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小电流接地系统弧光接地模型构建与仿真分析：原理、危害与应对策略

一、引言

1.1研究背景与意义

在现代电力系统中，小电流接地系统因其独特的优势，在中低压配电网中得到了广泛应用。我国6-66kV的配电网大多采用小电流接地系统，包括中性点不接地、中性点经消弧线圈接地和中性点经电阻接地等方式。小电流接地系统发生单相接地故障时，故障电流相对较小，三相线电压仍能保持对称，这使得系统可以继续运行一段时间，从而极大地提高了供电的可靠性，减少了停电对用户的影响。

然而，小电流接地系统中的弧光接地问题却对电力系统的安全稳定运行构成了严重威胁。当系统发生单相接地故障且接地电流较大时，故障点可能会产生间歇性的电弧，即弧光接地现象。这种电弧具有不稳定的特性，会反复熄灭和重燃。弧光接地产生的过电压可达相电压峰值的3.5倍，如此高的过电压持续作用，极易对电力系统中的电气设备绝缘造成损伤。长期处于这种过电压环境下，设备的绝缘性能会逐渐下降，最终可能导致相间短路等更为严重的故障，使事故范围扩大，影响整个电力系统的正常供电。

弧光接地激发的铁磁谐振会导致电压互感器严重过载，甚至烧毁电压互感器。这不仅会造成设备损坏，增加维修成本和停电时间，还可能影响电力系统的测量和保护功能，对电力系统的安全稳定运行带来极大的隐患。弧光接地过电压的能量由电源持续提供，持续时间较长，当过电压超过过电压保护器所能承受的能量时，还会造成过电压保护器的爆炸事故，进一步威胁电力系统的安全。

因此，深入研究小电流接地系统的弧光接地模型及仿真具有重要的现实意义。通过建立准确的弧光接地模型，可以更深入地了解弧光接地的产生机理、发展过程和影响因素，为制定有效的防护措施提供理论基础。利用仿真技术对弧光接地过程进行模拟，可以在实际系统中难以实现的各种工况下进行研究，分析不同因素对弧光接地的影响，评估各种防护措施的效果，从而优化防护方案，提高电力系统的安全性和可靠性。这对于保障电力系统的稳定运行、减少停电事故、提高供电质量具有重要的作用，也能为电力系统的规划、设计、运行和维护提供科学依据，降低电力系统的运行成本和风险。

1.2国内外研究现状

小电流接地系统弧光接地问题一直是电力领域的研究热点，国内外学者在模型构建和仿真技术应用方面取得了一系列成果。

在模型构建方法上，国外起步较早，早期主要采用基于热平衡原理的Cassie和Mayr电弧模型。Cassie模型假设电弧能量损耗与弧柱温度成正比，通过描述电弧电压与电流之间的关系来模拟电弧特性；Mayr模型则考虑了电弧的能量平衡和动态特性，在一定程度上能够反映电弧的熄灭和重燃过程。随着研究的深入，学者们发现传统模型存在局限性，无法全面体现电弧接地特性。于是，一些改进的模型应运而生，如融合Cassie和Mayr模型的分段式电弧模型，该模型解决了两种模型动态分配问题，具有较好的零休效应，能较准确地刻画燃弧、熄弧时刻的电弧电压、电流特性。然而，这些解析建模方法多采用简单的分段线性化建模思路，难以有效表征电弧模型的非线性特征，并且在刻画接地电阻方面不够充分，未考虑高阻接地无电弧情况，也未全面考虑故障的发展过程。

国内学者在吸收国外研究成果的基础上，结合我国电力系统的实际情况，对弧光接地模型进行了深入研究。有学者考虑了故障电流的扩散特性和故障发展过程的特性，建立了接地可变电阻模型和短间隙击穿电弧模型，并将两者串联结合，构建了适用于不同场景下基于击穿间隙与可变电阻的配电网弧光接地故障模型，该模型精度高，具有明显的零休特性，能准确反应各种接地故障类型的特点。还有学者从系统的随机性和谐振特性出发，建立了基于分布参数的小电流接地配电网电路模型，进一步得到小电流接地配电网γ型等值电路，并在此基础上构建了小电流接地配电网随机分数阶谐振模型和随机分数阶动态模型，使模型能更准确地表示系统整体的状态。

在仿真技术应用方面，国外广泛使用ATP-EMTP（AlternativeTransientsProgram-ElectromagneticTransientsProgram）等专业电磁暂态仿真软件对小电流接地系统弧光接地进行仿真研究。通过在软件中搭建详细的系统模型，设置各种故障条件和参数，能够模拟弧光接地的暂态过程，分析过电压、过电流等电气量的变化规律，为保护装置的设计和优化提供依据。

国内则多利用MATLAB/Simulink仿真平台开展相关研究。MATLAB具有强大的数值计算和图形处理能力，Simulink提供了丰富的电力系统模块库，方便用户搭建各种复杂的电力系统模型。研究人员通过在Simulink中构建小电流接地系统模型，接入不同的弧光接地模型，对弧光接地过程进行仿真分析，研究故障特征和影响因素，评估各种防护措施的效