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设计题目：
小电流接地系统单相故障matlab仿真
中文摘要：使用matlab和 simulink模拟小电流接地系统单
相接地故障。
关键字：matlab， simulink，小电流系统，单相接地故障。
小电流接地系统单相故障
电网中性点接地系统的分类方法有很多种，其中最常用的是按照接地短路时接地电流的大小
分为大电流接地系统和小电流接地系统。电网中性点采用哪种接地方式主要取决于供电可靠
性（是否允许带一相接地时继续运行）和限制过电压两个因素。我国规定110kv以上电压等
级的系统采用中性点直接接地方式，35kv及以下的配电系统采用小电流接地 方式（中性点
不接地或经消弧线圈接地）。
在小电流接地系统中发生单相接地时，由于故障点的电流很小，而且三相之间的线电压任然
保持对称，对负荷的供电没有影响，因此，在一般情况下都允许系统在继续运行1~2小时，
而不必立即跳闸，这也是采用小电流接地系统运行的主要优点。但是在单相接地以后，其他
两相的对地电压要升高根号三倍，为了防止故障进一步扩大成两点或多点接地短路，就应及
时发出信号，以便运行人员采取措施予以消除。
小电流接地系统单相故障特点简介
对于如图1-1所示的中性点不接地系统，单相接地故障发生后，由于中性点N不接地，所
以没有形成短路电流通路，故障相都将流过正常负
荷电流，线电压任然保持对称，因此可以短时不予
以切除。这段时间可以用于查明故障原因并排除故
障，或者进行倒负荷操作，因此该方式对于用户的
供电可靠性高，但是接地相电压将降低，非接地相
电压将升高至线电压，对电气设备绝缘造成威胁。单相接地故障发生后系统不能长期运行。
事实上，对于中性点不接地系统，由于线路分布电容（电容数值不大，而容抗很大）的存
在，接地故障点和导线对地电容还是能够形成电流通路的，从而有数值不大的电容性电流在
导线和大地之间流通。一般情况下，这个容性电流在接地故障点将以电弧形式存在，电弧产
生的高温会损毁设备，甚至引起附近建筑物燃烧起火，不稳定的电弧燃烧还会引起弧光过电
压，造成非接地相绝缘击穿进而发展成为相间故障，导致断路器动作跳闸，中断对用户的供
电。
中性点不接地系统发生单相接地时的故障特点如下
1）在发生单相接地时，全系统都将出现零序电压。
2）在非故障的元件上有零序电流，其数值等于本身的对地电容电流，电容电流的实际方
向为由母线流向线路。
3）在故障线路上，零序电流为全系统非故障元件对地电容电流之总和，数值一般较大，
电容电流的实际方向为由线路流向母线。
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小电流接地系统的仿真模型构建
1.中性点不接地系统的仿真模型及计算
利用simulink建立一个10kv中性点不接地系统的仿真模型，如图1-3所示。
在仿真模型中，电源采用”Three-phase source”模型，输出电压为10.5kv，内部接线
方式为Y形联结，其他参数与图1-4设置相同。
在模型中共有4条10kv输电线路line1~line4,均采用“Three-phase Pl Section Line”
模型，线路的长度分别为130km、175km、1km、150km，其他参数相同。Line1参数设置如图
1-5所示。
需要说明的是，在实际的10kv配电系统中，单回架空线路的输送容量一般在0.2~2MV.A，
输送距离的适宜范围为6~20km.本文的仿真模型将输电线路的长度人为加长，这样可以使仿
真时的故障特征更为明显，而且不用很多输电线的出线路数，不影响仿真结果的正确性，
线路负荷load1、load2、load3均采用“three-phase series rlc load”模型。其有功负
荷分别为1MW、0.2MW、2MW，其他参数相同，load1参数设置如图1-6所示。
每一线路的始端都设三相电压电流测量模块“three-phase v-I measurement”将测量到的
电压、电流信号转变成simulink信号，相当于电压、电流互感器的作用，其参数设置如图
1-7所示。
图1-3
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图1-4电源设置
图1-5线路设置
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图1-6负载设置
图1-7三相电压电流测量模块
在仿真模型中，选择在第三条出线的1km处发生A相金属性单相接地，故障模块的参数
设置如图1-8所示。这里选择A相发生单相接地短路
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图1-8故障模块
系统的零序电压3uo及每条线路始端的零序电流3i0采用如图1-9所示方式得到。
故障点的接地电流Id则可以用如图1-10与1-11所示的万用表测量方式得到
图1-9零序电压与零序电流测量图
图1-10万用表外部链接图
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图1-11万用表内部设定
根据以上设置的参数，可以通过计算得到系统在第3条出线的1km处发生A相金属性单
相接地时各线路始端的零序电流有效值为
3I0Ⅰ=3Uφ*ψ*C
0I
=3*（10.5/√3）*103*10-9*314*7.751*130A
=5.75A
同理可得3I0Ⅱ=7.75A
3I0Ⅲ=3I0Ⅰ+3I0Ⅱ=13.5A
故障电流为ID=20.18A
仿真结果及分析
在仿真开始前，选择离散算法，仿真的结束时间取0.2s，利用powergui模块设置采样时间
为1x10-5s,系统在0.04s时发生A相金属性单相接地。图1-12为powergui模块设置
图1-12
1. 中性点不接地系统的仿真结果及分析
设置好参数，运行如图1-13，1-14,1-15,1-16,1-17,1-8所示的10kv中性点不接地系统仿
真模型，得到系统的零序电压3uo及每条线路始端的零序电流3Io，故障点的接地电流Id
波形如图1-19所示
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图1-13Line 1的零序电压U0
图1-14 Line 2的零序电压U0
图1-15 Line 3的零序电压U
0
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可以看见3个线路的零序电压相等，符合电路实际情况。
图1-16 Line 1的零序电流I
0
进入稳态之后的零序电流有峰值为8，则其有效值为5.7符合计算值。
图1-17 Line 2的零序电流I
0
进入稳态之后的零序电流有峰值为11，则其有效值为7.8符合计算值。
综上SIMULINK模拟的3条线路的零序电压都相等，而三个零序电流满足：
3I0Ⅲ=3I0Ⅰ+3I0Ⅱ
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图1-18 Line 3的零序电流I
0
进入稳态之后的零序电流有峰值为18.6，则其有效值为13.15符合计算值。
故障点的接地电流Id峰值为28，有效值为19.8与理论值误差为3%满足要求。
结论
与理论计算值相比，仿真结果略大，但误差不大于3%。从图1-13中可以看出，在中性点不
接地方式下，非故障线路的零序电流超前零序电压90°（即电容电流的实际方向为由母线
流向线路）；故障线路的零序电流为全系统故障元件对电容电流之和，零序电流滞后零序电
压90°（电容电流的实际方向为由线路流向母线）；故障线路的零序电流和非故障的零序电
流相位差为180°
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三 总结和体会
在这次的小电流接地系统的matlab仿真实验中我学会了很多。不仅仅单单是自己独立
完成了作业，主要是在这次仿真实验中，我学会了能够独自查阅资料，独自定课题，独自完
成，在过程中有疲惫，有迷惑，错了很多次，怎么都出不了图像，仿真没有结果，然后又仔
细的阅读文章，阅读书上的讲解，细心的对照每一个环节。每一个可能会出错的地方，知道
是往往每一个细节就可以导致结果出不来。一一的对照参数的设置，元件的选择是否有错，
然后然后，在找着找着的过程中逐渐发现设计的乐趣，发现编写教材的艰难。每一个看似简
单的成功其实都不简单，往往都有设计者的艰辛与汗水，我们在享受别人的成果时要珍惜，
要珍惜前辈们的来自不易。
小组成员蒋骏杰，钱俊杰，曹魏。其中蒋骏杰负责编程，钱俊杰负责理论数据计算，曹
魏负责写报告。