【继电保护】小电流接地系统故障仿真-中性点不接地与经消弧线圈接地仿真模型附Simulink仿真

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🔥 内容介绍

一、引言

小电流接地系统作为 66kV 及以下配电网的主流结构，其中性点接地方式直接影响故障特性与继电保护可靠性。其中，中性点不接地方式凭借结构简单、投资成本低的优势，广泛应用于农村架空线路为主的配电网；中性点经消弧线圈接地方式则通过感性电流补偿电容电流，有效熄灭故障电弧，适用于电容电流较大的电缆线路配电网。

本文基于 MATLAB/Simulink 平台，构建两种接地方式的仿真模型，模拟单相接地故障下的电气量变化规律，对比分析故障特征差异，为继电保护装置的选型与算法设计提供仿真支撑。

二、核心原理与理论基础

（一）中性点不接地系统故障机理

中性点不接地系统可视为经电网对地电容构成的容抗接地系统，其对地电容由架空线路、电缆、变压器等设备的耦合电容叠加形成。当发生单相接地故障时，故障相电压降至零，非故障相电压升高为线电压，接地电流为所有非故障相对地电容电流的矢量和，通常为几安至十几安。

关键特征：

1. 故障电流小，瞬时性故障可自行熄弧；

1. 易引发 PT 铁芯饱和，产生铁磁谐振过电压；

1. 随电缆线路增多，电容电流增大，故障电弧难以自熄。

（二）中性点经消弧线圈接地系统补偿原理

消弧线圈本质为可调电感元件，通过在中性点与大地间接入线圈，使故障时感性电流与系统电容电流形成相位互补。根据补偿程度可分为全补偿（感性电流 = 电容电流）、欠补偿（感性电流 <电容电流）和过补偿（感性电流> 电容电流），实际中多采用过补偿方式避免谐振风险。

关键特征：

1. 合成接地电流极小，电弧快速熄灭，抑制过电压；

1. 需精准匹配消弧线圈容量与系统电容电流；

1. 故障电流微弱，增加继电保护选线难度。

三、仿真模型总体设计

1. 电源与线路模块：采用三相交流电压源模拟配电网电源，通过分布参数线路模型模拟实际出线，准确反映对地电容效应；

1. 接地方式切换模块：设计单刀双掷开关，实现 "中性点不接地" 与 "经消弧线圈接地" 两种模式的切换；

1. 故障发生模块：通过受控开关模拟单相接地故障，支持故障电阻与故障时刻的参数调节；

1. 测量与分析模块：接入电压互感器（PT）、电流互感器（CT）及示波器，实时采集故障相电压、非故障相电压及接地电流数据。

四、两种接地方式仿真实现与结果分析

（一）中性点不接地系统故障仿真

1. 仿真设置：故障电阻 10Ω，无消弧线圈接入，模拟瞬时性接地故障；

1. 关键波形分析：

• 电压特性：故障前三相电压对称，故障后 A 相电压骤降为 0，B、C 相电压升至 17.32kV（线电压）；

• 电流特性：接地电流峰值约 8A，呈容性特征，波形为正弦半波叠加高频振荡，持续约 0.05s 后因电弧熄灭而消失；

• 谐振风险：故障后 10ms 出现 3 次谐波过电压，幅值达额定电压 1.5 倍。

（二）中性点经消弧线圈接地系统故障仿真

1. 仿真设置：消弧线圈电感 15H（过补偿状态），故障电阻 10Ω，系统电容电流 10A；

1. 关键波形分析：

• 补偿效果：接地电流峰值降至 1.2A，仅为不接地系统的 15%，电弧在 0.02s 内熄灭；

• 电压特性：非故障相电压升高幅度控制在 1.1 倍额定电压以内，无明显谐振过电压；

• 动态响应：消弧线圈电流随故障发生快速上升，0.01s 内达到稳定补偿状态。

五、继电保护适配性讨论

（一）中性点不接地系统保护方案

基于故障时电容电流与过电压特征，可采用：

1. 绝缘监视装置：通过 PT 二次侧电压继电器监测非故障相电压升高，发出接地告警；

1. 零序电流保护：利用故障线路零序电流大于非故障线路的特征，实现选择性跳闸，适用于电容电流较大的场景。

（二）经消弧线圈接地系统保护方案

针对补偿后电流微弱的问题，需采用：

1. 零序功率方向保护：通过检测故障线路与非故障线路的零序功率方向差异定位故障；

1. 暂态量保护：利用故障初始暂态电流中的高频分量，突破稳态电流补偿后的检测盲区；

1. 消弧线圈并联电阻技术：故障时投入小电阻增大电流信号，辅助保护动作，故障消除后切除电阻恢复补偿状态。

六、模型验证与应用扩展

1. 准确性验证：通过改变线路长度（5-15km）与故障电阻（0-100Ω）进行多组仿真，结果显示接地电流计算值与理论值误差小于 5%，验证模型有效性；

1. 应用场景：可扩展至含分布式电源的配电网仿真，分析新能源接入对小电流接地系统故障特性的影响；

1. 算法测试：为基于深度学习的故障选线算法提供数据集，通过模拟不同故障工况优化算法模型。

⛳️ 运行结果

🔗 参考文献

[1] 张耘川,王昕怡.基于Matlab的小电流接地系统单相故障仿真分析[J].电气技术, 2012(4):3.DOI:10.3969/j.issn.1673-3800.2012.04.013.

[2] 刘艳红,张志刚,周洋.MATLAB在小电流接地系统故障选线中的仿真研究[J].电脑与电信, 2010(3):3.DOI:10.3969/j.issn.1008-6609.2010.03.032.

[3] 战祥新.基于Matlab的小电流接地系统自动选线仿真研究[D].青岛大学,2006.DOI:10.7666/d.y909408.

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