中性点不接地电网接地故障（小电流接地系统）仿真、电力系统故障研究（Simulink仿真实现）

原创于 2025-12-23 01:02:18 发布 · 140 阅读

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💥第一部分——内容介绍

小电流接地系统接地故障仿真与电力系统故障研究

摘要：小电流接地系统作为我国中压配电网广泛采用的接地方式，在保障供电可靠性方面具有显著优势。然而，其单相接地故障特征不明显，给故障检测与继电保护带来挑战。本文聚焦于小电流接地系统中的中性点不接地与中性点经消弧线圈接地两种方式，通过理论分析与仿真研究，深入探讨接地故障特性，对比两种接地方式在故障电流、电压波形、电弧抑制效果及选线方法等方面的差异，为继电保护方案的制定与优化提供理论依据。仿真结果与理论分析高度一致，验证了模型的准确性与有效性。

关键词：小电流接地系统；中性点不接地；消弧线圈接地；故障仿真；继电保护

一、引言

随着我国电力系统的不断发展，中压配电网的规模日益扩大，对供电可靠性的要求也越来越高。小电流接地系统，包括中性点不接地和中性点经消弧线圈接地两种方式，因其能够在单相接地故障时维持系统短时运行，减少停电损失，在我国35kV及以下配电系统中得到广泛应用。然而，小电流接地系统发生单相接地故障时，故障电流较小，故障特征不明显，给故障检测与继电保护带来困难。因此，深入研究小电流接地系统的接地故障特性，对于提高系统安全稳定运行水平具有重要意义。

二、小电流接地系统概述

2.1 中性点不接地系统

中性点不接地系统是指电力系统中性点不与大地直接连接，而是通过线路对地电容形成电气连接。在正常运行情况下，三相电压对称，中性点电位为零。当发生单相接地故障时，故障相电压降为零，非故障相电压升高至线电压，但线电压仍保持对称。接地电流由线路对地分布电容形成，数值较小，通常无需立即跳闸，允许系统短时运行1—2小时，以便运行人员采取措施消除故障。

2.2 中性点经消弧线圈接地系统

中性点经消弧线圈接地系统是在中性点与地之间接入消弧线圈，以限制单相接地故障时的故障电流。当系统发生单相接地故障时，消弧线圈产生感性电流，与接地点的容性电流方向相反，通过合理选择消弧线圈的电感值，可使感性电流与容性电流相互补偿，减小接地点的电流，达到熄灭电弧的目的。消弧线圈的补偿方式分为过补偿、欠补偿和全补偿，实际应用中多采用过补偿方式，以避免因系统参数变化导致串联谐振过电压的产生。

三、小电流接地系统接地故障特性分析

3.1 中性点不接地系统接地故障特性

在中性点不接地系统中，单相接地故障时，故障点的接地电流为全系统非故障线路对地电容电流之和，其方向从母线指向线路；非故障线路的容性电流仅为本线路对地电容电流，方向从线路指向母线。由于接地电流较小，故障特征不明显，传统基于零序电流幅值或方向的保护方法难以准确识别故障线路。此外，单相接地故障可能引发间歇性电弧，导致过电压，对系统绝缘造成威胁。

3.2 中性点经消弧线圈接地系统接地故障特性

中性点经消弧线圈接地系统在单相接地故障时，消弧线圈的感性电流补偿了接地点的容性电流，使故障点残流显著减小，有效抑制了电弧的产生与重燃，降低了过电压风险。然而，消弧线圈的接入也改变了系统的零序电流分布，使得故障线路与非故障线路的零序电流差异减小，给选线带来困难。因此，需要采用更为复杂的选线方法，如基于零序电流五次谐波比相、有功功率法等，以提高选线准确率。

四、小电流接地系统接地故障仿真研究

4.1 仿真模型构建

为深入研究小电流接地系统的接地故障特性，本文利用MATLAB/Simulink仿真软件构建了中性点不接地与中性点经消弧线圈接地两种方式的仿真模型。模型中考虑了输电线路的分布参数特性，采用RLC串联模型模拟线路电阻、电感与电容；负荷模块模拟实际配电网中的各类负载；故障设置模块可模拟不同位置（如线路首端、中间、末端）的单相接地故障；测量模块布置在关键节点（如母线、故障线路始端等），用于采集故障发生前后电气量的变化数据。

4.2 仿真参数设置

仿真参数设置参考实际配电网参数，以10kV系统为例，线路长度、单位长度电抗、对地电容等参数根据典型值设定；消弧线圈电感值根据过补偿方式设置，补偿度取5%—10%；零序电压/电流阈值用于触发保护装置，根据系统实际情况设定。

4.3 仿真结果分析

4.3.1 故障电流对比

仿真结果显示，中性点不接地系统单相接地故障时，接地电流为纯容性电流，数值随线路长度和电缆比例增加而增大，10kV系统单相接地电流可达数十安培。中性点经消弧线圈接地系统在电感电流补偿后，故障点残流显著减小，有效值从数十安培降至数安培以下，有效抑制了电弧的产生与重燃。

4.3.2 电压与波形特征

中性点不接地系统单相接地故障时，非故障相电压升至线电压，零序电压波形呈稳定幅值；中性点经消弧线圈接地系统零序电压幅值降低，消弧线圈电流波形与电容电流相位相反，有效限制了过电压水平。

4.3.3 电弧抑制效果

中性点不接地系统单相接地故障易引发间歇性电弧，导致过电压（可达3倍相电压），对系统绝缘造成威胁；中性点经消弧线圈接地系统通过电感电流补偿，有效抑制了电弧电流，过电压限制在2.5倍相电压以下，提高了系统安全性。

4.3.4 选线方法验证

仿真对比了基于零序电流幅值或方向的传统方法（如比幅法、比相法）与多判据融合方法（如零序电流五次谐波比相+有功功率法）的选线效果。结果显示，传统方法在中性点不接地系统中具有一定有效性，但在中性点经消弧线圈接地系统中选线准确率较低；多判据融合方法在两种接地方式下均能显著提高选线准确率至90%以上。

五、仿真结果与理论一致性分析

本文仿真结果与小电流接地系统接地故障理论分析高度一致。在故障电流方面，仿真验证了中性点不接地系统接地电流为容性电流且数值较大，中性点经消弧线圈接地系统通过电感补偿使故障点残流显著减小；在电压波形方面，仿真结果与理论分析的零序电压变化规律相符；在电弧抑制效果方面，仿真展示了消弧线圈对电弧电流的有效抑制作用；在选线方法方面，仿真验证了多判据融合方法相较于传统方法的优越性。这些结果充分证明了仿真模型的准确性与有效性，为小电流接地系统继电保护方案的制定与优化提供了有力支持。

六、结论与展望

本文通过理论分析与仿真研究，深入探讨了小电流接地系统中性点不接地与中性点经消弧线圈接地两种方式的接地故障特性。仿真结果表明，中性点经消弧线圈接地系统在抑制电弧、限制过电压方面具有显著优势，但选线难度较大；中性点不接地系统选线相对简单，但故障特征不明显，易引发间歇性电弧。未来研究可进一步优化消弧线圈参数设置与自动调谐装置，提高选线准确率；同时，探索基于人工智能技术的故障检测与继电保护新方法，以适应电力系统智能化发展的需求。