四川大学电力系统分析实验报告

目录

一. 实验一 (1)

1.实验目的 (1)

2.原理与说明 (1)

3.实验原理图 (2)

4.实验项目和方法 (2)

5.数据处理、结果分析和观察的现象分析 (3)

6.注意事项 (4)

7.思考题 (4)

二. 实验二 (6)

1.实验目的 (6)

2.原理与说明 (6)

3. 实验原理图 (7)

4. 实验项目和方法 (7)

5.注意事项 (10)

6.思考题 (11)

7.心得体会 (12)

实验一：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范围；

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、原理与说明

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，电压降落等的数值范围，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。因此，除了通过结合实际的问题，让学生掌握此类“数值概念”外，实验也是一条很好的、更为直观、易于形成深刻记忆的手段之一。实验用一次系统接线图如图2所示。

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备。

三、实验原理图

图1 一次系统接线图

四、实验项目和方法

1.单回路稳态对称运行实验

①合上EAL-02 上的状态开关QF2、QF6、QF4、QFS，使系统运行在单回路状态下；

②按照实验十进行启机、建压、并网；

③通过调速器中的“加速”“减速”按钮改变原动机功率，通过励磁调节器中“增磁”、“减磁”；

按钮改变发电机功率，使输电系统处于不同的运行状态（输送功率的大小，线路首、末端电压的差别等），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；

④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，为电压损耗、

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。

⑤进行解列操作、灭磁操作和停机操作；

2.双回路对称运行与单回路对称运行比较实验

①按照单回路稳态对称运行实验进行双回路对称运行实验，只是将单回路切换为双回路

（将EAL-02 上的继电器QF1、QF3、QF5 合上）；

3.单回路稳态非全相运行实验

确定实现非全相运行的接线方式，断开一相时，与单回路稳态对称运行时相同的输送功率下比较其运行状态的变化。

具体操作方法如下：

（1）首先按双回路对称运行的接线方式（不含QF5）；

（2）输送功率按实验1中单回路稳态对称运行的输送功率值一样；

（3）微机保护定值整定：动作时间0秒，重合闸时间100秒；

（4）在故障单元，选择单相故障相，整定故障时间为0"

（5）进行单相短路故障，此时微机保护切除故障相，准备重合闸，这时迅速跳开“QF1”、“QF3”开关，即只有一回线路的两相在运行。

实验数据如下：

（注：UZ —中间开关站电压；U —输电线路的电压损耗；△U —输电线路的电压降落）

五、数据处理、结果分析和观察的现象分析

1、理论上双回线的稳定性较单回线路的稳定性好，从实验现象中也观

察到了这一点，而且单回线路输送的能够稳定的最大功率要比双回线路小。

另外，有实验现象可以看出单回输电线路能够稳定输送的最大功率低于双回线路能够稳定输送的最大公率。

2、由实验现象可以看出发电机发出的无功的性质将影响到系统的稳定

性，当发电机输出的感性无功不足或者发出容性无功时电网稳定性会降低，会引起电网的波动和发电机飞车，另外无功的性质影响着系统电压的高低和线路电压降落的和电压损耗的大小。

3、在单回路运行时，随着有功输出的增加，电机输出电压降低且电压降落

减少，电压降落的范围为35V~10V；在双回路运行时，随着有功输出的增加，电机输出电压降低且电压降落减少，电压降落的范围为25V~（-5）V。双回线路的电压损耗比单回线路小，原因是因为双回线路的阻抗是并联的要比单回线路的阻抗小。

4、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。

六、实验注意事项

1、在进行实验前一定要进行检查。

2、实验台上控制线路的两个按钮，红色灯亮带便线路接通，绿色灯亮表示线路断开。

3、在没有将发电机极端电压、频率调整到和电网电压频率接近或相等时禁闭合图中发电机开关。

4、在进行实验操作时要注意如果发电机工作在欠励磁状态时要调节发电机励磁电流使发电机处于过励磁的工作状态，即发出感性无功。

5、当发电机与系统断开时会产生发电机飞车，要立即调原动机转速。

6、当进行并网操作时，发电机机端电压和电网电压的相位差不能超过±5°。

7、操作时要严格按照规定的操作步骤进行操作。

8、当EAL-01、EAL-04 或EAL-05 过流指示灯亮时，不能进行其他操作，要进行相应的复位后，重新做实验。

9、在关闭系统时要注意操作顺序：①发电机功率调零、②切除发电机、③励磁电流调零、④发电机转速调零、⑤关闭励磁电源、⑥关闭原动机电源、⑦关闭系统电源。

七、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基本性质说明,静态储备越大则静态稳定性越高。影响电力系统静态稳定的因素主要指来自各个方面的小干扰；还有就是发电机的电势、系统电压、系统元件电抗。

小干扰包括负荷的变化，符合以及开关等的投切；

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P

M =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包括:减小发电机和变压器的电抗,减少线路电抗等，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若干段,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：电压损耗是指始末端电压的数值差(U

1–U

2

)，也用?U表示：?U= U

1

–

U

2

；

电压降落是指始末端电压的向量差 (U

1–U

2

)。当两点电压的相角差相差不大

时，可近似的认为电压损耗就等于电压降落。

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=U

ab IaCOS(a+30)+U

cd

IcCOS(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。

实验二：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，并进行分析。

二、原理与说明

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）×sinδ

1

/X1；

短路运行时发电机功率特性为：P2＝（Eo×Uo）×sinδ

2

/X2；

故障切除发电机功率特性为： P3＝（Eo×Uo）×sinδ

3

/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。

三、实验原理图：

图2.一次系统接线图

四、实验项目与方法

（一）短路对电力系统暂态稳定的影响

1．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。

P

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max

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

由面板上“短路时间”继电器整定，具体整定参数为表另外，短路时间T

D

5-1。

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。）

2．故障切除时间对暂态稳定的影响

固定短路地点，短路类型和系统运行条件，通过调速器的增速按钮增加发电机向电网的出力，在测定不同故障切除时间能保持系统稳定时发电机所能输出的最大功率，分析故障切除时间对暂态稳定的影响。

一次接线方式： QF1＝1 QF2＝1 QF3＝1

QF4＝1 QF5= 0 QF6＝1

实验数据如下：

表（1）：短路切除时间t=0.5s 短路类型：单相接地短路

注：0—表示对应线路开关断开状态1—对应线路开关闭合状态

（二）研究提高暂态稳定的措施

1．强行励磁

在微机励磁方式下短路故障发生后，微机将自动投入强励以提高发电机电势。观察它对提高暂态稳定的作用。

2．单相重合闸

在电力系统的故障中大多数是送电线路（特别是架空线路）的“瞬时性”

故障，除此之外也有“永久性故障”。

在电力系统中采用重合闸的技术经济效果，主要可归纳如下：

①大提高供电可靠性；

②高电力系统并列运行的稳定性；

③对继电保护误动作而引起的误跳闸，也能起到纠正的作用。

对瞬时性故障，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，提高了故障切除后的功率特性曲线。同样通过对操作台上的短路按钮组合，选择不同的故障相。

通过调速器的增（减）速按钮调节发电机向电网的出力，观察它对提高暂态稳定的作用，观察它对提高暂态稳定的作用。

其故障的切除时间在微机保护装置中进行修改，同时要设定进行重合闸投切，并设定其重合闸时间。其操作步骤同上，不同的是在05整定项目时，按压触摸按钮“＋”或“－”选择投合闸投切on，并选02整定项目时，按压触摸按钮“＋”或“－”设定重合闸动作延时时间。瞬时故障时间由操作台上的短路时间继电器设定，当瞬时故障时间小于保护动作时间时保护不会动作；当瞬时故障时间大于保护动作时间而小于重合闸时间，能保证重合闸成功，当瞬时故障时间大于重合闸时间，重合闸后则认为线路为永久性故障加速跳开整条线路。

（三）异步运行和再同步的研究

1．在发电机稳定异步运行时，观察并分析功率，发电机的转差，振荡周期及各表的读数变化的特点。

2．在不切除发电机的情况下，研究调节原动机功率，调节发电机励磁对振荡周期，发电机转差的影响，并牵入再同步。

五、注意事项

1．发电机不要工作在欠励状态，避免吸收系统无功，否则影响系统电压稳定；

2. 实验前要对系统进行各项检查（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，进行单相故障操作的时间应该在接触器合闸10秒之后进行，否则，在故障发生时会跳三相，微机保护装置会显示“GL- ”，且不会进行重合闸操作。

6．实验结束后，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。

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什么？

答：发生短路时，根据正序等效定则，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行分析，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行叠加。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，因此总的阻抗比较大。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；当发电机的相对较的震荡超过一定限度时，发电机便会失去同步，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及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．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。电力系统运行经验表明,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。

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、心得体会

1.因为时间匆忙的缘故，我们没有记录实验的数据，但我在这个实验里认真观察了实验的现象。在增大发电机的转速的过程中，发电机的输出功率增大，但增大到一定程度后，发电机失稳，最后发电机飞车。我们又观察了线路的一相接地短路，三相短路，三相接地短路等等一系列让电网产生危险的可能情况，这些都导致了我们的表记的指针的乱晃，最后导致电路断开。这些保护措施都是继电保护在起作用。

2.电力系统分析的实验是模拟真实电力系统的实验，可以让我们大概了解电力系统的基本运作，让我们受益匪浅，在试验中，由于实验设备少，各位同学团结分工合作，认真听老师讲解和操作，从中我们也学到了很多实际操作知识，对于我们以后的工作会很有帮助。

3.此次实验，我们了解了电力系统中的暂态稳定问题，不同短路情况下的电路基本状况，对于实际系统进行了模拟，从实验中观察到系统失步现象和掌握正确处理的措施。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。

最后我们实验室的仪器相比实际的电力系统来说很小，这些现象不足以代表大型系统的实际现象并且有些现象我们无法从中观察到，但这为我们以后工作和对电力系统的分析提供了很好的参照。感谢学校能给我们这次学习的机会。