验84
5.4 实验验证结果与分析90
5.5 本章小结98
第6章 基于线路电流和供电电压的直流串联故障电弧检测方法99
6.1 直流串联故障电弧检测方法分析99
6.2 不同电弧间隙下电弧伏安特性对线路电流 影响分析102
6.2.1 电弧的伏安特性对线路电流有效值的影响102
6.2.2 电弧的伏安特性对线路电流动态变化的影响108
6.3 电弧的伏安特性对电源电压交流分量的影响109
6.3.1 DC-DC变换器109
6.3.2 光伏电源111
6.4 直流故障电弧检测方法114
6.5 实验与分析116
6.5.1 DC-DC变换器实验117
6.5.2 恒功率负载实验123
6.5.3 光伏电源实验125
6.6 本章小结130
第7章 典型交直流故障电弧的检测方法分析131
7.1 小波变换能量与神经网络结合的串联型故障电弧检测方法131
7.2 基于电流信号及支持向量机的负载识别和故障电弧检测方法134
7.2.1 故障电弧电流特征提取134
7.2.2 负载识别和故障电弧检测137
7.3 基于供电电压波形分析的故障电弧检测方法138
7.4 基于信息维数和零休时间的故障电弧检测方法141
7.5 基于时域和频域特性分析及人工神经网络的故障电弧检测方法144
7.6 一种针对光伏系统的直流故障电弧检测方法149
7.7 基于时域和时频域分析的小波变换直流故障 电弧检测方法154
7.8 一种基于机器学习的直流串联故障电弧诊断方案158
7.9 本章小结161
第8章 故障电弧检测与保护产品标准分析162
8.1 相关标准的报警或保护时间要求163
8.2 相关标准对故障电弧检测的主要实验方法165
8.2.1 串联故障电弧实验165
8.2.2 并联故障电弧实验172
8.2.3 误报警实验178
8.2.4 抑制性负载屏蔽实验183
8.2.5 EMI滤波器抑制及线路阻抗抑制屏蔽实验187
8.3 本章小结192
参考文献193