单机无穷大系统稳态运行实验.docx
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单机无穷大系统稳态运行实验
单机—无穷大系统稳态运行实验
一、实验目的
1、了解和掌握对称稳定情况下，输电系统的各种运行状态与运行参数的数值变化X围；
2、了解和掌握输电系统稳态不对称运行的条件；不对称度运行参数的影响；不对称运行对发电机的影响等。
二、实验器材
本次实验的平台为型电力系统综合自动化教学试验台。
综合自动化实验教学系统由发电机组、实验操作台、无穷大系统等3局部组成。
实验操作台是由输电线路单元、微机线路保护单元、功率调节与同期单元、仪表测量与短路故障模拟单元等组成。
面板上有四局部装置，分别为“YHB-A型微机保护装置〞“TGS-03B微机调速装置〞“HGWT-03微机准同期控制器〞“WL-04B微机励磁调节器〞。
实验台面板上方共十三块指针式电表，分别指示“原动机电压〞，原动机电流“发电机电压〞“发电机频率〞“开关电站电压〞“A相电流〞“B相电流〞“C相电流〞“有功功率〞“无功功率〞“系统电压〞“励磁电流〞“励磁电压〞。
三、实验原理
本实验系统是一种物理模型。
原动机采用直流电动机来模拟，当然，它们的特性与大型原动机是不相似的。
原动机输出功率的大小，可通过给定直流电动机的电枢电压来调节。
实验系统用标准小型三一样步发电机来模拟电力系统的同步发电机，虽然其参数不能与大型发电机相似，但也可以看成是一种具有特殊参数的电力系统的发电机。
发电机的励磁系统可以用外加直流电源通过手动来调节，也可以切换到台上的微机励磁调节器来实现自动调节。
实验台的输电线路是用用多个结成链型的电抗线圈来模拟，其电抗只满足相似条件。
“无穷大〞母线就直接用实验室的交流电源，因为它是由市级电力系统供电的，因此，它根本上符合“无穷大〞母线的条件。
实验面板接线图如下
图一次系统接线图
电力系统稳态对称和不对称运行分析，除了包含许多理论概念之外，还有一些重要的“数值概念〞。
为一条不同电压等级的输电线路，在典型运行方式下，用相对值表示的电压损耗，电压降落等的数值X围，是用于判断运行报表或监视控制系统测量值是否正确的参数依据。
为了进展测量，试验台设置了测量系统，以测量各种电量〔电流、电压、功率、频率〕。
为了测量发电机转子与系统的相对位置角〔功率角〕，在发电机轴上装设了闪光测角装置。
此外，台上还设置了模拟短路故障的控制设备。
四、实验项目
（一）、实验准备工作
1、实现发电机与电网同步。
在开启前先对实验台进展检察，是否有开关被卡住，调速装置模拟调节旋钮与励磁调节旋钮是否在最小处；确认无误后开启试验台电源开关，再进展一次热检察；按系统开关—线路末端断路器—开关站断路器—线路首段断路器顺序闭合双回路全部开关，给各段充电；调节原动机输出〔模拟调节旋钮〕，使发电机达到额定转速；调节励磁旋钮使表“发电机电压〞与表“开关电站电压〞读数一样，实现线路首段电压与发电机机端电压一样；将“同期方式〞旋钮调至到“手动〞档，观察同期表，调节原动机输出，使频率与电压差值为零。
当指针旋转到接近正上方时，合上发电机开关，即可实现电网与发电机同步。
2、观察“有功功率〞表，调节励磁电流达到额定励磁电流,逐渐增大原动机输出，在达到发电机额定输出功率之前电网即发生震荡，各表不稳定，此时应立即调节“模拟调节〞旋钮，减小原动机输出。
记录下刚好不发生震荡时的静态稳定有功功率。
（二）、双回路稳态对称运行实验
1、通过调速器按钮减小原动机功率，只合上EAL-02上的状态开关QF1、QF3、QF5、QFS，其他开关断开，使系统运行在双回路状态下；
2、通过原动机调速器改变发电机功率，使输电系统处于不同的运行状态〔输送功率的大小，线路首、末端电压的差异等〕，在EAL-02中右下角点击PV4中〔A、B、C相〕观察并记录线路首端电压值，点击PV1中〔A、B、C相〕观察记录线路末端电压值、点击PV3中〔A、B、C相〕观察记录线路开关站的电压值；
3、实验完毕后应先调节模拟旋钮，使无功功率表降为零；再调节励磁旋钮，使有功功率降为零，关闭各点开关使其余各表归零；最后关闭试验台总电源。
〔三〕、实验须知事项
1、当EAL-01、EAL-04或EAL-05过流指示灯亮时，不能进展其他操作，要进展相应的复位后，重新做实验。
2、由于各旋钮属精细仪器，在调节时动作幅度不应过大，应遵循“慢调轻调〞的原如此。
3、在实现发电机与电网同步时，观察同期表与闭合发电机开关动作应由一人完成，且一定要反响灵敏，动作迅速，这样可以使两者同步更为准确。
五、数据处理与分析
由下表格的实验数据，将实验的结果进展比拟和分析，可以得到以下结论：
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，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。
双回路供电对电力系统稳定性有一定的影响。
实验数据如下：
双回路
P〔kW〕
Q〔kvar〕
I〔A〕
Uf〔V〕
Uz〔V〕
Uɑ〔V〕
1.78
0.4
2
40
360
240
六、思考题
1、影响简单系统静态稳定性的因素是哪些？
答：
电力系统静态稳定是指电力系统受到小干扰后，不发生非周期性的失步，自动恢复到起始运行状态的能力。
电力系统的静态稳定性是电力系统正常运行时的稳定性,电力系统静态稳定性的根本性质说明,静态储藏越大如此静态稳定性越高。
由整步功率系数SEq=EV/X，所以影响电力系统静态稳定的因素主要是：
系统元件电抗，系统电压大小，发电机电势以与扰动的大小。
2、提高电力系统静态稳定有哪些措施？
答:
电力系统具有静态稳定性是系统正常运行的必要条件。
要提高系统的静态稳定性，主要是提高输送公驴的极限。
从简单电力系统的功率极限表达式PM=EV/X来看，可以从提高发电机的电势E、提高系统电压V和减小系统援建点抗这三方面入手。
具体措施如下:
（1）、减少系统各元件的电抗，具体方法可有以下几种：
a.采用串联电容补偿；b.采用分裂导线；c.提高输电线路的电压等级；
（2）、提高系统电压水平;
（3）、改善电力系统的结构;
（4）、采用串联电容器补偿;
（5）、采用自动调节装置;
（6）、采用直流输电。
在电力系统正常运行中,维持和控制母线电压是调度部门保证电力系统稳定运行的主要和日常工作。
维持、控制变电站、发电厂高压母线电压恒定,特别是枢纽厂（站）高压母线电压恒定,相当于输电系统等值分割为假如干段,这样每段电气距离将远小于整个输电系统的电气距离,从而保证和提高了电力系统的稳定性。
3、何为电压损耗、电压降落？
答：
电压损耗是指网络元件首末端电压的数值差；电压降落是指网络元件首末端两点电压的向量差。
4、“两表法〞测量三相功率的原理是？
它有前提条件？
答：
两表法是表1的电流接A相，电压接Uab；表2的电流接C相，电压接Ucb。
两表法测量：
P=P1+P2=UabIaCOS（a+30）+UcdIcCOS（30-c）=3UICOSΦ，U为相电压。
在负荷平衡的三相供电系统中，可以采用这种方式。
在A、C两相设电流互感器，并将这两个相的电流的差值作为B相电流，这样，三相电流就全了。
三相三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,所以一般电能计量过程中,三相三线系统采用两表法,三相四线系统采用三表法.
电力系统暂态稳定实验
一、实验目的
1、通过实验加深对电力系统暂态稳定内容的理解，使课堂理论教学与实践结合，提高学生的感性认识。
2、学生通过实际操作，从实验中观察到系统失步现象和掌握正确处理的措施
3、用数字式记忆示波器测出短路时短路电流的非周期分量波形图，并进展分析。
二、实验器材
同“单机—无穷大系统稳态运行实验〞的实验器材。
三、实验原理
电力系统暂态稳定问题是指电力系统受到较大的扰动之后，各发电机能否继续保持同步运行的问题。
在各种扰动中以短路故障的扰动最为严重。
正常运行时发电机功率特性为：
P1＝〔Eo×Uo〕×sinδ1/X1；
短路运行时发电机功率特性为：
P2＝〔Eo×Uo〕×sinδ2/X2；
故障切除发电机功率特性为：
P3＝〔Eo×Uo〕×sinδ3/X3；
对这三个公式进展比拟，我们可以知道决定功率特性发生变化与阻抗和功角特性有关。
而系统保持稳定条件是切除故障角δc小于δmax，δmax可由等面积原如此计算出来。
本实验就是基于此原理，由于不同短路状态下，系统阻抗X2不同，同时切除故障线路不同也使X3不同，δmax也不同，使对故障切除的时间要求也不同。
同时，在故障发生时与故障切除通过强励磁增加发电机的电势，使发电机功率特性中Eo增加，使δmax增加，相应故障切除的时间也可延长；由于电力系统发生瞬间单相接地故障较多，发生瞬间单相故障时采用自动重合闸，使系统进入正常工作状态。
这二种方法都有利于提高系统的稳定性。
四、实验项目
〔一〕、短路类型对暂态稳定的影响
本实验台通过对操作台上的短路选择按钮的组合可进展单相接地短路，两相相间短路，两相接地短路和三相短路试验。
固定短路地点，短路切除时间和系统运行条件，在发电机经双回线与“无穷大〞电网联网运行时，某一回线发生某种类型短路，经一定时间切除故障成单回线运行。
短路的切除时间在微机保护装置中设定，同时要设定重合闸是否投切。
在手动励磁方式下通过调速器的增〔减〕速按钮调节发电机向电网的出力，测定不同短路运行时能保持系统稳定时发电机所能输出的最大功率，并进展比拟，分析不同故障类型对暂态稳定的影响。
将实验结果与理论分析结果进展分析比拟。
Pmax为系统可以稳定输出的极限，注意观察有功表的读数，当系统出于振荡临界状态时，记录有功表读数，最大电流读数可以从YHB－Ⅲ型微机保护装置读出，具体显示为：
GL-⨯⨯⨯三相过流值
GA-⨯⨯⨯A相过流值
GB-⨯⨯⨯B相过流值
GC-⨯⨯⨯C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，具体整定参数为表5-1。
表5-1
整定值代码
01
02
03
04
05
TD
整定值
0.5（s）
/
5.00（A）
On
Off
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“－〞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01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“－〞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“－〞选择重合闸投切为OFF。
〔详细操作方法WDT－Ⅲ综合自动化试验台使用说明书。
〕
〔二〕、实验数据
表5-2短路切除时间t=0.5s短路类型：
单相接地短路
QF1
QF2
QF3
QF4
QF5
QF6
Pmax（kW）
最大短路电流〔A〕
1
1
1
1
0
1
1.7
4.75
（0：
表示对应线路开关断开状态1：
表示对应线路开关闭合状态）
表5-3短路切除时间t=0.5s短路类型：
两相相间短路
QF1
QF2
QF3
QF4
QF5
QF6
Pmax（kW）
最大短路电流〔A〕
1
1
1
1
0
1
0
11
表5-4短路切除时间t=0.5s短路类型：
两相接地短路
QF1
QF2
QF3
QF4
QF5
QF6
Pmax（kW）
最大短路电流〔A〕
1
1
1
1
0
1
0
11.5
表5-4短路切除时间t=0.5s短路类型：
三相短路
QF1
QF2
QF3
QF4
QF5
QF6
Pmax（kW）
最大短路电流〔A〕
1
1
1
1
0
1
0
15.75
〔三〕、实验须知事项
1、发电机不要工作在欠励状态，防止吸收系统无功，否如此影响系统电压稳定；
2、实验前要对系统进展各项检查〔如：
表的状态，开关的通断情况等〕；
3、当将发电机接入系统时，一定要按安全步骤一步步小心操作；
4、当发电机与系统断开时会产生发电机飞车，要即时调原动机转速。
5、在做单相重合闸实验时，进展单相故障操作的时间应该在接触器合闸10秒之后进展，否如此，在故障发生时会跳三相，微机保护装置会显示“GL-⨯⨯⨯〞，且不会进展重合闸操作。
6、实验完毕后，通过励磁装置使无功至零，通过调速器使有功至零，解列之后按下调速器的停机按钮使发电机转速至零。
跳开操作台所有开关之后，方可关断操作台上的电源关断开关，并断开其他电源开关。
7、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。
五、数据处理与分析
整理不同短路类型下获得实验数据，通过比照，对不同短路类型进展定性分析，详细说明不同短路类型和短路点对系统的稳定性的影响：
1、电力系统的暂态稳定是指电力系统在某一运行状态下受大的扰动后能否继续保持同步运行。
如系统中任何两台发电机之间的功角差都不随时间一直增大，如此改系统暂态稳定；否如此，暂态不稳定。
2、通过不同短路类型数据的整理发现，在一样切除时间下，两相短路，两相接地短路的短路电流越来越大，对系统稳定性的影响也越来越严重。
通过实验我们还发现，在一样短路类型条件下，不同短路点对系统的稳定性不同，在实验设备上，在QF5处短路的短路电流较小，在QF1，QF2处短路时的短路电流较大，说明该两处短路时，对系统的稳定性影响较大。
3、根据不同短路类型下的极限功率测定结果，可知，单相接地短路对系统稳定性影响最小，两相相间短路次之，两相接地短路再次之。
在一样的短路类型下，由实验结果分析可知，短路点离发电机越远，短路对系统稳定性影响越小。
六、思考题
1、不同短路状态下对系统阻抗产生影响的机理是？
答：
发生短路时，根据正序等效定如此，在正常等值电路中的短路点接入附加点抗X0，就得到故障情况下的等值电路，此时，就可计算出发电机与系统间的转移电抗。
由于在不同短路故障时有不同的附加点抗，使得不同短路状况下的系统阻抗不同。
短路过后，由于每相电压和电流变得不对称，于是用对称分量发进展分析，对称分量发就是将不对称的电压和电流分解为正序，负序和零序对称电业和电流，而电路总的电抗等于正序，负序和零序电抗按照一定形式进展叠加。
单相短路时，总的阻抗等于正序，负序和零序电抗的串联叠加，因此总的阻抗比拟大。
两相短路时没有零序电抗，是正序电抗和负序电抗的串联叠加，因此电抗比单项短路时要小。
两线接地短路时，总的电抗等于负序电抗和零序电抗并联过后，再与正序电抗串联叠加，因此它的总的电抗比单相短路和两相接地短路的电抗都要小，因此在两相接地短路时的短路电流最大，系统就最不稳定。
2、提高电力系统暂态稳定的措施有哪些？
答：
从暂态稳定分析可知，电力系统受到打干扰后，发电机转轴上出现的不平衡转矩将使发电机产生剧烈的相对运动，假如加速面积小于减速面积系统可以稳定，加速面积大于减速面积系统不可以稳定。
因此要提高系统的暂态稳定性就要尽可能减小发电机转轴上的不平衡功率、减小转子相对加速度以与减小转子相对动能的变化，从而减小发电机转子相对运动的震荡幅度。
主要措施有以下几种：
〔1〕快速切出故障；〔2〕采用自动重合闸；
〔3〕发电机快速强行励磁；（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、对失步处理的方法的理论依据是？
答：
理论依据是通过改变发电机的极端电压或者是系统阻抗，进而改变功角，以改变发电机的转速;或者直接调整原动机的输入功率，改变发电机的转速，以调整输出功率的频率。
4、自动重合闸装置对系统暂态稳定的影响是？
答：
自动重合闸装置是将因故跳开后的开关按需要自动重新投入的一种自动装置。
电力系统运行经验明确,架空线路绝大多数的故障都是瞬时性的,永久性故障一般不到10%。
因此,在由继电保护动作切除短路故障之后,电弧将自动熄灭,绝大多数情况下短路处的绝缘可以自动恢复。
重合闸成功
重合闸不成功
因此,，电力系统采用自动重合闸装置，极大地提高了供电的可靠性，减少了停电损失，而且还提高了电力系统的暂态稳定水平，增强了线路的送电容量,也可弥补或减少由于开关或继电保护装置不正确动作跳闸造成的损失。
所以,架空线路一般需要采用自动重合闸装置。
七、实验中遇到的问题与解决方法
1、现象：
当调节原动机输入功率过大时，实验平台出现低频振荡，测量仪表指针大幅度摇摆不定。
解释：
由于原动机输入功率增大，当其接近发电机的极限输出有功功率时，未受扰动系统静态不稳定。
方法：
为使实验仪器仪表免受损坏，应立刻调节原动机调速器，减小原动机输入功率。
2、现象：
实验完毕后假如先调节原动机调速旋钮，使有功功率降为零；再调节励磁旋钮，使无功功率表降为零；此时有功又会略有增加，需再次调节调节原动机输出，令有功为零。
解释：
由于发电机在发电机运行状态时不可能只送出无功功率，因此当调节原动机调速旋钮使有功功率表显示为零时实际是存在有功功率输出的。
方法：
改变有功功率与无功功率的先后调节顺序，即先通过励磁装置使无功功率为零，再通过调速器使有功功率为零。
综合评估
这次实验采用的是直流电动机带动同步电机的转子转动来发电的，同步发电机的励磁是外加的直流电流。
本次实验最关键的就是同步电机的并网问题，开始先让直流电机转起来，带动同步电机，调节同步机的转速使其频率与电网的频率非常接近，调节励磁使两者的电压相等，然后观察同期系统，当指针指可以并网的位置时并网，最后并网成功。
这个过程看似轻松，但如果在真正的发电厂的并网中时很关键的，一个失误的操作就可能引发很大的事故。
因为并网的失败会导致很大的冲击电流使电网崩溃。
虽然实验过程中遇到了许多问题，但在教师的悉心指导下，我们认真讨论和分析问题，然后找到了解决方案。
本次实验我们是严格按照规定的操作流程进展实验，所以得到的实验结果具备一定的可信度。
心得体会
电力系统理论分析的实验是模拟电力系统的实验，可以让我们大概了解电力系统的根本运作，让我们受益匪浅。
在试验中，由于实验设备少，但是在教师悉心指导下，每位同学团结分工合作，并严格按照规定的操作流程进展实验，最后顺利完成实验任务。
通过本次的电力系统分析实验，我们对课本的理论知识有了更深入的理解，同时，我们的动手能力有了很大的提高。
我们了解了单机无穷大系统的一些情况与电力系统中的暂态稳定问题，并知道了提高电力系统稳定性的一些措施，体会到了电压降落与电压损耗的区别与类同，并了解了两表法测量功率的根本原理与方法，收获颇大。
我们明白了团队合作的重要性，一个人的力量是有限的，团队的力量是无穷的。
在实验过程中，我们小组成员分工明确，通过默契的配合顺利完成了实验任务；在遇到问题时，我们通过小组讨论分析来解决问题，充分发挥了个人的主观能动性和集体的作用；我们还选定了细心的同学对整个实验过程进展监视，以保障操作的可靠性与安全性。
可以说，通过本次试验，我们每个人都有自己的收获和体会。
在这个过程中，我不断学习，不断思考，不断进步。
最重要的是我明白了理论必须联系实际，我们只有在实践的过程中才能发现理论在实际应用过程中是存在很多问题的。
这就要求我们去思考产生问题的原因，从而运用所学的知识去解决问题，这才算真正的学到了知识。
总之，本次电力系统分析模拟实验为我们以后解决实际问题提供了平台，我从中学到了很多实际操作知识，对于我以后走向工作岗位会有很大的帮助。
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