电力课程综合教程 2

第三章

电力系统物理模拟实验目录3.电力系统物理模拟实验3.1电力系统动态模拟实验3.2电力系统保护与控制实验3.1电力系统动态模拟实验

电力系统动态模拟实验是以电力系统动态模拟基本原理为理论基础，主要研究电力系统运行过程中复杂多变的物理特性，能够准确地展现电力系统中电流、电压、功率、频率、功角等关键参数的动态变化过程，是研究电力系统的重要工具。通过电力系统动态模拟实验，学生可以直观地了解和认识电力系统运行的基本规律，系统掌握电机学电力系统分析电力系统保护与控制等课程讲授的专业知识。3.1.1电力系统动态模拟基本原理

电力系统动态模拟是一种物理模拟，电力系统动态模拟模型是一个“缩小”的电力系统，其各类元件如发电机、原动机、变压器、输电线和不同类型的综合负荷，在物理性质上都与对应的实际电力系统元件类似。电力系统动态模拟模型设计的依据是相似理论，相似理论中的相似标准保证了模型与原型的相似性。3.1.1电力系统动态模拟基本原理同步发电机模拟

根据同步发电机的相似标准，要求模拟同步发电机与实际同步发电机的主要参数标幺值及时间常数相等。主要为以下参数的标幺值相等。电枢反应电抗定子绕组漏抗励磁绕组电抗阻尼绕组漏抗定子绕组电阻励磁绕组电阻阻尼绕组电阻惯性时间常数3.1.1电力系统动态模拟基本原理励磁系统模拟

励磁系统包括励磁回路、励磁电源（励磁机或可控硅励磁）、励磁调节装置、电阻补偿机、励磁开关。励磁系统模拟的关键是保证励磁系统的时间常数和工作特性相似。具有电阻补偿与电压变换功能的励磁系统如下图。

3.1.1电力系统动态模拟基本原理

具有电阻补偿功能的励磁系统是将电阻补偿机串接在励磁回路中，其励磁回路方程可表示为

此时励磁回路的时间常数可表示为3.1.1电力系统动态模拟基本原理原动机模拟

通常采用直流电动机及直流调速系统来模拟大型同步发电机组原动机，要求直流电动机与原型相似的机械特性即转矩-转速的45°特性。3.1.1电力系统动态模拟基本原理

原动机模拟调速系统如下图。实际转速信号与转速给定值进行比较，速度差值经速度调节后与交流侧反馈信号进行比较，然后经电流调节后生成控制电压，最后经过移相触发单元生成可控硅控制导通角控制信号。3.1.1电力系统动态模拟基本原理变压器模拟

通常要求变压器过渡过程相似，不要求变压器模型的电场、磁场与原型相似。主要为以下参数的标幺值相等。短路电抗短路损耗空载损耗空载电流空载特性绕组接线方式相同3.1.1电力系统动态模拟基本原理输电线路模拟

通常采用分段集中参数的等值链型电路模拟实际输电线路，只要求线路上某些节点的电压、电流随时间的变化过程相似。输电线模拟的一个Π型等值网络如下图。3.1.1电力系统动态模拟基本原理电力负荷模拟

电力负荷模拟采用近似方法，只对某些典型的负荷运行情况进行模拟，同时以集中式负荷代替分散式负荷。只模拟功率模拟比、等效电阻标幺值、电抗标幺值和惯性时间常数等主要参数。异步电动机负荷模拟：占总负荷的55%~60%同步电动机负荷模拟：占总负荷的10%~15%照明及电热负荷模拟：占总负荷的15%~20%3.1.2电力系统动态模拟实验台

电力系统动态模拟实验台该实验平台由同步发电机、励磁系统、原动机及调速系统、同期系统、输电线路、无限大系统、短路故障设置系统等组成，集中展示了电力系统发电、输电、变电、用电的全过程。3.1.2电力系统动态模拟实验台原动机调速系统

原动机调速系统的功能是为原动机提供电枢电压，并网前通过改变电枢电压来调节原动机转速；并网后通过改变电枢电压来调节调节原动机的有功功率输出。通过控制模式切换开关可将调速系统设置为手动控制模式或自动控制模式。3.1.2电力系统动态模拟实验台手动控制模式下，通过启停按钮来控制原动机的启动与停止，通过调速旋钮来控制原动机的电枢电压进而达到控制转速或输出功率的目的。注意：原动机转速不能超过1800r/min，如果转速超过1800r/min，应该立即关闭电源开关）3.1.2电力系统动态模拟实验台自动控制模式下，通过微机调速系统来控制原动机。微机调速系统触摸屏上点击【转速闭环】按钮进入恒转速控制界面。3.1.2电力系统动态模拟实验台

在【转速给定】数值框中输入数值后点击【启动】按钮就可以控制原动机启动，然后点击【转速加】或【转速减】按钮可以控制转速增加或减小。3.1.2电力系统动态模拟实验台同步发电机励磁调节系统

同步发电机励磁调节系统采用三相全控整流电路将交流电压整流成可以调节的直流电压，为同步发电机励磁绕组提供励磁电流或电压。通过控制模式切换开关可将同步发电机励磁调节系统设置为手动控制模式或自动控制模式。3.1.2电力系统动态模拟实验台手动控制模式下，采用恒励磁电流控制方式。通过启停按钮来控制励磁系统的启动与停止，通过励磁旋钮来控制同步发电机的励磁电流。注意：同步发电机定子相电压不能超过240V，如果定子相电压超过240V，应该立即关闭电源开关。3.1.2电力系统动态模拟实验台自动控制模式下，通过微机励磁调节系统来控制同步发电机励磁电压。微机励磁系统触摸屏上点击【他励模式】按钮后，再点击【电压闭环】按钮进入恒电压控制界面。3.1.2电力系统动态模拟实验台

在【电压给定】数值框中输入数值后点击【恒Ug启动】按钮就可以控制同步发电机励磁系统启动，然后点击【电压增】或【电压减】按钮可以控制同步发电机励磁增加或减小。3.1.2电力系统动态模拟实验台同期系统

同期系统分别检测同步发电机出口断路器两侧的相序、电压、频率信号，并计算压差、频差、相位差，然后在同期系统界面上显示。根据同期控制方式不同，可以选择手动并网模式、半自动并网模式和自动并网模式。3.1.2电力系统动态模拟实验台手动并网模式下，通过手动调速旋钮调节频差，励磁旋钮调节压差。在频差和压差满足并网要求后，再根据“同期相位指示”判断相位差是否满足并网条件，指示灯旋转至12点位置表示同步发电机和系统侧的相位相同。3.1.2电力系统动态模拟实验台自动并网模式下，微机同期系统通过控制微机调速系统和微机励磁系统，自动调压及调频，当频差、压差、相位差满足并网条件时自动闭合并网开关。3.1.2电力系统动态模拟实验台半自动并网模式下，通过控制微机调速系统和微机励磁系统，手动调压及调频，当频差、压差、相位差满足并网条件时手动闭合并网开关。3.1.2电力系统动态模拟实验台输电线路

采用双回路输电线路，每回输电线路由两段集中参数RLC构成，并设置有中间开关站。通过控制开关QF1~QF4可以构成4种不同的线路阻抗。3.1.2电力系统动态模拟实验台无限大系统

无限大母线上的电压幅值和相角是恒定不变的，频率为电网频率。这里采用三相交流电源经1台调压器和1台变压器组成无限大系统（注：无限大系统的变压器和调压器容量都应足够）。3.1.2电力系统动态模拟实验台短路故障设置系统

为了研究不同短路故障对电力系统的影响，在实验系统中配置了输电线路的短路故障模拟。故障类型包括单相接地短路、两相相间短路、两相接地短路、三相相间短路和三相接地短路等。3.1.3同步发电机参数在线测定实验目的

掌握同步发电机参数在线测定的实验方法，通过实验加深对同步发电机电磁关系基本理论的理解。3.1.3同步发电机参数在线测定实验原理

通过在线静态测定同步发电机的同步电抗可以分析研究不同运行方式下同步电抗的变化情况。需要注意的是，在不同运行方式下测定同步发电机参数时，需要考虑同步发电机磁路饱和的影响。3.1.3同步发电机参数在线测定同步发电机相量图如下。同步发电机稳态时的电压方程为3.1.3同步发电机参数在线测定实验步骤3.1.3同步发电机参数在线测定实验数据3.1.3同步发电机参数在线测定实验报告要求计算不同运行方式下同步发电机的同步电抗，并绘制出相应曲线进行比较。分析运行方式对同步发电机的同步电抗的影响。3.1.4同步发电机静态安全运行极限测定实验目的掌握同步发电机静态安全运行极限测定的实验方法，通过实验加深理解同步发电机静态安全运行极限的基本理论。实验原理掌握同步发电机静态安全运行极限测定的实验方法，通过实验加深理解同步发电机静态安全运行极限的基本理论。3.1.4同步发电机静态安全运行极限测定同步发电机静态安全运行极限定子发热和绝缘限制（由定子励磁电流决定）转子发热限制（由转子励磁电流决定）原动机极限输出功率限制同步发电机功角运行极限限制（由静态稳定条件决定)3.1.4同步发电机静态安全运行极限测定同步发电机静态安全运行极限（有功-无功极限曲线）3.1.4同步发电机静态安全运行极限测定实验步骤（注：每个状态点的定子电压均为220V）3.1.4同步发电机静态安全运行极限测定实验数据3.1.4同步发电机静态安全运行极限测定实验报告要求根据给定的同步发电机参数和定子电流、励磁电流、有功功率及功角的极限值，用作图法绘制同步发电机静态安全运行极限曲线。根据实验数据，绘制同步发电机静态安全运行极限曲线。比较上述两种方法得到的同步发电机静态安全运行极限曲线，分析作图法和实验方法中出现误差的原因。3.1.4同步发电机静态安全运行极限测定3.1.5电力系统静态稳定性测定实验目的掌握电力系统并列运行的静态稳定性和提高静态稳定性的措施，通过实验加深理解电力系统静态稳定性的基本理论。3.1.5电力系统静态稳定性测定实验原理电力系统正常运行中，假设原动机输入功率保持不变，当同步发电机在受到小的扰动时，功角随之发生变化，在扰动消失后功角可以自行恢复到原来的平衡状态并继续保持同步运行的能力称为电力系统静态稳定性。3.1.5电力系统静态稳定性测定电力系统稳定性的基本概念（电力系统安全稳定导则）电力系统的稳定性：电力系统受到扰动后保持稳定运行的能力。按照扰动大小划分：小干扰稳定、大干扰稳定按照失稳形态划分：功角稳定、电压稳定、频率稳定静态功角稳定：电力系统受到小扰动后，不发生功角非周期性失步，自动恢复到起始运行状态的能力。暂态功角稳定：电力系统受到大扰动后，各同步发电机保持同步运行并过渡到新的或恢复到原来稳态运行方式的能力（通常指保持第一、第二摆不失步）。动态功角稳定：电力系统受到小扰动或大扰动后，在自动调节和控制装置的作用下，保持长过程功角稳定的能力。3.1.5电力系统静态稳定性测定隐极同步发电机功角特性方程为静态稳定：静态不稳定：静态稳定极限：静态稳定储备系数：3.1.5电力系统静态稳定性测定实验方法输电线路为双回线时，保持空载励磁电流不变，测定功角特性曲线输电线路为单回线时，保持空载励磁电流不变，测定功角特性曲线输电线路为单回线时，保持发电机半载时的励磁电流不变，测定功角特性曲线输电线路为单回线时，通过手动励磁调节保持定子电压不变，测定功角特性曲线输电线路为单回线时，投运自动励磁调节保持定子电压不变，测定功角特性曲线3.1.5电力系统静态稳定性测定实验数据3.1.5电力系统静态稳定性测定实验报告要求将实验测得各种运行方式下的同步发电机功角特性曲线绘制在同一个坐标上。分析比较各种运行方式下同步发电机的功角特性曲线。3.2电力系统保护与控制实验电力系统保护与控制实验主要研究各种保护与控制装置的构成原理、整定计算原则和调试方法。通过电力系统保护与控制实验，学生可以直观地了解和认识保护装置的保护原理和动作过程，确保当电力系统发生故障时，保护装置能自动、迅速、有选择性地切除故障，使非故障部分快速恢复供电；当电力系统发生不正常运行状态时，保护装置能正确动作并发出报警信号。3.2.1电力系统保护与控制实验台电力系统保护与控制实验台是用来测试电流保护、电压保护和微机保护的综合实验装置。实验台上配置有电磁型继电器、高压输电线路成套保护装置、实验开关、测量仪表、故障指示灯和直流电源等。3.2.1电力系统保护与控制实验台电磁型继电保护装置电磁型过电流继电器：当两线圈串联时动作电流范围为1.5～3.0A；当两线圈并联时动作电流范围为3.0～6.0A电磁型低电压继电器：当两线圈串联时动作电压范围为80～160V；当两线圈并联时动作电压范围为40～80V电磁型时间继电器：线圈额定电压为100V，计时范围为0~9.99s3.2.1电力系统保护与控制实验台微机保护装置

采用南瑞继保PCS-941型高压输电线路成套保护装置，可用作110kV输电线路的主保护及后备保护，具有完整的三段相间和接地距离保护、四段零序方向过流保护、低周保护，配置有三相一次重合闸功能、过负荷警告功能、频率跟踪采样功能等。3.2.2保护测试仪保护测试仪

保护测试仪可输出多达6相电压6相电流，任意组合实现常规4相电压3相电流型、4相电压6相电流并联型以及12相型输出模式，具有交流试验”、“直流试验”、“交直流试验”、“谐波试验”、以及“状态系列”等子测试模块。模拟各种电力系统故障情况测试继电保护装置的動作特性测试继电保护装置的稳定性测试继电保护装置的灵敏度测试继电保护装置的选择性3.2.2保护测试仪交流试验模块

交流试验模块具有独立的四相电压三相电流测试单元、四相电压三相并联电流测试单元及六相电压六相电流测试单元和按序分量输出测试单元。交流电流单相最大输出为30A交流电压单相最大输出为120V各相电压、电流输出均可

任意设置频率、幅值和相位3.2.2保护测试仪短路计算

当需要模拟更复杂的试验时，请点击工具栏中的短路计算按钮，将弹出“短路计算”对话框，可以设置故障类型、故障方向、整定阻抗、短路阻抗倍数等参数。故障类型：单相接地短路、两相短路和三相短路故障方向：正向故障或反向故障短路计算模型：可选择选择“短路电流不变”或择“短路电压不变“3.2.2保护测试仪直流试验模块

交流试验模块提供专门的直流电压和电流输出，主要是为了满足做直流电压继电器、时间继电器、中间继电器等试验的要求。直流电流每相最大输出为10A直流电压每相最大输出为±160V每相电压、电流输出均可任意设置幅值3.2.2保护测试仪状态系列试验模块

状态系列试验模块可以添加多个状态,每个状态可根据试验需要任意定义交流电压、电流数据，模拟复杂的电网状态变化。可以灵活控制多个状态输出，每个状态可以输出6相电压、6相电流每个状态可以关闭、增删、插入，状态可以重新命名，也可以设置多种触发方式3.2.2保护测试仪线路保护试验模块

线路保护试验模块可以完成阻抗定值、零序电流定值、负序电流定值的校验、z/t动作阶梯、自动重合闸及后加速、非全相零序保护定值校验、工频变化量阻抗元件定值校验和最大灵敏角测试线路保护等8个试验项目的定值校验。可以完成多种高、低压线路保护试验项目能校验检同期重合闸、非全相、工频变化量阻抗等复杂的保护功能3.2.3电磁型电流电压时间继电器

特性验证实验实验目的

掌握电力系统中常用的电磁型继电器的构造原理和基本特性，学习其调整校验的实验方法。实验内容测量DL-32电磁型过电流继电器的动作电流和返回电流，并计算返回系数测量DY-36电磁型低电压继电器的动作电压和返回电压，并计算返回系数测量DS-36电磁型时间继电器的延时动作时间3.2.3电磁型电流电压时间继电器

特性验证实验实验接线继电保护测试仪：用作三相交流电流源（单相电流0~30A）或三相交流电压源（单相电压0~120V）

电磁型继电器：DL-32电磁型过电流继电器，DY-36电磁型低电压继电器，DS-36电磁型时间继电器故障指示灯、实验开关、电流/电压表3.2.3电磁型电流电压时间继电器

特性验证实验DL-32电磁型过电流继电器实验中测量动作电流值、返回电流值、计算返回系数电磁型过电流继电器工作原理：当实验回路发生过电流故障，线圈电流高于整定值时，铁芯和线圈共同产生的电磁力大于返回弹簧的拉力，使得衔铁吸向铁芯，从而带动常开触点吸合。如果用常开触点控制故障指示灯，实验回路发生过电流故障时，故障指示灯点亮3.2.3电磁型电流电压时间继电器

特性验证实验DL-32电磁型过电流继电器原理接线图过电流继电器整定值设定：串联、并联方式下各选取三个整定值进行实验两个线圈串联时，动作电流值≥1×整定值两个线圈并联时，动作电流值≥2×整定值3.2.3电磁型电流电压时间继电器

特性验证实验DY-36电磁型低电压继电器实验中测量动作电流值、返回电流值、计算返回系数电磁型低电压继电器工作原理：实验回路处于正常状态下，线圈电压高于整定值时，铁芯和线圈共同产生电磁力大于返回弹簧拉力，衔铁吸向铁芯，常闭触点断开。当实验回路发生低电压故障，线圈电压低于整定值时，返回弹簧拉力大于电磁吸力，衔铁恢复初始位置，常闭触点恢复闭合。如果用常闭触点控制故障指示灯，实验回路发生低电压故障时，故障指示灯点亮3.2.3电磁型电流电压时间继电器

特性验证实验DS-36电磁型时间继电器实验中测量延时动作时间电磁型时间继电器工作原理：当继电器线圈接受到动作信号后不会立即动作，而是经过固定的延时，才改变其输出时间继电器只有一个线圈，选取五个整定值进行实验，每个整定值测量1次实验数据3.2.3电磁型电流电压时间继电器

特性验证实验实验报告要求解释影响继电器的返回系数的因素有哪些？为什么返回系数不能等于1？解释时间继电器、中间继电器和信号继电器等辅助继电器的作用是什么？3.2.3电磁型电流电压时间继电器

特性验证实验3.2.4使用微机线路成套保护的方向

距离继电器特性验证实验实验目的

了解成套微机线路保护装置的构成原理，掌握方向距离继电器的最大灵敏角、特性圆和精确工作电流的测量方法。实验内容通过测试仪模拟AB相间短路，测量方向阻抗继电器最灵敏角通过测试仪模拟AB相间短路，测量方向阻抗继电器阻抗特性，绘制阻抗特性圆通过测试仪模拟AB相间短路，测量方向阻抗继电器精确工作电流实验接线3.2.4使用微机线路成套保护的方向

距离继电器特性验证实验最灵敏角测量方法测量不同阻抗角的临界动作电压U动作（选取65°~75°），通过比较临界动作电压的大小，得到最大临界动作电压，其所对应的阻抗角即为最灵敏角实验条件：故障为AB相间短路UA=UB（短路电压）UC=57.735V（正常值）IA=IB=5A（短路电流）IC=0A（空载），Z故障=2Ω3.2.4使用微机线路成套保护的方向

距离继电器特性验证实验3.2.4使用微机线路成套保护的方向

距离继电器特性验证实验根据阻抗圆特性，当阻抗角等于最灵敏角时保护范围最大，即临界动作电压最大其他角度（大于或小于灵敏角）的临界动作电压均小于灵敏角对应的动作电压3.2.4使用微机线路成套保护的方向

距离继电器特性验证实验步骤角度动作电压是否动作动作电压是否动作结论170°30.81√30.82×临界动作电压在17.81~30.82；70°可能是最灵敏角269°30.81×30.82×69°及以下角度肯定不是最灵敏角371°30.81√30.82×临界动作电压在30.81~30.82；71°可能是最灵敏角472°30.81×30.82×72°及以上角度肯定不是最灵敏角5最灵敏角可能是70°或71°，临界动作电压在30.810至30.820之间，逐点比较确定最灵敏角时，可取角度的范围边界都要找到，并标明判据阻抗特性圆测量方法在0°~360°范围内选取11个角度，测量临界动作电压，绘制阻抗特性圆实验条件：故障为AB相间短路UA=UB（短路电压）UC=57.735V（正常值）IA=IB=5A（短路电流）IC=0A（空载），Z故障=2Ω3.2.4使用微机线路成套保护的方向

距离继电器特性验证实验3.2.4使用微机线路成套保护的方向

距离继电器特性验证实验Z1角度为最灵敏角+θ1时，U1=U整定cosθ1最灵敏角+θ1对应的临界动作电压在此附近测量jX精确工作电流测量方法设定阻抗角为最灵敏角，测量不同工作电流（短路电流）下的临界动作电压U动作实验条件：故障为AB相间短路UA=UB（短路电压）UC=57.735V（正常值）阻抗角=最灵敏角IA=IB（工作电流）IC=0A（空载），Z故障=2Ω3.2.4使用微机线路成套保护的方向

距离继电器特性验证实验3.2.4使用微机线路成套保护的方向

距离继电器特性验证实验实验1中工作电流IA=IB=5A，假设测得最灵敏角的动作情况为30.813V动作，30.814V不动作，那么Z整定

=Z动作LM=U最大动作LM/I工作LM=30.813÷5=6.6126ΩI工作=4A时，U动作=Z整定

×I工作，临界动作电压在此附近测量实验数据3.2.4使用微机线路成套保护的方向

距离继电器特性验证实验实验报告要求假设积分时间≠5ms，