تشخیص مطمئن خطای قوس الکتریکی در خطوط انتقال هوایی و تفکیک آن از خطاهای اتصال کوتاه فلزی، یکی از چالشهای کلیدی در طراحی سیستمهای حفاظتی سریع، ایمن و قابلاعتماد بهشمار میرود. رفتار غیرخطی، ناپایدار و وابسته به شرایط محیطی قوس الکتریکی، در کنار محدودیتهای اندازهگیری و الزامات پیادهسازی عملی در رلههای دیجیتال، موجب شده است که بسیاری از روشهای موجود علیرغم دقت نظری، در کاربردهای واقعی با محدودیت مواجه باشند. در این پایاننامه، ابتدا یک مرور تحلیلی و نظاممند بر کلیه رویکردهای گزارششده برای تشخیص خطای قوس الکتریکی در هوای آزاد ارائه شده و این روشها در سه چارچوب اصلی شامل مدلسازی مبتنی بر معادلات مداری، روشهای پردازش سیگنال و رویکردهای الگو و یادگیری هوشمند طبقهبندی و بهصورت انتقادی مقایسه شدهاند. این بررسی، با تمرکز بر تحلیل شاخصهای فیزیکی قوس در حوزههای زمان، فرکانس و زمان–فرکانس، شکاف میان بنیانهای فیزیکی پدیده قوس و نیازهای عملیاتی سیستمهای حفاظتی تکترمیناله را بهصورت شفاف تبیین میکند. بر پایه این بستر تحلیلی، سه الگوریتم جدید جهت تشخیص خطای قوس و تفکیک آن از خطاهای اتصال کوتاه فلزی در این پایاننامه توسعه داده شده است که همگی صرفاً بر اساس ولتاژ فاز معیوب اندازهگیریشده در یک ترمینال خط عمل میکنند و به هیچگونه اطلاعات جریانی یا دادههای دوسر خط متکی نیستند. منطق مشترک این الگوریتمها بر این اصل استوار است که قوس الکتریکی، الگوی توزیع و نوسان انرژی سیگنال ولتاژ را در مقیاسهای مختلف زمانی و فرکانسی بهطور معنادار تغییر میدهد. بر این اساس، ابتدا انرژی سیگنال یا انرژی مؤلفههای استخراجشده محاسبه شده و سپس شاخصهای تشخیصی مبتنی بر رفتار انرژی، تغییرات آنی و الگوهای تمرکز انرژی بهعنوان معیار تصمیمگیری تعریف میشوند. در الگوریتم نخست، تحلیل صرفاً در حوزه زمان انجام شده و با محاسبه انرژی سیگنال ولتاژ و استخراج شاخصهایی مبتنی بر نوسانات و گذراهای انرژی، امکان تفکیک رفتار قوس از اتصال کوتاه فلزی فراهم میشود. الگوریتم دوم با بهرهگیری از تبدیل هیلبرت، انرژی آنی و پوش دامنه سیگنال را استخراج کرده و شاخصهای تشخیص را بر پایه دینامیک زمانی انرژی آنی تعریف میکند. الگوریتم سوم با استفاده از تبدیل گابور، توزیع انرژی سیگنال را بهصورت همزمان در حوزه زمان–فرکانس تحلیل کرده و با تمرکز بر الگوی تمرکز و پراکندگی انرژی، تشخیص پایدار قوس را در شرایط گذرا و نویزی امکانپذیر میسازد. هر سه الگوریتم با هدف سادگی محاسباتی، پاسخ سریع و قابلیت پیادهسازی زمانواقعی در رلههای دیجیتال طراحی شدهاند. عملکرد الگوریتمهای پیشنهادی تحت مجموعهای گسترده از سناریوهای شبیهسازیشده شامل سناریوهای متنوع خطا، حالات مختلف قوس گذرا و دائم، تغییر شرایط بهرهبرداری شبکه، سناریوهای موردی خاص و تحلیل حساسیت نسبت به پارامترهای سیستم و ویژگیهای قوس ارزیابی شده است. نتایج بهصورت کمی با یک روش مرجع مبتنی بر تبدیل موجک و ضریب همبستگی مقایسه شده و نشان میدهد که روشهای پیشنهادی، ضمن حفظ سرعت تشخیص بالا، از دقت تفکیک بیشتر، پایداری مناسب در برابر تغییر شرایط شبکه و حساسیت کمتر به نویز برخوردارند. نتایج عددی حاصل از پیادهسازی سناریوهای مختلف خطا موید عملکرد دقیق و صحیح الگوریتمهای پیشنهادی در این پایاننامه است
