電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定暫態(tài)穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、電力系統(tǒng)靜態(tài)、暫態(tài)穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)報(bào)告一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解和掌握對(duì)稱穩(wěn)定情況下，輸電系統(tǒng)的各種運(yùn)行狀態(tài)與運(yùn)行參數(shù)的數(shù)值變化范圍；2通過實(shí)驗(yàn)加深對(duì)電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定內(nèi)容的理解3通過實(shí)際操作，從實(shí)驗(yàn)中觀察到系統(tǒng)失步現(xiàn)象和掌握正確處理的措施二、原理與說明實(shí)驗(yàn)用一次系統(tǒng)接線圖如圖1所示：圖1. 一次系統(tǒng)接線圖實(shí)驗(yàn)中采用直流電動(dòng)機(jī)來模擬原動(dòng)機(jī)，原動(dòng)機(jī)輸出功率的大小，可通過給定直流電動(dòng)機(jī)的電樞電壓來調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)用標(biāo)準(zhǔn)小型三相同步發(fā)電機(jī)來模擬電力系統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)，雖然其參數(shù)不能與大型發(fā)電機(jī)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(jī)。發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)可以用外加直流電源通過手動(dòng)來調(diào)節(jié)，也可以切換到臺(tái)上的微機(jī)勵(lì)

2、磁調(diào)節(jié)器來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)的輸電線路是用多個(gè)接成鏈型的電抗線圈來模擬，其電抗值滿足相似條件?！盁o窮大”母線就直接用實(shí)驗(yàn)室的交流電源，因?yàn)樗怯蓪?shí)際電力系統(tǒng)供電的，因此，它基本上符合“無窮大”母線的條件。為了進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)置了測(cè)量系統(tǒng)，以測(cè)量各種電量（電流、電壓、功率、頻率）。為了測(cè)量發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與系統(tǒng)的相對(duì)位置角（功率角），在發(fā)電機(jī)軸上裝設(shè)了閃光測(cè)角裝置。此外，臺(tái)上還設(shè)置了模擬短路故障等控制設(shè)備。電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定問題是指電力系統(tǒng)受到小干擾后，各發(fā)電機(jī)能否不失同步恢復(fù)到原來穩(wěn)定狀態(tài)的能力。在實(shí)驗(yàn)中測(cè)量單回路和雙回路運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)不同出力情況下各節(jié)點(diǎn)的電壓值，并測(cè)出靜態(tài)穩(wěn)定極限數(shù)值記錄在表格

3、中。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(dòng)之后，各發(fā)電機(jī)能否過渡到新的穩(wěn)定狀態(tài)，繼續(xù)保持同步運(yùn)行的問題。在各種擾動(dòng)中以短路故障的擾動(dòng)最為嚴(yán)重。正常運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)功率特性為：P1（Eo×Uo）×sin1/X1；短路運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)功率特性為：P2（Eo×Uo）×sin2/X2；故障切除發(fā)電機(jī)功率特性為： P3（Eo×Uo）×sin3/X3； 對(duì)這三個(gè)公式進(jìn)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關(guān)。而系統(tǒng)保持穩(wěn)定條件是切除故障角c小于max，max可由等面積原則計(jì)算出來。本實(shí)驗(yàn)就是基于此原理，由于不同短路狀態(tài)下，系統(tǒng)

4、阻抗X2不同，同時(shí)切除故障線路不同也使X3不同，max也不同，使對(duì)故障切除的時(shí)間要求也不同。 同時(shí)，在故障發(fā)生時(shí)及故障切除通過強(qiáng)勵(lì)磁增加發(fā)電機(jī)的電勢(shì)，使發(fā)電機(jī)功率特性中Eo增加，使max增加，相應(yīng)故障切除的時(shí)間也可延長(zhǎng)；由于電力系統(tǒng)發(fā)生瞬間單相接地故障較多，發(fā)生瞬間單相故障時(shí)采用自動(dòng)重合閘，使系統(tǒng)進(jìn)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與結(jié)果雙回路對(duì)稱運(yùn)行與單回路對(duì)稱運(yùn)行比較實(shí)驗(yàn)原動(dòng)機(jī)采用手動(dòng)模擬方式開機(jī)，勵(lì)磁采用手動(dòng)勵(lì)磁方式，然后啟機(jī)、建壓、并網(wǎng)后調(diào)整發(fā)電機(jī)電壓和原動(dòng)機(jī)功率，使輸電系統(tǒng)處于不同的運(yùn)行狀態(tài)（輸送功率的大小，線路首、末端電壓的差別等），觀察記錄線路首、末

5、端的測(cè)量表計(jì)值及線路開關(guān)站的電壓值，計(jì)算、分析、比較運(yùn)行狀態(tài)不同時(shí)，運(yùn)行參數(shù)變化的特點(diǎn)及數(shù)值范圍，例如電壓損耗、電壓降落、沿線電壓變化、兩端無功功率的方向（根據(jù)沿線電壓大小比較判斷）等。之后將原來的單回線路改成雙回路運(yùn)行，按照上述步驟再次進(jìn)行測(cè)量，將兩次實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，見下表（表1）。表中所有測(cè)量電壓均是線電壓UABP(kW)Q(kVar)I(A)UF(V)UZ(V)Ua(V)DU(V)(V)單回路0.40.30.7536035033030300.60.41.37535534033025250.80.41.87535033533020201.00.313403203301010雙回路0.40

6、.40.87535534533025250.60.41.035034033020200.80.41.535034033020201.00.41.753453353301515表1. 雙回路與單回路運(yùn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果短路類型對(duì)暫態(tài)穩(wěn)定的影響實(shí)驗(yàn)本實(shí)驗(yàn)臺(tái)通過對(duì)操作臺(tái)上的短路選擇按鈕的組合可進(jìn)行單相接地短路，兩相相間短路，兩相接地短路和三相短路試驗(yàn)。固定短路地點(diǎn)，短路切除時(shí)間和系統(tǒng)運(yùn)行條件，在發(fā)電機(jī)經(jīng)雙回線與“無窮大”電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，某一回線發(fā)生某種類型短路，經(jīng)一定時(shí)間切除故障成單回線運(yùn)行。短路的切除時(shí)間在微機(jī)保護(hù)裝置中設(shè)定，同時(shí)要設(shè)定重合閘是否投切。在手動(dòng)勵(lì)磁方式下通過調(diào)速器的增（減）速按鈕調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)向

7、電網(wǎng)的出力，測(cè)定不同短路運(yùn)行時(shí)能保持系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)發(fā)電機(jī)所能輸出的最大功率，并進(jìn)行比較，分析不同故障類型對(duì)暫態(tài)穩(wěn)定的影響。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析結(jié)果進(jìn)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(dāng)系統(tǒng)出于振蕩臨界狀態(tài)時(shí)，記錄有功表讀數(shù)，最大電流讀數(shù)可以從YHB型微機(jī)保護(hù)裝置讀出。 短路切除時(shí)間t=0.5s 短路類型：?jiǎn)蜗嘟拥囟搪稱F1QF2QF3QF4QF5QF6Pmax(kW) 最大短路電流（A） 1111011.74.620101010.85.391101110.86.9801111116.93表2. 單相接地短路短路切除時(shí)間t=0.5s 短路類型：兩相相間短路QF1QF

8、2QF3QF4QF5QF6Pmax(kW) 最大短路電流（A） 1111011.26.04010101××110111××01111119.36表3. 兩相相間短路短路切除時(shí)間t=0.5s 短路類型：兩相接地短路QF1QF2QF3QF4QF5QF6Pmax(kW) 最大短路電流（A） 1111011.26.00010101××110111××0111111.29.12表4. 兩相短路接地四、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析1雙回路對(duì)稱運(yùn)行與單回路對(duì)稱運(yùn)行比較實(shí)驗(yàn)通過表1中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以看出以下的變化規(guī)律：（1）在勵(lì)磁保持不變的情況下

9、，對(duì)同一回路，回路中的三相電流隨著發(fā)電機(jī)輸出功率的增加而增加。這是因?yàn)檩敵龉β实墓綖镻=UIcos，發(fā)電機(jī)增加出力時(shí)會(huì)有電流增加的現(xiàn)象。（2）勵(lì)磁保持不變，對(duì)同一回路，當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出功率增大時(shí)機(jī)端電壓和開關(guān)站處的電壓都會(huì)有所下降。這是因?yàn)樵诎l(fā)電機(jī)的同步電抗與線路電抗的影響下，發(fā)電機(jī)出力增加線路電流增加，導(dǎo)致同步電抗與線路電抗上的壓降增加，并且由于勵(lì)磁保持不變，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓與開關(guān)站母線電壓均會(huì)有所下降。（3）兩種回路運(yùn)行方式進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)送出相同的無功功率時(shí)，雙回路系統(tǒng)比單回路系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性更強(qiáng)。在發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組通入額定勵(lì)磁電流時(shí)，雙回路運(yùn)行最大傳輸有功功率為1.9kW，單回路運(yùn)行最大傳

10、輸功率為1.2kW。功率傳輸方程P=EVXsin可以解釋這個(gè)現(xiàn)象，根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖可知，單回路運(yùn)行的阻抗為XS+XL1+XL3，雙回路運(yùn)行的阻抗為XS+(XL1|XL2+(XL3|XL4)。其中XS是發(fā)電機(jī)同步電抗，顯然單回路的運(yùn)行阻抗要大于雙回路運(yùn)行阻抗，所以雙回路運(yùn)行可以傳輸更大的有功功率，在正常情況下的靜穩(wěn)儲(chǔ)備系數(shù)更大。（4）同樣是由于線路阻抗的不同，輸出相同的功率時(shí)，單回路運(yùn)行首末端的電壓降落比雙回路運(yùn)行要大。2. 短路類型對(duì)暫態(tài)穩(wěn)定的影響實(shí)驗(yàn)表2、3、4中的數(shù)據(jù)分別對(duì)應(yīng)單相接地短路、兩相相間短路、兩相短路接地時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。不對(duì)稱短路時(shí)，根據(jù)正序等效定則，相當(dāng)于在正常等值電路中的短路點(diǎn)

11、接入了一個(gè)附加阻抗，改變系統(tǒng)阻抗，影響系統(tǒng)輸出功率，使之與正常運(yùn)行情況下的輸出有差別，使得功角發(fā)生改變，進(jìn)而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由于不同短路情況下的附加電抗不一樣，所以影響也不一樣。單相接地時(shí)附加電抗為負(fù)序電抗和零序電抗之和；兩相短路時(shí)附加電抗為負(fù)序電抗；兩相接地短路時(shí)，附加電抗為負(fù)序電抗與零序電抗并聯(lián)值。在單相接地短路故障發(fā)生后，故障相斷路器動(dòng)作，接著單相自動(dòng)重合閘裝置將會(huì)動(dòng)作，一旦短路故障消失，單相重合閘裝置可以恢復(fù)線路正常供電。所以在實(shí)際系統(tǒng)發(fā)生單相接地短路后，有一定的可能性會(huì)通過單相自動(dòng)重合閘裝置恢復(fù)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。在現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，單相接地是比較常見的故障，故障率高達(dá)70%。這類事故一般是

12、由于線路與大地之間的空氣絕緣被某些導(dǎo)體破壞。由于連接線路與大地的導(dǎo)體上會(huì)通有很大的電流，所以這樣的導(dǎo)體往往會(huì)因?yàn)殡娏鳠嵝?yīng)而燒毀，導(dǎo)體燒毀后，線路與大地之間的絕緣恢復(fù)，系統(tǒng)的自動(dòng)重合閘裝置可以幫助系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，所以自動(dòng)重合閘裝置有利于提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。而在發(fā)生除單相接地以外的短路故障時(shí)，單相自動(dòng)重合閘裝置閉鎖，只要斷路器動(dòng)作跳閘，那么跳閘的那一段線路會(huì)立即停電。在故障排除后，才能重新合閘恢復(fù)供電。所以在此次實(shí)驗(yàn)中，使用兩相相間短路和兩相接地短路進(jìn)行測(cè)試時(shí)，其結(jié)果受到短路前運(yùn)行方式的影響。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，當(dāng)斷路器QF3分閘時(shí)，一旦發(fā)生短路故障斷路器QF6和QF4會(huì)立即跳開，發(fā)電機(jī)與無

13、窮大系統(tǒng)間的聯(lián)系斷開，系統(tǒng)解裂。只有在QF3處于合閘狀態(tài)，才有可能在短路故障發(fā)生并且QF6和QF4跳開后，發(fā)電機(jī)通過第3段線路與無窮大系統(tǒng)相連，系統(tǒng)不會(huì)崩潰，此時(shí)存在暫穩(wěn)功率極限。提高暫穩(wěn)措施的原理機(jī)制：強(qiáng)行勵(lì)磁與自動(dòng)重合閘系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出的電磁功率驟然降低，而原動(dòng)機(jī)的機(jī)械輸出功率來不及變化，兩者失去平衡，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子將加速。故障切除后，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子減速，若加速面積等于減速面積，則系統(tǒng)保持了暫態(tài)穩(wěn)定。 強(qiáng)行勵(lì)磁可以提高發(fā)電機(jī)的電勢(shì)，增加發(fā)電機(jī)輸出的無功功率，增大減速面積，維持電壓水平，從而提高了系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。且強(qiáng)行勵(lì)磁的速度快，在故障發(fā)生后可以立即動(dòng)作，對(duì)提升系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定有良好

14、的效果。但是強(qiáng)勵(lì)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)為了防止轉(zhuǎn)子過熱，工作時(shí)間不得超過 30s-40s， 超過時(shí)間后發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的過勵(lì)限制器啟動(dòng)，把勵(lì)磁電流拉回額定值。所以在此段時(shí)間內(nèi)必須投入足夠的無功源進(jìn)行支撐，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。電力系統(tǒng)中的短路故障大多是由網(wǎng)絡(luò)放電造成的，是暫時(shí)性的。在切斷線路經(jīng)過一段電弧熄滅和空氣去游離的時(shí)間后，短路故障便完全消除了。這時(shí)，如果再把線路重新投入系統(tǒng)，它便能繼續(xù)正常工作。所以采用自動(dòng)重合閘裝置，用微機(jī)保護(hù)裝置切除故障線路后，經(jīng)過延時(shí)一定時(shí)間將自動(dòng)重合原線路，從而恢復(fù)全相供電，即可提高故障切除后的功率特性曲線，增大了減速面積，即提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。五、思考題靜態(tài)穩(wěn)定思考題1.

15、影響簡(jiǎn)單系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性的因素是哪些？答：由靜穩(wěn)系數(shù)SEq=EVXcos可以看出，影響系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定的因素主要是：系統(tǒng)中各元件的電抗、系統(tǒng)電壓水平、發(fā)電機(jī)電勢(shì)、正常運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)功角。2.提高電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定有哪些措施？答：（1）減少系統(tǒng)各元件的電抗:減小發(fā)電機(jī)和變壓器的電抗，減少線路電抗(采用分裂導(dǎo)線)； （2）提高運(yùn)行電壓水平； （3）改善電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)； （4）采用串聯(lián)電容器補(bǔ)償；（5）采用自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置； （6）采用直流輸電。3.何為電壓損耗、電壓降落？答：電壓損耗指的是輸電線路首末兩端電壓的數(shù)值差； 電壓降落指的是輸電線路首末兩端電壓的相量差。由于電壓降落的橫分量較小，所以可近似地認(rèn)為電

16、壓損耗等于電壓降落的縱向分量，在不考慮電壓降落的橫分量時(shí)，電壓降落的幅值可以看作與電壓損耗相等。4.“兩表法”測(cè)量三相功率的原理是什么？它有什么前提條件？答：兩表法測(cè)量三相功率的示意圖如下（圖2）：圖2. 兩表法測(cè)量三相功率從上圖中看到功率表W1測(cè)量了AB線電壓，與A相線電流；W2測(cè)量了BC線電壓，與C相線電流，兩個(gè)功率表測(cè)得數(shù)值之和為：P=P1+P2=UABIA+UCBIC在三相三線制系統(tǒng)中有：IA+IB+IC=0所以兩表功率之和可以改寫為：P=UA-UBIA+UC-UBIC=UAIA+UCIC-UB(IA+IC)將三相三線制系統(tǒng)中的電流關(guān)系式代入功率式可得P=UAIA+UCIC-UBIA+

17、IC=UAIA+UCIC+UBIB所以用兩表可以測(cè)出三相功率，兩表所測(cè)數(shù)值之和即為三相功率值。但是由推導(dǎo)過程可知，這種方法只適用于三相三線制系統(tǒng)。在配電網(wǎng)中很難保證三相對(duì)稱，所以必須引入第四根線，組成三相四線制系統(tǒng)，在三相四線制系統(tǒng)中只能用三表法測(cè)出三相功率。暫態(tài)穩(wěn)定思考題1.不同短路狀態(tài)下對(duì)系統(tǒng)阻抗產(chǎn)生影響的機(jī)理是什么？答：不對(duì)稱短路時(shí)，根據(jù)正序等效定則，相當(dāng)于在正常等值電路中的短路點(diǎn)接入了一個(gè)附加阻抗，改變了系統(tǒng)阻抗： （1）單相接地短路：以A相短路為例，由邊界條件Ua=0、Ib=0、Ic=0，將它們用對(duì)稱分量法分解，得到各序分量之間表示的邊界條件，采用復(fù)合序網(wǎng)或結(jié)合各序等效電路分析，便可

18、以得到其附加電抗為負(fù)序電抗與零序電抗之和，即X=X2+X0； （2）兩相相間短路：以BC兩相間短路為例，其邊界條件為Ub=Uc、Ib+Ic=0、Ia=0，得到其附加電抗為負(fù)序電抗，即X=X2； （3）兩相短路接地：以BC兩相接地短路為例，其邊界條件為Ia=0、Ub=0、 Uc=0，得到其附加電抗為負(fù)序電抗與零序電抗的并聯(lián)值，即X=X2|X0。由上面三條可知，附加電抗不同，短路后的短路電流也會(huì)有所不同。2.提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的措施有哪些？答：提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的措施主要有一下幾種：（1）快速切除故障； （2）采用自動(dòng)重合閘； （3）發(fā)電機(jī)快速強(qiáng)勵(lì)磁； （4）發(fā)電機(jī)電氣制動(dòng)； （5）變壓器中性

19、點(diǎn)經(jīng)小電阻接地； （6）快速關(guān)閉汽門； （7）切發(fā)電機(jī)和切負(fù)荷； （8）設(shè)置中間開關(guān)站； （9）輸電線路強(qiáng)行串聯(lián)補(bǔ)償3.對(duì)失步處理的方法（注意事項(xiàng)3中提到）的理論根據(jù)是什么？答：對(duì)失步處理的方法如下：通過勵(lì)磁調(diào)節(jié)器增磁按鈕，使發(fā)電機(jī)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，可并入該線路減小系統(tǒng)阻抗；通過調(diào)速器的減速按鈕減小原動(dòng)機(jī)的輸入功率。其理論依據(jù)在于： （1） 可以通過勵(lì)磁調(diào)節(jié)器增磁按鈕，使發(fā)電機(jī)的電壓增大，在于：系統(tǒng)發(fā) 生短路故障時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出的電磁功率驟然降低，而原動(dòng)機(jī)的機(jī)械輸出功率來不及變化，兩者失去平衡，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子將加速。而迅速增磁提高發(fā)電機(jī)的電勢(shì)，可以增加發(fā)電機(jī)的輸出功率，即可使原動(dòng)機(jī)輸出與發(fā)電機(jī)輸出盡可能達(dá)到功率平衡，可以有效