电力系统静态稳定、暂态稳定实验报告

电力系统静态、暂态稳定实验报告

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范围；２．通过实验加深对电力系统暂态稳定内容的理解

3．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

二、原理与说明

实验用一次系统接线图如图1所示：

图１。一次系统接线图

实验中采用直流电动机来模拟原动机，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相同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”母线就直接用实验室的交流电源,因为它是由实际电力系统供电的，因此，它基本上符合“无穷大”母线的条件。

为了进行测量，实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等控制设备.

电力系统静态稳定问题是指电力系统受到小干扰后,各发电机能否不失同步恢复到原来稳定状态的能力。在实验中测量单回路和双回路运行时，发电机不同出力情况下各节点的电压值，并测出静态稳定极限数值记录在表格中.

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,各发电机能否过渡到新的稳定状态，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;

对这三个公式进行比较,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可由等面积原则计算出来。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,在故障发生时及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E ｏ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。这两种方法都有利于提高系统的稳定性。

三、实验项目与结果

双回路对称运行与单回路对称运行比较实验

?原动机采用手动模拟方式开机，励磁采用手动励磁方式,然后启机、建压、并网后调整发电机电压和原动机功率，使输电系统处于不同的运行状态（输送功率的大小，线路首、末端电压的差别等)，观察记录线路首、末端的测量表计值及线路开关站的电压值,计算、分析、比较运行状态不同时，运行参数变化的特点及数值范围，例如电压损耗、电压降落、沿线电压变化、两端无功功率的方向（根据沿线电压大小比较判断）等.之后将原来的单回线路改成双回路运行，按照上述步骤再次进行测量,将两次实验结果进行比较,见下表（表1）。

短路类型对暂态稳定的影响实验

本实验台通过对操作台上的短路选择按钮的组合可进行单相接地短路，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,并进行比较，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行分析比较。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.

短路切除时间t=0。5s 短路类型：单相接地短路

短路切除时间t=0.5ｓ短路类型:两相接地短路

表4. 两相短路接地

四、实验数据分析

１。双回路对称运行与单回路对称运行比较实验

通过表1中的实验数据，可以看出以下的变化规律:

（1）在励磁保持不变的情况下,对同一回路，回路中的三相电流随着发电机输出功率的增加而增加。这是因为输出功率的公式为P＝UIｃosφ，发电机增加出力时会有电流增加的现象。

（2)励磁保持不变，对同一回路，当发电机输出功率增大时机端电压和开关站处的电压都会有所下降.这是因为在发电机的同步电抗与线路电抗的影响下，发电机出力增加线路电流增加，导致同步电抗与线路电抗上的压降增加，并且由于励磁保持不变,发电机机端电压与开关站母线电压均会有所下降。

(３）两种回路运行方式进行比较，可以发现送出相同的无功功率时，双回路系统比单回路系统的静态稳定性更强。在发电机励磁绕组通入额定励磁电流时,双回路运行最大

sinδ传输有功功率为１.9ｋW，单回路运行最大传输功率为1.2ｋW.功率传输方程P=EV

X 可以解释这个现象，根据系统的结构图可知，单回路运行的阻抗为X S+X L1+X L3,双回

路运行的阻抗为X S+(X L1||X L2)+(X L3||X L4)。其中X S是发电机同步电抗，显然单回路的运行阻抗要大于双回路运行阻抗,所以双回路运行可以传输更大的有功功率，在正常情况下的静稳储备系数更大。

(4）同样是由于线路阻抗的不同,输出相同的功率时，单回路运行首末端的电压降落比双回路运行要大。

2．短路类型对暂态稳定的影响实验

表２、３、4中的数据分别对应单相接地短路、两相相间短路、两相短路接地时的实验结果。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，使得功角发生改变,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,附加电抗为负序电抗与零序电抗并联值。

在单相接地短路故障发生后，故障相断路器动作，接着单相自动重合闸装置将会动作，一旦短路故障消失，单相重合闸装置可以恢复线路正常供电。所以在实际系统发生单相接地短路后,有一定的可能性会通过单相自动重合闸装置恢复系统的稳定运行。在现实系统中，单相接地是比较常见的故障，故障率高达７0％。这类事故一般是由于线路与大地之间的空气绝缘被某些导体破坏。由于连接线路与大地的导体上会通有很大的电流，所以这样的导体往往会因为电流热效应而烧毁，导体烧毁后，线路与大地之间的绝缘恢复，系统的自动重合闸装置可以帮助系统恢复稳定运行状态，所以自动重合闸装置有利于提高系统的暂态稳定性。

?而在发生除单相接地以外的短路故障时,单相自动重合闸装置闭锁,只要断路器动作跳闸，那么跳闸的那一段线路会立即停电。在故障排除后，才能重新合闸恢复供电。所以在此次实验中，使用两相相间短路和两相接地短路进行测试时，其结果受到短路前运行方式的影响.从实验结果来看,当断路器QF３分闸时,一旦发生短路故障断路器QF6和QＦ4会立即跳开，发电机与无穷大系统间的联系断开,系统解裂。只有在QF3处于合闸状态，才有可能在短路故障发生并且QＦ６和QF4跳开后，发电机通过第3段线路与无穷大系统相连，系统不会崩溃,此时存在暂稳功率极限。

提高暂稳措施的原理机制：

强行励磁与自动重合闸

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。故障切除后,发电机转子减速，若加速面积等于减速面积，则系统保持了暂态稳定.

强行励磁可以提高发电机的电势，增加发电机输出的无功功率，增大减速面积,维持电压水平，从而提高了系统的暂态稳定性。且强行励磁的速度快，在故障发生后可以立即动作,对提升系统的暂态稳定有良好的效果。但是强励运行的发电机为了防止转子过热，工作时间不得超过３0s—４０s，超过时间后发电机励磁系统的过励限制器启动，把励磁电流拉回额定值。所以在此段时间内必须投入足够的无功源进行支撑，以保证系统的稳定运行。

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后，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，即可提高故障切除后的功率特性曲线,增大了减速面积,即提高系统的暂态稳定性。

五、思考题

静态稳定思考题

１.影响简单系统静态稳定性的因素是哪些？ 答：由静稳系数S Eq =

EV X

cosδ可以看出，影响系统静态稳定的因素主要是:系统中各元件的

电抗、系统电压水平、发电机电势、正常运行时发电机功角。 2。提高电力系统静态稳定有哪些措施？ 答：（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；

电压降落指的是输电线路首末两端电压的相量差.由于电压降落的横分量较小,所以可近似地认为电压损耗等于电压降落的纵向分量，在不考虑电压降落的横分量时，电压降落的幅值可以看作与电压损耗相等。 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:两表法测量三相功率的示意图如下（图２)：

图２。 两表法测量三相功率

?从上图中看到功率表W1测量了AB 线电压，与A 相线电流；W ２测量了ＢC 线电压,与Ｃ相线电流，两个功率表测得数值之和为：

P =P 1+P 2=U AB ?I A ?+U CB ?I C ?

在三相三线制系统中有：

I A ?+I B ?+I C ?=0

所以两表功率之和可以改写为:

P =(U A ??U B ?)I A ?+(U C ??U B ?)I C ?=U A ?I A ?+U C ?I C ??U B ?(I A ?+I C ?)

将三相三线制系统中的电流关系式代入功率式可得

P=U A?I A?+U C?I C??U B?(I A?+I C?)=U A?I A?+U C?I C?+U B?I B?

所以用两表可以测出三相功率,两表所测数值之和即为三相功率值。但是由推导过程可知，这种方法只适用于三相三线制系统.在配电网中很难保证三相对称，所以必须引入第四根线，组成三相四线制系统，在三相四线制系统中只能用三表法测出三相功率。

暂态稳定思考题

1。不同短路状态下对系统阻抗产生影响的机理是什么？

答：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为负序电抗与零序电抗之和，即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，得到其附加电抗为负序电抗,即X?=X2；

（3)两相短路接地：以ＢC两相接地短路为例,其边界条件为Ia=0、Ub=0、Ｕｃ＝0,得到其附加电抗为负序电抗与零序电抗的并联值,即X?=X2||X0。

由上面三条可知,附加电抗不同，短路后的短路电流也会有所不同。

2．提高电力系统暂态稳定的措施有哪些？

答：提高电力系统暂态稳定的措施主要有一下几种:

（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尽可能达到功率平衡，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。对应实际电力系统,这种方法被称为快关汽门,实时监测发电机轴上的不平衡功率,使得原动机功率可以快速灵活地追踪电磁功率的变化。

４。自动重合闸装置对系统暂态稳定的影响是什么？

答：电力网络中的短路故障大多是由闪络放电造成的，是暂时性的，在切断故障线路,经过一段电弧熄灭和空气去游离的时间之后，短路故障便完全消除了。如果这时把线路重新投入

系统，便能继续正常工作。用等面积定则可以知道,自动重合闸能够增大减速面积,有利于系统的稳定运行，这对于单回路的输电线路具有特别重要的意义。

?但是采用按相重合闸时应注意,在短路相被切除后,其他两相导线仍然带电,由于相间电容的耦合作用,被切除相仍然有相当高的电压，使电弧不易熄灭;同时由于相间电容的作用,从完好相经过相间耦合电容到故障相，再经过短路点到大地，形成电容电流的通路,这种电流称为潜供电流。当潜供电流超过一定数值时，电弧将不会熄灭，短路将是永久性的.如果采用重合闸，将会把有故障的线路投入电网。使系统再次受到短路故障的冲击，这将大大恶化系统的暂态稳定性，甚至破坏整个系统的稳定。