串联电弧故障常引发低压配电系统电气火灾。由于负载的存在电弧电流受到诸多限制,特别是当屏蔽性负载(例如:电钻、电磁炉)存在时故障电弧特征被掩盖,致使传统保护装置无法有效保护。因此,很有必要开展串联故障电弧特征分析与诊断方法研究。为实现低压串联电弧故障准确诊断,首先按照UL1699、GB14287.4标准搭建了碳电极点接触电弧故障模拟试验平台,选取具有代表性的线性、非线性负载进行了串联电弧故障实验,为后续研究提供了可靠数据源。其次,采用C-C算法计算最佳延迟时间和最佳嵌入维数并重构高维相空间,将电弧电压、电流信号放入高维空间进行分析。采用小数据量法计算了电弧电压、电流信号的最大李雅普诺夫(Lyapunov)指数,并选取相平面中相轨迹线的分布规律和最大Lyapunov指数为指示量,分析了低压空气电弧电压、电流信号的混沌特性。结果表明,电弧具有混沌特性致使相平面内电弧电压信号相轨迹线成簇分布、电弧电流信号具有分形特征,为电弧故障诊断方法的设计提供了依据。最后,针对故障电弧电压信号相轨迹线呈现出成簇分布的特征,设计了基于K-means聚类算法的电弧故障诊断方法,经验证其准确率高于98%,可用于检测特定位置或者特定线段内的串联电弧故障。针对故障电弧电流信号相轨迹线呈现出分形特征,分别采用容积维数和关联维数提取故障电弧特特征向量,运用最小二乘支持向量基(LSSVM)构造电弧故障诊断器,提出了一种多特征融合的新型串联电弧故障诊断方法,经验证其准确率高于95%且不受电弧发生位置的限制,可用低压串联电弧故障诊断。研究结果不仅丰富了低压空气电弧电压、电流信号的故障特性,还实现了低压线路中串联电弧故障准确诊断。可为电弧模型和基于故障电弧电压、电流混沌特性的电弧式电气火灾监控探测器设计提供理论指导。