第一章 绪论
1.1课题背景和意义
随着社会的发展，电能已成为人类生产、生活不可或缺的重要能源之一，人类对电能的需求越来越大。近十年，全国发电量年年增加。据统计，2002年我国的发电量为1.65亿千瓦时，居世界中游，而2011年高达47000.7亿千瓦时[1]，跃居世界首位。巨大的电量有效地保障了我国经济建设和居民用电。然而，人类在使用电能造福自己的同时，因对电能使用不当所引发的电气火灾也日益剧增，造成的经济损失也无法估量。在我国，若从起火原因角度考虑，电气火灾通常是指电气线路、用电设施及供配电设备出现故障时，释放出来的热能达到一定温度后，引起了输电线路及用电、供配电设备燃烧或因金属喷溅引燃输电线路及用电、供配电设备周围的易燃物，从而引发的火灾现象[2]。其中，非故障性释放热能包括家用电器的炽热表面等，故障性释放热能包括电弧、电火花、高温等。如无特殊说明，本文所指的建筑电气线路火灾是在工频是50Hz、电压是380V/220V的低压交流输电线路上出现的电气火灾。大量统计资料显示：近年来，无论是从火灾原因还是火灾所造成的人员伤亡和经济损失来看，我国电气火灾都居于各类型火灾之首。电气火灾除了发生频率高外，它还往往发展成为损失不可设想的重特大火灾。查阅《中国消防年鉴》，我们发现，在2007~2011年的发生的392起重特大火灾中，由于电气线路引发的电气火灾高达232起，约占火灾总数的58.44%[3-7]。可以说电气火灾已经成为火灾的主要灾害源，严重威严人们生命及财产安全，是我国社会消防安全的最主要隐患之一。电气火灾主要有以下特点：
(1)频繁发生
根据我国公安机关的调查，在2007—2011年间的72余万起火灾中，电气火灾约达17万起，占到了火灾总数的23.52%。统计数据[3-7]详见表1.1。
(2)输电线路上容易发生引发重特大火灾
按照引发重特大电气火灾的起火源分类，表1.2列出了2007~2011年间有详细信息可查的392起重特大火灾案例的统计结果。根据表1.2，我们得知：由输电线路引发的重特大电气火灾最为常见，约占火灾总数的58.44%，并且低压线路特别容易引起电气火灾。
统计数据分析表明：2007—2011年间，我国重特大电气火灾主要是由短路、过载、接触不良、过热、漏电等故障引起的，所占比例高达67.09%，其中，短路故障最容易引发重特大电气火灾，所占百分比高达到44.90%。综上所述，不管是从引发火灾的原因角度，还是从火灾所造成的人员伤亡和经济损失来看，我国电气火灾都居于各类型火灾之首。随着电气技术的发展，电器产品日新月异，电气故障的表现形式也随着增多，形成了越来越多的疑难火灾。鉴于如此严峻的形势，查明火灾的原因和传播特征，防止类似火灾再次发生，最大程度的降低火灾给人民生命和财产造成的损失，成为了火灾调查和鉴定工作的重中之重。但是，目前的火灾鉴定技术存在局限性，各类火灾鉴定技术和方法之间也缺乏协同性，这严重制约了电气火灾鉴定技术的发展和鉴定方法的使用。为了进一步增强我国电气火灾的鉴定能力，提高我国电气火灾鉴定技术的水平，更好的为消防部分准确快速认清火灾原因，及时有效的进行灭火工作，迫切需要进一步开展有关电气火灾特征及识别方法的深层次研究。
第二章 低压配电系统故障分析
为了更好的分析配电系统的电气故障，需要对我国建筑配电系统的组成，中性点运行方式和接地方式进行分析，最后对电气火灾发生的机理和原因进行分析。
2.1 建筑低压配电系统的组成
（1）降压变压器和高压断路器是降压变电所的最重要的组成部分之一。降压变压器通常选用容量315kVA，变比为10/0.4kV的干式变压器。高压断路器具有良好的开断性能和灭弧能力等特点，可接通和分断过短路和电流负荷。
（2）低压断路器和输电线路是构成低压配电线路的主要部分。其中，低压断路器能在正常情况下接通和切断电路，具有多种保护功能。输电线路通常采用的是裸导线架设，10kV及以下采用铜（铝）芯聚氯乙烯绝缘架空电缆[28]。
（3）三相用电设备和单相用电设备是居民建筑用电设备的主要两种类型。前者只有接在三相电源上才可能正常工作，三相电机、空调机、风机水泵等属于这类用电设备，此类设备的每相阻抗相等，被称为三相对称性负载。后者只需接在单相电源上就能工作，照明灯、家用电器等属于这类设备。对于降压变电器来说，由于多个单相用电设备各相阻抗一般不相等，他们可以组成三相非对称负载。
2.2 电力系统的运行方式及接地形式
为了更好的分析电力系统中性点接地方式，从电力系统中性点的运行方式和低压配电系统的接地形式入手进行分析。
（1）电力系统中性点运行方式
在我国三相交流电力系统中，作为供电电源的发电机和变压器的中性点有三种运行方式：一种是电源中性点不接地系统，另一种是中性点经阻抗接地（在高压系统中通常是经消弧线圈接地），最后一种是电源中性点直接接地或者小阻抗接地。前两种系统合称为中性点非有效接地系统。后一种系统称为中性点有效接地系统。在我国，中性点非有效系统适用于3~66kV系统，110kV及以上系统和10kV以下的低压配电系统，一般都采用中性点有效接地系统。配电系统的接地形式对防范火灾有着极其重要的作用。因此，选用有效的接地方式成为建筑配电系统优先考虑的问题。在我国，出于经济和其他方面的考虑，低压配电系统一般都采用中性点直接接地系统。而国外，出于安全方面的考虑，发达国家已经使用中性点不接地系统。
第三章 低压配电系统常见故障试验.... 18
3.1 常见电气故障试验... 18
3.1.1 正常试验....... 18
3.1.2 过压试验....... 21
3.1.3 欠压试验....... 23
3.2 仿真工具 Matlab/Simulink 简介.... 27
3.3建立仿真模型....... 27
3.4 故障仿真与分析....... 29
3.5 本章小结.... 46
第四章 图形用户界面设计..... 47
4.1 图形用户界面简介... 47
4.1.1 图形用户界面基本操作... 47
4.2 GUI 程序的编写... 49
4.3 本章小结.... 50
第五章 基于BP神经网络的故障模式识别... 51
5.1 BP 神经网络概述...... 51
5.2 传统 BP 网络算法的缺点... 53
5.3 BP 神经网络的设计....... 54
5.3.1 样本数据的采集..... 54
5.3.2 BP 网络结构的确定..... 54
5.3.3 网络的训练... 55
5.4 本章小结.... 58
结论
电能已经成为日常生产生活不可或缺的重要能源，极大便利了我们的生产和生活。然而，近年来，电气火灾频频出现，给人们的生命和财产安全构成了巨大的威胁。深入洞察电气火灾特征，特别是发生电气火灾时电能的传播特征，准确识别电气火灾的发生模式，对查清火灾原因，防止火势蔓延、防止类似火灾再次发生有重要的理论意义和实践意义。本文首先分析了低压配电系统电气故障的原因，并且通过对电气火灾发生原因及发生机理的深入研究，归纳得到了电气火灾发生时，电能的传播特征，以更全面、系统的了解电气火灾，并且为探究电气火灾的模式提供铺垫。其次本文利用Matlab/Simulink工具，对常见的短路故障、三相不平衡故障时中性线断开故障、断相时中性线断开故障等建立仿真模型，分别进行较深入的仿真分析。再次为了更清晰直观的显示电气火灾的发生位置及起火原因，我们通过编写回调函数，制作用户图形界面，清楚地确认火灾发生的地点及火灾原因，为下一步识别电气火灾模式打牢基础。最后运用Matlab神经网络，经过采集样本数据、设计BP网络结构、开展网络训练等步骤，对电气故障的发生模式进行了有效的识别。本文的研究为电气火灾调查、技术鉴定、预防等环节提供有益的参考。本文的主要结论可以概括如下：
（1）通过试验和Matlab/simulink，对各种故障进行仿真分析，得到了电气线路上不同的故障点发生各种电气故障的现象，归纳出这几种故障模式下电压和电流的变化特征。仿真模型为设计GUI界面提供了模型。
（2）基于Matlab/GUI设计与仿真模型对应的图形用户界面，能观察故障发生后仿真波形，根据此波形判断故障类型，使仿真模型具有更加直观的效果。
（3）利用BP神经网络编程，以仿真模型中的线路继电保护器的动作值和用电设备动作值作为输入特征量，以特定的输出向量使其与输入特征量对应起来，建立网络模型，对数据进行训练和测试；最后再选取多组数据对网络进行测试。测试结果表明：此网络能有效的判断火灾后的故障点和起火原因。能为调查和预防电气火灾提供参考依据。
参考文献
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