电力系统稳定性试验.docx
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电力系统稳定性试验
实验三各种不同类型短路实验
一、实验目的
加深理解各种不同类型短路的概念，在实验中理解各种不同类型短路的短路电流和短路电压变化。
二、实验原理
在对称短路情况下发电机可用暂态电动势和次暂态电抗等值，短路交流电流初始值的计算实质上是一个稳态交流电路的计算问题。
在电网方面，为了避免复数运算可以近似用阻抗模值Z（=
）进行计算。
短路前负荷只需应用潮流计算所得的发电机端电压
和发电机注入功率
，由下式求得各发电机的次暂态电动势：
=
+j
i=1,2,…….G（3-1）
G为发电机的台数
短路后电网中的负荷可近似用恒定阻抗表示，阻抗值由短路前潮流计算结果中的负荷端电压
和负荷功率
求得：
=
I=1,2……,L（3-2）
L为负荷总数。
下面针对一简单系统对对称短路故障进行介绍。
图3.1（a）是为两台发电机向负荷供电的简单系统。
母线1，2，3上均接有综合性负荷，现分析母线3发生三相短路时，短路电流交流分量的初始值。
图（b）是系统的等值电路。
在采用了
和忽略负荷的近似后，计算用等值电路如图（c）对于这样的发电机直接与短路点相连的简单电路，短路电流可直接表示为:
（3-3）
另一种计算方法是应用叠加原理，其等值电路如图（d）所示，则短路点电流可直接由故障分量求得，即开路电压除以电网对该点的等值阻抗。
即：
（3-4）式中
为电网对短路点的等值阻抗。
如果是经过阻抗
后发生短路，则短路点电流为：
（3-5）
（a）
图3.1简单系统等值图
（a）系统图（b）等值电路（c）简化等值电路（d）应用叠加原理的等值电路
当电力系统中发生不对称故障时，除故障点外三相系统中的元件参数都是对称的，但三相电流、电压等运行参量的基频份量都变成不对称的相量。
利用对称分量法或正序等效定则求出短路电流值。
三、实验步骤
实验接线方式为图3.2，发电机经双回输电线路与无限大容量系统相接，短路故障点为第
回线路中点。
图3.2短路实验接线图
在做本实验时，在实验台上通过对操作面板上通过短路选择按钮的组合可进行单相接地、两相相间短路、两相接地短路和三相短路共四种短路类型故障实验。
将原动机调速器和发电机励磁调节器均设为手动方式,实验接线图不变,发电机并网以后,通过调速器的增（减）速按钮调节发电机向电网的出力,测定不同短路故障时能保持系统稳定运行的发电机所能输出的最大功率,并进行比较、分析不同短路类型对暂态稳定的影响。
实验数据填入表3.2中,将实验结果与理论分析结果进行分析比较。
电流读数可以从YHB一Ill型微机保护装置读出，具体显示为：
GL-XXX三相过流值
GA-XXXA相过流值
GB-XXXB相过流值
GC-XXXC相过流值
微机保护装置的整定值代码如下：
01：
过流保护动作延迟时间
02：
重合闸动作延迟时间
03：
过电流整定值
04：
过流保护投切选择
05:
重合闸投切选择
另外，短路时间TD由面板上“短路时间”继电器整定。
表3.1整定参数值
整定值代码
01
02
03
04
05
TD
整定值
0.5（s）
1.5（s）
5.00（A）
On
On
1.0（s）
微机保护装置的整定方法如下：
按压“画面切换”按钮，当数码管显示[PA－]时，按压触摸按钮“＋”或“一”输入密码，待密码输入后，按下按键“△”，如果输入密码正确，就会进入整定值修改画面。
进入整定值修改画面后，通过“△”“▽”先选中整定项目，再按压触摸按钮“＋”或“－”选择当保护时间（S）；通过“△”“▽”选03整定项目，再按压触摸按钮“＋”或“一”选择当过电流保护值：
通过“△”“▽”选04整定项目，再按压触摸按钮“＋”或“－”选择当过电流保护投切ON；通过“△”选05整定项目，再按压触摸按钮“＋”或“－”选择重合闸投切OFF。
实验步骤：
（1）起动电源选择微机启动类型选择微机自动；
（2）起动发电机至额定转速,并建立电压至额定；
（3）发同期命令让系统自动并列，调节转速使p=0；
（4）整定保护动作时间和重合闸时间表同3.1；
（5）进行不同类型情况的故障模拟,观察实验现象，记录数据；
（6）每短路实验一次要隔十几秒钟；
（7）实验结束，正常退出；
（8）将记录数据填入下表；
表3.2不同短路类型短路电流
短路类型
短路电流
单相短路
两相相间短路
两相接地短路
三相短路
表3.3不同运行方式下三相短路
QF1
QF2
QF3
QF4
QF5
QF6
短路电流（A）
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0
1
0
1
0
1
0
1
1
1
0
1
1
1
0
1
1
1
1
1
四、实验报告要求
1、在实验报告中，要求注明实验台号、运行方式、输出功率的大小。
2、通过测量结果分析不同类型短路电流的大小。
3、通过测量结果分析不同运行方式对三相短路短路电流的影响。
五、思考题
1、短路计算的目的是什么？
2、哪些因素对短路电流有影响？
附录一WDT-Ⅲ型电力系统综合自动化试验台
WDT-Ⅲ型电力系统综合自动化试验台由发电机组、试验操作台、无穷大系统等三大部分组成。
1．发电机组
它是由同在一个轴上的三相同步发电机（SN=2.5kVA，VN=400V，nN=1500r.p.m），模拟原动机用的直流电动机（PN=2.2kW，VN=220V）以及测速装置和功率角指示器组成。
直流电动机、同步发电机经弹性联轴器对轴联结后组装在一个活动底盘上构成可移动式机组。
具有结构紧凑、占地少、移动轻便等优点，机组的活动底盘有四个螺旋式支脚和三个橡皮轮，将支脚旋下即可开机实验。
2．试验操作台
实验操作台是由输电线路单元、微机线路保护单元、负荷调节和同期单元、仪表测量和短路故障模拟单元等组成。
其中负荷调节和同期单元是由“TGS-04型微机调速装置”、“WL-04B微机励磁调节器”、“HGWT-03微机准同期控制器”等微机型的自动装置和其相对应的手动装置组成。
（1）输电线路采用双回路远距离输电线路模型，每回线路分成两段，并设置中间开关站，使发电机与系统之间可构成四种不同联络阻抗，便于实验分析比较。
（2）“YHB-III型微机线路保护”装置是专为实验教学设计，具有过流选相跳闸、自动重合闸功能，备有事故记录功能，有利于实验分析。
在实验中可以观测到线路重合闸对系统暂态稳定性影响以及非全相运行状况。
（3）“TGS-04型微机调速装置”是针对大、中专院校教学和科研而设计的，能做到最大限度地满足教学科研灵活多变的需要。
具有测量发电机转速、测量电网频率、测量系统功角、手动模拟调节、手动数字调节、微机自动调速以及过速保护等功能。
（4）“WL-04B微机励磁调节器”其励磁方式可选择：
它励、自并励2种；控制方式可选择恒UF，恒IL，恒α，恒Q等4种；设有定子过电压保护和励磁电流反时限延时过励限制、最大励磁电流瞬时限制、欠励限制、伏赫限制等励磁限制功能；设有按有功功率反馈的电力系统稳定器（PSS）；励磁调节器控制参数可在线修改，在线固化，灵活方便，并具有实验录波功能，可以记录UF，IL，UL，P，Q，等信号的时间响应曲线，供实验分析用。
（5）HGWT-03微机准同期控制装置，它按恒定越前时间原理工作，主要特点如下：
①可选择全自动准同期合闸；②可选择半自动准同期合闸；③可测定断路器的开关时间；④可测定合闸误差角；⑤可改变频差允许值，电压差允许值，观察不同整定值时的合闸效果；⑥按定频调宽原理实现均频均压控制，自由整定均频均压脉冲宽度系数，自由整定均频均压脉冲周期；观察不同整定值时的均压均频效果；⑦可观察合闸脉冲相对于三角波的位置，测定越前时间和越前角度；⑧可自由整定越前（开关）时间；⑨输出合闸出口电平信号，供实验录波之用。
（6）仪表测量和短路故障模拟单元由各种测量表计及其切换开关、各种带灯操作按钮和各种类型的短路故障操作等部分组成。
实验操作台的“操作面板”上有模拟接线图，操作按钮与模拟接线图中被操作的对象结合在一起，并用灯光颜色表示其工作状态，具有直观的效果。
试验数据可以通过测量仪表和LED数码显示得出，还可显示出同步发电机功率角、可控硅角等量。
同时可以通过数字存贮示波器，观测到发电机电压、系统电压、励磁电压以及准同期时的脉动电压等电压波形，甚至可以观测各可控硅上的电压波形以及各种控制的脉冲波形，还可以同时观测到同步发电机短路时的电流、电压波形等。
3．无穷大系统
无穷大电源是由15kVA的自耦调压器组成。
通过调整自耦调压器的电压可以改变无穷大母线的电压。
试验操作台的“操作面板”上有模拟接线图、操作按钮和切换开关以及指示灯和测量仪表等。
操作按钮与模拟接线图中被操作的对象结合在一起，并用灯光颜色表示其工作状态，具有直观的效果。
红色灯亮表示开关在合闸位置，绿色灯亮表示开关在分闸位置，试验操作台“台体的平面布置示意图”见附录二。
在试验操作台的“操作面板”左下方有一个“电源开关”（开关对应的图中符号为“QA”），此开关向整个台体提供操作电源和动力电源，以及四台微机装置的工作电源，并给信号灯用直流24V稳压电源供电。
因此，在下面叙述的各部分操作之前，都必须先投入“电源开关”（向上扳至ON），此时反映出各开关位置的绿色指示灯亮，同时四台微机装置上电、数码管均能正确显示；在结束试验时，其它操作都正确完成之后，同样必须断开电源开关（向下扳至OFF）。
4．WDT-III综合台开停机操作步骤及注意事项
（1）开机步骤：
1）开机时首先合上电源开关，观察所有的部件是否正常。
即电源正常、显示正常、各微机装置自检灯闪烁正常。
2）启动原动机时应首先观察微机调速装置的“输出零”指示灯亮，停机指示灯亮。
指针式多圈电位器指示零点钟方向。
按下励磁调节装置的灭磁按钮灭磁灯亮。
3）合上原动机电源开关，听到柜内风机转动声正常、左侧机组频闪灯点亮、如不亮可拨动开关（开关拨动一个来回）。
选择调速器运行方式（请参照使用说明书）使机组达到额定转速（1500转）。
4）选择线路合上对应的开关，红灯合上、绿灯断开。
注意：
不要合上发电机出口开关
5）选择励磁方式（请参照使用说明书），合上励磁开关，松开灭磁按钮观察励磁电流、励磁电压、发电机电压表指示正常。
6）如需并网做试验请参照使用说明书中的微机准同期装置说明书。
7）注意：
并网后有功功率不要为负。
（2）停机步骤：
1）首先观察是否为并网运行。
并网运行时应首先按减速、减磁按纽使有功功率、无功功率为零，再断开发电机出口开关。
2）按下灭磁按钮，灭磁灯亮，励磁电流、励磁电压、发电机电压表无电流、电压指示，断开励磁开关。
3）按下开停机按钮，停机灯亮，机组慢慢停下。
用模拟方式时，逆时针转动电位器直到指针指示零点钟方向，机组慢慢停下。
4）微机调速装置“输出零”指示灯亮后再断开原动机开关，断开所有线路开关，所有开关绿色灯亮后再断开电源。
（3）注意事项：
1）发电机并网运行后不能断开“原动机开关”或“励磁开关”以免造成发电机大量进相而损坏设备。
2）发电机并网后不能按“停机”按钮或“灭磁”按钮。
3）如果用“手动”并网方式并网，并网后应退出“手动”方式
4）做实验时应时应注意以下表计：
A．原动机电压表小于220V
B．原动机电流表小于14A
C．发电机电压表小于400V
D．发电机励磁电流表小于2A
E．发电机励磁电压表小于40V
F．有功功率表不能为负
5）各装置上的测试孔都有独立的参考地。
使用示波器（一般示波器两个测试笔共地，使用时应特别注意）时不能相互联系。
特别是励磁装置上的竖排测试孔与横排测试孔不能相联。
6）励磁装置如果人为造成参数混乱可以关机掉电，十秒钟后重新合上电源此时参数会恢复默认值。
附录二PS—4G型电力系统微机监控试验台
PS—4G型电力系统微机监控试验台是将四台WDT-Ш型电力系统综合自动化试验台的发电机组及其控制设备作为各个电源单元组成一个可变环形网络，如图所示：
图1多机系统网络结构图
此电力系统主网按500KV电压等级来模拟，MD母线为220KV电压等级，每台发电机按600MW机组来模拟，无穷大电源短路客量为6000MVA。
A站、B站相联通过双回400KM长距离线路将功率送入无穷大系统，也可将母联断开分别输送功率。
在距离100KM的中间站的母线MF经联络变压器与220KV母线MD相联,D站在轻负荷时向系统输送功率,而当重负荷时则从系统吸收功率（当两组大小不同的A，B负荷同时投入时）从而改变潮流方向。
C站，一方面经70KM短距离线路与B站相联，另一方面与E站并联经200KM中距离线路与无穷大母线MG相联，本站还有地方负荷。
此电力网是具有多个节点的环形电力网，通过投切线路，能灵活的改变接线方式，如切除XLC线路，电力网则变成了一个辐射形网络，如切除XLF线路，则C站、E站要经过长距离线路向系统输送功率，如XLC、XLF线路都断开，则电力网变成了T型网络等等。
在不改变网络主结构前提下，通过分别改变发电机有功、无功来改变潮流的分布，可以通过投、切负荷改变电力网潮流的分布，也可以将双回路线改为单回路线输送来改变电力网潮流的分布，还可以调整无穷大母线电压来改变电力网潮流的分布。
在不同的网络结构前提下，针对XLB线路的三相故障，可进行故障计算分析实验，此时当线路故障时其两端的线路开关QFC、QFF跳开（开关跳闸时间可整定）。
一、电气设备的设计参数
1、同步发电机参数
序号
性能数据
设计值
1
三相交流同步发电机容量（KVA）
2.5
2
定子额定电压（V）
400
3
定子额定电流（A）
3.61
4
功率因数（COSФ）
0.8
5
发电机转速（r/min）
1500
6
定子线圈电阻（欧/相）
3.224
7
磁极线圈电阻（欧姆）
22.37
8
定子线圈铜耗（瓦特）
135
9
磁极线圈铜耗（瓦特）
110
10
定子铁耗（瓦特）
92
11
转子铁耗（瓦特）
13.5
12
机械损耗（瓦特）
74.5
13
附加损耗（瓦特）
15
14
总损耗（瓦特）
440
15
效率（％）
78
16
满载励磁电流（A）
2.5
17
满载励磁电压（V）
70
18
定子漏抗（标幺值）
0.0477
19
直轴同步电抗（标幺值）
1.5
20
横轴同步电抗（标幺值）
0.7057
21
直轴瞬时电抗（标幺值）
0.146
22
横轴瞬时电抗（标幺值）
0.7057
23
直轴次瞬时电抗（标幺值）
0.146
24
横轴次瞬时电抗（标幺值）
0.7
2、输电线路参数
（
、
、
）
XLC=
（
、
、
）
XLD=XLE=
（
、
、
）
XLF=
（
、
、
）
3、联络变压器
变压器容量
=2.5KVA
接线组别
/
短路阻抗
=13%
变比为380V、
V、
V
4、模拟负荷
LDA=（125+j95）
LDB=160、（160+j105）、j105
LDC=（120+j125）
其中，LDB的参数可以三刀三掷刀闸倒换。
二、测量系统的配置
微机监控台对电力网络的6条输电线路，1台变压器，两组负荷全部采用了微机型的PDM-820型三相多功能数字式电量表，此种电表能够较为准确的反映监控试验台的基本电量参数，也可以作为电力监控的一部分，实现电量的采集和越界报警等功能，可以显示支路的所有电气量。
在XLA线路上，当功率从MA母线轮流向MF时，电量表PZA显示正，反之显示负。
从测量系统中所标同名端可见各台发电机向系统输送电能时，线路上电量表显示为正。
在负荷测量中，电量表显示的母线上的负荷，此种电表的显示始终为正。
而再联络变压器测量中，电量表PZT显示的时流经变压器的电量，当功率从MD母线流向MF母线则电量表为正，反之显示的功率为负。
当输电线路电流大于5A则该线路测量用的多功能电量表下方黄色过流指示灯亮，当该线路电流低于5A后，则过流指示灯灭。
三、PS—4G型电力系统微机监控实验台操作注意事项
1开机事项
在开机之前，先得投入“操作电源”，可以看到整个面板上按钮的灯是绿色的，同时九块多功能表记都上好了电（如果没有显示的情况，可以对应的按住该表记的SET键5秒钟），而且这时台体左侧的抽风风扇启动。
开机之后，在机组依次并网之前，先查看监控台上的线路。
如果是用无穷大系统和发电机组间的并网可以打开“动力电源”开关，此时台体右侧的排风扇启动，手动按下打开无穷大系统的红色按钮，同时接通到与之并网的发电机组的母线上，等待同期并网。
如果是机组间带负荷的并网，先要打开一条线路，现地给一台机组发出同期命令让其并网，然后投上一定的负荷，如LDa负荷，LDb负荷或者LDc负荷中一个，接着可以连通到与另一台发电机组的母线上，等待另外的机组用同期命令并网，这时再投上一定的负荷，但是禁止任何无穷大系统并入装置。
严格禁止监控台的无穷大系统和WDT---III的无穷大系统同时投入！
！
2实验操作事项
当发生XLb线路三相短路时，按下“短路操作”按钮，但是短路时间不能过长，而且禁止反复多次做！
（并且在台体后测的时间继电器的整定值严格要求不能任意更改！
！
！
）
在实验的过程当中，如果监控台的任一线路过流对应过流灯亮的这时需要迅速减少相应电路的负荷（当微机监控系统打开时，其过流的指示灯才会显亮，否则即使线路真正过流了也不会显亮）
当主控台没有开机，或者通信错误时，所有开关将变为不可点击状态。
只有主界面发电机进入运行状态，即颜色变为红，才可以点击发电机下方的按钮进入该发电机的监控。
发电机没有运行时，即颜色为绿色时，下方按钮被设置为不可点击状态，此时不能对发电机进行监控。
进行发电机增减速或励磁增减磁控制时，只能对按钮进行若干次点击，直到达到所需状态为止，
附录三WL-04B微机励磁调节器显示量的说明
WL-04B微机励磁调节器的显示量共有19个：
1．发电机机端电压给定值UG
2．发电机机端电压基准值UB
3．发电机机端电压励磁专用电压互感器测量值U1
4．发电机机端电压仪表用电压互感器测量值U2
5．发电机端电压
6．发电机并列母线电压US
7．发电机励磁电流给定值ILG
8．发电机励磁电流IL
9．发电机励磁电压UL
10．发电机频率F
11．发电机输出有功功率P
12．发电机无功功率给定值QG
13．发电机输出无功功率Q
14．发电机低励限制
15．全控桥控制角
16．发电机A相电流IA
17．发电机B相电流IB
18．发电机C相电流IC
19．发电机出口对无穷大系统功率角
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