《电力系统动态模拟综合实验》实验报告实验名称发电机及系统短路故障影响实验姓名XXX 学号XXX日期XXX 地点XXX成绩教师电气工程学院东南大学1.实验目的：（1）了解动模实验室的构成，主要设备及其功能。
（2）熟悉和掌握发电机的启动，调压，调速，并网，解列，停机等操作。
（3）通过单机---无穷大系统中不同点的短路故障实验，理解发电机在短路时的电磁暂态过程，分析和掌握短路起始相角及回路阻抗对发电机运行状态的影响。
2.实验内容：在单机----无穷大主接线模拟实验系统中，通过实验操作，熟悉实验室环境及实验设备，掌握发电机的启动，调压，调速，并列，解列及停机操作方法，选择不同的短路点进行短路故障实验，录取短路时刻的电压，电流波形，然后，根据所学知识，分析求取发电机或系统的状态参数，理解和掌握短路故障对发电机及系统运行状态的影响。
3.实验原理（实验的理论基础）：根据《电力系统暂态分析》相关理论，可知在三相短路时，发电机定子绕组电流中含有以下四个分量图1.发电机短路电流波形图i w(∞)为强制分量，不衰减∆i w为按此时励磁绕组的时间常数T d’衰减的分量∆i w2为按直轴阻尼绕组的时间常数T d’’衰减的分量iα和i2w为按定子绕组的时间常数T a衰减的分量根据发电机三相短路时电流波形图，由短路电流波形图绘制其包络线。
包络线中分线即直流分量。
将短路电流减去直流分量，则可以认为是基频交流分量。
根据发电机参数，T d’和T d’’都较小，在短路后0.5s，可以认为基频电流中只含有稳态分量，读出此时电流幅值i w(∞)。
在此时刻前找两处幅值I1，I2及对应时刻T1，T2，则可得方程组：11'''22'''21()22()d d d d T T T T w w w T T T T w w w i e i e i i e i e i --∞--∞⎧+=I -⎪⎪⎨⎪+=I -⎪⎩由此可以求出∆i w ，∆i w2。
方程中i w (∞)，I 1，I 2皆为减去对应时刻直流分量后的值。
实验时，对短路电流波形进行录波，再通过作图求取相关电流分量值及短路初始相角，可分析短路故障时对发电机运行状态的影响。
本实验的一次主接线示意图如下所示：图2.实验系统一次主接线图 在本次实验中，其主接线如图1所示，短路点有D11，D12，D13三个可选，其中D12短路点相当于03G 发电机出口短路。
在线路发生三相短路故障时，发电机定子绕组的极品周期电流将随时间发生变化，最终变为稳态短路电流。
5.实验方法及数据处理（实验步骤及数据处理方法，包括原始数据，图表等）：实验步骤：（1）无穷大系统启动：所谓无穷大电源可以看作是内阻抗为零，频率、电压及其相位都恒定不变的一台同步发电机，在动模试验系统中是将交流市电经感应调压器和升压变压器升压至1000V 后作为试验用无穷大电源。
部分无穷大电源还包含移相变压器，具有调相功能。
对无穷大电源的操作主要在操作试验台上进行，其控制台操作按钮示意图如下图所示。
图3.无穷大电源控制台操作按钮示意图在操作控制台上找到无穷大电源监控单元，在按下【合】红色按钮之后，红色按钮的指示灯亮红色，【跳】按钮绿色按钮指示灯灭，同时感应调压器原方已接通了动力电源，调压变压器带电。
按下【升压】黄色按钮，可以提高无穷大电源母线电线电压，同时观察上方仪表中电压的值是否为试验要求值（线电压UL 为1000V ）。
先观测三相电压是否对称，最后按下【合闸】钮，投入无穷大电源使无穷大母线带电。
（2）发电机启动：发电机启动与无穷大系统类似，只不过要复杂一些；图4为同步发电机03G相关控制台操作按钮示意图。
启动时，先弹出【开/关机】按钮(白色方形“开机令”按钮)，合【调速】电源开关（红色圆形按钮），同时观察发电机转速。
当发电机转速接近额定转速时，弹出【启励/灭磁】按钮 (白色方形“启励”按钮)，合【励磁】电源开关（红色圆形按钮），此时发电机机端电压建立。
图4.同步发电机03G控制台操作按钮图（3）线路送电：线路送电操作就是在无穷大系统启动后，按照主接线的连接（如图2），将线路开关QF51\QF52\QF53\QF54合闸。
合闸时，在操作控制台上找到相关开关的操作按钮，按下【红色】操作按钮为合闸，【绿色】操作按钮为分闸，同时观察监控界面。
（4）发电机同期并列：实验系统的同期方式为自动准同期方式，发电机的同期点是发电机升压变高压侧的03QF开关；操作时，首先要保证03QF开关两侧已带电，在同期选择面板上操作【旋转按钮】选择同期对象03G，按下【同期】开关。
观察同期控制器面板中的数显和指示灯（如图5），其中LED旋转灯显示发电机端电压和系统电压相位差，当两者相位基本相同时，并且系统侧与发电机测的电压幅值与频率接近时，按下【同期命令】操作按钮，进行发电器并网操作，当满足同期的三个条件时，同期装臵将自动合闸【03QF】开关，则表示并网成功。
图5.HGWT-04微机准同期控制器的面板图（5）发电机功率调节：发电机并网成功后，通过【调速旋钮】和【励磁调节按钮】可以调节发电机输出的有功和无功功率，将有功和无功调节到额定值。
（6）短路故障点的类型选择操作：在短路故障模拟单元中（如图6所示），转动【短路点选择旋钮】可以选择短路故障点分别为D11、D12、D13、D14，通过【短路类型选择按钮】可以设臵故障类型；本次实验选择故障点为【D12】，故障类型为【三相对中性点短路】，即将A、B、C、N按钮按下，使其连接到一起，此时故障类型为三相接地短路。
图6.短路故障操作单元（7）短路故障操作：短路故障实验是通过操作【短路】按钮进行的；【短路】按钮是一个自复位按钮，当按下【短路】按钮，表示短路开关投入，即发生短路故障。
这样操作产生的短路时间和合闸角度都是不可控的，短路时间与按下按钮的持续时间一致。
按下短路按钮并迅速松开，进行短路故障实验。
（8）故障录波：故障录波仪将自动记录故障时系统电压、电流波形。
记录录波仪的数据并打印故障波形。
（9）不同故障类型及故障点的短路实验：不同故障点和故障类型的短路实验，可以重复6-8 的操作进行。
（10）发电机解列与停机操作：发电机解列操作首先将发电机有功功率和无功功率调至零，前后断开发电机侧断路器03QF，将发电机解列。
发电机停机操作，顺序为跳开【励磁】电源开关（绿色圆形按钮），合上【启励/灭磁】 (白色方形“启励”按钮) ，跳开【调速】电源开关（绿色圆形按钮），合上【开/关机】(白色方形“开机令”按钮) 。
（11）无穷大系统停机操作：无穷大系统停机操作与无穷大系统启动操作相反，具体操作参考无穷大系统的启动操作。
（12）实验系统停机：关闭其它实验设备电源。
注意：在发电机停机时，一定先要降低发电机的功率，使有功和无功功率为零。
再依次跳开各断路器开关、动力电源等！数据记录及图像：图7.单相短路接地故障录波示意图图8.两相短路接地故障录波示意图图9.三相短路故障录波示意图6.实验结果和及其分析（实验结果及对出现问题的解释与分析）：（1）实验过程中，通过监控后台获取录波波形数据。
答：波形见上图。
（2）根据三相短路故障三相电流波形绘制包络线及直流分量，并求出基频分量i w(∞),∆i w和∆i w2。
由电压波形图读出短路时刻三相相位角，并分析直流分量与短路时相位角的关系，分析不同故障类型，不同故障点的短路特性。
答：绘制的图如下：图10.三相短路故障包络线绘制图发电机常数：T d ’=1.486s, T d “='10.185758d T s = （a ） a 相：i w(∞)=4.2785A(此时直流分量为0)选取两个时刻：T 1=10.16ms,I 1=41.443-21.694=19.749AT 2=264.6ms,I 2=11.1241-0.2367=10.8874A解方程组： ()()11222122d d d d T T T T w w w T T T T ww w i e i e i i e i e i --'''∞--'''∞⎧⎪∆+∆=I -⎪⎨⎪∆+∆=I -⎪⎩ 代入数据得：2215.47056.6089w w w w i i i i 0.9932∆+0.9468∆=19.749-4.2785=⎧⎨0.8369∆+0.2406∆=11.268-4.2785=⎩解得：210.8514w w i i ∆=5.2319A ⎧⎨∆=A ⎩ 相位角为：从图中大致读出为30°（b ）b 相：i w(∞)=4.2785A(此时直流分量为0)选取两个时刻：T 1=10.16ms,I 1=15.539+3.557=19.096AT 2=264.6ms,I 2=12.8355-0.234=12.6015A解方程组：()()11222122d d d d T T T T w w w T T T T ww w i e i e i i e i e i --'''∞--'''∞⎧⎪∆+∆=I -⎪⎨⎪∆+∆=I -⎪⎩代入数据得： 2214.817512.6015w w w w i i i i 0.9932∆+0.9468∆=19.096-4.2785=⎧⎨0.8369∆+0.2406∆=12.8355-4.2785=⎩解得： 27.4707w w i i ∆=7.7973A ⎧⎨∆=A ⎩ 相位角：从图中大致读出：-90°（c ）c 相：i w(∞)=4.2785A(此时直流分量为0)选取两个时刻：T 1=0ms,I 1=8.557+10.883=19.44AT 2=264.6ms,I 2=13.198-0.221=12.977A解方程组： ()()11222122d d d d T T T T w w w T T T T ww w i e i e i i e i e i --'''∞--'''∞⎧⎪∆+∆=I -⎪⎨⎪∆+∆=I -⎪⎩ 代入数据得：2212.977w w w w i i i i ∆+∆=19.44-4.2785=15.1615⎧⎨0.8369∆+0.2406∆=13.198-0.221=⎩解得： 26.6914w w i i ∆=8.4701A ⎧⎨∆=A ⎩ 相位角：从图中大致读出为：120°分析：单相短路接地时，特点：因为Z Σ1和Z Σ2近似相等，所以单相短路电流大于同一点的三相短路电流，并且三相短路时，各序电流分量相等。
对于短路电压，越接近发电机处正序电压越高，越接近故障点正序电压越低。