动模实验内容

实验一 发电机组的基本操作
1． 实验目的
掌握发电机的启动、并网、增减负荷、解列停机等基本操作。

2．实验要求
（1）严格遵守实验室的各种规章制度。

（2）熟悉动模实验室模拟发电机组的基本构成。

（3）熟悉发电机的相关知识及起停基本操作步骤。

3． 实验原理
发电机是一种非常复杂的电力设备，它需要与励磁系统、调速系统相配合才能正常安全运行；而且，同步发电机单机运行时，随着负载的变化，发电机的频率和端电压将发生相应的变化，供电的质量和可靠性较差。

为了克服这一缺点，现代电力系统（电网）通常总是由许多发电厂并联组成，每个电厂内又有许多台发电机在一起并联运行。

这样既能经济、合理地利用动力资源和发电设备，也便于轮流检修，提高供电的可靠性。

由于电网的容量很大，个别负载的变动对整个电网的电压、频率影响甚微，因而可以提高供电的可靠性。

同步发电机投入并联时，为了避免电机和电网中产生冲击电流，以及由此在电机转轴上产生的冲击转矩，待投入并联的发电机应当满足下列条件：
（1） 发电机的相序应与电网一致； （2） 发电机的频率应与电网相同；
（3） 发电机的激磁电动势0
E 应与电网电压U 大小相等、相位相同； 上述三个条件中，第一个条件必须满足，其它两个允许稍有出入。

图5-1表示投入并联时的单相示意图。

若相序不同而投入并联，则相当于在电机的端点上加一组负序电压，这是一种严重的故障情况，电流和转矩冲击都很大，
必须避免。

若发电机的频率与电网频率不同，0
E 和U 之间便有相对运动，两相量间的相角差将在0~3600之间逐步变化，电压差U E U Δ -=0
忽大忽小。

频率相差越大，电压差变化越剧烈，投入并联的操作亦困难；若投入电网，也不易牵入同步，
而将在发电机与电网之间引起很大的电流和功率振荡。

若机端电压与电网电压大小不等如图5-1（a ）或相位不同如图5-1（b ）所示，而把发电机投入并联，则将在发电机与电网中产生一定的冲击电流。

在严重情况下，该电流可达到额定电流的5~8 倍。

(a) (b)
图5-1 发电机投入并联时的情况 (a)0E 和U 大小不等；(b) 0
E 和U 相位不同 u ∆ U
E
u
∆ U
E
为了投入并联所进行的调节和操作过程，称为同步过程。

实用的同步方法有两种：准同步和自同步。

把发电机调整到完全合乎投入并联的条件，然后投入电网，叫做准同步。

为了判断是否满足投入并联条件，常常采用同步指示器。

准同步的优点是，投入瞬间电网和电机没有（或很少）冲击，缺点是同步手续比较复杂。

为了把发电机迅速投入电网，可采用自同步方法。

自同步方法的投入步骤为：首先校验发电机的相序，并按照规定的转向（和定子旋转磁场的转向一致）把发电机拖动到接近于同步转速，励磁绕组经限流电阻短路，然后把发电机投入电网，并立即加上直流励磁，此时依靠定、转子磁场间所形成的电磁转矩，就可以把转子自动牵入同步。

自同步的优点是投入迅速，不需增添复杂的装置，缺点是投入时定子电流冲击稍大。

4．内容与步骤
4.1、准备工作：
（1）可控硅整流（SCR）柜上：
①调整调试/运行、反馈、电源等各开关、按钮到正确位置。

②选择近控/远控、微机控制等开关到正确位置。

（2）FKP上的各开关、按钮、电位调节调整到合适的位置。

（3）检查一下发电机转动有无机械障碍。

4.2、开机、调速、励磁、并网、增减负荷操作：
发电机操作分手动控制和微机控制，它们又分近控和远控，下面以手动远控为例说明：
（1）将FKP上的1KK转换开关打到“↑投入”位置，220V-直流操作电源接通。

（2）将FKP上的3KK转换开关打到“↖自动升速”或“↗自动励磁”位置。

（3）逆时针转动W
1P调节，W
2
n
调节两电位器旋钮，旋转到底。

（4）顺时针方向转动FKP上的“SCR电源”控制开关K，使SCR柜控制电源接通。

(5)FKP上，按原动机启动QA按钮(SCR柜主回路电源通，机组通风电机
开始转动，通风给直流驱动电动机降温) ，慢慢顺时针转动W
2n
调节器，注
意电机转速变化，数学显示转速仪上显示3000左右即可，FKP上转速表指示
到1000转/分左右即可。

注意：W
2
不要转动太快，使驱动直流电动机的电流不要太大，一般小于30A。

（6）励磁调节：
各机组的励磁装置不同，按具体情况调节，一般调节到对应FKP上电压表指示到所要求的电压后为止。

（7）将FKP上的同期开关2KK由←转到↑位置，观察同期表指示，满足同期条件后准备并网。

（8）并网操作：在FKP上将4KK由←转到↑位置，观察同期表指示，满足同期条件后立即转动4KK、由↑转到↗，并网成功后4KK自动恢复到↑位置，为跳闸解列准备。

（9）励磁调节：调节励磁按各机组励磁情况及运行要求调到KVar表指示到需要值。

（10）P调节：调节FKP上的W
1
P调节旋钮直到KW表指示到需要值。

4.3、解列、停机的基本操作：
（1）先调节FKP 上的W 1P 调节，使KW 表指示P 为0。

（2）调发电机励磁，使KVar 表指示Q 为0。

（3）将4KK 由↑转到←再转到↙，跳闸动作（SYB 上的1JC 断开），解列
完成。

（4）调W 2n 0调节，逆时针方向转到底，当电机转速低到1/2额定转速时，
准备停机。

（5）停机：按FKP 上原动机TA 按钮，原动机断电，发电机停机，而后电
机转速缓慢降为0。

（6）逆时针方向转动FKP 上的“SCR 电源”控制开关K ，使SCR 柜控制电
源准备断开。

（7）再按一下FKP 上原动机停TA 按钮，使SCR 柜上的控制电源断开。

注：FKP 为发电机控制屏。

5． 思考题
（1） 发电机准同期条件是什么？形成冲击电流的因素可能有哪些？ （2） 在相序、频率、电压相同条件下，相位差多大时冲击电流最大？ （3） 自同期操作方法及优缺点是什么？
实验二 发电机有功、无功调节
1. 实验目的
熟悉电力系统正常运行方式下主要物理量之间的关系。

2. 实验原理
根据能量守恒原理，要增加发电机的有功功率，应当增加发电机的输入功率，即增加原动机的驱动转矩，这时通常用加大增大汽轮机进汽阀（或水轮机的导水翼）的开度，使原动机转矩增大，由同步发电机的转子运动方程：
⎪⎪⎩
⎪⎪⎨⎧-=-=)(1
E T J P P T dt d dt
d ωωωδ
（5—
1）
可知转子加速，功角δ增大。

上式中，δ是电角速度ω与同步电角速度ω0的夹角，称为功角；T J 为在发电机组转子上加额定转矩后转子从停顿状态到额定转速时所经过的时间；P T 为转子上的机械功率；P E 为转子上的电磁功率。

当原动机转矩与发电机电磁转矩相互平衡时，δ角才能稳定。

根据隐极发电机的功-角特性：
δsin ∑
=
d q Eq x U E P （5—2）
当电势Eq 是常数时，有功负荷变化决定于δ角，其轨迹是一个以C 为圆心，Eq 为半径的圆弧，如图5-2（a ）所示。

由此可见，增加原动机的输入功率时，发电机输出的有功功率增大，功率角δ增大，直至δ=900，电磁功率达到最大。

反之，
输出的有功功率减小时，δ角相应减小。

q
E ' ψ
1
图5-2（a ）Eq 为常数，P 变化时 图5-2（b ）在各种励磁电流情况下，
同步发电机的工作状态向量图 发电机工作状态向量图
与电网并联的同步发电机不仅要向电网输出有功功率，而且还要输出无功功
率。

假设调节励磁时原动机的输入有功功率保持不变，并为了简单，忽略电枢电阻和磁饱和，于是根据功率平衡关系可知，在调节励磁前后，发电机的电磁功率
P E 和输出的有功功率P 2均应近似保持不变，由于电网电压U 和发电机的同步电抗
X s 均为定值所以有：
⎩⎨⎧==⇒⎪⎩⎪⎨⎧
====常数常数
常数常数ϕδϕδcos sin cos sin 02
0I E UI P X U E P s
E （5—3） 图5-2（b ）为当满足式（5—3），调节励磁时发电机的向量图。

当发电机的功率因数为1时的励磁电流I f 称为“正常励磁”。

此时发电机的输出功率全部为有功功率。

若增加励磁电流，发电机运行在“过励”状态，此时激磁电动势增加到0
E ' ，但因为
E 0sin δ=常数，故0
E ' 的端点应落在水平线AB 上。

相应地电枢电流变为I '，但因为常数=ϕcos I ，故I
'的端点落在垂线CD 上，从图中可以看出发电机产生一滞后的无功功率。

反之，发电机运行于“欠励”，产生一超前的无功功率。

因此，调节励磁电流便可以调节发电机的无功功率。

3. 实验内容与步骤
（1）不投自动励磁调节器，调整系统电压=400V ，发电机高压侧电压=400V ，并网后，在不改变励磁的情况下，调节FKP 上的W 1P 调节，分别记录P=0，1，2，3，4，5KW 时发电机控制屏上各仪表的显示值，填入下表，画出变化曲线，分析各量之间的关系。

表5-1 P 与各电量的关系
1
（2）不投自动励磁调节器，调整系统电压=400V，发电机高压侧电压=400V，并网后，调节发电机有功功率P=3KW，然后在不调原动机的情况下，调节励磁，分别记录Q=0，1，2，3，4KVA时发电机控制屏上各仪表的显示值，填入下表。

表5-2 Q与各电量的关系
4.思考题
为常数时，发电机输送的电磁功率只取（1）为什么说Eq为常数，系统电压U
∞
决于功率角。

（2）为什么增加有功功率时，无功功率会下降。

（3）请解释发电机高压侧电压随P增加而下降的原因。

（4）说明在原动机进汽量不变时，励磁电流I f增加会导致功率角下降的原因。

（5）从物理概念上说明为什么在增加P、Q时要分别增开汽门和增加励磁？
*（6）分析在无自动励磁调节器、无调速器的情况下，如何把发电机从空载运行升到额定运行。

实验三 电力系统静态稳定性研究
1. 实验目的
（1） 研究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。

（2） 通过实验加深对电力系统静态稳态性问题基本理论的认识。

2. 实验原理
电力系统静态稳定是指电力系统受到小干扰后，不发生自发振荡或非周期性失步，自动恢复到起始运行状态的能力。

在实际运行过程中，电力系统几乎时刻都受到小的干扰，如：负荷的增加或减少、输电线线间距离的的微小变化等等，所以，实际上电力系统的静态稳定问题就是确定系统的某个运行稳态能否保持的问题。

假设有一由一台发电机经变压器、线路与无穷大系统并联运行组成的简单系统图，且发电机是隐极机。

图5-3表示这一简单系统在某运行稳态下发电机的向量图及功率特性，其中
L T d d x x x x ++=∑ （5—4） 发电机输出的电磁功率P E 如式（5—2）所示，如果不考虑发电机的励磁调节器的作用，即认为发电机的空载电动势E q 恒定，则发电机的功—角特性曲线如图5-3（b ）所示为一正弦曲线。

∑
（a ）向量图 （b ）功率特性
图5-3 简单系统的功率特性
若不计原动机调速器的作用，原动机的机械功率P T 不变。

假定在某一正常运行情况下，发电机向无穷大系统输送的功率为P 0，在忽略电阻损耗及机组的摩擦、风阻等损耗的情况下，P 0=P T 。

从图5-3（b ）可见，在P 0时可能有两个运行点a 、b ，此时P T = P E =P 0。

首先分析a 点的运行情况，如果系统中出现瞬时的小干扰，使功角δ增加了Δδ， 则P E 增大到图中a ˊ相对应的位置，这时由于P T 保持不变，所以P E >P T ，由式（5—1）转子运动方程可知发电机转子将减速，δ将减小。

由于在运动过程中存在阻尼作用，经过一系列微小振荡后运行点又回到a 点。

同样，如果扰动使δ减小了Δδ，
则P E 减小到图中a ˊ 相对应的位置，这时由于P T 保持不变，所以P E <P T ，发电机转子将加速，δ将增大，同样经过一系列微小振荡后运行点又回到a 点。

由此可见，运行点a 是静态稳定的。

b 点的情况则不同，如果小干扰使δb 增大Δδ, P E 则减少到b ˊ点，这时P E <P T ，转矩
δ
P 0=P T a
b
900
为正，δ角将进一步增大。

而δ角增大时，与之相应的P E 又将进一步减小，这样继续下去，δ角不断增大，运行点不再回到b 点。

而δ角的不断增大标志着发电机与无穷大系统非周期地失去同步，系统中电流、电压和功率大幅度地波动，系统无法正常运行，最终将导致系统瓦解。

如果小扰动使δb 减小Δδ, 情况又不同，P E 将增加到b ˊ 点对应的值，这时P E >P T ，转子减速，δ角将减小，一直减小到小于δ
a
，转子又获得加速，然后又经过一系列振荡，在a 点抵达新的平衡。

运行点也不
再回到b 点。

因此, b 点是不稳定的。

由以上分析可知，a 点是静态稳定的，b 点是不稳定的。

而两者的区别仅在于：在a 点，变量ΔP E 与Δδ的符号相同，即ΔP E /Δδ>0，或d P E /d δ>0；在b 点ΔP E /Δδ<0，或
d P E /d δ<0。

因此可以得出结论：d P E /d δ>0时，系统是稳定的；d P E /d δ<0时，系统是不
稳定的。

所以，对于以上所讨论的简单系统，其静态稳定判据为：
0cos >=∑
δδd q E x U E d dP （5—5）
当δ等于900时，是稳定与不稳定的分解点，称为静态稳定极限。

电力系统静态稳定性的基本性质说明，发电机可能输送的功率极限越高则静态稳定性越高。

以一机对无穷大系统的情形来看，减少发电机与系统之间的联系电抗就可以增加发电机的功率极限。

从物理意义上讲，这就是加强发电机与无穷大系统的电气联系。

联系紧密的系统显然是不容易失去稳定的，当然，这种系统的短路电流较大。

加强电气联系即缩短“电气距离”，也就是减小各元件的阻抗，主要是电抗。

在实际应用中，我们可以采取一些直接或间接减小电抗的措施来提高系统的静态稳定性，如：采用自动调节装置、减小元件的电抗和改善系统的结构和采用中间补偿设备等。

3. 实验内容与步骤
（1） 观察发电机电压变化对静态稳定极限的影响
A ．不投入自动励磁调节器，在发电机P=0时，调节系统电压和发电机电压为400V ，然后在不调节励磁的情况下，不断地增加发电机有功功率，直至发电机失步。

在增加发电机有功功率过程中，要记录P 在不同点时P 值及其它电量值，并求出稳态极限值。

B ．不投入自动励磁调节器，在发电机P=0时，调节系统电压=400V ，发电机电压为360V ，然后在不调节励磁的情况下，不断地增加发电机有功功率，直至发
电机有功功率，直至发电机失步。

在增加发电机有功功率过程中，要记录P 在不同点时P 值及其它电量值，并求出稳态极限值。

C ．不投入自动励磁调节器，在发电机P=0时，调节系统电压和发电机电压为840V ，然后在不调节励磁的情况下，不断地增加发电机有功功率，直至发电机有功功率，直至发电机失步。

在增加发电机有功功率过程中，要记录P 在不同点时P 值及其它电量值，并求出稳态极限值。

（2） 手调励磁调节器对静态稳定极限的影响
不投入自动励磁调节器，在发电机P=0时，调节系统电压=400V ，发电机电压=400，然后在维持发电机电压=400V 的情况下，不断地增加发电机有功功率直至发电机失步。

在增加发电机有功功率过程中，要记录P 在不同点时P 值及其其它
电量值，并求出稳态定值极限值。

（3）自动励磁调节器对静态稳定极限的影响
A．在发电机P=0时，调节系统电压=400V，发电机电压=400V，在调节自动励磁调节器的放大倍数为1后，然后不断地增加发电机有功功率直至发电机失步。

在增加发电机有功功率过程中，要记录P在不同点时P值及其其它电量值，并求出稳态定值极限值。

B．在发电机P=0时，调节系统电压=400V，发电机电压=400V，在调节自动励磁调节器的放大倍数为6后，，然后不断地增加发电机有功功率直至发电机失步。

在增加发电机有功功率过程中，要记录P在不同点时P值及其其它电量值，并求出稳态定值极限值。

（4）输电线路长短对静态稳定的影响
切除一回线，不投入自动励磁调节器，在发电机P=0时，调节系统电压=400V，然后不断地增加发电机有功功率直至发电机失步。

在增加发电机有功功率过程中，要记录P在不同点时P值及其其它电量值，并求出稳态定值极限值。

4.实验报告
要求：记录上述实验，分别在坐标纸上作出曲线并加以分析。

5.思考题
（1）提高电力系统静态稳定的措施有哪些？
（2）列出上面实验的稳定极限的顺序，分析为什么是这样。

（3）自动励磁调节器对系统静态稳定性有何影响？
（4）当发电机濒临失步时应采取哪些挽救措施才能避免失步？
实验七电力系统故障分析
1．实验目的
（1）掌握分析输电线路故障性质的方法。

（2）掌握各种故障（线路故障、发电机、变压器故障）对电力系统产生的影响。

2．实验要求
（1）严格遵守实验室的各种规章制度。

（2）熟悉输电线路故障的相关知识。

（3）熟悉动模实验室模拟故障控制系统的基本构成及操作。

3．实验原理
凡造成电力系统运行不正常的任何连接和情况称为电力系统的故障。

电力系统故障的类型很多，主要有以下几种：
实验用原型系统如图5-6所示，发电机G1通过输电线路与发电机G2相连。

线路1、2两端均装有PT 和CT ，来测量线路始端和末端的电压和电流，用以分析线路的故障地点和故障性质。

输电线路故障分析程序可以大致包括下列部分：
（1） 数据采集；
（2） 故障相别、性质的分析；
图5-6 实验用系统接线
4． 实验内容与步骤
（1） 按照原理图接线。

（2） 经检查无误后，给系统送电。

（3） 开动发电机，与系统同期并列运行。

（4） 在控制台上设置故障，启动故障录波器录波。

（5） 分析故障对系统产生的影响：边界条件，对发电机、线路电压、线路电
流的影响。

（6） 打开波形图，记录实验数据，观察是否与分析相符。

（7） 重新设置故障，录波，根据波形及实验数据分析故障类型，填写实验报
告。

5． 实验报告、 见附表5-3。

6． 思考题
1.
输电线路经电弧电阻接地时，电弧电阻的存在对故障点距离的测定会有什
么影响？(继电保护方向)
对称故障
三相短路f (3) 电力系统 故障 简单故障 （单重故障）
复杂故障
（多重故障）
不对称故障
单相短路f (1)
两相短路f (2)
两相短路接地f (1,1)
单相断线O (1) 两相断线O (2) 短路 （横向故障）
断线
（横向故障、非全相运行）
两处及以上简单故障同时发生
2.有时波形图上有严重的谐波，这些谐波从何而来？
3.电力系统故障时，系统频率往往偏离50HZ，这样会对故障点距离测定产生什么影响？
4.电力系统短路时短路电流中包含有衰减的直流分量，这对CT的测量输出会不会产生误差，如果有，是什么误差。

*
5.在同样条件下，单相接地、两相接地、三相故障哪种故障短路电流最大？为什么？
6.什么叫后加速跳？
表5-3 短路故障实验纪录
11。