電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定試驗報告

1、電力系統(tǒng)靜態(tài)、暫態(tài)穩(wěn)定實驗報告一、實驗?zāi)康?了解和掌握對稱穩(wěn)定情況下，輸電系統(tǒng)的各種運行狀態(tài)與運行參數(shù)的數(shù)值變化范圍；2通過實驗加深對電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定內(nèi)容的理解3通過實際操作，從實驗中觀察到系統(tǒng)失步現(xiàn)象和掌握正確處理的措施二、原理與說明實驗用一次系統(tǒng)接線圖如圖1所示：度電機直也鼻不光MJ eXLiOTlLiI -上1 /61-B-1OR。呢/QF4*無*工囊圖1.一次系統(tǒng)接線圖實驗中采用直流電動機來模擬原動機，原動機輸出功率的大小，可通過給定直流電動機 的電樞電壓來調(diào)節(jié)。實驗系統(tǒng)用標準小型三相同步發(fā)電機來模擬電力系統(tǒng)的同步發(fā)電機，雖 然其參數(shù)不能與大型發(fā)電機相似，但也可以看成是一種具有特殊參數(shù)

2、的電力系統(tǒng)的發(fā)電機。 發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)可以用外加直流電源通過手動來調(diào)節(jié)，也可以切換到臺上的微機勵磁調(diào)節(jié) 器來實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)。實驗臺的輸電線路是用多個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”母線就直接用實驗室的交流電源，因為它是由實際電力系統(tǒng)供電的， 因此，它基本上符合“無窮大”母線的條件。為了進行測量，實驗臺設(shè)置了測量系統(tǒng)，以測量各種電量(電流、電壓、功率、頻率)。 為了測量發(fā)電機轉(zhuǎn)子與系統(tǒng)的相對位置角(功率角)，在發(fā)電機軸上裝設(shè)了閃光測角裝置。 此外，臺上還設(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)電機能否不失同步恢復到原來 穩(wěn)定狀態(tài)的

3、能力。在實驗中測量單回路和雙回路運行時，發(fā)電機不同出力情況下各節(jié)點的電 壓值，并測出靜態(tài)穩(wěn)定極限數(shù)值記錄在表格中。電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定問題是指電力系統(tǒng)受到較大的擾動之后，各發(fā)電機能否過渡到新的穩(wěn) 定狀態(tài)，繼續(xù)保持同步運行的問題。在各種擾動中以短路故障的擾動最為嚴重。正常運行時發(fā)電機功率特性為：P1=(EoXUo)Xsin6 1/X1；短路運行時發(fā)電機功率特性為：P2=(EoXUo)Xsinb 2/X2；故障切除發(fā)電機功率特性為：P3=(EoXUo)Xsin6 3/X3；對這三個公式進行比較，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6 c小于6 max,

4、 6 max可由等面積原則計算出來。本實驗 就是基于此原理，由于不同短路狀態(tài)下，系統(tǒng)阻抗X2不同，同時切除故障線路不同也使X3不同，6 max也不同，使對故障切除的時間要求也不同。同時，在故障發(fā)生時及故障切除通過強勵磁增加發(fā)電機的電勢，使發(fā)電機功率特性中Eo增加，使6 max增加，相應(yīng)故障切除的時間也可延長；由于電力系統(tǒng)發(fā)生瞬間單相接地 故障較多，發(fā)生瞬間單相故障時采用自動重合閘，使系統(tǒng)進入正常工作狀態(tài)。這兩種方法都 有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。三、實驗項目與結(jié)果雙回路對稱運行與單回路對稱運行比較實驗原動機采用手動模擬方式開機，勵磁采用手動勵磁方式，然后啟機、建壓、并網(wǎng)后調(diào)整 發(fā)電機電壓和原動機功

5、率，使輸電系統(tǒng)處于不同的運行狀態(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、末端的測量表計值及線路開關(guān)站的電壓值，計算、分 析、比較運行狀態(tài)不同時，運行參數(shù)變化的特點及數(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 路改成雙回路運行，按照上述步驟再次進行測量，將兩次實驗結(jié)果進行比較，見下表1）。（表表中所有測量電壓均是線電壓P(kW)Q(kVar)I(A)UF(V)UZ(V)Ua(V)AU(V) U (V)0.40.30.75360350kA.3303030單回路0.60.41.375355340330

6、25250.80.41.87535033533020201.00.3134032033010100.40.40.8753553453302525雙回路0.60.41.035034033020200.80.41.535034033020201.00.41.753453353301515表1.雙回路與單回路運行實驗結(jié)果短路類型對暫態(tài)穩(wěn)定的影響實驗本實驗臺通過對操作臺上的短路選擇按鈕的組合可進行單相接地短路，兩相相間短路， 兩相接地短路和三相短路試驗。固定短路地點，短路切除時間和系統(tǒng)運行條件，在發(fā)電機經(jīng) 雙回線與“無窮大”電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運行時，某一回線發(fā)生某種類型短路，經(jīng)一定時間切除故障成 單回線運行。短

7、路的切除時間在微機保護裝置中設(shè)定，同時要設(shè)定重合閘是否投切。在手動勵磁方式下通過調(diào)速器的增（減）速按鈕調(diào)節(jié)發(fā)電機向電網(wǎng)的出力，測定不同 短路運行時能保持系統(tǒng)穩(wěn)定時發(fā)電機所能輸出的最大功率，并進行比較，分析不同故障類型 對暫態(tài)穩(wěn)定的影響。將實驗結(jié)果與理論分析結(jié)果進行分析比較。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)，當系統(tǒng)出于振蕩臨界狀態(tài)時，記錄有功表讀數(shù)，最大電流 讀數(shù)可以從YHBm型微機保護裝置讀出。短路切除時間t=0.5s短路類型：單相接地短路QF1QF2QF3QF4QF5QF6Pmax(kW)最大短路電流（A）1111011.74.620101010.85.3911011

8、10.86.9801111116.93表2.單相書短路切除時間t=0.5s短路類型：兩7爰地短路相相間短路QF1QF2QF3QF4QF5QF6Pmax(kW)最大短路電流（A）1111011.26.04010101XX110111XX01111119.36表3.兩相本短路切除時間t=0.5s短路類型：兩7目間短路相接地短路QF1QF2QF3QF4QF5QF6Pmax(kW)最大短路電流（A）1111011.26.00010101XX110111XX0111111.29.12表4.兩相短路接地四、實驗數(shù)據(jù)分析1雙回路對稱運行與單回路對稱運行比較實驗通過表1中的實驗數(shù)據(jù)，可以看出以下的變化規(guī)律：（

9、1）在勵磁保持不變的情況下，對同一回路，回路中的三相電流隨著發(fā)電機輸出功率 的增加而增加。這是因為輸出功率的公式為P=UIcos0,發(fā)電機增加出力時會有電流增 加的現(xiàn)象。（2）勵磁保持不變，對同一回路，當發(fā)電機輸出功率增大時機端電壓和開關(guān)站處的電 壓都會有所下降。這是因為在發(fā)電機的同步電抗與線路電抗的影響下，發(fā)電機出力增加 線路電流增加，導致同步電抗與線路電抗上的壓降增加，并且由于勵磁保持不變，發(fā)電 機機端電壓與開關(guān)站母線電壓均會有所下降。（3）兩種回路運行方式進行比較，可以發(fā)現(xiàn)送出相同的無功功率時，雙回路系統(tǒng)比單 回路系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性更強。在發(fā)電機勵磁繞組通入額定勵磁電流時，雙回路運行最大傳

10、輸有功功率為1.9kW，單回路運行最大傳輸功率為1.2kW。功率傳輸方程 一 可以解釋這個現(xiàn)象，根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖可知，單回路運行的阻抗為，雙回路運行的阻抗為。其中 是發(fā)電機同步電抗，顯然單回路的運行阻抗要大于雙回路運行阻抗，所以雙回路運行可以傳輸更大的有功功率，在正常 情況下的靜穩(wěn)儲備系數(shù)更大。（4）同樣是由于線路阻抗的不同，輸出相同的功率時，單回路運行首末端的電壓降落 比雙回路運行要大。短路類型對暫態(tài)穩(wěn)定的影響實驗表2、3、4中的數(shù)據(jù)分別對應(yīng)單相接地短路、兩相相間短路、兩相短路接地時的實驗結(jié) 果。不對稱短路時，根據(jù)正序等效定則，相當于在正常等值電路中的短路點接入了一個附加 阻抗，改變系統(tǒng)阻抗

11、，影響系統(tǒng)輸出功率，使之與正常運行情況下的輸出有差別，使得功角 發(fā)生改變，進而影響系統(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。單相接地時附加電抗為負序電抗和零序電抗之和；兩相短路時附加電抗為負序電抗； 兩相接地短路時，附加電抗為負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，故障相斷路器動作，接著單相自動重合閘裝置將會動作， 一旦短路故障消失，單相重合閘裝置可以恢復線路正常供電。所以在實際系統(tǒng)發(fā)生單相接地 短路后，有一定的可能性會通過單相自動重合閘裝置恢復系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。在現(xiàn)實系統(tǒng)中， 單相接地是比較常見的故障，故障率高達70%。這類事故一般是由于線路與大地之間的

12、空氣 絕緣被某些導體破壞。由于連接線路與大地的導體上會通有很大的電流，所以這樣的導體往 往會因為電流熱效應(yīng)而燒毀，導體燒毀后，線路與大地之間的絕緣恢復，系統(tǒng)的自動重合閘 裝置可以幫助系統(tǒng)恢復穩(wěn)定運行狀態(tài)，所以自動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，單相自動重合閘裝置閉鎖，只要斷路器動作跳 閘，那么跳閘的那一段線路會立即停電。在故障排除后，才能重新合閘恢復供電。所以在此 次實驗中，使用兩相相間短路和兩相接地短路進行測試時，其結(jié)果受到短路前運行方式的影 響。從實驗結(jié)果來看，當斷路器QF3分閘時，一旦發(fā)生短路故障斷路器QF6和QF4會立即跳 開，發(fā)電機與無窮大系

13、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)電機通過第3段線路與無窮大系統(tǒng)相連，系統(tǒng)不會 崩潰，此時存在暫穩(wěn)功率極限。提高暫穩(wěn)措施的原理機制：強行勵磁與自動重合閘系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，發(fā)電機輸出的電磁功率驟然降低，而原動機的機械輸出功率來不 及變化，兩者失去平衡，發(fā)電機轉(zhuǎn)子將加速。故障切除后，發(fā)電機轉(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。強行勵磁可以提高發(fā)電機的電勢，增加發(fā)電機輸出的無功功率，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。且強行勵磁的速度快，在故障發(fā)生后可以立即動作， 對提升系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定有

14、良好的效果。但是強勵運行的發(fā)電機為了防止轉(zhuǎn)子過熱，工作時間 不得超過 30s-40s， 超過時間后發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的過勵限制器啟動，把勵磁電流拉回額定 值。所以在此段時間內(nèi)必須投入足夠的無功源進行支撐，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。電力系統(tǒng)中的短路故障大多是由網(wǎng)絡(luò)放電造成的，是暫時性的。在切斷線路經(jīng)過一段電 弧熄滅和空氣去游離的時間后，短路故障便完全消除了。這時，如果再把線路重新投入系統(tǒng)， 它便能繼續(xù)正常工作。所以采用自動重合閘裝置，用微機保護裝置切除故障線路后，經(jīng)過延 時一定時間將自動重合原線路，從而恢復全相供電，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

15、態(tài)穩(wěn)定思考題.影響簡單系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性的因素是哪些？答：由靜穩(wěn)系數(shù)一可以看出，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)電機電勢、正常運行時發(fā)電機功角。.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)電機和變壓器的電抗，減少線路電抗（采用分裂導線）；（2）提高運行電壓水平；（3）改善電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；（4）采用串聯(lián)電容器補償；（5）采用自動勵磁調(diào)節(jié)裝置；（6）采用直流輸電。.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 地認為電壓損耗等于電壓降

16、落的縱向分量，在不考慮電壓降落的橫分量時，電壓降落的幅值 可以看作與電壓損耗相等。.“兩表法”測量三相功率的原理是什么？它有什么前提條件？答：兩表法測量三相功率的示意圖如下（圖2）：三相負載圖2. 兩表法測量三相功率從上圖中看到功率表W1測量了 AB線電壓，與A相線電流；W2測量了 BC線電壓，與C 相線電流，兩個功率表測得數(shù)值之和為：在三相三線制系統(tǒng)中有：所以兩表功率之和可以改寫為：將三相三線制系統(tǒng)中的電流關(guān)系式代入功率式可得所以用兩表可以測出三相功率，兩表所測數(shù)值之和即為三相功率值。但是由推導過程可 知，這種方法只適用于三相三線制系統(tǒng)。在配電網(wǎng)中很難保證三相對稱，所以必須引入第四 根線，組

17、成三相四線制系統(tǒng)，在三相四線制系統(tǒng)中只能用三表法測出三相功率。暫態(tài)穩(wěn)定思考題.不同短路狀態(tài)下對系統(tǒng)阻抗產(chǎn)生影響的機理是什么？答：不對稱短路時，根據(jù)正序等效定則，相當于在正常等值電路中的短路點接入了一個附加 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,將它們用對稱分量 法分解，得到各序分量之間表示的邊界條件，采用復合序網(wǎng)或結(jié)合各序等效電路分析，便可以得到其附加電抗為負序電抗與零序電抗之和，即；(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 其附加電抗為負序電抗，即 ；(3)兩相短路接地：以BC

18、兩相接地短路為例，其邊界條件為Ia=0、Ub=0、Uc=0,得到其 附加電抗為負序電抗與零序電抗的并聯(lián)值，即。由上面三條可知，附加電抗不同，短路后的短路電流也會有所不同。.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)采用自動重合閘；(3)發(fā)電機快速強勵磁；(4)發(fā)電機電氣制動；(5)變壓器中性點經(jīng)小電阻接地；(6)快速關(guān)閉汽門；(7)切發(fā)電機和切負荷；(8)設(shè)置中間開關(guān)站；(9)輸電線路強行串聯(lián)補償.對失步處理的方法(注意事項3中提到)的理論根據(jù)是什么？答：對失步處理的方法如下：通過勵磁調(diào)節(jié)器增磁按鈕，使發(fā)電機的電壓增大；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 鈕減小原動機的輸入功率。其理論依據(jù)在于：(1)可以通過勵磁調(diào)節(jié)器增磁按鈕，使發(fā)電機的電壓增大，在于：系統(tǒng)發(fā)生短路故障時， 發(fā)電機輸出的電磁功率驟然降低，而原動機的機械輸出功率來不及變化，兩者失去平衡，發(fā) 電機轉(zhuǎn)子將加速。而迅速增磁提高發(fā)電機的電勢，可以增加發(fā)電機的輸出功率，即可使原動 機輸出與發(fā)電機輸出盡可能達到功率平衡，可以有效地減小失步引起的不利影響；如系統(tǒng)沒