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💥第一部分——内容介绍
10kV 配电网不同中性点接地方式下多类型短路故障仿真特性研究
摘要
10kV 中压配电网作为城乡电力供应的核心网架，中性点接地运行方式直接决定各类短路故障发生后的电气量变化规律、故障危害程度与保护动作逻辑。国内 10kV 配电网主流采用中性点不接地、经消弧线圈接地、经小电阻接地三类运行模式，不同接地方式对单相接地故障的抑制效果差异显著，而两相相间短路、两相接地短路、三相短路等金属性短路故障同样会引发剧烈的电压、电流畸变，威胁线路、变压器及配电设备安全稳定运行。本文依托 MATLAB/Simulink 仿真平台搭建完整 10kV 配电网模型，分别模拟三类中性点接地系统下单相接地、两相相间短路、两相短路接地、三相短路四类典型故障工况，对比分析不同接地模式、不同故障类型下故障相电压、非故障相电压、故障电流、零序电压与零序电流的演化特征，梳理各类故障的辨识特征与中性点接地方式适配场景，为 10kV 配电网故障定位、继电保护整定及中性点接地方案选型提供理论与仿真依据。
关键词：10kV 配电网；中性点接地方式；单相接地故障；相间短路故障；Simulink 仿真；故障特征
1 绪论
1.1 研究背景与意义
我国城市、县域配电网络电压等级以 10kV 为主，线路覆盖范围广、分支线路多、架空线路与电缆线路混合组网，线路绝缘易受雷击、树障、施工破坏、设备老化等因素影响，各类短路接地故障频发。短路故障会造成线路过流、母线电压骤降，严重时引发电缆击穿、配电变压器烧毁、区域停电等供电事故。中性点接地方式是 10kV 配电网规划设计的核心参数，直接改变故障稳态与暂态电气量特性：中性点不接地系统结构简单、投资成本低，但单相接地故障会产生幅值较高的弧光过电压，易扩大故障范围；经消弧线圈接地系统可补偿单相接地容性电流，抑制间歇性电弧，多用于长距离架空线路电网；经小电阻接地系统能够快速放大零序故障电流，适配电缆占比高的城区配电网，便于零序保护快速切除故障。
现有配电网故障研究多单独针对某一种中性点接地模式开展单相接地分析，缺乏对四类典型短路故障的横向对比，难以直观区分不同接地方式下各类故障的差异化特征。基于 MATLAB/Simulink 搭建统一配电网仿真模型，完整复现全部故障工况，横向对比电压、零序、电流变化规律，能够清晰揭示中性点接地方式对不同短路故障的调控作用，对优化配电网保护配置、故障快速识别、接地改造工程具备实际工程价值。
1.2 国内外研究现状
国外欧美城市电缆型 10kV 配电网普遍采用中性点经小电阻接地模式，相关研究重点分析电阻阻值对单相接地故障电流、过电压水平的影响，完善零序过流保护整定方案；欧洲乡村长架空线路多选用消弧线圈接地，研究聚焦消弧线圈脱谐度、补偿容量对电弧熄灭效果的优化控制。国内研究针对国内架空 - 电缆混合配电网场景，分别对不接地、消弧线圈、小电阻接地系统单相接地故障开展大量仿真与现场试验，提出故障选线、故障测距算法。
当前研究存在一定局限性：多数文献仅单独研究单相接地故障，对两相相间短路、两相接地短路、三相短路故障的对比分析较少；缺少同一电网拓扑下三类中性点接地模式、四类故障的统一仿真对照，无法量化区分不同工况下故障特征差异，难以支撑多故障统一识别保护装置的设计开发。本文在此基础上完善多故障、多接地方式的全工况仿真分析，弥补现有研究内容缺失。
1.3 主要研究内容与章节安排
本文主要研究内容分为四部分：第一，搭建适配三种中性点接地方式的 10kV 标准配电网 Simulink 仿真模型，完成线路、变压器、负荷、中性点接地模块参数配置；第二，依次模拟中性点不接地、经消弧线圈接地、经小电阻接地三种系统，分别设置单相接地、两相相间短路、两相短路接地、三相短路四类金属性故障，采集母线三相电压、三相故障电流、零序电压、零序电流数据；第三，分类对比仿真结果，总结不同接地方式下同一种故障的电气量变化规律，以及同一接地系统下四类短路故障的辨识特征；第四，结合仿真结论分析三种中性点接地方式的适用场景，提出配电网故障保护、接地改造优化建议。
章节安排：第一章为绪论，阐述研究背景、现状与研究内容；第二章介绍 10kV 配电网中性点接地原理与各类短路故障故障机理；第三章说明 MATLAB/Simulink 仿真模型搭建思路与故障设置方案；第四章开展多工况仿真结果对比分析；第五章总结全文并给出工程应用建议。
2 10kV 配电网接地原理与短路故障机理分析
2.1 三类中性点接地方式工作原理
2.1.1 中性点不接地系统
中性点不接地系统中，配电变压器中性点无任何电气连接，正常运行时三相对地分布电容对称，对地零序电压近似为零。当线路发生单相接地故障时，故障相与大地直接导通，非故障相对地电压升高至线电压水平，系统对地容性电容形成回路，产生容性接地电流。若接地电流超过安全阈值，故障点易产生持续性电弧，引发谐振过电压，击穿线路绝缘子与电缆绝缘，发展为相间短路故障。该系统无需增设中性点设备，建设成本低廉，适合短距离架空线路、负荷密度较低的县域配电网。
2.1.2 中性点经消弧线圈接地系统
消弧线圈本质为可调电感线圈，串联接入变压器中性点与大地之间。系统正常运行时消弧线圈仅有微小不平衡电流流过；发生单相接地故障时，消弧线圈产生的感性电流可抵消电网对地容性故障电流，大幅降低故障点残余电流，避免电弧持续燃烧，抑制弧光过电压产生。消弧线圈可通过调节分接头改变电感补偿容量，适配线路扩容、电缆新增后的容性电流变化，广泛应用于架空线路占比高、线路总长较长的城郊、农村 10kV 配电网。该系统单相接地故障零序电流幅值小，传统过流保护难以实现故障快速切除，多采用零序功率、五次谐波等选线判据实现故障识别。
2.1.3 中性点经小电阻接地系统
变压器中性点串联定值小电阻后接地，正常工况下无明显零序电流。单相接地故障发生后，大地与中性点电阻形成稳定零序通路，产生幅值较大的阻性零序故障电流。较大的零序电流能够驱动零序过流保护瞬时动作，快速隔离故障线路，避免电缆绝缘长时间承受过电压损坏。但该系统单相接地故障电流较大，故障瞬时冲击会产生一定的供电扰动，更适合电缆线路占比高、负荷密集的城市核心配电网。
2.2 四类典型短路故障故障机理
2.2.1 单相接地故障
10kV 配电网最常见故障类型，多由绝缘子闪络、电缆外皮破损、导线触碰地面 / 树木引发。故障仅单一相与大地连通，无相间直接导通。故障特征与中性点接地方式强相关：不接地、消弧线圈系统故障相电压大幅跌落，非故障相电压抬升；小电阻接地系统除电压畸变外，伴随显著零序大电流，是区分三类接地系统单相故障的核心特征。单相接地故障初期不形成相间短路，系统可短时带故障运行，具备短时故障处置窗口期。
2.2.2 两相相间短路故障
两相导线直接金属性接触，故障仅存在两相之间导通，不与大地形成回路。故障发生后故障两相电压急剧下降，非故障相电压基本维持额定水平，三相电流严重不对称，但系统无零序电压、零序电流输出。该故障不受中性点接地方式影响，三类接地系统下故障电气量特征高度统一，依靠相间过流保护即可可靠检测。故障短路电流幅值大，对线路、变压器热冲击明显，不允许长时间带故障运行。
2.2.3 两相短路接地故障
两相导线同时发生对地短路，兼具相间短路与接地故障双重属性。故障两相电压大幅降低，非故障相电压出现偏移畸变，系统同时存在不对称相间短路电流与零序接地电流。相较于单纯两相相间短路，该故障新增零序分量；相较于单相接地故障，相间短路会进一步放大故障电流冲击。不同中性点接地方式下，零序电流、过电压幅值存在明显差异，故障辨识难度高于单一故障类型。
2.2.4 三相短路故障
三相互相金属性导通，属于对称性严重短路故障。故障后三相母线电压同步跌落至极低水平，三相短路电流幅值达到所有故障类型最大值，无负序、零序分量输出。该故障与中性点接地方式无关，无论采用何种接地模式，故障电气量变化规律完全一致，会造成配电网大面积电压跌落，冲击前端变电站供电设备，是危害程度最高的短路故障。
3 MATLAB/Simulink 仿真模型构建与故障设置方案
3.1 整体仿真模型拓扑设计
依托 MATLAB/Simulink 电力系统仿真模块搭建标准 10kV 辐射型配电网模型，整体拓扑由上级 110kV 降压变电站、10kV 配电主变、多条馈线、末端综合负荷模块构成。主变压器高压侧接入 110kV 交流电源，低压侧输出 10kV 三相交流母线，母线引出多条架空 - 电缆混合馈线，每条馈线末端并联恒阻抗综合负荷，模拟居民、工业混合用电场景。模型预留中性点接入端口，可通过切换模块分别接入开路、消弧线圈、接地小电阻三种接地装置，实现三类中性点运行模式无差别切换，保证电网线路、负荷、变压器参数全程统一，消除拓扑参数差异对仿真结果的干扰。
线路模块采用分布参数线路模型，精准模拟架空线路对地分布电容、电缆线路容性参数差异；负荷采用三相恒阻抗负荷，兼顾有功、无功用电特性；电压、电流测量模块布置于 10kV 母线及各馈线首端，实时采集三相瞬时电压、三相瞬时电流，并通过序分量计算模块分解正序、负序、零序电压与电流，完整记录故障全过程暂态、稳态数据。
3.2 中性点接地模块配置方案
模型设计独立可切换中性点支路，三种接地方式切换仅改变支路元件，其余电网参数保持不变：
- 中性点不接地模式：中性点支路开路，无任何电气元件接入；
- 经消弧线圈接地模式：中性点串联可调电感消弧线圈，根据电网总对地容性电流匹配补偿电感，设置接近全补偿运行工况；
- 经小电阻接地模式：中性点串联标准接地小电阻，匹配城区电缆网常用电阻定值。
3.3 多类型短路故障设置方法
仿真模型配备可编程故障发生器模块，可精准控制故障发生时刻、故障持续时长、故障类型，统一设置金属性短路故障，消除过渡电阻带来的变量干扰。四类故障设置逻辑如下：
- 单相接地故障：设置单一相与大地导通，其余两相保持绝缘；
- 两相相间短路故障：设置两相导线直接连通，两相、三相均不接地；
- 两相短路接地故障：两相导线互相导通，同时两相分别与大地连通；
- 三相短路故障：三相导线互相导通，不接入大地回路。
仿真时序统一规划：系统先空载运行 0.2s 达到稳态，0.2s 时刻投入全部负荷稳定运行；0.4s 时刻触发目标短路故障，故障持续 0.4s 后自动切除，0.8s 系统恢复无故障运行状态，完整记录故障前稳态、故障暂态、故障稳态、故障切除恢复全过程电气量波形，便于分段提取故障特征。
4 多中性点接地方式下各类短路故障仿真结果对比分析
4.1 中性点不接地系统故障仿真特性
4.1.1 单相接地故障
故障发生瞬间，故障相母线电压快速跌落至接近零电位，A、B 两相非故障相对地电压同步抬升至线电压数值，三相电压严重不对称。系统对地分布电容形成故障回路，产生幅值较小的容性零序电流，零序电压持续维持较高水平。故障电流整体幅值低，相间过流保护无法感知故障，但持续升高的非故障相过电压会长期作用于线路绝缘，存在绝缘击穿、故障扩大风险。故障全程无明显相间短路大电流，三相相间电流变化微弱，仅零序通道存在持续故障分量。
4.1.2 两相相间短路故障
故障两相电压瞬间大幅跌落，第三相电压维持额定幅值不变，三相电流出现严重不对称，故障两相产生极大短路冲击电流。系统三相对地电容无接地通路，零序电压、零序电流始终保持为零，仅存在明显负序分量。故障特征仅体现在相间电压、相间电流畸变，与接地工况无关联，故障冲击电流会快速触发相间过流保护动作。
4.1.3 两相短路接地故障
兼具相间短路与单相接地双重特征，故障两相电压急剧降低，非故障相电压出现偏移抬升。一方面两相导通产生大幅值相间短路电流，另一方面两相接地激活对地电容回路，输出持续性零序电压与容性零序电流。相较于单纯两相相间短路，新增零序故障分量；相较于单相接地故障，相间短路带来更大故障电流冲击，故障危害程度显著提升，同时存在过电压与过流双重风险。
4.1.4 三相短路故障
故障后三相母线电压同步骤降，三相短路电流达到全部故障工况峰值，三相电气量保持对称状态，无负序、零序分量输出。中性点开路状态不影响三相短路故障发展，故障暂态冲击极强，会造成母线电压深度跌落，全网负荷供电质量完全崩溃。
4.2 中性点经消弧线圈接地系统故障仿真特性
4.2.1 单相接地故障
故障相电压跌落、非故障相电压抬升的电压变化趋势与不接地系统基本一致，但故障点容性接地电流被消弧线圈感性电流大幅补偿，零序电流残余幅值极低，远小于中性点不接地系统。故障点电弧可快速熄灭，弧光过电压得到有效抑制，非故障相过电压幅值明显降低。极小的零序电流导致常规零序过流保护难以可靠识别故障，仅能依靠零序功率方向、谐波分量等微弱特征实现故障选线，系统可长时间带单相接地故障安全运行。
4.2.2 两相相间短路故障
故障电气量特征与中性点不接地系统完全一致，故障两相大电流、电压不对称，无零序分量输出。消弧线圈仅作用于接地故障回路，相间短路无大地通路，电感线圈不参与故障回路，因此接地方式改变不会对相间短路故障特性产生任何影响。
4.2.3 两相短路接地故障
相间短路产生的大电流特性不变，接地产生的零序容性电流经消弧线圈补偿后大幅减小，零序电压幅值有所下降，故障点电弧燃烧强度降低。相较于中性点不接地系统，该工况下过电压水平得到控制，但相间短路大电流依然存在，故障仍需依靠相间过流保护切除。
4.2.4 三相短路故障
三相对称短路，无接地回路，消弧线圈不投入故障回路，电压、电流波形与不接地系统无差异，故障冲击大、无零序分量。
4.3 中性点经小电阻接地系统故障仿真特性
4.3.1 单相接地故障
故障相电压跌落，非故障相电压仅小幅抬升，过电压水平显著低于前两种接地系统。中性点小电阻构建稳定零序通路，产生幅值可观的阻性零序故障电流，零序电压持续稳定存在。较大的零序电流可驱动零序过流保护瞬时动作，快速切除故障线路，避免电缆长期承受过电压损伤。但故障瞬时大零序电流会造成短时电压扰动，对敏感负荷供电稳定性存在一定影响。
4.3.2 两相相间短路故障
无大地通路，中性点电阻不参与故障回路，故障两相大电流、无零序分量，故障波形与另外两种接地系统保持统一，中性点接地电阻无法抑制相间短路故障冲击。
4.3.3 两相短路接地故障
故障两相相间短路电流幅值不变，两相接地产生的零序电流经中性点电阻放大，零序分量幅值远高于不接地、消弧线圈系统，零序保护可快速检测故障。同时中性点电阻限制非故障相过电压，兼顾故障快速切除与过电压抑制双重效果，故障综合危害程度得到控制。
4.3.4 三相短路故障
对称短路无接地回路，中性点电阻不起作用，三相电压、短路电流变化规律与其余两类接地系统完全相同。
4.4 不同接地方式下同类型故障横向对比总结
- 单相接地故障是三类接地系统差异最显著的故障类型：中性点不接地系统过电压最高、接地电流中等；消弧线圈接地系统过电压最低、接地电流最小；经小电阻接地系统过电压适中、接地电流最大，保护动作速度最快。三种接地模式的核心设计目标均针对单相接地故障优化。
- 两相相间短路、三相短路故障不存在接地回路，中性点接地装置不接入故障通路，三类接地系统下故障电压、电流、序分量波形无明显区别，故障识别仅依靠相间过流保护，接地方式无法改善此类故障危害。
- 两相短路接地故障同时包含相间与接地回路，兼具两类故障特征：相间短路特性不受接地方式影响，接地产生的零序分量、过电压水平随中性点接地方式改变明显，小电阻接地系统零序特征最突出，消弧线圈系统零序电流最弱。
5 仿真结论与工程应用建议
5.1 仿真主要结论
- 中性点接地方式仅对包含接地回路的故障（单相接地、两相短路接地）电气特性产生调控作用，纯相间短路、三相短路故障不受中性点接地方案影响。
- 针对单相接地故障：架空长线路配电网优先选用消弧线圈接地，可抑制电弧与过电压，延长带故障运行时间；电缆密集城区配电网适合经小电阻接地，依靠大零序电流实现故障瞬时切除；短距离轻负荷架空线路可采用中性点不接地，降低设备投资。
- 两相短路接地故障为复合型故障，故障同时存在相间大电流与零序分量，消弧线圈仅能降低接地侧电弧危害，无法缓解相间短路冲击；经小电阻接地系统可通过零序保护加速故障切除，降低绝缘损坏风险。
- 所有接地模式下，两相相间短路、三相短路故障短路电流冲击大，无零序特征，必须配置快速动作的相间过流保护，不能依靠零序保护实现故障识别与跳闸。
- 中性点不接地系统单相接地故障易产生持续性弧光过电压，若电网电缆线路逐年增加、对地容性电流持续上升，应逐步改造为消弧线圈或小电阻接地模式，避免频繁绝缘击穿事故。
5.2 配电网运行与改造工程建议
- 接地方案选型：县域农村以架空线路为主、线路总长超过阈值时，配置可调式消弧线圈；城市核心区电缆化率高、负荷密集，采用中性点经小电阻接地；小型简易配电站、短分支架空线路可保留中性点不接地运行方式。
- 继电保护配置优化：消弧线圈接地系统需增设零序选线保护、五次谐波保护，弥补零序电流过小无法触发过流保护的缺陷；经小电阻接地系统配置零序瞬时过流保护，实现单相接地故障快速跳闸；全部系统统一配置相间过流保护，应对两相、三相短路故障。
- 故障处置策略：中性点不接地、消弧线圈系统发生单相接地故障后，可短时维持供电，运维人员快速巡检定位故障；经小电阻接地系统单相接地故障直接跳闸隔离，优先保障电缆绝缘安全；两相、三相短路故障无论何种接地方式，均需瞬时跳闸，禁止带故障持续运行。
- 电网改造升级：原有中性点不接地系统新增电缆线路后，应实时测算电网总对地容性电流，若容性电流超出安全电弧阈值，及时加装消弧线圈或改造为小电阻接地，消除弧光过电压隐患。
6 总结与展望
本文基于 MATLAB/Simulink 搭建统一参数的 10kV 辐射型配电网仿真模型，完整实现中性点不接地、经消弧线圈接地、经小电阻接地三种运行模式切换，分别完成单相接地、两相相间短路、两相短路接地、三相短路四类金属性故障全工况仿真，横向对比各类工况下三相电压、故障电流、零序分量变化规律，明确中性点接地方式仅调控含接地回路故障的电气特征，纯相间对称短路故障与接地方案无关。仿真结果清晰量化了三种接地模式对单相接地故障过电压、接地电流的抑制效果，梳理出不同故障类型独有的辨识特征，结合仿真结论给出城乡 10kV 配电网中性点接地选型、继电保护配置、电网改造的工程实操建议。
本次仿真仅针对金属性短路故障开展分析，未考虑故障过渡电阻、间歇性接地电弧、非线性负荷、分布式光伏接入等现实复杂工况。后续研究可在现有仿真模型基础上，增加高阻接地故障、间歇性弧光接地、分布式电源并网场景，进一步分析分布式电源对各类短路故障电气量的扰动影响，完善含新能源配电网中性点接地与故障保护配套方案，提升研究成果对新型电力系统配电网的适配性。
📚第二部分——运行结果
10kv单相短路接地故障（中性点不接地、经小电阻接地和经消弧线圈接地）仿真 还可设置为两相短路接地故障丶两相相间短路故障
🎉第三部分——参考文献
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