引 言
电力系统是由发电、变电、输电、配电、供电、用电等设备和技术组成的将一次能源转换为电能的统一整体。电能由发电厂发出后，通过各级变电所经高压输电网送到电力用户侧，然后经配电网供给用户。一般来说，110kV以上电压等级网络属于输电网，6～66kV电压等级属于配电网。配电网是电力系统的重要组成部分，在电力系统的各个环节中作为末端直接与用户相联系。电力系统中性点是指星形连接的变压器或发电机的中性点。电力系统中性点是否接地及以何种接地是涉及到绝缘水平、通信干扰、接地保护方式、电压等级、系统接线和系统稳定等多个方面的综合问题。中压配电网通常采用中性点不直接接地方式，其中性点接地方式主要有四种，即中性点不接地方式、中性点经消弧线圈接地方式、中性点经高阻接地方式、中性点经小电阻接地方式。[1]
我国的6～66kV配电网电力系统多属于小电流接地系统，一般采用中性点不接地或者中性点经消弧线圈接地的工作方式，因其发生接地故障时，流过接地点的电流小，又称中性点非有效接地系统。接地故障是指由于导体与地连接或对地绝缘电阻变的小于规定值而引起的故障。根据电力系统运行部门的故障统计，由于外界因素（如雷击、大风、鸟类等）的影响，配电网单相接地故障是配电网故障中最常见的，发生率最高，占整个电气短路故障的80%以上。当发生单相接地故障时，由于不能构成低阻抗的短路回路，接地电流很小，故称为小电流接地系统。它的优点在于发生单相接地故障时多数情况下可以自动熄弧并恢复绝缘。当线路发生永久性单相金属接地故障后，三相系统的线电压仍然是对称的，大小与相位并不变化，但系统的接地相对地电容被短接，对地电压都变为零。为防止另一相在接地而引起两相短路甚至三相电路，因而必须限制一定时间内排除单相故障。
长期以来，国内外电力领域的专家学者对小电流接地系统单相接地故障问题进行了大量的研究。发生单相接地故障时，以往采用的检测原理大多是基于故障时产生的稳态信号。但是由于稳态信号比较微弱，受外界因素及运行方式影响大，致使在实际的工程应用中难以提取有效地故障信号。而且，配电网络故障复杂多变，如系统中性点补偿度、各出线长度、故障点位置、过渡电阻大小、短路点电弧的发展等，这些条件的组合，使得在一种故障情况下工作良好的装置，在另一种情况下可能失效。因此，小电流接地系统单相接地保护看似简单易行但实践证明是非常复杂的，这也是一些国家不采用中性点非有效接地方式的主要原因之一。但毕竟小电流接地系统有着得天独厚的优越性，并在我国及其它国家被广泛应用，准确找准故障线路成为当务之急。[2]
现代电力系统是一个超高压、大容量、跨区域的巨大联合动力系统。配电网又是一个包含了很多不同电压等级的变压器、输电线路、电力负荷等设备的复杂网络。在这种情况下，进行很多电力科研实验条件是很难满足的，另外系统的安全运行也不允许进行实验。因此电力系统的稳定与故障分析往往离不开仿真研究。当前对小电流接地系统的仿真研
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究，采用计算机仿真程序建立数学模型，设置仿真参数进行离线仿真，以求取零序电流、零序电压的稳态值和暂态值。因此，采用规范的数学模型，一致的仿真参数，利用MATLAB程序作为仿真的同一平台，对小电流接地系统单相接地故障的分析，就具有一定的现实意义。[3]
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第1章 小电流接地系统单相接地故障的概况
1.1 本课题的产生背景及研究的意义
目前世界各国配电网大都采用小电流接地系统，可分为中性点经高阻接地系统，中性点不接地系统，中性点经消弧线圈接地系统。配电网是电力系统的重要组成部分，在电力系统的各环节中作为末端直接与用户相联系。一方面直接体现对用户的供电可靠性和电能质量；另一方面，配电网由于电压等级低、缺乏有效的优化运行手段，功率损耗普遍提高，是电力系统经济运行的挖潜大户。我国3～66kV电力系统大多数采用中性点不接地或经消弧线圈接地的运行方式，即为小电流接地系统。在小电流接地系统中，单相接地是一种常见的临时性故障，多发生在潮湿，多雨天气。发生单相接地故障时，由于不构成短路回路，接地短路电流比负荷电流小很多，故障相对地电压降低，非故障两相的相电压升高，但线电压却依然对称，因而不影响对用户的连续供电，系统可运行1～2h。因而小电流接地方式可显著提高供电可靠性，同时也具有提高对设备和人身安全性、降低对通讯系统电磁干扰等优点。[1]
但是若发生单相接地故障时电网长期运行，因非故障的两相对地电压升高，可能引起绝缘的薄弱环节被击穿，发展成为相间短路，使事故扩大，影响用户的正常用电，还可能使电压互感器铁心严重饱和，导致电压互感器严重过负荷而烧毁。同时，长时间带故障运行极易产生弧光接地，引起全系统过电压，进而损坏设备，破坏系统安全运行。长时间运行会破坏系统的绝缘，对接入系统的线路、配电、变电设备等造成损害。为防止另一相再接地而引起两相短路，甚至三相短路，因而必须限制一定时间内排除单相故障。 为快速找到故障线路并予以切除，提高供电可靠性和减少线路损耗，达到配电网的安全，经济运行。需要建立小电流接地系统单相接地故障的仿真模型并进行仿真和分析，可靠地检测出小电流接地系统故障线路是十分重要的。但是，故障电流微弱、故障电弧不稳定等原因，也造成了小电流接地系统的单相接地故障比较困难。目前对接地故障点的判断一直没有得到很好的解决。所以小电流接地系统单相接地故障是制约配电自动化发展的关键问题，也是当前电力系统的一个重要研究课题。[2-5]
1.2 接地方式研究现状
1.2.1 国外中性点接地方式的发展概况
配电网接地方式的问题在世界各国是一个很有争议的热点。为了减少单相接地故障造成的危害，各国采用了不同的方法。
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第一次世界大战时期，德国人彼得逊首先提出并发明了消弧线圈，提出了经消弧线圈接地的电力系统谐振接地方式，于是当时该国在各种电压等级的电网中性点广泛地采用了经消弧线圈接地方式，电网电压范围为30～220kV，后因220kV电网中事故较多，19世纪60年代就不再应用消弧线圈了。在柏林市的30kV电网中，共有电缆1400km，其电容电流高达4kA，也采用了经消弧线圈接地方式。
前苏联曾规定3～66kV电网中性点采用经消弧线圈接地方式，莫斯科市配电电缆网络至今仍是中性点经消弧线圈接地的运行方式。
美国在20世纪20年代中期到40年代中期，在22～70kV电网中，中性点直接接地方式所占比例高达72%，且发展很快，逐步取代了中性点不接地的运行方式，一直延续至今。 英国66kV电网中性点采用电阻接地方式，而对33kV及以下由架空线路组成的配电网，中性点逐步由直接接地方式改为中性点经消弧线圈接地方式；由电缆组成的配电网，仍采用中性点经小电阻接地方式。
1950年以来，日本20kV电缆和架空线路混合电网一直采用中性点不接地方式，随着电缆的增加，为防止接地继电器的误动、拒动和中性点位移，采用经低值电阻器接地方式。1975年统计，11～33kV配电网中性点不接地占2%。采用电阻接地方式一般限制接地电流数值为100～200A。东京电力公司所属配电网中，其中性点接地方式为66kV电网分别采用中性点经电阻、电抗和消弧线圈接地；22kV系统采用中性点经电阻接地方式。
法国电力公司从1962年开始将城市配电网的标称电压定为20kV，其接地方式采用中性点经电阻或经电抗接地，故障线路要求快速跳闸，但不考虑故障发生到故障切除这段时间中的接触电压和跨步电压。至20世纪80年代，法国电力公司对20kV配电网中性点接地方式提出了新要求，即瞬时间地故障电流应降低到40～50A，同时要求考虑接触电压和跨步电压和对低压设备绝缘危害等问题。20kV电网对地电容电流小于50A时，采用中性点经小电阻接地方式；电容电流在50～200A之间，则在电阻器旁边并联补偿电容器，及消弧线圈。
意大利、加拿大、瑞典、日本和美国等在中压电网升压运行后，大部分都采用电网中性点直接接地方式。
世界各国的配电网中性点在20世纪50年代前后，大都采用不接地或经消弧线圈接地方式；到60年代以后，有的采用直接接地和低电阻接地方式，有的采用经消弧线圈接地方式。
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1.2.2 国内城乡配电网中性点接地方式的发展概况
建国初期，我国各大城市电网开始改造简化电压等级，将遗留下来的3kV、6kV配电网相继升压至10kV，解放前我国城市配电网中性点不接地、直接接地和低电阻接地方式都存在过，上海10kV电缆配电网中性点不接地、经电缆接地、经电抗接地3种方式并存至今。北京地区10kV系统中性点低电阻与消弧线圈并联接地。上海35kV系统中性点经消弧
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线圈和低电阻接地两种方式并存至今。但是，从20世纪50年代至80年代中期，我国10～66kV系统中性点，逐步改造为不接地或经消弧线圈接地两种方式。
20世纪80年代中期我国城市10kV配电网中，电缆线路增多，电容电流相继增大，而且运行方式经常变化，消弧线圈调整存在困难，当电缆发生单相接地故障时间一长，往往发展成为两相短路。从1987年开始，广州区庄变电站为了满足较低绝缘水平10kV电缆线路的要求，采用低电阻接地方式。随后深圳、珠海和北京的一些小区，以及苏州工业园20kV配电网采用了低电阻接地。90年代上海35kV配电网也全面采用电阻接地方式。
20世纪90年代对过电压保护设计规范（SDJ-79）进行了修订，在新规程中，3～10kV配电网中单相接地电容电流降低为大于10A时，要求装消弧线圈。近年来，我国引进了大量的国外设备，由于各国的接地方式不同，各国设备的设计标准也不一致，特别是设备的耐压不同，要使用这些设备，首先必须决定电力系统的接地方式。因此在对接地方式的选择上引起争论。有的大城市已局部将配电网中性点不接地方式改为小电阻接地方式，以消除弧光接地过电压的产生，减少异相接地的发生。有的改为大电阻接地方式，以消除谐振接地过电压的危害。但大部分仍主张改为经消弧线圈接地方式，补偿系统的电容电流，使得单相弧光接地时，故障点电流减小，降低故障相电压的恢复速度，达到熄弧效果，从而避免了单相瞬时接地故障的跳闸，提高系统运行的可靠性。[1]
1.3 论文的主要工作
针对目前小电流接地系统故障选线普遍存在的缺陷和需要解决的问题，本课题对小电流接地系统单相接地故障时的特征进行了研究。目的是为了快速准确的确定故障线路并给以排除，提高供电可靠性。 论文主要分为三部分:
第一部分，主要是对小电流接地系统单相接地故障的概况，简述了国内外的研究现状及选题的目的意义。
第二部分，主要论述了小电流接地系统的主要特点，三种不同的中性点接地方式，重点分析了中性点不接地和经消弧线圈接地系统发生单相接地故障时的情况，分别分析了故障时的稳态量和暂态量，分析了故障后的零序电流和零序电压产生过程。通过分析，得出一些可供我们故障选线的结论，形成了本论文的理论基础。
第三部分，也是本文的重点内容，在分析小电流接地系统发生单相接地故障时的暂态和稳态过程电气量特征的基础上，通过应用Matlab软件的Simulink仿真工具包，建立小电流接地系统仿真模型，采用相同的参数设置，分别对小电流接地系统中性点不接地方式发生单相接地故障和小电流接地系统中性点经消弧线圈接地方式发生单相接地故障仿真，并分析研究。
第四部分,结论和展望。
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