基于MATLAB的航空故障电弧的仿真分析

摘要随着航空工业的发展，航空电气系统的复杂性逐渐提高，这使得对系统的可靠性有了更高的要求。

因此，及时发现故障并采取相应的措施，尽量减小故障对飞机性能的影响，是提高飞机可靠性的重要条件。

其中，故障电弧的存在就是影响航空电力设备稳定运行的一个潜在因素，所以检测故障电弧是必要的。

航空故障电弧作为一种低压故障电弧，具有一般故障电弧的特征，每半个周期都存在“电流零区”。

但也具有自身的特殊性，即持续时间短、电流强度小、电弧波形复杂、电弧电源频率为400Hz等特点。

从而使得以此为基础，来讨论电弧电流零点的检测情况。

故障电弧的随机性，使得很难用传统的方法进行检测。

长期以来，傅立叶变换是研究函数奇异性的主要工具，但是它缺乏空间局部性，只能确定函数奇异性的整体特性，不能确定奇异点在空间的位置和分布情况。

而小波变换具有空间局部化性质，可利用它来分析信号的奇异性以及奇异性的位置和奇异度的大小。

本文首先利用航空故障电弧的电压电流波形，并对故障电弧基本特征经行了理论分析。

然后选取合适的小波基函数，运用Matlab软件中的小波分析，将故障电弧电流信号分解，从分解后的数据中提取出特征参量。

关键词：航空；故障电弧；小波分析；MATLABAviation arc fault simulation analysis based on MATLABAbstractWith the development of the aviation industry, aviation electrical system gradually increases complexly, which requires higher system reliability. Therefore, the timely detection of failures and corresponding measures to minimize the failure impact on the performance of the aircraft is an important condition for the aircraft to improve the reliability. And the existence of arc fault often effects the stable operation of air power equipment. Therefore, the arc fault detection is necessary.AS a low-voltage arc fault, Air Arc Fault has the general characteristics of arc fault, and there are "current zero-area" in each half cycle. But it also has its own particularity, that is, short duration, current strength of the small, complex waveforms arc, arc power supply frequency of 400Hz and so on. It makes a basis to discuss the detection of zero arc current situation. However, Arc Fault’s randomness makes it difficult to use traditional meth ods for testing. As a long time, the Fourier transform function is the main tools to study the singularity, but for lacking of partial space, it can only determine the singularity of the overall nature of a function, not the location and distribution of the singular points in space. While, with the localized nature of space, Wavelet transform can be used to analyze the singularity of signal, as well as the location and the size of the singularity.In this paper, it uses air arc fault’s voltage and current w aveforms to theoretically analysis the basic characteristics of arc fault. And then it selects the appropriate wavelet basis function. After that it decomposes the arc fault current signal with the wavelet analysis in Matlab software, and extractes feature parameters from the data.Key Words：Aviation; Arc Fault; Wavelet Analysis; Matlab software目录摘要 (I)Abstract (II)引言 (1)1 航空电气系统的故障电弧 (2)1.1 航空电气系统概述 (2)1.2 航空电气系统故障电弧的分类 (3)1.3 故障电弧的形成 (4)1.3.1 电弧的形成 (4)1.3.2 直流电弧及熄灭 (5)1.3.3 交流电弧及熄灭 (6)1.4 航空故障电弧的仿真 (7)1.5 航空故障电弧特性分析 (8)1.5 故障电弧检测的难点 (9)1.6 本章小结 (9)2 小波分析理论 (10)2.1 小波变换的由来 (10)2.1.1 小波变换与傅里叶变换的比较 (10)2.2 小波变换的分类 (11)2.2.1 连续小波变换(Continuous wave1et Transform-CWT) (11)2.2.2 离散小波变换 (13)2.2.3 多分辨率分析 (14)2.2.4 小波包 (15)2.3 几种常用的小波 (17)2.4 本章小结 (20)3 基于小波变换的航空故障电弧的分析 (20)3.1 信号的小波变换模极大值原理及奇异性检测原理 (20)3.2 基于小波变换的航空故障电弧检测 (21)3.2.1 整体思路 (21)3.2.2 小波基的选取 (21)3.2.3 离散小波变换分解故障电弧 (24)3.2.4 小波包变换分解故障电弧 (28)3.3 故障电弧特征提取 (29)3.3.1 故障电弧仿真分析 (29)3.3.2 仿真结果分析 (30)3.3 本章小结 (30)结论 (31)参考文献 (32)致谢.................................................................................................. 错误！未定义书签。

引言基于MATLAB的航空故障电弧的仿真分析，是在了解航空电气系统中故障电弧的种类和特点基础上，用MATLAB对航空故障电弧进行处理分析。

首先，通过电弧理论中电弧的产生原理，燃弧和熄灭过程，及对航空故障电弧的电压电流波形的研究，我们知道航空故障电弧作为一种低压故障电弧，除具有一般故障电弧的特征，也具有自身的特殊性。

航空故障电弧每半个周期都存在电流接近为零的区域，即“电流零区”，并且它的时间宽度是随机变化的。

航空故障电弧自身的特点是电弧持续时间短；电流强度小；电弧波形复杂；电弧电源频率为400Hz。

针对这些特性我们知道，对航空故障电弧故障点的检测，即对故障电弧电流零点的检测，这是信号的间断、奇异性变化。

因此我们要找到一种可以检测这种局部变化的工具，来检测信号奇异点，即电流零点。

故障电弧具有随机性，这使得传统的时域和频域方法都难以有效地对故障电弧信号进行分析。

小波变换适合对小信号和突变信号进行分析，将其应用于故障电弧检测，可以有效提取电弧特征，准确判断故障电弧的发生。

小波变换是时间和频率的局域变换，能有效地从信号中提取瞬态突变信息，通过伸缩和平移等运算功能对信号进行多尺度细化分析，解决了傅里叶变换不能解决的许多困难。

将小波变换运用于故障电弧检测能有效地捕捉故障电弧的特征，作出正确的判断。

小波理论是在傅立叶级数的基础上发展起来的。

小波分析方法是一种窗口大小固定但形状可变，时间窗和频率窗都可改变的时频的局域化分析方法，即在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率，在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率，所以被称为“数学显微镜”。

正是这种特性，使小波变换具有对信号的自适应性。

因此，掌握小波函数的特性的情况下，首先根据分解信号的特点选择合适的小波基函数。

本文对各种常用小波函数的参数性质，包括正交性，正则性，支撑长度，消失矩等进行了比较，我们选择应用广泛，性质好的Daubechies小波作为小波基。

在此基础上，结合故障电弧的特点，及实际的分析结果，确定选用db3。

在利用db3小波进行的各个层次的分解中，通过分解结果的比较，我们获得4层分解效果较好。

因此，我们确定了对故障电弧用db3小波进行4层分解，以此准确找出故障电弧的电流零点。

另外，还以小波包为工具对故障电弧的电压和电流波形进行了分析，加强对离散小波变换分析的肯定。

1 航空电气系统的故障电弧1.1 航空电气系统概述航空电气系统是由供电系统、用电设备和输配电系统组成。

飞机供电系统是现代飞机的一个重要组成部分，它的作用是保证飞机上所有用电设备的正常工作。

在飞机上，根据用电设备对电能类型及其用电量的具体需求，供电系统有直流供电系统和交流供电系统两大类型；用电设备分为直流用电设备和交流用电设备；配电系统，将电源产生的电能传输和分配到飞机各用电设备上去。

随着现代飞机任务和功能的急剧扩大，特别是近年来多电飞机和全电飞机的出现，用电设备日益增加，这就要求配电系统要更加的可靠、自动化和可扩展。

随飞机设备与用电量的的增长，直流供电系统的电压不断提高。