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。

三、实验项目和方法

   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

注：U_Z —中间开关站电压；

DU —输电线路的电压损耗；

△—  输电线路的电压降落

四、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。

五、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：，U为相电压。

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。

六、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。

单机无穷大系统稳态实验：

一、     整理实验数据，说明单回路送电和双回路送电对电力系统稳定运行的影响，并对实验结果进行理论分析：

实验数据如下:

由实验数据，我们得到如下变化规律：

（1）保证励磁不变的情况下，同一回路，随着有功输出的增加，回路上电流也在增加，这是因为输出功率P=UIcos Φ，机端电压不变所以电流随着功率的增加而增加；

 （2）励磁不变情况下，同一回路，随着输出功率的增大，首端电压减小，电压损耗也在减小，这是由于输出功率的增大会使发电机输出端电压降低，在功率流向为发电机到系统的情况下，即使电压虽好降低有由于电压降落的横向分量较小，所以电压降落近似为电压损耗；

（3）出现电压降落为负的情况是因为系统倒送功率给发电机的原因。

 单回路供电和双回路供电对电力系统稳定性均有一定的影响，其中双回路要稳定一些，单回路稳定性较差。

二、根据不同运行状态的线路首、末端和中间开关站的实验数据、分析、比较运行状态不同时，运行参数变化的特点和变化范围。

由实验数据，我们可以得到如下结论：

（1）送出相同无功相同有功的情况下：单回路所需励磁电压比双回路多，线路电流大小相等，单回路的电压损耗比双回路多；（eg.P=1,Q=0.5时）

  （2）送出相同无功的条件下，双回路比单回路具有更好的静态稳定性，双回路能够输送的有功最大值要多于单回路；

  发生这些现象的原因是：双回路电抗比单回路小，所以所需的励磁电压小一些，电压损耗也要少一些，而线路电流由于系统电压不改变；此外，由于电抗越大，稳定性越差，所以单回路具有较好的稳定性。

三、思考题：

1、影响简单系统静态稳定性的因素是哪些？

答：由静稳系数SEq=EV/X，所以影响电力系统静态稳定性的因素主要是：系统元件电抗，系统电压大小，发电机电势以及扰动的大小。

2、提高电力系统静态稳定有哪些措施？

答：提高静态稳定性的措施很多，但是根本性措施是缩短"电气距离"。主要措施有:

(1)、减少系统各元件的电抗:减小发电机和变压器的电抗，减少线路电抗(采用分裂导线);

(2)、提高运行电压水平;

(3)、改善电力系统的结构;

(4)、采用串联电容器补偿;

(5)、采用自动励磁调节装置;

(6)、采用直流输电。

3、何为电压损耗、电压降落？

   答：电压损耗指的是输电线路首末两端电压的数值差；

       电压降落指的是首末两端电压的相量差。

4、“两表法”测量三相功率的原理是什么？它有什么前提条件？

  答：原理：在测A、B、C三相总功率时，可以用两只功率表接在AB及BC间，测得的值相加即可。功率表的测量原理是测得电压、电流及其功率角，然后由P=UIcosΦ得到功率的大小，该种接法测得的是线电压、线电流及其夹角，相对于相电压相电流之间夹角而言，增加了120°，若相角为0°，则总功率P=3UI，采用两表发测得的功率为P=2UIcos120°√3=3UI，所以可以用两表法测得。

前提条件：在负荷平衡的三相系统中可以用两表法测三相功率----三相三线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。

电 力 系 统 暂 态 稳 定 实 验

一、．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。

各种短路类型获得的实验数据如下：

通过对比，我们可以看出同样的短路故障切除时间在不同短路类型下对系统稳定性的影响不一样：

不对称短路时，根据正序等效定则，相当于在正常等值电路中的短路点接入了一个附加阻抗，改变系统阻抗，影响系统输出功率，使之与正常运行情况下的输出有差别，影响功角，进而影响系统的稳定性。由于不同短路情况下的附加电抗不一样，所以影响也不一样。单相接地时附加电抗为负序电抗和零序电抗之和，两相短路时附加电抗为负序电抗，两相接地短路时附加电抗附加电抗为负序电抗与零序电抗并联。

由等面积定则可以得到，保持暂态稳定的条件是最大减速面积大于加速面积，附加电抗越大，故障时的功率特性曲线离原动机输出越远，在相同切除时间时，加速面积较大，极限切除角减小，相当于暂态稳定性降低。

二、通过试验中观察到的现象，说明二中提高暂态稳定的措施对系统稳定性作用机理。

答：系统发生短路故障时，发电机输出的电磁功率骤然降低，而原动机的机械输出功率来不及变化，两者失去平衡，发电机转子将加速。

强行励磁可以提高发电机的电势，增加发电机的输出功率，即可使原动机输出与发电机输出功率平衡，可以有效地减小失步引起的不利影响。且强行励磁的速度越快、强励倍数越大，效果越好。

电力系统中的短路故障大多是由网络放电造成的，是暂时性的，在切断线路经过一段电弧熄灭和空气去游离的时间轴，短路故障便完全消除了。这时，如果再把线路重新投入系统，它便能继续正常工作。

所以采用自动重合闸装置，用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，即可提高了故障切除后的功率特性曲线，即提高系统的暂态稳定性。

三、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？

不对称短路时，根据正序等效定则，相当于在正常等值电路中的短路点接入了一个附加阻抗，改变了系统阻抗：

 （1）单相接地短路：以A相短路为例，由边界条件Ua=0、Ib=0、Ic=0，将它们用对称分量法分解，得到各序分量之间表示的边界条件，采用复合序网或结合各序等效电路分析，便可以得到其附加电抗X△=X2+X0；

 （2）两相相间短路：以BC两相间短路为例，其边界条件为Ub=Uc、Ib+Ic=0、Ia=0，得到其附加电抗为X△=X2；

（3）两相接地短路：以BC两相接地短路为例，其边界条件为Ia=0、Ub=0、

Uc=0，得到其附加电抗为X△=X2//X0。

2．提高电力系统暂态稳定的措施有哪些？

答：（1）快速切除故障；

   （2）采用自动重合闸；

   （3）发电机快速强励磁；

   （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．对失步处理的方法（注意事项3中提到）的理论根据是什么？

答：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。

 其理论依据在于：

（1）    可以通过励磁调节器增磁按钮，使发电机的电压增大，在于：系统发生短路故障时，发电机输出的电磁功率骤然降低，而原动机的机械输出功率来不及变化，两者失去平衡，发电机转子将加速。而迅速增磁提高发电机的电势，可以增加发电机的输出功率，即可使原动机输出与发电机输出功率平衡，可以有效地减小失步引起的不利影响；

（2）    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，原因在于：减小系统阻抗，可以使原动机所带负荷减少，即其转速相对降低，这样，在发生短路故障时，原动机和发电机的输出功率不平衡程度也相对减轻一些；

（3）    通过调速器的减速按钮减小原动机的输入功率也可以作为减小故障影响，因为这也相当于减少转轴上的不平衡功率。

4．自动重合闸装置对系统暂态稳定的影响是什么？

答：自动重合闸装置即是开关设备自动进行重新投入输电线路的操作，只要该装置在极限切除角之前的功角处自动合闸，即可使系统保持暂态稳定。但是需注意一点，重合闸时间必须大于潜供电弧熄灭时间，一面是线路再次受到短路故障的冲击，可能会大大恶化系统的暂态稳定性甚至破坏整个系统的稳定。

第二篇：电力系统实验报告

单机无穷大系统稳态实验：

一、     整理实验数据，说明单回路送电和双回路送电对电力系统稳定运行的影响，并对实验结果进行理论分析：

实验数据如下:

由实验数据，我们得到如下变化规律：

（1）保证励磁不变的情况下，同一回路，随着有功输出的增加，回路上电流也在增加，这是因为输出功率P=UIcos Φ，机端电压不变所以电流随着功率的增加而增加；

 （2）励磁不变情况下，同一回路，随着输出功率的增大，首端电压减小，电压损耗也在减小，这是由于输出功率的增大会使发电机输出端电压降低，在功率流向为发电机到系统的情况下，即使电压虽好降低有由于电压降落的横向分量较小，所以电压降落近似为电压损耗；

（3）出现电压降落为负的情况是因为系统倒送功率给发电机的原因。

 单回路供电和双回路供电对电力系统稳定性均有一定的影响，其中双回路要稳定一些，单回路稳定性较差。

二、根据不同运行状态的线路首、末端和中间开关站的实验数据、分析、比较运行状态不同时，运行参数变化的特点和变化范围。

由实验数据，我们可以得到如下结论：

（1）送出相同无功相同有功的情况下：单回路所需励磁电压比双回路多，线路电流大小相等，单回路的电压损耗比双回路多；（eg.P=1,Q=0.5时）

  （2）送出相同无功的条件下，双回路比单回路具有更好的静态稳定性，双回路能够输送的有功最大值要多于单回路；

  发生这些现象的原因是：双回路电抗比单回路小，所以所需的励磁电压小一些，电压损耗也要少一些，而线路电流由于系统电压不改变；此外，由于电抗越大，稳定性越差，所以单回路具有较好的稳定性。

三、思考题：

1、影响简单系统静态稳定性的因素是哪些？

答：由静稳系数SEq=EV/X，所以影响电力系统静态稳定性的因素主要是：系统元件电抗，系统电压大小，发电机电势以及扰动的大小。

2、提高电力系统静态稳定有哪些措施？

答：提高静态稳定性的措施很多，但是根本性措施是缩短"电气距离"。主要措施有:

(1)、减少系统各元件的电抗:减小发电机和变压器的电抗，减少线路电抗(采用分裂导线);

(2)、提高运行电压水平;

(3)、改善电力系统的结构;

(4)、采用串联电容器补偿;

(5)、采用自动励磁调节装置;

(6)、采用直流输电。

3、何为电压损耗、电压降落？

   答：电压损耗指的是输电线路首末两端电压的数值差；

       电压降落指的是首末两端电压的相量差。

4、“两表法”测量三相功率的原理是什么？它有什么前提条件？

  答：原理：在测A、B、C三相总功率时，可以用两只功率表接在AB及BC间，测得的值相加即可。功率表的测量原理是测得电压、电流及其功率角，然后由P=UIcosΦ得到功率的大小，该种接法测得的是线电压、线电流及其夹角，相对于相电压相电流之间夹角而言，增加了120°，若相角为0°，则总功率P=3UI，采用两表发测得的功率为P=2UIcos120°√3=3UI，所以可以用两表法测得。

前提条件：在负荷平衡的三相系统中可以用两表法测三相功率----三相三线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。

电 力 系 统 暂 态 稳 定 实 验

一、．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。

各种短路类型获得的实验数据如下：

通过对比，我们可以看出同样的短路故障切除时间在不同短路类型下对系统稳定性的影响不一样：

不对称短路时，根据正序等效定则，相当于在正常等值电路中的短路点接入了一个附加阻抗，改变系统阻抗，影响系统输出功率，使之与正常运行情况下的输出有差别，影响功角，进而影响系统的稳定性。由于不同短路情况下的附加电抗不一样，所以影响也不一样。单相接地时附加电抗为负序电抗和零序电抗之和，两相短路时附加电抗为负序电抗，两相接地短路时附加电抗附加电抗为负序电抗与零序电抗并联。

由等面积定则可以得到，保持暂态稳定的条件是最大减速面积大于加速面积，附加电抗越大，故障时的功率特性曲线离原动机输出越远，在相同切除时间时，加速面积较大，极限切除角减小，相当于暂态稳定性降低。

二、通过试验中观察到的现象，说明二中提高暂态稳定的措施对系统稳定性作用机理。

答：系统发生短路故障时，发电机输出的电磁功率骤然降低，而原动机的机械输出功率来不及变化，两者失去平衡，发电机转子将加速。

强行励磁可以提高发电机的电势，增加发电机的输出功率，即可使原动机输出与发电机输出功率平衡，可以有效地减小失步引起的不利影响。且强行励磁的速度越快、强励倍数越大，效果越好。

电力系统中的短路故障大多是由网络放电造成的，是暂时性的，在切断线路经过一段电弧熄灭和空气去游离的时间轴，短路故障便完全消除了。这时，如果再把线路重新投入系统，它便能继续正常工作。

所以采用自动重合闸装置，用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，即可提高了故障切除后的功率特性曲线，即提高系统的暂态稳定性。

三、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？

不对称短路时，根据正序等效定则，相当于在正常等值电路中的短路点接入了一个附加阻抗，改变了系统阻抗：

 （1）单相接地短路：以A相短路为例，由边界条件Ua=0、Ib=0、Ic=0，将它们用对称分量法分解，得到各序分量之间表示的边界条件，采用复合序网或结合各序等效电路分析，便可以得到其附加电抗X△=X2+X0；

 （2）两相相间短路：以BC两相间短路为例，其边界条件为Ub=Uc、Ib+Ic=0、Ia=0，得到其附加电抗为X△=X2；

（3）两相接地短路：以BC两相接地短路为例，其边界条件为Ia=0、Ub=0、

Uc=0，得到其附加电抗为X△=X2//X0。

2．提高电力系统暂态稳定的措施有哪些？

答：（1）快速切除故障；

   （2）采用自动重合闸；

   （3）发电机快速强励磁；

   （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．对失步处理的方法（注意事项3中提到）的理论根据是什么？

答：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。

 其理论依据在于：

（1）    可以通过励磁调节器增磁按钮，使发电机的电压增大，在于：系统发生短路故障时，发电机输出的电磁功率骤然降低，而原动机的机械输出功率来不及变化，两者失去平衡，发电机转子将加速。而迅速增磁提高发电机的电势，可以增加发电机的输出功率，即可使原动机输出与发电机输出功率平衡，可以有效地减小失步引起的不利影响；

（2）    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，原因在于：减小系统阻抗，可以使原动机所带负荷减少，即其转速相对降低，这样，在发生短路故障时，原动机和发电机的输出功率不平衡程度也相对减轻一些；

（3）    通过调速器的减速按钮减小原动机的输入功率也可以作为减小故障影响，因为这也相当于减少转轴上的不平衡功率。

4．自动重合闸装置对系统暂态稳定的影响是什么？

答：自动重合闸装置即是开关设备自动进行重新投入输电线路的操作，只要该装置在极限切除角之前的功角处自动合闸，即可使系统保持暂态稳定。但是需注意一点，重合闸时间必须大于潜供电弧熄灭时间，一面是线路再次受到短路故障的冲击，可能会大大恶化系统的暂态稳定性甚至破坏整个系统的稳定。

姓名：阳江华

学号：0843031509

班级：08303015

任课老师：刘天琪