电力系统自动化装置实验指导书

实验一自动准同期条件测试

一、实验目的

1．掌握实验设备和仪器的使用方法，深入理解准同期条件。

2．掌握准同期条件的测试方法。

二、预习与思考

1．为什么准同期装置都是利用滑差（脉动）电压这一特性进行工作的？

2．准同期的条件有哪些？如何掌握标准？

3．什么叫导前时间？导前时间恒定的条件是什么？

三、原理说明

1．滑差电压及其变化轨迹

目前几乎所有的准同期装置都是利用滑差电压这一特性进行工作的。所谓滑差电压是指待并发电机的电压U F和系统电压U x之间的电压差，通常用U s来表示。

发电机电压和系统电压的瞬时值，可用下式表示：

u F=U F sin(ωF t+δ1) （1-1）

u x=U x sin(ωx t+δ2) （1-2）

U F、U x为发电机和系统电压的幅值，δ1 、δ2为发电机电压和系统电压的初相。

设U F=U x=U m，从式（1-1）和（1-2）可得滑差电压为：

u s=u F-u x=2U m sin[(ωF t+δ1)/2-(ωx t+δ2)/2]

×cos[(ωF t+δ1)/2+(ωx t+δ2)/2] （1-3）

若初始相角δ1=δ2=0，则式(1-3)可简化为：

u s=2U m sin[(ωF-ωx)t/2]cos[(ωF+ωx)t/2] （1-4）

滑差电压U s随时间变化的轨迹示于图1-1。

由图1-1可以看出，u s中含有两种频率不同的分量，我们感兴趣的是U s的低频包络线。用u sm表示滑差电压U s包迹的瞬时值，就得到

u sm=2U m sin[(ωF-ωx)t/2] （1-5）

令ωs= ωf-ωx

式中ωs——滑差角速度。

则u sm=2U m sin（ωs t/2）（1-6）

u

图1-1 滑差电压变化轨迹

关于滑差电压的概念还可以用相量来描述。图1-2是滑差电压相量图。

x

x

U

..

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.

x

F

.

x

.

U

.

（a）（b）（c）（d）

图1-2 滑差电压相量图

（a）δ=ωs t；（b）δ=0；（c）δ=π/2；（d）δ=π

图中用F和x表示发电机和系统电压的相量，当ωs不等于零时，F和x之间的相角差δ=ωs t，将随时间t不断改变。假定以x为参考相量保持不动，则F将以角速度ωs作逆时针旋转。因而滑差电压s的瞬时值也在不断变化。

2．同期和导前时间

准同期的三个条件之一，就是要求用于并网的断路器在合闸瞬间发电机电压的相位与系统电压的相位相同。实际上对于两个频率不同的电压是无法比较它们之间的绝对相位差的。为此，所谓发电机电压与系统电压同步（即通常所说的相位相同）是指发电机电压与系统电压的瞬时值u F与u x同时过零或同时达到最大值的瞬间。在此瞬间u s=0。

由式（1-6）可知，满足U sm=0时也必须同时满足ωs t=2Kπ这一条件（K=0，1，……n）。为此，如图1-1所示，相邻两同步点a、b之间的时间间隔t b-t a=T s=2π/ωs。通常称T s为频差周期或滑差周期，显然频差f s=1/T s。

为了使断路器的触头在U sm=0时闭合，必然要求准同期装置能提前发出合闸脉冲。所需提前的时间，取决于断路器的固有合闸时间、辅助继电器动作时间和合闸接触器动作时间之和，从准同期装置发出合闸脉冲到发电机电压和系统电压同步之间的时间间隔称为导前时间。

由于发电机不可能在不同的频差下并入系统，这就要求导前时间不应随频差ωs的变化而变化。具有这种特性的准同期装置就称之为恒定导前时间型的准同期装置。

3．导前时间恒定的条件和合闸相角的误差

大多数恒定导前时间型的准同期装置，都是采用滑差电压（或将它变换一下波形）的一次微分和滑差电压相比较这一原理来构成的。采用一次微分的目的就是为了消除导前时间与频差的关系。

直接采用滑差电压及其一次微分来获得恒定导前时间的原理,可用下述的推导来表明所得的导前时间t dq与ωS无关。

由式(1-6)可知，

u sm=2U m sin(ωs t/2)

则du sm/dt可由下式来表示：

du sm /dt=U mωs cos(ωs t/2) （1-7）

若令准同期装置发出合闸脉冲的条件是K1（du sm/dt）=K2U sm，这一方程则有：K1U mωs cos(ωs t/2)= K22U mωs sin(ωs t/2)

化简得

t g(ωs t/2)= K1ωs/(2K2) （1-8）

当ωs很小时，t g（ωs/2）t≈（ωs/2）t

式(1-8)可写成：

t≈K1/K2（1-9）

式(1-9)计算所得时间t（即导前时间t dq）与ωs无关。这就是准同期装置所获得恒定导前时间的原理。

当然，上述的推导过程是有附加条件的。首先是假定ωs很小，其次是假定dωs/dt ≈0（在一个频差周期内ωs保持不变），否则导前时间就不可能恒定。本装置由于将滑差电压变换成相同频差周期的三角波后，对ωs的要求可以放宽，但仍应要求dωs/dt ≈0。

从准同期的要求来说，希望在合闸时相角的误差越小越好，但实际上由于种种原因不可能没有误差。这一误差的产生主要是由以下几个方面造成的：

1）断路器及其辅助继电器和合闸接触器动作时间的变差，令其为△t1。

2）自动准同期装置导前时间整定值和断路器实际合闸时间之间的误差，令其为△t2。

3）导前时间本身的变差，令其为△t3。

4）由于ωs变化引起导前时间的变化，令其为△t4。

5）在合闸过程中存在加速度dωs/dt。

若令由1）- 4）所造成的综合误差为△t∑（△t∑=±△t1±△t2±△t3±△t4），导前时间为t dq时，考虑上述因素可按下式计算合闸瞬间的误差角δΣ：

δΣ=ωs△t∑＋(dωs/dt)（t dq+△t∑）2 /2 （1-10）

式(1-10)中第一项作为现有的装置都已控制在3.6°以下（不包括由于△t1所造成的误差），第二项误差的减小必须控制dωs/dt的大小或尽可能采用快速断路器并网。在准同期装置中引入滑差电压的二次微分量进行补偿在原理上可以消除dωs/dt对导前时间的影响。

四、实验主要的测试仪器

1．双踪慢扫描示波器

它用来观察装置的各点波形，寻找故障，要求采用长余辉双踪慢扫描示波器，如SBD-6型等。扫描时间要求可从0.1毫秒到1000秒，能清晰观察一些长时间的波形，如三角波、比例微分等波形，这种示波器还有时标，可用来粗略地观测导前时间。

2．记录示波器

用来拍摄导前时间，记录合闸时冲击电流。例如可采用SC-10型记录示波器。它可采用胶卷或紫外线记录纸拍摄，比较方便、灵活。

3．秒表

可以采用401型电秒表或405型电子数字毫秒表计。用来测量导前时间、调频和调压脉冲宽度。

4．万用表

应采用高内阻的万用表，直流每伏内阻为20千欧，如MF-35型，MF-18型，MF-9型，MF-200型数字万用表等均能满足要求。主要用来测量电位的高低。一些内阻较低的万用表，如MF-14型，直流每伏只有1千欧，是不宜采用的。

5．交流电压表

可采用0.5级表，量程0～150伏。

五、实验设备

六、实验内容与步骤

根据发电机信号和系统信号测试准同期条件, 当电压幅值和频率有变化时，观测对滑差电压U S波形的影响。实验接线图见图1-3 。

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图1-3 自动准同期条件测试实验接线图

1．实验准备

1）按下挂件ZBL51上的“断开”按键，暂时不接入同步表。

2）将挂件ZBT74A上的“导前时间整定”开关打到0.1S；然后再将

“滑差频率整定”打到0.3Hz。合闸选择开关打到“测试”。

3）将可调电阻器R f1调至最小，可调电阻器R st调至最大位置。

4）调节实验台上的调压器，使实验台的输出线电压为70V。

5）将实验台上的“可调电压输出”（给直流电动机DJ10-1提供电枢电压）调到最小，启动实验台上的开关，将“固定电压输出”开关打到“开”，接着将“可调电压输出”开关打到“开”，逐渐增加“可调电压输出”，当电机启动正常运转后，其旋转方向应符合正向旋转的要求，然后短接可调电阻R st，再缓慢地增大R f1，直到转速表DD03上的读数达到额定转速1500rpm。

6）由挂件ZBL60提供励磁电流，逐渐增加励磁电流，直至发电机输出电压为70V 左右。

2．操作步骤

1）打开ZBT74A上的电源开关，将ZBT74A上的隔离开关打到“通”，此时即把系统电压和发电机电压接入ZBT74A装置。

2）用示波器观测测试点U S的波形。

保持原动机（直流电动机DJ10-1）的电枢电压不变，增大发电机励磁电流（由挂件ZBL60提供），即改变发电机输出电压，观测滑差电压U s波形的变化，并记录之。

调节发电机励磁电流，使发电机输出电压仍为70V，然后缓慢降低“可调电压输出”，即改变发电机输出电压的频率，观测滑差电压U s波形的变化，并记录之。

七、注意事项

1．将系统电压和发电机电压接入挂件ZBT74A时，注意相序U、V、W应与A、B、C 一一对应。

2．用示波器观察测试点波形时，示波器的电源应采用隔离变压器隔离。

八、实验报告

1．理论分析与测试观察结果是否一致，为什么？

2．在合闸时相角误差产生的主要原因有哪些？

3．根据记录的滑差电压波形，分析滑差电压受哪些因素的影响。

实验八合闸部分整体测试（半自动准同期并网）

一、实验目的

1．熟悉自动合闸部分的电路原理和基本特性。

2．掌握半自动准同期的概念及并网操作方法。

二、预习与思考

1．自动合闸部分要满足实际应用的要求，必须具备哪些技术特性？

2．自动合闸部分由哪些电路组成，相互间是如何协调工作的？

3．合闸逻辑电路是对哪些技术指标进行综合逻辑判断？

4．要实现自动合闸系统的功能，满足相关技术要求，为什么说实现的方法不是唯一的？

5．什么叫半自动准同期？

三、原理说明

1．自动合闸部分方框图

HZX、HZF分别取自变压器T1、T2的二次侧。通过相敏环节，获得一组与滑差电压周期相同的三角波电压。该三角波的幅值仅与HZX、HZF之间的相角差δ有关，与HZX、HZF的幅值无关。三角波的周期与滑差电压的周期相同。当δ=0时，相敏环节输出最小，当δ=180°时，相敏环节输出最大。相敏环节的输出分两路，一路经比例微分环节、整形电路、触发器发出一个与导前时间有关的脉冲到双稳触发器。另一路到频差回路和相差回路，该电压与频差整定值相比较构成准同期合闸时频差闭锁条件，该电压与导前相角整定值相比较构成相角差闭锁条件，电压差绝对值输出与电压差整定值比较构成电压差闭锁条件。

只有相角差、电压差、频差同时满足准同期并列的条件时，与门为“1”态，双稳触发器翻转，继电器1KZ动作，发合闸脉冲。当相角差、电压差、频差中任一条件不满足并列要求时，闭锁双稳触发器，继电器1KZ不动作，不发合闸脉冲。原理方框图如图8-1所示。

图8-1 ZBT74A型装置自动合闸部分方框图

2．合闸部分逻辑回路及动作过程

发电机电压HZF与系统电压HZX经相敏环节在TT2点输出一组三角波电压。经比例微分环节，在TT3点输出的电压在A点过零，并改变方向。经反相输入放大后，TT4点电压在A点由负变正，加到双稳触发器的CLK端，假定此时相角差、频率差、电压差均满足合闸条件，双稳态触发器翻转，V1管导通，合闸继电器1KZ吸合，发合闸脉冲，同时V2管截止，C14充电，当U C14>(2/3)VCC时，定时器555的3脚输出低电平，双稳又翻转，V1管由导通变截止，合闸继电器1KZ断开，合闸部分动作结束。

当电压差，频率差，相角差只要有一个大于整定值，或门输出高电平，与非门输出低电平，闭锁双稳态触发器翻转，发不出合闸脉冲。

为了防止刚发出合闸脉冲又出现压差，频差，相差闭锁现象而导致继电器1KZ触点抖动，接入“非”门和“或”门组成一个“与非”门的条件，这样一旦继电器1KZ 动作，将低电平送入“与非”门，T封锁“与非”门，此时无论压差，频差，相差有或没有闭锁信号，都不能造成继电器1KZ返回或触点抖动。

图8-2（a ） ZBT74A 型装置合闸部分逻辑回路原理图

图8-2（b ） ZBT74A 型装置合闸部分波形图

延时回路是装置在做假同步，或调试时能自动复归合闸继电器，当装置正式发出合闸脉冲后，闭锁双稳200ms 左右，使本实验中的断路器可靠合闸。 原理图及波形图见8-2。

四、实验设备

五、实验内容与步骤

用小型同步发电机来模拟发电机信号。手动调节转速，手动调节励磁，在满足准同期条件下，由合闸部分自动地将发电机并入系统。完全符合半自动准同期的定义，所以本实验也叫半自动准同期实验。实验接线图见图8-3。

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图8-3 ZBT74A型装置合闸部分整体复测实验接线图

1．实验准备

同实验三。

2．操作步骤

1）打开ZBT74A上的电源开关，将ZBT74A上的隔离开关打到“通”，此时即把系统电压和发电机电压接入ZBT74A装置。

2）用时间继电器代替断路器实现合闸。

3）将合闸选择开关打到“运行”。

4）调节实验台上的“可调电压输出”，观察各信号灯的指示情况：

当频差大于整定值时，频差闭锁灯应在频差周期后半周（即相当于同步灯由亮转暗期间）亮。

挂件ZBT74A上的同步灯时亮时灭，亮灭周期和挂件ZBL51上的并网旋转灯的橙色灯相同。

挂件ZBT74A上的合闸灯应越前于同步灯最暗时亮。

合闸瞬间，ZBL51上的同步表的指针S、Hz和V应接近零点。

5）数字示波器的探头Y1接入挂件ZBT74A面板上的各测试点，记录波形。与前面给定的波形相对照。

6）增大实验台上的“可调电压输出”，提高原动机（直流电机DJ10-1）转速，即增加原动机输入有功功率,同时增大同步发电机GS（DJ5-1）的励磁电流，即增加发电机输出的无功功率，直到发电机向电网输出的功率达到额定的有功功率(200W)和无功功率（150W）（由ZBL66来测得有功和无功功率）。在整个调节过程中，原动机转速和发电机端压保持不变。

7）按下挂件ZBL51上的“断开”按键，将同步表从实验电路中断开。

8）减小实验台上的“可调电压输出”，降低原动机（直流电机DJ10-1）转速，即减少原动机输入有功功率,同时减小同步发电机GS（DJ5-1）的励磁电流，即减少发电机输出的无功功率，直到发电机向电网输出的有功和无功功率接近于零，然后按下ZBL57挂箱上的QF手分闸按钮，即断开与电网并联的开关QF,将发电机和系统断开。

9）减小实验台上的“可调电压输出”，将原动机的转速降为零，将实验台上的“固定电压输出”打到“关”，再关断发电机的励磁电流。再将三相调压器旋转退至零位，最后关断实验台上的开关。

在上述操作过程中，1）-4）完成了自动准同期并网实验；6）实现了发电机向电网送电；8）完成了发电机与系统解列；9）发电机停机。

六、注意事项

1．将系统电压和发电机电压接入挂件ZBT74A时，注意相序U、V、W应与A、B、C 一一对应。

2．用示波器观察测试点波形时，示波器的电源应采用隔离变压器隔离。

3．直流电动机启动后，其旋转方向应符合正向旋转的要求。因电动机旋转方向不同，则发电机发出电压的相序就不同。

七、实验报告

1．根据实验内容写出自动合闸部分的操作实验程序。

2．根据实验结果记录数据并绘制波形。

3．发现自动合闸不正常时如何按顺序检查。