电力系统实验报告(3)

实验五单机—无穷大系统稳态运行方式实验

一、实验目的

1．熟悉远距离输电的线路基本结构和参数的测试方法。

2．掌握对称稳定工况下，输电系统的各种运行状态与运行参数的数值变化范围。 3．掌握输电系统稳态不对称运行的条件、参数和不对称运行对发电机的影响等。 二、原理说明

单机－无穷大系统模型，是简单电力系统分析的最基本，最主要的研究对象。本实验平台建 立的是一种物理模型。

发电机组的原动机采用国标直流电动机模拟，但其特性与电厂的大型原动机并不相似。发电 机组并网运行后，输出有功功率的大小可以通过调节直流电动机的电枢电压来调节（具体操作必

须严格按照调速器的正确安全操作步骤进行！可参考《微机调速装置基本操作实验》）。发电机组

的三相同步发电机采用的是工业现场标准的小型发电机，参数与大型同步发电机不相似，但可将

其看作一种具有特殊参数的电力系统发电机。

实验平台给发电机提供了三种典型的励磁系统 ：手动励磁、常规励磁和微机励磁系统，可 以通过实验台的转换开关切换（具体操作必须严格按照励磁调节装置的正确安全操作步骤进行！

可参考《微机励磁装置基本操作实验》）。

实验平台的输电线路是用多个接成链型的电抗线圈来模拟，其电抗值满足相似条件。“无穷 大系统”采用大功率三相自耦调压器，三相自耦调压器的容量远大于发电机的容量，可近似看作

无穷大电源，并且通过调压器可以方便的模拟系统电压的波动。

实验平台提供的测量仪表可以方便的测量（电压，电流，功率，功率因数，频率）并可通过 切换开关显示受端和送端的P，Q，cosΦ。发电机组装设了功角测量装置，通过频闪灯可以直观，

清晰的观测功角（使用前请仔细阅读附录一“功角指示装置原理说明”，注：由于功角指示的指

针相对于频闪灯的发光静止，但实际是在高速运转，切勿用手触摸！），还可通过微机调速装置

测来测量功角。 三、实验内容与步骤

开电源前，调整实验台上的切换开关的位置，确保三个电压指示为同一相电压或线电压；发 电机运行方式为并网运行；发电机励磁方式为常规励磁，他励；并网方式选择手动同期。 1．单回路稳态对称运行实验 ⑴ 发电机组自动准同期并网操作

输电线路选择XL2和XL4（即QF2 和QF4 合闸），系统侧电压US=300V，发电机组启机，建压，通过可控线路单回路并网输电。

⑵ 调节调速装置的增、减速键，调整发电机有功功率；调节常规励磁装置给定，改变发电 机的电压，调整发电机无功功率，使输电系统处于不同的运行状态，为了方便实验数据的分析和

比较，在调节过程中，保持cosΦ=0.8 US=300V 不变。观察并记录线路首、末端的测量表计

值

及线路开关站的电压值，计算、分析和比较运行状态不同时，运行参数（电压损耗、电压降落、

沿线电压变化、无功功率的方向等）变化的特点及数值范围，记录数据于表3-4-1 中。 注：在调节功率过程中发电机组一旦出现失步问题，立即进行以下操作，使发电机恢复同 步运行状态：操作微机调速装置上的“－” 减速键，减少有功功率；增加常规励磁给定，提高

发电机电势；单回路切换成双回路。 ⑶ 发电机组的解列和停机

保持发电机组的P=0，Q=0，此时按下QF0 分闸按钮，再按下控制柜上的灭磁按钮，按下微 机调速装置的停止键，转速减小到0 时，关闭原动机电源。 ⑷ 实验台和控制柜设备的断电操作

依次断开实验台的“单相电源”、“三相电源”和“总电源”以及控制柜的“单相电源”、“三相电源”和“总电源”。

2．双回路对称运行与单回路对称运行比较实验 实验步骤基本同按实验内容⒈，只是将原来的单回线路改成双回路运行。观察并记录数据于 表3-4-1 中，并将实验结果与实验⒈进行比较和分析。 3．单回路稳态非全相运行实验

输送单回路稳态对称运行时相同的功率，此时设置发电机出口非全相运行（断开一相），观 察并记录运行状态和参数变化情况。 ⑴ 发电机组自动准同期并网操作 实验步骤同实验内容⒈55 ⑵ 单回路稳态非全相运行

① 微机保护定值整定：电流Ⅰ段“投入”，电压闭锁和方向闭锁“退出”，整定动作电流为

2 倍稳态运行时的动作电流，动作时间0.5 秒，重合闸时间90 秒；其它保护均退出。（保护定值

的设定方法请查看附录六“TSL-300 微机线路保护装置使用说明”）

② 操作短路故障设置按钮，设置单相接地短路故障，设置短路持续时间为10 秒（具体操作 可以参考实验指导书第一部分关于短路故障设置的详细说明）。

③ 将短路故障投入，此时微机保护切除故障相，准备重合闸，即只有一回线路的两相在运 行。观察此状态下的三相电流、电压值，记录在表3-4-2 中，将实验结果与实验1 进行比较；（备注：由于实验台的有功功率表和无功功率表只能测量三相平衡状态下的有功功率和无功功率值，所以在非全相运行状态下，有功功率和无功功率值应从微机励磁装置中读出）。 ④ 断相运行90 秒后，重合闸成功，系统恢复到单回路稳态运行状态。 ⑶ 发电机组的解列和停机以及实验台和控制柜设备的断电操作 实验步骤同⒈-⑶、⑷。 四 实验心得与体会

在我看来同步发电机在电力系统中为稳定运行时，由于原动机输入的机械功率和发电机本身的损耗及输出的电磁功率相平衡，发电机以同步转速和恒定的转子角稳定运行。当系统遭受一大的扰动时，如发生短路时或负荷的突变等，发电机的输出功率也相应发生突变，由于原动机的调速装置有相当的惯性，必须经过一定的时间才能调整原动机的输出功率。因此，破坏了发电机与原动机之间的功率平衡，在机组轴上出现了不平衡转距，从而使发电机的转速和功角发生变化，引起整个电力系统的机电瞬变过程，甚至可能使发电机失步。瞬时稳定问

题就是讨论同步发电机在电力系统遭受巨大的扰动之后，是否还能维持同步运行的问题。

实验六单机无穷大系统稳态实验：

一、 整理实验数据，说明单回路送电和双回路送电对电力系统稳定运行的影

响，并对实验结果进行理论分析： 实验数据如下:

表3-1 单回路双回路对称运行比较 P（kw） Q I（A） UF UZ Ua △U 0.4 0.5 0.9 49 400 370 0.8 0.5 1.5 49 390 370 单回路 1 0.5 1.75 50 380 370 1.2 0.5 2.5 50 365 370 0.5 0.5 0.5 44 380 368 1 0.5 1.75 43 375 370 双回路 1.5 0.5 2.75 44 370 370 1.8 0.5 3.75 44 350 370 由实验数据，我们得到如下变化规律：

（1）保证励磁不变的情况下，同一回路，随着有功输出的增加，回路上电流也在增加，这是因为输出功率P=UIcos Φ，机端电压不变所以电流随着功率的增加而增加；

（2）励磁不变情况下，同一回路，随着输出功率的增大，首端电压减小，电压损耗也在减小，这是由于输出功率的增大会使发电机输出端电压降低，在功率流向为发电机到系统的情况下，即使电压虽好降低有由于电压降落的横向分量较小，所以电压降落近似为电压损耗；

（3）出现电压降落为负的情况是因为系统倒送功率给发电机的原因。

单回路供电和双回路供电对电力系统稳定性均有一定的影响，其中双回路要稳定一些，单回路稳定性较差。

二、根据不同运行状态的线路首、末端和中间开关站的实验数据、分析、比较运行状态不同时，运行参数变化的特点和变化范围。

由实验数据，我们可以得到如下结论：

（1）送出相同无功相同有功的情况下：单回路所需励磁电压比双回路多，线路电流大小相等，单回路的电压损耗比双回路多；（eg.P=1,Q=0.5时） （2）送出相同无功的条件下，双回路比单回路具有更好的静态稳定性，双回路能够输送的有功最大值要多于单回路；

发生这些现象的原因是：双回路电抗比单回路小，所以所需的励磁电压小一些，电压损耗也要少一些，而线路电流由于系统电压不改变；此外，由于电抗越大，稳定性越差，所以单回路具有较好的稳定性。

三、思考题：

1、影响简单系统静态稳定性的因素是哪些？ 答：由静稳系数SEq=EV/X，所以影响电力系统静态稳定性的因素主要是：系统元件电抗，系统电压大小，发电机电势以及扰动的大小。

30 20 10 -5 12 5 0 -20 △U· 30 20 10 -5 12 5 0 -20 2、提高电力系统静态稳定有哪些措施？

答：提高静态稳定性的措施很多，但是根本性措施是缩短\电气距离\。主要措施有:

(1)、减少系统各元件的电抗:减小发电机和变压器的电抗，减少线路电抗(采用分裂导线);

(2)、提高运行电压水平; (3)、改善电力系统的结构; (4)、采用串联电容器补偿; (5)、采用自动励磁调节装置; (6)、采用直流输电。

3、何为电压损耗、电压降落？

答：电压损耗指的是输电线路首末两端电压的数值差； 电压降落指的是首末两端电压的相量差。 4、“两表法”测量三相功率的原理是什么？它有什么前提条件？

答：原理：在测A、B、C三相总功率时，可以用两只功率表接在AB及BC间，测得的值相加即可。功率表的测量原理是测得电压、电流及其功率角，然后由P=UIcosΦ得到功率的大小，该种接法测得的是线电压、线电流及其夹角，相对于相电压相电流之间夹角而言，增加了120°，若相角为0°，则总功率P=3UI，采用两表发测得的功率为P=2UIcos120°√3=3UI，所以可以用两表法测得。

前提条件：在负荷平衡的三相系统中可以用两表法测三相功率----三相

三线系统可以用两表法测量,但是三相四线系统只有在三相平衡时才可以采用两表法。

实验七电 力 系 统 暂 态 稳 定 实 验

一、．整理不同短路类型下获得实验数据，通过对比，对不同短路类型进行定性分析，详细说明不同短路类型和短路点对系统的稳定性的影响。

各种短路类型获得的实验数据如下：

表5-1

单相接地短路

QF1 1 0 1 0

QF2 1 1 1 1

QF3 1 0 0 1

QF4 1 1 1 1 QF5 0 0 1 1

QF6 1 1 1 1

Pmax（Kw） 最大短路电流 1.8 3.65 1.1 4.11 1.4 4.67 1.7 5.84

表5-2

两相相间短路 QF1 1 0 1 0 QF2 1 1 1 1 QF3 1 0 0 1 QF4 1 1 1 1 QF5 0 0 1 1 QF6 1 1 1 1 Pmax（Kw） 最大短路电流 1.8 4.03 1.2 3.86 1.4 3.94 1.7 3.14

表5-3 两相接地短路 QF1 1 0 1 0 QF2 1 1 1 1 QF3 1 0 0 1 QF4 1 1 1 1 QF5 0 0 1 1 QF6 1 1 1 1 Pmax（Kw） 最大短路电流 1.8 3.75 1.2 4.34 1.4 1.18 1.7 3.47 通过对比，我们可以看出同样的短路故障切除时间在不同短路类型下对系统

稳定性的影响不一样：

不对称短路时，根据正序等效定则，相当于在正常等值电路中的短路点接入了一个附加阻抗，改变系统阻抗，影响系统输出功率，使之与正常运行情况下的输出有差别，影响功角，进而影响系统的稳定性。由于不同短路情况下的附加电抗不一样，所以影响也不一样。单相接地时附加电抗为负序电抗和零序电抗之和，两相短路时附加电抗为负序电抗，两相接地短路时附加电抗附加电抗为负序电抗与零序电抗并联。

由等面积定则可以得到，保持暂态稳定的条件是最大减速面积大于加速面积，附加电抗越大，故障时的功率特性曲线离原动机输出越远，在相同切除时间时，加速面积较大，极限切除角减小，相当于暂态稳定性降低。

二、通过试验中观察到的现象，说明二中提高暂态稳定的措施对系统稳定性作用机理。

答：系统发生短路故障时，发电机输出的电磁功率骤然降低，而原动机的机械输出功率来不及变化，两者失去平衡，发电机转子将加速。

强行励磁可以提高发电机的电势，增加发电机的输出功率，即可使原动机输出与发电机输出功率平衡，可以有效地减小失步引起的不利影响。且强行励磁的速度越快、强励倍数越大，效果越好。

电力系统中的短路故障大多是由网络放电造成的，是暂时性的，在切断线路经过一段电弧熄灭和空气去游离的时间轴，短路故障便完全消除了。这时，如果再把线路重新投入系统，它便能继续正常工作。

所以采用自动重合闸装置，用微机保护装置切除故障线路后，经过延时一定时间将自动重合原线路，从而恢复全相供电，即可提高了故障切除后的功率特性曲线，即提高系统的暂态稳定性。

三、思考题：

1．不同短路状态下对系统阻抗产生影响的机理是什么？ 不对称短路时，根据正序等效定则，相当于在正常等值电路中的短路点接入了一个附加阻抗，改变了系统阻抗：

（1）单相接地短路：以A相短路为例，由边界条件Ua=0、Ib=0、Ic=0，将它们用对称分量法分解，得到各序分量之间表示的边界条件，采用复合序网或结合各序等效电路分析，便可以得到其附加电抗X△=X2+X0； （2）两相相间短路：以BC两相间短路为例，其边界条件为Ub=Uc、Ib+Ic=0、Ia=0，得到其附加电抗为X△=X2；

（3）两相接地短路：以BC两相接地短路为例，其边界条件为Ia=0、Ub=0、 Uc=0，得到其附加电抗为X△=X2//X0。 2．提高电力系统暂态稳定的措施有哪些？ 答：（1）快速切除故障； （2）采用自动重合闸； （3）发电机快速强励磁； （4）发电机电气制动；

（5）变压器中性点经小电阻接地； （6）快速关闭汽门； （7）切发电机和切负荷； （8）设置中间开关站；

（9）输电线路强行串联补偿。

3．对失步处理的方法（注意事项3中提到）的理论根据是什么？

答：对失步处理的方法如下：通过励磁调节器增磁按钮，使发电机的电压增大；如系统没处于短路状态，且线路有处于断开状态的，可并入该线路减小系统阻抗；通过调速器的减速按钮减小原动机的输入功率。 其理论依据在于：

（1） 可以通过励磁调节器增磁按钮，使发电机的电压增大，在于：系统发

生短路故障时，发电机输出的电磁功率骤然降低，而原动机的机械输出功率来不及变化，两者失去平衡，发电机转子将加速。而迅速增磁提高发电机的电势，可以增加发电机的输出功率，即可使原动机输出与发电机输出功率平衡，可以有效地减小失步引起的不利影响；

（2） 如系统没处于短路状态，且线路有处于断开状态的，可并入该线路减

小系统阻抗，原因在于：减小系统阻抗，可以使原动机所带负荷减少，即其转速相对降低，这样，在发生短路故障时，原动机和发电机的输出功率不平衡程度也相对减轻一些；

（3） 通过调速器的减速按钮减小原动机的输入功率也可以作为减小故障影

响，因为这也相当于减少转轴上的不平衡功率。

4．自动重合闸装置对系统暂态稳定的影响是什么？ 答：自动重合闸装置即是开关设备自动进行重新投入输电线路的操作，只要该装置在极限切除角之前的功角处自动合闸，即可使系统保持暂态稳定。但是需注意一点，重合闸时间必须大于潜供电弧熄灭时间，一面是线路再次受到短路故障的冲击，可能会大大恶化系统的暂态稳定性甚至破坏整个系统的稳定。

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