電氣工程及其自動化專業(yè)電力系統(tǒng)分析實驗指導書

電氣工程及其自動化專業(yè)

電力系統(tǒng)分析實驗指導書

電力系統(tǒng)及其自動化教研室

南京理工大學

目錄

第一章電力系統(tǒng)靜穩(wěn)態(tài)實驗....................................錯誤!未定義書簽。

一、實驗目的.............................................錯誤!未定義書簽。

二、原理與說明..........................................錯誤!未定義書簽。

三、實驗目的和方法......................................錯誤!未定義書簽。

（-）無調節(jié)勵磁時，功率特性和功率極限的測定.......錯誤!未定義書簽。

（二）手動調節(jié)勵磁時，功率特性和功率極限的測定.....錯誤!未定義書簽。

（三）自動調節(jié)勵磁時，功率特性和功率極限的測定.....錯誤!未定義書簽。

四、實驗報告要求........................................錯誤!未定義書簽。

五、思考題...............................................錯誤!未定義書簽。

第二章電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定實驗..................................錯誤!未定義書簽。

一、實驗目的.............................................錯誤!未定義書簽。

二、原理與說明..........................................錯誤!未定義書簽。

三、實驗項目和方法......................................錯誤!未定義書簽。

（一）短路對電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的影響...................錯誤!未定義書簽。

（二）研究提高暫態(tài)穩(wěn)定的措施.........................錯誤!未定義書簽。

（二）異步運行和再同步的研究.........................錯誤:未定義書簽。

四、實驗報告要求........................................錯誤!未定義書簽。

五、思考題...............................................錯誤!未定義書簽。

第三章單機無窮大系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行方式實驗........................錯誤!未定義書簽。

一、實驗目的.............................................錯誤!未定義書簽。

二、原理與說明..........................................錯誤!未定義書簽。

三、實驗項目和方法......................................錯誤!未定義書簽。

四、實驗報告要求........................................錯誤!未定義書簽。

五、思考題...............................................錯誤!未定義書簽。

第一章電力系統(tǒng)靜穩(wěn)態(tài)實驗

一、實驗目的

1.初步掌握電力系統(tǒng)物理模擬實驗的基本方法；

2.加深理解功率極限的概念，在實驗中體會各種提高功率極限措施的作用；

3.通過對實驗中各種現(xiàn)象的觀察，結合所學的理論知識，培養(yǎng)理論結合實際及分析問

題的能力。

二、原理與說明

所謂簡單電力系統(tǒng)，一般是指發(fā)電機通過變壓器、輸電線路與無限大容量母線聯(lián)接而且

不計各元件的電阻和導納的輸電系統(tǒng)。

對于簡單系統(tǒng)，如發(fā)電機至系統(tǒng)d軸和q軸總電抗分別為X戊和X",則發(fā)電機的功

率特性為：

EVX「Xq

qsind+——x-------sin2d

qx應2XQX心

當發(fā)電機裝有勵磁調節(jié)器時.，發(fā)電機電勢居隨運行情況而變化。根據一般勵磁調節(jié)器

的性能，可認為保持發(fā)電機電勢￡/（或恒定。這時發(fā)電機的功率特性可表示成：

PEq=—^sinb+——x——：------sm2d或PE=---sind

X企2X血.乂/X也

.EU

這時功率極限為2加二一

X立

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展和擴大，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題更加突出，而提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性

和輸送能力的最重要手段之一是盡可能提高電力系統(tǒng)的功率極限，從簡單電力系統(tǒng)功率極限

的表達式看，提高功率極限可以通過發(fā)電機裝設性能良好的勵磁調節(jié)器以提高發(fā)電機電勢、

增加并聯(lián)運行線路I可路數(shù)或串聯(lián)電容補償?shù)仁侄我詼p少系統(tǒng)電抗、受端系統(tǒng)維持較高的運行

電壓水平或輸電線采用中繼同步調相機或中繼電力系統(tǒng)以穩(wěn)定系統(tǒng)中繼點電壓等手段實現(xiàn)。

三、實驗目的和方法

（一）無調節(jié)勵磁時，功率特性和功率極限的測定

1.網絡結構變化對系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定的影響（改變工）

在相同的運行條件下（即系統(tǒng)電壓U。、發(fā)電機電勢憶保持不變，即并網前匕=E“）

測定輸電線單回線和雙回線運行時，發(fā)電機的功一角特性曲線，功率極限值和達到功率極限

時的功角值。同時觀察并汜錄系統(tǒng)中其他運行參數(shù)（如發(fā)電機端電壓等）的變化。將兩種情

（5）輸電線為單回線，并網前紇＞匕，重復上述步驟，填入表4-4中。

表4一3單回線并網前紇CJ＜匕人

80°10°20°30°40°50°60°7()°80°90°

P0

1A0

Uz

UE

Ifd

Q0

表4-4單回線并網前紇〉匕

80°10°20°30°40°50°60°70°80°90°

P0

IA0

Uz

UF

Ifd

Q0

（二）手動調節(jié)勵磁時，功率特性和功率極限的測定

給定初始運行方式，在增加發(fā)電機有功輸出時，手動調節(jié)勵磁保持發(fā)電機端電壓恒定,

測定發(fā)電機的功一角曲線和功率極限，并與無調節(jié)勵磁時所得的結果比較分析，說明成磁調

節(jié)對功率特性的影響。

實驗步驟：

（1）單回線輸電線路；

（2）發(fā)電機與系統(tǒng)并列后，使P=0,Q=0,8=0,校正初始值；

（3）逐步增加發(fā)電機輸出的有功功率，調節(jié)發(fā)電機勵磁，保持發(fā)電端電壓恒定或無功

輸出為零；

（4）觀察并記錄系統(tǒng)中運行參數(shù)的變化，填入表4—5中。

表4-5單回線手動調節(jié)勵磁

60°10°20°30°40°50°60°70°80°90°

P0

IA0

Uz

UF

Ifd

Q0

表4一6雙回線手動調節(jié)勵磁

60°10°20°30°40°50°60°70°80°90°

P0

IA0

Uz

UF

Ifd

Q0

（三）自動調節(jié)勵磁時，功率特性和功率極限的測定

將自動調節(jié)勵磁裝置接入發(fā)電機勵磁系統(tǒng)，測定功率特性和功率極限，并將結果與無調

節(jié)勵磁和手動調節(jié)勵磁時的結果比較，分析自動勵磁調節(jié)器的作用。

1.微機自并勵（恒流或恒壓控制方式），實驗步驟自擬；

表4一7單回線微機自并勵方式

80°10°20°30°40°50°60°70°80°90°

P0

IA0

Uz

UF

Ifd

Q0

表4一8雙回線微機自并勵方式

80°10°20°30°40°50°60°70°80°90°

P0

IA0

Uz

UF

Ifd

Q0

2.微機它勵（恒流或恒壓控制方式），實驗步驟自擬。

表4—9單回線微機它勵方式

80°10°20。30°40°50°60°70°80°90°

P0

IA0

Uz

5

Ifd

Q0

表4—10雙回線微機它勵方式

80°10°20。30°40050°60°7()°80°90°

P0

IA0

Uz

UE

Ifd

Q0

注意事項：

1.調速器處停機狀杰時，如果"輸出零''燈不亮，不可開機；

2.實驗結束后，通過勵磁調節(jié)無功輸出為零，通過調速器調節(jié)使有功輸出為零，解列

之后按下調速器的停機按鈕使發(fā)電機轉速至零。跳開操作臺所有開關之后，方可關斷操作

臺上的操作電源開關。

四、實驗報告要求

1.根據實驗裝置給出的參數(shù)以及實驗中的原始運行條件，進行理論計算。將計算結果

與實驗結果進行比較。

2.認真整理實驗記錄，通過實驗記錄分析的結果充?功率極限的原理進行闡述。同時對

理論計算和實驗記錄進行對比，說明產生誤差的原因。并作出Uz@)，P⑹,Q(5)特性

曲線，對其進行描述。

3.分析、比較各種運行方式下發(fā)電機的功一角特性曲線和功率極限。

五、思考題

1.功率角指示器的原理是什么？如何調節(jié)其零點？當口光燈供電的相發(fā)生改變時，所

得的功角值發(fā)生什么變化？

2.多機系統(tǒng)的輸送功率與功角8的關系和簡單系統(tǒng)的功一角特性有什么區(qū)別？

3.自并勵和它勵的區(qū)別和各自特性是什么？

4.自動勵磁調節(jié)器對于系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性有何影響？

5.實驗中，當發(fā)電機瀕臨失步時應采取哪些挽救措施才能避免電機失步？

第二章電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定實驗

一、實驗目的

1.通過實驗加深對電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的內容的理解，使課堂理論教學與實踐結合，提

高學生的感性認識。

2.學生通過實際操作，從實驗中觀察到系統(tǒng)失步現(xiàn)象和掌握正確處理的措施。

3.用數(shù)字式記憶示波器測出短路時短路電流的非周期分量波形圖，并進行分析。

二、原理與說明

電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定問題是指電力系統(tǒng)受到較大的擾動之后，各發(fā)電機能否繼續(xù)保持同步

運行的問題。在各種擾動中以短路故障的擾動最為嚴重。

正常運行時發(fā)電機功率特性為：Pl=(EOXUO)Xsin61/XI

短路運行時發(fā)電機功率特性為：P2=(EOXUO)Xsin62/X2

故障切除后發(fā)電機功率特性為：P3=(EOXUO)Xsin63/X3

對這三個公式進行比較，我們可以知道決定功率特性發(fā)生變化與阻抗和功角特性有美。

而系統(tǒng)保持穩(wěn)定條件是切除故障角8c小于Smax,5max可由等面積原則計算出來。本實驗

就是基于此原理，由于不同短路狀態(tài)下，系統(tǒng)阻抗X2不同，同時切除故障線路不同也使

X3不同，3max也不同，變對故障切除的時間要求也不同。

同時，在故障發(fā)生時及故障切除通過強勵磁增加發(fā)電機的電勢，使發(fā)電機功率特性中

EO增加，使6max增加，相應故障切除的時間也可延長；由于電力系統(tǒng)發(fā)生瞬間單相接地

故障較多，發(fā)生瞬間故障時采用自動重合閘，使系統(tǒng)進入正常工作狀態(tài)。這兩種方法都有利

于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

三、實驗項目和方法

(一)短路對電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的影響

1.短路類型對暫態(tài)穩(wěn)定的影響

本實驗臺通過對■操作臺上的短路選擇按鈕的組合可進行單相接地短路，兩相相間短路，

兩相接地短路和三相短路實驗。

固定短路地點，短路切除時間和系統(tǒng)運行條件，在發(fā)電機經雙回線與“無窮大”電網聯(lián)

網運行時:某一【可線發(fā)生某種類型短路，經一定時間切除故障成單【可線運行。短路的切除時

間在微機保護裝置中設定，同時要設定重合閘是否投切。

在手動勵磁方式下通過調速器的增(減)速按鈕調節(jié)發(fā)電機向電網的出力，測定在不同

短路情況下能保持系統(tǒng)穩(wěn)定運行時發(fā)電機所能輸出的最大功率，并加以比較，分析不同故障

類型對暫態(tài)穩(wěn)定的影響。將實驗結果與理論分析結果進行分析比較。Pmax為系統(tǒng)可以穩(wěn)定

輸出的極限，注意觀察有功表的讀數(shù)，當系統(tǒng)處于振蕩臨界狀態(tài)時，記錄有功表讀數(shù)，最大

短路電流讀數(shù)從YHB一川型微機保護裝置讀出，具體顯示為：

GL-XXX三相過流值

GA-XXXA相過流值

GB-XXXB相過流值

GC-XXXC相過流值

微機保護裝置的整定值代碼如下：

01：過流保護動作延遲時間

02：重合閘動作延遲時間

03：過電流整定值

04：過流保護投切選擇

05：重合閘投切選擇

另外，短路時間TD由面板上的“短路時間”繼電器整定，具體整定參數(shù)為表5—1。

（注意：短路時間TD必須大于過電流保護動作延遲時間）

表5—1

整定值代碼0102030405TD

整定值0.5(s)/5.00(A)OnOff1.0(s)

微機保護裝置的整定方法如下：按壓“畫面切換”按鈕，當數(shù)碼管顯示［PA-］時，按壓

觸摸按鈕“+”或“一”輸入密碼，待密碼輸入后，按下按鍵“△”，如果輸入密碼正確，

就會進入整定值修改畫面。進入整定值修改畫面后，通過“▽”選（）1整定項目，再按

壓觸摸按鈕“+”或“一”選擇過電流保護動作時間（SJ；通過“▽”選03整定項目，

再按壓觸摸按鈕“+”或“一”選擇過電流保護值；通過▽”選04整定項目，再按

壓觸摸按鈕“+”或“一”選擇過電流保護投切ON；通過“△”“▽”選05整定項目，再

按壓觸摸按鈕“十”或“一”選擇重合閘投切OFF。

在下列各表中（0：表示對應線路開關斷開狀態(tài)1：表示對應線路開關閉合狀態(tài)）

表5-2短路切除時間尸（）.5s短路類型：單相接地短路

QF1QF2QF3QF4QF5QF6Pmax(W)最大短路電流（A）

111101

010101

110111

011111

表5-3短路切除時間i=0.5s短路類型：兩相相間短路

QF1QF2QF3QF4QF5QF6Pmax(W)最大短路電流（A）

111101

010101

110111

011111

表5—4短路切除時間『0.5s短路類型：兩相接地短路

QF1QF2QF3QF4QF5QF6Pmax(W)最大短路電流（A）

111101

010101

110111

011111

表5-5短路切除時間i=0.5s短路類型：三相短路

QF1QF2QF3QF4QF5QF6Pmax(W)最大短路電流（A）

111101

010101

110111

011111

2.故障切除時間對暫態(tài)穩(wěn)定的影響

固定短路地點，短路類型和系統(tǒng)運行條件，通過調速器的增速按鈕增加發(fā)電機向電網的

出力，再測定不同故障切除時間能保持系統(tǒng)穩(wěn)定時發(fā)電機所能輸出的最大功率，分析故障切

除時間對暫態(tài)穩(wěn)定的影響，

一次接線方式：QF1=1QF2=1QF3=1QF4=1QF5=0QF6=1

表5—6短路類型：

TPmaxIdl

0.5

1.0

1.5

例：QF1=OQF2=1QF3=1QF4=1QF5=1QF6=1

QF1=1QF2=0QF3=0QF4=1QF5=1QF6=0

（二）研究提高暫態(tài)穩(wěn)定的措施

1.強行勵磁

在微機勵磁方式下短珞故障發(fā)生后，微機將自動投入強勵以提高發(fā)電機電勢。觀察它對

提高暫態(tài)穩(wěn)定的作用。

2.單相重合閘

在電力系統(tǒng)的故障中大多數(shù)是送電線路（特別是架空線路）的“瞬時性”故障，除此以

外也有“永久性故障”

在電力系統(tǒng)中采用重合閘的技術經濟效果，主要可歸納如下：

大大提高供電可靠性

提高電力系統(tǒng)并列運行的穩(wěn)定性：

對繼電保護誤動作而引起的誤跳閘，也能起到糾正的作用。

對瞬時性故障，微機俁護裝置切除故障線路后,經過一定時間的延時將自動重合原線路,

從而恢復全相供電，提高了故障切除后的功率特性曲線。

同樣通過對操作臺上的短路按鈕組合，選擇不同的故障相，進行單相接地短路，雙相接

地短路，三相接地短路和兩相相間短路實驗。通過調速器的增（減）速按鈕調節(jié)發(fā)電機向電網

的出力，觀察它對提高暫態(tài)穩(wěn)定的作用。

故障的切除時間在微機保護裝置中進行修改，同時要設定進行重合閘投切，并設定其重

合閘時間。其操作步驟同上，不同的是在05整定項目時，按壓觸摸按鈕“+”或“一”選

擇重合閘投切On,并且在選02整定項目時，按壓觸摸按鈕“+”或“一”設定重合閘動作

延時時間。瞬時故障時間由操作臺的面板上的短路時間繼電器設定。當瞬時故障時間小于保

護動作時間時保護不會動作；當瞬時故障時間大于保護動作時間而小于重合閘時間時，能保

證重合閘成功；當瞬時故障時間大于重合閘時間，重合閘后認為時永久性故障加速跳開該整

條線路。

表5—7

整定值代碼0102030405T

保護不動作0.21.55.00OnOn1.0

重合閘0.21.55.00OnOn1.0

永久故障0.21.55.00OnOn1.5

（三）異步運行和再同步的研究

1.在發(fā)電機穩(wěn)定異步運行時，觀察并分析功率，發(fā)電機的轉差，振蕩周期及各表的讀

數(shù)變化的特點。

2.在不切除發(fā)電機的情況下，研究調節(jié)原動機功率，調節(jié)發(fā)電機勵磁對振蕩周期，發(fā)

電機轉差的影響，并牽入再同步。

注意事項：

1.在做單相重合閘實驗時，進行單相故障操作的肘間應該在接觸器合閘10秒之后進

行，否則，在故障發(fā)生時會跳開三相，微機保護裝置會顯示“GL-XXX”，且不會進行重

合閘操作。

2.實驗結束后，通過勵磁調節(jié)裝置調無功至零，通過調速器調有功至零，解列后按下

調速器的停機按鈕使發(fā)電機轉速至零，跳開操作臺所有開關之后，方可關斷操作臺上的電

源關斷開關，并斷開其他電源開關。

3.對失步處理的方法如下：通過勵磁調節(jié)器增磁按鈕，使發(fā)電機的電壓增大；如系統(tǒng)

沒處于短路狀態(tài)，且線路有處于斷開狀態(tài)的，可并入該線路以減小系統(tǒng)阻抗；通過調速器

的減速按鈕減小原動機的輸入功率。

四、實驗報告要求

1.整理不同短路類型下獲得的實驗數(shù)據，通過對比，對不同短路類型進行定性分析，

詳細說明不同短路類型和短路點對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

2.通過實驗中觀察到的現(xiàn)象，說明三種提高暫態(tài)穩(wěn)定的措施對系統(tǒng)穩(wěn)定性作用機理。

五、思考題

1.不同短路狀態(tài)下對系統(tǒng)阻抗產生影響的機理是什么？

2.提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的措施有哪些？

3.對失步處理的方法（注意事項3中提到）的理論依據是什么？

4.自動重合閘裝置對系統(tǒng)音態(tài)穩(wěn)定的影響是什么？

第三章單機無窮大系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行方式實驗

一、實驗目的

1.了解和掌握對稱穩(wěn)定的情況下，輸電系統(tǒng)的各種運行狀態(tài)與運行參數(shù)的數(shù)值變化范

圍；

2.了解和掌握輸電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)不對稱運行的條件；不對稱度運行參數(shù)的影響；不對稱運

行對發(fā)電機的影響等。

二、原理與說明

電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)對稱與不對稱運行分析,除了包含許多理論概念以外，還有一些重要的“數(shù)

值概念”。為一條不同電壓等級的輸電線路，在典型運行方式下，用相對值表示的電壓損耗,

電壓降落等的數(shù)值范圍，是用于判斷運行報表或監(jiān)視控制系統(tǒng)測顯值是否正確的參數(shù)依據。

因此，除了通過結合實際的問題，讓同學們可以掌握此類“數(shù)值概念”外，實驗也是一條很

好的、更為直觀、易于形成深刻記憶的手段之一。實驗用一次系統(tǒng)接線圖如圖1所示。

-------9~~

笈電機開關⑥,ua大M8神開關無窮大利

圖1一次系統(tǒng)接線圖

本實驗系統(tǒng)是一種物理模型。原動機采用直流電動機來模擬，當然，它們的特性與大型

原動機是不相似的。原動機輸出功率的大小，可通過給定直流電動機的電樞電壓來調節(jié)。實

驗系統(tǒng)用標準小型同步發(fā)電機來模擬電力系統(tǒng)的同步發(fā)電機，雖然參數(shù)不能與大型發(fā)電機相

似，但也可以看成是一種具有特殊參數(shù)的電力系統(tǒng)的發(fā)電機。發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)可以用外加

直流電源通過手動來調節(jié)，也可以切換到臺上的微機勵磁調節(jié)器來實現(xiàn)自動調節(jié)。實驗臺的

輸電線路是由多個接成鏈形的電抗線圈來模擬，其電抗值滿足相似條件。“無窮大”母線就

直接用實驗室的交流電源，因為它是由實際電力系統(tǒng)供電的，因此基本符合“無窮大”母線

條件。

為了進行測量，實驗臺設置了測量系統(tǒng)，以測量各種電量（電流、電壓、功率、撅率）。

為了測量發(fā)電機轉子與系統(tǒng)的相對?位置角（功率角），在發(fā)電機軸上裝設了閃光測角裝置。

此外，臺上還設置了模擬短路故障等控制設備。

三、實驗項目和方法

1.單回路穩(wěn)態(tài)對稱運行實驗

在本章實驗中，原動機采用手動模擬方式開機，勵磁采用手動勵磁方式，然后啟機、建

壓、并網后調整發(fā)電機電壓和原動機功率，使輸電系統(tǒng)處于不同的運行狀態(tài)（輸送功率