据国家煤矿安全监察局事故调查司统计，2007～2012年我国煤矿较大火灾事故共发生31起，其中电缆起火9起占30%，电气设备起火7起占22%。由此可见，电缆和电气设备起火是引起矿井火灾的主要原因。目前，国内外针对故障电弧的检测方法主要分为2种：基于电弧放电时所产生的弧光、噪声、电磁辐射、温度等物理特性变化检测故障电弧；对电力线路中故障电流、电压波形变化进行分析，判定线路中是否产生故障电弧。由于线路故障位置的不确定性，串联型故障电弧检测方法主要基于电流信号分析。有的文献研究了矿用栓接电缆电连接松动故障时的电流特征，通过电流特性识别故障电弧发生前的松动状态；有的文献研究了不同负载时故障电弧电流的频谱特性，提出基于故障电弧电流频域特征的故障电弧检测方法，但只对故障电弧电流频率处于特定频段时有效，且检测精度不高；有的文献提出一种基于多分辨率分析的快速小波变换提取故障电弧特征频段的检测方法，但没有考虑工业现场负载波动的影响；有的文献提出基于差值-均方根法的故障电弧检测方法，然而会对实际线路中与故障电弧电流波形相似的正常工作电流产生误判。辽宁工程技术大学、国网辽宁省电力有限公司北辰新汇公司、国网辽宁省电力有限公司葫芦岛供电公司依据串联型故障电弧发生时的电流信号特性，总结了基于希尔伯特黄变换、信息熵与短时傅里叶变换、小波近似熵与支持向量机的串联型故障电弧检测方法的优缺点。
⑴典型串联型故障电弧电流波形分析
选取三相异步电动机和工控机2个典型负载进行串联型故障电弧模拟实验，其中三相异步电动机为线性负载中阻感性负载，工控机为非线性负载。实验中采集的典型负载在线路正常运行和发生串联型故障电弧时的电流波形，在线路正常运行时三相异步电动机电流波形具有周期性，近似为正弦波；在线路发生串联型故障电弧时三相异步电动机电流波形在过零点处出现明显的“零休”现象，整体波形发生一定程度的畸变。工控机由于本身的非线性负载特性，其在线路正常运行时的电流波形便有明显的“零休”现象，但仍具有周期性；在线路发生串联型故障电弧时，工控机电流波形在过零点处出现了大量毛刺，整体波形发生较为严重的畸变。
⑵串联型故障电弧检测方法比较
基于希尔伯特黄变换的串联型故障电弧检测方法采用EMD对电流信号进行处理，其自适应性和时频分辨率好，分解出的各模态分量经希尔伯特变换后可直观地看出不同频率信号在时间和能量上的分布规律，从而提取出串联型故障电弧发生时电流的畸变信息。但由于EMD算法本身的缺陷，分解过程中会造成各分量之间的模态混叠，同时该算法的分解层数和分解后各分量的频段不能事先给定，且特征IMF是通过观察确定的，导致针对不同负载和工况下提取的特征IMF可能处于不同频段或不能很好地表征故障信息。基于信息熵与短时傅里叶变换的串联型故障电弧检测方法采用小波包分解电流信号，小波包分解可事先给定分解层数，分解得到的各分量均处于特定频段，且信息熵的引入为特征重构信号的选取提供了理论依据，因此该方法可有效提取表征串联型故障电弧信息的特征频段，仅针对特征频段进行分析来实现对串联型故障电弧的检测，一定程度上减少计算量。但小波包分解的计算量大，小波基需事先给定，后期还需进行短时傅里叶变换，且短时傅里叶变换的窗函数也需事先选取，同时仅提取信息熵变化最大的单个重构信号进行研究，提取的串联型故障电弧特征信息可能不够完整。基于小波近似熵与支持向量机的串联型故障电弧检测方法采用小波变换分解电流信号，小波变换逐层分解时只分解低频信号，所以其计算量相对小波包分解大为减小，而且该方法提取所有重构信号的近似熵作为特征向量，较完整提取串联型故障电弧特征信息，并结合支持向量机对串联型故障电弧进行识别，可提高准确性与鲁棒性；但小波变换的小波基需事先选取，且小波变换在分解过程中不同频段的信息会发生混叠。他们对基于希尔伯特黄变换、信息熵与短时傅里叶变换、小波近似熵与支持向量机的串联型故障电弧检测方法的优缺点进行比较。基于希尔伯特黄变换、信息熵与短时傅里叶变换的串联型故障电弧检测方法均提取各自特征信号的时频信息，针对时频谱幅值设置合适的阈值即可作为串联型故障电弧检测的依据，然而由于EMD算法本身缺陷和小波包较大的计算量，识别的准确性和实时性不高。基于小波近似熵与支持向量机的串联型故障电弧检测方法直接提取小波分解后各重构信号的近似熵作为支持向量机的输入进行识别，相对前2种方法具有更高的准确性和实时性，更适合现场应用。
⑶体会
他们通过对基于希尔伯特黄变换、信息熵与短时傅里叶变换、小波近似熵与支持向量机的串联型故障电弧检测方法的原理、优缺点进行比较分析，指出基于希尔伯特黄变换、信息熵与短时傅里叶变换的串联型故障电弧检测方法可有效提取串联型故障电弧发生时电流的时频特性，针对提取的时频谱幅值设置合适的阈值即可作为串联型故障电弧检测的依据，但准确性和实时性不高，而基于小波近似熵与支持向量机的串联型故障电弧检测方法可直接提取近似熵作为支持向量机的输入来检测串联型故障电弧，具有较高的准确性和实时性，更适用于煤矿现场。 （李剑峰）
