串聯(lián)型故障電弧具有一定的隱蔽性和潛伏性，已成為導(dǎo)致電氣設(shè)備損壞及引發(fā)電氣火災(zāi)的主要原因之一。礦井等供配電系統(tǒng)可能存在瓦斯、煤塵等易燃易爆物質(zhì)，難以在現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展串聯(lián)型故障電弧實(shí)驗(yàn)，為礦井等供電系統(tǒng)串聯(lián)型故障電弧的特征分析及故障診斷工作帶來(lái)困難。因此，建立串聯(lián)型故障電弧數(shù)學(xué)、仿真模型，對(duì)礦井等供電系統(tǒng)串聯(lián)型故障電弧進(jìn)行仿真分析，對(duì)不宜開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的供電系統(tǒng)，研究其串聯(lián)型故障電弧特征及診斷方法，保證供電系統(tǒng)的供電安全具有重要意義。

• 有學(xué)者建立了故障電弧的三維磁流體動(dòng)力學(xué)（Magneto Hydro Dynamic, MHD）仿真模型，計(jì)算了封閉空間內(nèi)部故障電弧產(chǎn)生的溫度分布和壓力分布情況。
• 有學(xué)者建立了故障電弧的阻抗模型，實(shí)現(xiàn)了空氣擊穿、電極分離、炭化路徑三種方式下故障電弧的仿真。
• 有學(xué)者認(rèn)為在電流瞬態(tài)模擬中用微分形式描述電弧模型對(duì)于電弧電流的零休現(xiàn)象更準(zhǔn)確。
• 有學(xué)者搭建了故障電弧的全回路仿真模型，通過(guò)連接硬件FPGA，對(duì)不同故障電弧檢測(cè)算法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。有學(xué)者提出一種簡(jiǎn)化的故障電弧模型，可以用來(lái)計(jì)算電弧電阻、功率因數(shù)、燃弧電壓、電流下降因數(shù)、瞬態(tài)能量等特征參數(shù)。
• 有學(xué)者通過(guò)Mayr基礎(chǔ)模型及Matlab和MathCAD軟件設(shè)計(jì)了串聯(lián)電弧故障檢測(cè)裝置，但模型參數(shù)只能設(shè)為常數(shù)，對(duì)于動(dòng)態(tài)變化的電弧電導(dǎo)分析有局限性。
• 有學(xué)者提出了適用于瞬態(tài)仿真的直流串聯(lián)故障電弧模型，可用于對(duì)恒定移動(dòng)速度、固定間隙距離和加速移動(dòng)情況下串聯(lián)型電弧故障的模擬。
• 此外，有學(xué)者采用最小二乘擬合法建立了弓網(wǎng)電弧輻射電磁噪聲時(shí)域波形的數(shù)學(xué)模型。
• 有學(xué)者基于磁流體動(dòng)力學(xué)模型對(duì)大尺寸電極下大電流真空電弧特性進(jìn)行了仿真研究。
• 有學(xué)者基于電弧電流零區(qū)的熱力學(xué)非平衡模型和化學(xué)非平衡模型，對(duì)電弧等離子體仿真建模情況進(jìn)行了分析與展望。
• 有學(xué)者考慮冰層表面對(duì)輸電線(xiàn)路電弧發(fā)展的影響，對(duì)時(shí)變電弧方程進(jìn)行改進(jìn)，描述了冰閃電弧的動(dòng)態(tài)變化。
• 有學(xué)者對(duì)弓網(wǎng)電弧、真空開(kāi)關(guān)電弧、單相接地電弧、輸電線(xiàn)路潛供電弧進(jìn)行了仿真分析，但以上四種電弧與串聯(lián)型故障電弧的特性不同，因此其仿真模型不能直接用于串聯(lián)型故障電弧的建模和仿真。
• 有學(xué)者建立的主要是民用、光伏、弓網(wǎng)系統(tǒng)的故障電弧數(shù)學(xué)模型，故障電弧數(shù)學(xué)模型參數(shù)多為經(jīng)驗(yàn)值或僅適用于特定電路條件。

與現(xiàn)有故障電弧數(shù)學(xué)模型相比，本文所建立的故障電弧數(shù)學(xué)模型考慮了環(huán)境濕度對(duì)電弧參數(shù)的影響，得到不同電路及環(huán)境濕度情況下的電弧數(shù)學(xué)模型參數(shù)值，對(duì)煤礦等不易進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的場(chǎng)所開(kāi)展故障電弧特征分析及診斷工作具有積極意義。

本文在不同電源電壓、電流、功率因數(shù)及環(huán)境相對(duì)濕度下開(kāi)展串聯(lián)型故障電弧實(shí)驗(yàn)，通過(guò)數(shù)值分析獲得不同實(shí)驗(yàn)條件下串聯(lián)型故障電弧數(shù)學(xué)模型參數(shù)，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，建立預(yù)測(cè)串聯(lián)型故障電弧數(shù)學(xué)模型參數(shù)的黑箱模型，進(jìn)而建立不同電路及環(huán)境濕度條件下的串聯(lián)型故障電弧數(shù)學(xué)模型，并對(duì)串聯(lián)型故障電弧進(jìn)行仿真分析，證明該數(shù)學(xué)模型的有效性。

圖1 串聯(lián)型故障電弧實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖11 Y160M◆6三相異步電動(dòng)機(jī)串聯(lián)型故障電弧仿真電路

圖17 疊加隨機(jī)信號(hào)后故障電弧ODE子系統(tǒng)內(nèi)部封裝圖

總結(jié)

• 1）在其他參數(shù)相同的情況下，電源電壓越低、回路電流越小、負(fù)載功率因數(shù)越高，串聯(lián)型故障電弧畸變?cè)絿?yán)重。
• 2）通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)黑箱模型可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同電路條件及不同環(huán)境濕度條件下的串聯(lián)型故障電弧數(shù)學(xué)模型參數(shù)的預(yù)測(cè)。
• 3）以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)黑箱模型為基礎(chǔ)，預(yù)測(cè)故障電弧數(shù)學(xué)模型參數(shù)，建立了串聯(lián)型故障電弧的數(shù)學(xué)模型。該數(shù)學(xué)模型可用于不宜開(kāi)展串聯(lián)型故障電弧現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的供電系統(tǒng)，進(jìn)行串聯(lián)型故障電弧的仿真分析、特征分析及故障診斷工作。