电力系统分析实验报告

电力系统分析理论实验报告

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。

图2 一次系统接线图

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设备。

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（三）、实验步骤： 1、开机步骤：

⑴ 进行冷检查，确定无误后开启发电机电源进行热检查，确定之后再进行下列步骤；

⑵ 开启励磁开关，励磁开机； ⑶ 开机（手动调节励磁旋钮）；

⑷ 使发电机工作，并调节调速旋钮，使发电机的功角指示器由一个角变成几个角（实验中的功角指示器有四个角，表示电机为四极电机，p=2，额定转速为1500r/min ；8个角对应的转速为1500r/min，当功角指示器的几个角不稳定时，表示额定转速可能大于或小于额定转速，此时应尽量调节调速器使转速为额定转速）；

⑸ 加励磁，调节机端电压与系统相同（本实验为380V）；

⑹ 进行投切操作，在操作时，因为有延误，所以应保留一个小余量，保证准时准确地投入系统；此时应调节原动机，当转动不太快，角度在0到5度时投入；

2、关机步骤：

⑴调节调速器使输出功率（有功）P降为0；

⑵调节励磁使励磁电流If降为0，即使无功降为0；

⑶此时会发现有功又增大了，所以应继续调节调速器使有功降为0； ⑷解联（断开电机并网断路器）； ⑸调节励磁使电压U降为0； ⑺ 调节调速器使转速降为0； ⑻ 退出开机再关闭励磁。

（四）、实验内容及方法

1．单回路稳态对称运行实验

在本章实验中，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，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。

2．双回路对称运行与单回路对称运行比较实验

按实验1的方法进行实验2的操作，只是将原来的单回线路改成双回路运行。将实验1的结果与实验2进行比较和分析。

表3-1 ? P Q I UF UZ △U U? ?U 0.4 0.38 1.625 400 385 367 35 20 0.8 0.4 1.25 390 375 365 25 10 单回路 1.2 0.45 2.2 375 360 367 10 -5 1.0 0.4 1.5 387 372 367 20 5 双回路 1.0 0.5 1.625 390 370 365 25 5 2 / 8

1.4 0.49 2.5 375 1.8 0.5 3,25 360 0.6 0.5 1.25 390 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

365 350 380 365 365 365 10 -5 25 0 15 15 （五）、实验数据处理与结果分析

1.根据实验数据分析，在一定设备的保证下，单回路送电和双回路送电对电力系统稳定运行的影响很小。

2.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33V~20V；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29V~11V。 （六）、思考题

1.影响简单系统静态稳定性的因素是哪些？

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。影响简单系统静态稳定性的因素有：发电机的电势、系统电压、系统元件电抗。

2.提高电力系统静态稳定有哪些措施？

主要措施有: （1） 调节空载电动势，主要可以通过采用自动励磁装置，根据运行状态变量 的偏移改变励磁，调节发电机励磁电流，以调节空载电动势。 （2） 减小元件的电抗，如果减小发电机和变压器的电抗，成本会增大，不合 理，所以常减小输电线路的电抗，可采用分裂导线、串联电容器补偿、增多输电线路的回路数等方法来减小电抗。 （3） 提高系统的电压等级，可以提高系统的稳定性，电压越高，电压损耗越 小，且增加了输送功率。 （4） 提高系统的运行电压，通过备有足够的无功功率来完成，如装设调相机、 静止补偿器等。

（5）改善系统的结构，加强系统联系，缩小电气距离，例如增加回路数等。

3.何为电压损耗、电压降落？

电压降落是指元件首末端两点电压的向量差；电压损损耗是两点间电压绝对值之差。

4.“两表法”测量三相功率的原理是什么？它有什么前提条件？

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：为相电压。

P=P1+P2=UabIacos???30???UcbIccos(30???)?3UIcos?，U

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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。

（七）、实验注意事项

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；3当将发电机接入系统时，一定要严格按照安全步骤进行操作；4.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。

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）、实验原理与说明

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）×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。

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（三）、实验项目与方法

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。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 整定值 01 0.5(s) 02 / 03 5.00(A) 04 On 05 Off TD 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

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试验台使用说明书。）

表5-2 短路切除时间t=0.5s 短路类型：单相接地短路 QF1 1 0 1 0 QF2 1 1 1 1 QF3 1 0 0 1 QF4 1 1 1 1 QF5 0 0 1 1 QF6 1 1 1 1 Pmax(W) 2000 1200 1000 1800 最大短路电流（A） 6.0 3.125 3.3 5.0 (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 1 0 1 0 QF2 1 1 1 1 QF3 1 0 0 1 QF4 1 1 1 1 QF5 0 0 1 1 QF6 1 1 1 1 Pmax(W) 1400 0 0 1400 最大短路电流（A） 6.01 8.41 7.36 10.1

表5-4 短路切除时间t=0.5s 短路类型：两相接地短路 QF1 1 0 1 0 QF2 1 1 1 1 QF3 1 0 0 1 QF4 1 1 1 1 QF5 0 0 1 1 QF6 1 1 1 1 Pmax(W) 1400 0 0 1400 最大短路电流（A） 8.9 5.75 7.21 10.2

表5-5 短路切除时间t=0.5s 短路类型：三相短路 QF1 1 0 1 0 QF2 1 1 1 1 QF3 1 0 0 1 QF4 1 1 1 1 QF5 0 0 1 1 QF6 1 1 1 1 Pmax(W) 1400 0 0 1400 最大短路电流（A） 6.33 5.31 6.13 10.5 （四）、实验数据处理

整理不同短路类型下获得实验数据，通过对比，对不同短路类型进行定性分析，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，则改系统暂态稳定；

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否则，暂态不稳定。

2、通过不同短路类型数据的整理，我们发现，在相同切除时间下，单相短路，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，在相同短路类型条件下，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；通过短路点的最大短路电流亦可分析出上述结果。在相同的短路类型下，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。

（五）、实验注意事项

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

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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。

六、实验中的注意事项：

⑴ 在实验中应明白红灯亮时代表断路器闭合，绿灯亮时代表断开（与交通灯恰好相反）；

⑵ 在实验前的检查包括冷检查与热检查，虽然很简单，但是却是很有必要的，不然实验时将会出现无法预知的错误或者导致实验失败：例如，开始时应使各开关均在初始位置；

⑶ 和开关时应注意，不能直接和并网开关（发电机开关），因为冲击电流很大，将会导致跳闸，也可能使发电机烧毁而报废；冲击电流很大也将会使电压波动，从而引起系统波动，严重时会使系统瓦解（垮网）；

七、实验心得体会

1、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。 2、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。 总之，我们从简单的模拟实验中学到了很多有用的实际知识，对于我们以后解决实际问题提供了平台。

在整个实验中，通过实际的操作，了解到了实践的重要性，也加深了对所学相关内容的理解，更进一步的了解到，要想学习到东西，除了扎实的理论基础之外，实际的操作也相当重要，而且和课堂上所学的亦是半斤八两！

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