电力变压器课程设计【最新】.doc

中北大学课程设计说明书1 前言随着工农业生产和城市的发展，电能的需要量迅速增加。为了解决热能资源(如煤田)和水能资源丰富的地区远离用电比较集中的城市和工矿区这个矛盾，需要在动力资源丰富的地区建立大型发电站，然后将电能远距离输送给电力用户。同时，为了提高供电可靠性以及资源利用的综合经济性，又把许多分散的各种形式的发电站，通过送电线路和变电所联系起来。这种由发电机、升压和降压变电所，送电线路以及用电设备有机连接起来的整体，即称为电力系统。电力系统是有各种电力系统元件组成的，它们包括发电、输变电、负荷等机械、电气主设备以及控制、保护等二次辅助设备。WDT-型电力系统综合自动化试验系统是一个完整的电力系统典型模型，它为我们提供了一个自动化程度很高的多功能实验平台，是为了适应现代化电力系统对宽口径“复合型”高级技术人才的需要而研制的电力类专业新型教学试验系统。本设计所要完成的工作是利用VC语言开发WDT电力系统综合自动化实验台监控软件，主要是完成准同期控制器监控软件的编写，它要求能显示发电机及无穷大系统的相关参数，如电压、频率和相位角，并能发送准同期合闸命令。2 电力系统实验台WDT-型电力系统综合自动化实验教学系统主要由发电机组、试验操作台、无穷大系统等三大部分组成（如图2.1所示）。 图 2.1 WDT-型电力系统综合自动化试验系统2.1 发电机组该系统的发电机组主要由原动机和发电机两部分构成，另外，它还包括了测速装置和功率角指示器（用于测量发电机电势与系统电压之间的相角d，即发电机转子相对位置角），测得的发电机的相关数据传输回实验操作台，与无穷大系统的相关参数进行比较，从而确定系统是否满足了发电机并网条件。2.1.1 原动机在实际的发电厂中，原动机一般用的是水轮机、气轮机、柴油机或者其他形式的动力机械，将水流，气流，燃料燃烧或原子核裂变产生的能量转换为带动发电机轴旋转的机械能，从而带动发电机转子的旋转。在WDT-型电力系统综合自动化试验台的发电机组中，原动机是由直流发电机（PN=2.2kW，UN=220V）模拟实现其功能的。直流电动机（模拟原动机）与发电机的结构相同，都是由定子和转子构成，其中定子包括主磁极，机座，换向极，电刷装置等，转子包括电枢铁芯，电枢绕组，换向器，轴和风扇等。将直流电源通过电刷接通电枢绕组，电枢导体中就有电流流过，由于电机内部有磁场的存在（由定子中的永磁体或励磁绕组产生），则根据电磁力定律（毕奥-萨伐电磁力定律）可知载流的转子（即电枢）导体将受到电磁力F的作用，（其中F=dF=idlB，B为磁场的强度；l为电枢绕组的长度；i为所加直流电流）式中的电磁力F、磁场B、和载流导体l的关系是由左手定则（又称电动机定则）确定的。导体产生的电磁力都作用于转子，使转子在该电磁力矩作用下旋转，向外输出机械功率，以便拖动发电机转子的旋转。为了满足电力系统的需求以及实验的要求，需要调节发电机转子的转速，即要调节原动机的转速。发电机运行时的频率和有功功率分配情况取决于原动机的调速特性。各种原动机调速系统在调速功能上，一般主要包含转速反馈输入、控制调节和执行机构输出这几个环节上(有些调速器，如一些用于发电机的柴油机，在调速时附加上负荷输入，作为转速反馈的补偿)。其转速反馈环节的主要作用是感知发电机的实际转速，如机械调速器的飞铁，电子调速器的磁电式传感器等。控制调节环节的作用是，将反馈转速的输入，根据调速器自身的结构(机械式调速器)或调速算法(数字式电子调速器)，转换成控制输出。而执行机构的作用是将控制输出转换成可调节转速装置的动作（如柴油机上的油泵的齿条位移）。对于电子调速器而言，一般这几个环节在结构上比较清楚，而对另一些调速器，如机械式调速器或机械液压调速器，则往往是将其中的一些环节结合在一起。这样就形成了直接作用调速器和间接作用调速器。目前的电子调速器按控制器分为模拟式和数字式两类。电子调速器的工作是用转速调节电位器设定需要的转速。传感器通过机械调速器的飞铁，电子调速器的磁电式传感器等感知发电机实际转速的装置测量发动机转速实际值，并送至控制器，在控制器中实际值与设定值相比较，其比较的差值经控制线路或控制算法程序按设计的控制规律整理或运算，再经放大器驱动执行器输出轴，使调节转速装置的动作（如柴油机上的油泵的齿条位移，执行器输出轴通过调节连杆拉动喷油泵齿杆，进行供油量的调节），从而达到保持此设定转速的目的。一般电子调速器可以根据使用场合的需要选择稳态调速率的大小，实现有差或无左调节。有的还与附件装置配合，可实现自动并车等功能。在本实验系统中，有时需要调节同步发电机的转速，此时就需要通过改变直流电动机（模拟原动机）的转速从而调节同步发电机的转速。直流电动机的调速方式分为两种，一种是调节其电枢电压来改变电机出力，即是调节其转子上的电压，可以通过改变通入电枢绕组中电流的方式来实现；另一种是通过改变电动机励磁绕组中的电流，即改变定子线圈中的电流，从而改变磁场的强度来实现电动机的调速。在本实验台中，直流电动机（模拟原动机）的励磁为恒定方式，因此我们可以通过调节其电枢电压实现直流电动机的调速，最终达到调节同步发电机转速的目的。直流电动机在U=UN=常值时，转速n与电磁转矩Tem之间的关系曲线n=f(Tem)称为机械特性，其基本性质与工作特性中的速率特性相同。对应于电枢回路电阻Ra+Rj（Rj为串入电枢回路的调节电阻，Rj=0时为自然机械特性，Rj0为人工机械特性），Ia=Tem/CT代入式（2.1） （式2.1）可得式（2.2）为： （式2.2）称之为机械特性方程式。直流电动机（模拟原动机）的电枢电压是由市电380V交流电源通过整流变压器降压后，经可控硅整流再通过平波电抗器平波后作为供电电源的。由于输入动模发电机的机械功率来源于直流电动机，所以直流电动机的调速代表着动模发电机的调速系统。输入直流电动机的电流一般由可控硅三相全波整流装置提供，由三相交流电源(Ua、Ub、Uc)可控硅全波整流桥、平波电抗器(L)和直流电动机(D)构成的直流机调速系统主电路结构框图如下图2.2所示。图 2.2 直流电动机调速系统主电路结构框图可控硅全波整流桥的六个触发脉冲分别为:A+,A-,B+,B-,C+,C-。平波电抗器用来限制整流回路电流I的波动。直流电动机的输出功率与其输入电流成正比，所以调节其输入电流就可控制输入发电机的机械功率。可控硅的导通触发角度正比于整流装置的输出电压，该电压等于电动机转子的感应电势，又正比于转子的转速，所以调节可控硅的导通触发角度等于调节了转速。可控硅的三相全波整流技术已经很成熟了，主要内容包括：信号同步、同步移相控制、可控硅触发、转速和电流的双闭环比例积分无静差调节。利用可控硅三相全波整流的直流电动机调速原理框图如下图2.3所示。图 2.3 直流电动机调速原理框图根据同步移相控制方式的不同，可分成四类：锯齿波移相控制、国产KC (KJ)系列集成移相控制、单片机移相控制和锁相环移相控制。实现前两种方式的模拟器件多，需要三相的同步信号，抗干扰能力强但结构复杂；第三种方式只需要一相的同步信号，可实现利用开关量或模拟量进行移相控制，控制方法灵活但抗干扰能力差；利用锁相环移相控制只需一个相同步信号，便可形成精确的间隔60°的六个触发脉冲，触发脉冲具有很好的对称性和一致性，能够自动跟踪电网频率和相位的波动，电路结构简单并且抗干扰能力强。一般可控硅整流调速装置的时间常数较小，其设计目的是保证直流电动机的转速和输入转矩恒定1。因此，可以通过改变可控硅的导通角调节电枢电压，从而完成对于发电机转速的调节。可控硅的控制是由实验操作台“操作面板”左下部的“TGS-04型微机调速装置”完成。本实验台提供了三种不同的开机方式：（1） 模拟方式开机，它是通过调整指针电位器来改变可控硅输出电压；（2） 微机手动开机方式，它是通过增速、减速按钮来改变发电机的转速；（3） 微机自动开机方式，它是由微机自动将机组升到额定转速，并列之后，通过增速、减速按钮来改发电机的功率。同步发电机的开机运行必须给其原动机提供一个电源，使发电机组逐步运转起来。传统方法是用人工的方法调节其电枢或者励磁电压，使发电机组升高或降低转速，达到预期的转速。但是这种方法已逐渐不适应现代设备的高质量要求，采用微机调速装置既可以用传统的人工调节方法，又可以跟踪系统频率进行自动的调速，这样既简单又快速地达到系统的频率，具有很好的效果。图2.4 TGS-04型微机调速装置面板图TGS-04型微机调速装置面板包括：12位LED数码显示器，8个信号指示灯，6个操作按钮和一个多圈指针电位器等（其面板图如图2.4所示），具体介绍如下：（1）两个6位LED数码显示器：当发电机开机时，分别显示发电机转速和输出控制量（最大控制量为10V；n为转速、F为系统频率、C为控制量）；当发电机并网时，分别显示输出控制量和发电机对无穷大系统的功率角。（d为功率角）（2）信号指示灯11个：检查输出量是否为零指示灯一个，即“输出零”指示灯，当控制量为零时亮；开机方式选择指示灯三个，即“模拟方式”、“微机自动”、“微机手动”指示灯，当选中某一方式时，对应灯亮；并网信号指示灯一个，即“并网”指示灯，当发电机开关合上时亮光；装置运行指标灯一个，即“微机故障”指示灯，闪烁时表示微机调速装置运行正常；监视测速传感器运行指示灯一个，即“光电故障”指示灯；增减速操作指示灯二个，即“增速”、“减速”指示灯，当按增、减速按钮。（3）操作按钮分4个区，共6个按钮：开机方式选择区有2个按钮，一个为模拟方式按钮，另一个为微机方式的自动/手动选择按钮；显示切换按钮一个，可进行“发电机转速”、“控制量”、“功率角”之间的显示切换；微机调节区有2个按钮，即为“增速”、“减速”操作；停机/开机按钮一个，按下为开机命令，松开为停机命令。（4）模拟调节区1个：模拟调节指针电位器一个，即为模拟方式下的手动调节。“TGS-04型微机调速装置”是针对大、中专院校教学和科研而设计的，能做到最大限度地满足教学科研灵活多变的需要。本调速系统具有测量发电机转速、测量电网频率、测量系统功角、手动模拟调节、手动数字调节、微机自动调速以及过速保护等功能。2.1.2 发电机发电机的形式很多，但其工作原理都基于电磁感应定律和电磁力定律，其构造的一般原则是：用适当的导磁和导电材料构成互相进行电磁感应的磁路和电路，以产生电磁功率，达到能量转换的目的。发电机可以分为直流发电机和和交流发电机，而交流发电机又包括同步发电机和异步发电机，在实际生产生活中，异步发电机很少采用，主要采用的还是同步发电机。交流发电机还可分为单相发电机与三相发电机。发电机通常由定子、转子、端盖及轴承等部件构成。定子由定子铁芯、线圈绕组、机座以及固定这些部分的其他结构件组成。转子由转子铁芯(或磁极、磁扼)绕组、护环、中心环、滑环、风扇及转轴等部件组成。由轴承及端盖将发电机的定子，转子连接组装起来，使转子能在定子中旋转，做切割磁力线的运动，从而产生感应电势，通过接线端子引出，接在回路中，便产生了电流。转子的励磁绕组通入直流电流，产生接近于正弦分布磁场（称为转子磁场），其有效励磁磁通与静止的电枢绕组相交链。转子旋转时，转子磁场随同一起旋转、每转一周，磁力线顺序切割定子的每相绕组，在定子绕组内感应出交流电势。发电机带对称负载运行时，电枢电流合成产生一个同步转速的旋转磁场。定子磁场和转子磁场相互作用，会产生制动转矩。从原动机输入的机械转矩克服制动转矩而做功。发电机可发出有功功率和无功功率，所以，调整有功功率就得调节原动机的转速。转子磁场的强弱直接影响定子绕组的电压，而调发电机端电压或调发电机的无功功率必须调节转子电流。发电机的有功功率和无功功率几何相加之和称为视在功率。有功功率和视在功率之比称为发电机的功率因数（力率），发电机的额定功率因数一般为0.85。在传统的电工技术中，功率因数常采用两种方法来定义，即总功率因数和位移因数cos。其中总功率因数如式（2.3）=p/s （式2.3）式中，p为电力设备输入侧的有功功率，单位KW；S为电力设备输入侧的视在功率，单位KVA，为输入正弦电压和正弦电流的夹角。本实验台的发电机采用的是三相同步发电机（SN=2.5kVA，UN=400V，nN=1500r.p.m），它与模拟原动机同在一个轴上。直流电动机（模拟原动机）、同步发电机经弹性联轴器对轴联结后组装在一个活动底盘上构成可移动式机组。普通的同步发电机与异步发电机的根本区别是转子侧（特殊结构时也可以是定子侧）装有磁极并通入直流电流励磁，因而具有确定的极性。由于定子、转子磁场相对静止及气隙合成磁场恒定是所有旋转电机稳定实现机械能和电能转换的两个前提条件，因此，同步发电机的运行特点是转子的旋转速度必须与定子磁场的旋转严格同步，并因此而得名。设产生定子侧旋转磁场的交流电流的频率为f，电机的极对数为p，则同步电机转速n与电流频率f和电机的极对数p的基本关系如式（2.4）。 （式2.4）我国规定交流电网的标准工作频率（简称工频）为50Hz，即同步速与极对数成正比，最高为3000r/min，对应于p=1。极对数越多，转速越低。同步发电机被原动机拖动到同步转速，转子励磁绕组通入直流励磁电流而定子绕组开路时的运行工况称之为空载运行。此时，定子电流为零，电机内的磁场仅由转子励磁电流If及相应的励磁磁动势Ff 单独建立，称为励磁磁场。既交链转子，又经过气隙交链定子的磁通，称为主磁通。被原动机带动到同步转速的旋转磁场，其磁密波形沿气隙圆周近似作为正弦分布（由设计保证），其基波分量的每极磁通量用0表示。0将参与电机的机电能量转换过程。2.1.3 测速装置检测装置的性能主要反应在其静态特性和动态特性上。静态特性包括精度、分辨率、灵敏度、迟滞、零漂与温漂。动态性能主要指检测装置输出量对随时间变化输入量的响应特性。为保证同步与定速比控制系统的控制精度，要求检测装置工作可靠，抗干扰能力强；满足分辨率、速度控制的实时性要求；同时兼顾使用维护方便，易于实现高速的动态测量和处理，易于实现自动化，成本低。对于电机转速的检测通常使用测速发电机和光电编码盘。测速发电机体积较大，安装维修也不方便，而检测电压信号易受环境干扰，目前大多数控制系统均使用光电编码盘对转速和位置进行检测。转速是指作圆周运动的物体在单位时间内所转过的圈数，其大小及变化往往意味着机器设备运转的正常与否，因此，转速测量一直是工业领域的一个重要问题。按照不同的理论方法，先后产生过模拟测速法(如离心式转速表)、同步测速法(如机械式或闪光式频闪测速仪)以及计数测速法。计数测速法又可分为机械式定时计数法和电子式定时计数法。目前，应用较多的是电子式定时计数法，即由增量式光电编码器将电机转速转换成脉冲信号，然后由单片机对信号进行处理，其本质就是对转子旋转引起的周期脉冲信号的频率进行测量。假设测得的脉冲频率为f，编码器每转脉冲数为P，则对应的实际转速为60fP(r/min)。这样对转速测量方法的讨论就是对脉冲频率进行高精度快速测量方法的讨论。在频率的工程测量中，目前使用最为广泛的是电子式定时计数测量方法，这种频率测量方法一般有三种：测频率法、测周期法、多周期测频法。2.1.4 功率角指示器同步发电机组装有功率角指示器装置，用它来测量发电机电势与系统电压之间的相角d，即发电机转子相对位置角。ut亮 灭亮 灭亮 灭亮 灭ò四极ô六极图2.5 功率角指示器原理图一般实验室是采用闪光测速原理来测量功角d。即在发电机轴上固定一个圆盘，根据发电机的极数，在圆盘上画上相应数量的箭头，如发电机是四极的或者六极，则在圆盘上相应画上四箭头或者六箭头（如图2.5所示）。闪光灯采用普通日光灯管，因为日光灯管要在两端电压达到一定值时，才会放电发光，因此，加上交流电压时它便按交流电压的频率变化而闪光。正常时，由于所加交流电压较高，闪光持续时间较长。如果控制交流电压频率的幅值或使之波形变为尖峰波，则闪光持续时间缩短，只有它在电压达到最大值瞬刻才闪光。这样，日光灯管的闪光时刻便可以代表所施电压的相位，并且转盘箭头清晰。2.2 实验操作台实验操作台是由输电线路单元、微机线路保护单元、功率调节和同期单元、仪表测量和短路故障模拟单元等组成。其中微机线路保护单元是由“YHB-型微机线路保护”装置组成，具有过流选相跳闸、自动重合闸功能，备有事故记录功能；负荷调节和同期单元是由“TGS-04型微机调速装置”、“WL-04B微机励磁调节器”、“HGWT-03微机准同期控制器”等微机型的自动装置和其相对应的手动装置组成。2.2.1 输电线路单元输电线路采用双回路远距离输电线路模型，每回线路分成两段，并设置中间开关站，使发电机与系统之间可构成四种不同联络阻抗，便于实验分析比较。“YHB-型微机线路保护”装置是专为实验教学设计，有利于实验分析。在实验中可以观测到线路重合闸对系统暂态稳定性影响以及非全相运行状况。实际中，电力线路包括输电线路和配电线路。其中架空线路是将导线通过杆塔架设在露天，它是由导线、避雷针（或称架空地线）、杆塔、绝缘子和金具等主要元件组成。而电缆线路一般是将埋在地底下的电缆沟或管道中。输电线路的电气参数是指线路的电阻r、电抗x、电导g和电纳b。单位长度多股绞线的直流电阻计算方法如式（2.5）， /km （式2.5）其中，n为绞线中股数；K为绞入系数。 输电线路的电抗是系统分析、计算中一个重要参数，在高压线路中，电抗占有主要地位。当导线中流过交流电流时，在导线周围产生磁场H和电场E，导线的电导由式（2.6）求得。 （式2.6） 输电线路电导主要由沿绝缘子泄漏和电晕所决定，沿绝缘子的泄漏通常很小。可用导线对地电导来表示，如式（2.7）。 S/km （式2.7） 输电线路的电纳是与导线周围电厂有关，当导线中通有交流电流时，其周围就存在电场，电纳和电容有如式（2.8）。 （式2.8）2.2.2 同步发电机的励磁系统同步发电机励磁控制系统是同步发电机的重要组成部分，直接影响发电机的运行特性。其主要任务是向同步发电机的励磁绕组提供一个可调的直流电流（电压），控制机端电压恒定，以满足发电机正常发电的需要，同时控制发电机组间无功功率的合理分配，保证同步发电机并列运行的稳定性，以满足电力系统安全运行的需要。无论在稳态运行或者暂态运行过程中，同步发电机的运行状态在很大程度上与励磁有关。优良的励磁系统不仅可以保证发电机运行的可靠性和稳定性，而且可以有效地提高发电机及其相联的电力系统的技术经济指标2。随着控制理论的发展和新技术、新器件的不断出现，近年来人们对励磁系统的控制方法和可靠性技术作了大量的研究，使励磁系统的性能和可靠性得到了一定的提高。总体来说，励磁调节方式从手动发展到了自动；调节功能从单一电压调节发展到多功能的励磁控制；调节规律从线性励磁调节发展到非线性励磁调节；在实现手段上，从模拟调节器直至数字式励磁调节器；在功能上，集成了参数优化和自动诊断等模块。励磁系统一般包括由以下几个部分组成，其结构如图2.6所示，（1）励磁功率单元；（2）励磁调节器；（3）保护和测量单元。励磁功率单元包括励磁机或励磁变压器、可控硅整流器等，它向同步发电机的励磁绕组提供直流励磁电流：励磁调节器可根据发电机的运行状态，自动调节励磁功率单元输出的励磁电流的大小，以满足发电机运行的需要；保护和测量单元包括灭磁及过电压保护以及起励单元等。图2.6 励磁系统组成单元及相互联接关系在正常运行或事故情况下，同步发电机都需要调节励磁电流，励磁控制系统的作用主要包括三个方面：(1) 维持发电机电压到给定水平。在发电机正常运行条件下，励磁控制系统应维持发电机端(或给定控制点)电压在给定水平。通常发电机机端电压会随着发电机负荷变化而变化，这时，励磁系统将自动地增加或减少发电机的励磁电流，使机端电压维持在一定的水平上。(2) 调节并列运行发电机间的无功功率分配。多台发电机在母线上并列运行时，它们输出的有功决定于从原动机输入的轴功率，而发电机输出的无功则和励磁电流有关，控制并联运行的发电机之间无功分配是励磁控制系统的一项重要功能.(3) 提高电力系统的稳定性。励磁控制系统可以通过维持机端电压提高发电机静态稳定极限，对暂态稳定的贡献则主要体现在增加人工阻尼消除第二摆或多摆失步方面。另外，除以上三点外，励磁系统还具有保护同步发电机的作用。同步发电机励磁控制系统是由同步发电机及其励磁系统共同组成的反馈控制系统，励磁调节器是励磁控制系统的主要部分。励磁调节器的主要功能是感受发电机电压的变化，对励磁功率单元施加控制作用。在励磁调节器没有改变给出的控制命令之前，励磁功率单元不应该改变输出值。常规的半导体励磁调节装置主要由测量比较、综合放大和移相触发三个基本单元组成PI。每个单元再由若干环节组成。测量比较单元由电压测量、比较整定和调差环节组成，电压测量环节还包括整形电路、滤波电路等，用来测量经过变换的与发电机端电压成比例的直流电压并与相应于发电机额定电压的基准电压相比较，得到发电机端电压与给定值的偏差以用来进行后续的控制规律运算。同时该环节还要测量发电机的其它参数，供给保护、限制程序使用。综合放大单元对测量等信号起综合和放大的作用。为了得到调节系统良好的静态和动态特性，并满足运行要求，除了由基本装置来的电压偏差信号外，有时还必须要求综合辅助装置来的稳定信号、限制信号、补偿信号等其它信号。综合放大后的控制信号输入到移相触发单元。移相触发单元包括同步、移相、脉冲形成和脉冲放大等环节，该单元根据输入的控制信号的变化，改变输出到可控硅的脉冲相位，即改变控制角a，从而控制可控硅整流电路的输出，以此调节发电机的励磁电流。为了触发脉冲能可靠地触发可控硅，往往需要采用脉冲放大环节进行功率放大。同步信号取自可控整流装置的主回路，保证在可控硅阳极电压为正半周时发出，使主回路与控制脉冲同步。励磁系统中通常还有手动部分，当励磁调节器自动部分发生故障时，可切换到手动方式运行3。自并激励磁方式发电机机端电压与励磁电压之间的关系如式（2.9）, （式2.9）其中：为电压降之和；XK为换流电抗；Ufd为晶闸管整流输出电压；UG为发电机机端电压；n为励磁变压器变比；R为励磁回路直流电阻4。微机励磁调节器由微型计算机、外围硬件、系统软件和应用软件组成。其基本工作原理：测量硬件对输入量进行AD转换并对反馈量进行定时采样，微机按采样值和调节规律计算出控制量，由数字触发器送出控制角为a的触发脉冲，经脉冲放大后，触发相应的晶闸管，形成闭环励磁调节系统5。图2.7 励磁系统一次接线图 为实现精确调节同步发电机的机端电压和控制同步发电机的无功功率，励磁调节器必须连续比较机端电压实际值与给定值，并实时改变晶闸管的控制角，以保证励磁电压对工况的变化做出快速反应6。在本实验台中，同步发电机励磁系统如图2.7所示，其调节有三种励磁方式可以选择：（1）手动励磁方式。它是市电交流220V通过变压器TCL降压后，经自耦调压器TSL调至需要电压，再通过整流桥ZL整成直流。此时KM3闭合，电磁继电器KM2的常开触点闭合，常闭触点断开，从而向同步发电机励磁绕组供电。励磁调节由试验人员手动操作自耦调压器来实现；（2）微机它励方式。它是市电交流380V通过变压器TC2降压后，经可控硅整流向发电机励磁绕组供电；（3）微机自并励方式，它是同步发电机机端电压通过变压器TC2降压后，经可控硅整流向发电机励磁绕组供电。图2.8 WL-04B微机励磁调节器面板图可控硅的整流过程就是通过“WL-04B微机励磁调节器”实现的。其励磁方式可选择：它励、自并励两种；控制方式可选择恒UF、恒IL、恒a、恒Q等四种；设有定子过电压保护和励磁电流反时限延时过励限制、最大励磁电流瞬时限制、欠励限制、伏赫限制等励磁限制功能；设有按有功功率反馈的电力系统稳定器（PSS）；励磁调节器控制参数可在线修改，在线固化，灵活方便，并具有实验录波功能，可以记录UF、IL、UL、P、Q、a等信号的时间响应曲线，供实验分析用。微机励磁调节器面板包括：8位LED数码显示器，若干指示灯和按钮，强、弱电测试孔以及串行通讯接口等，其调节器面板图如上图2.8所示。2.2.3 同步发电机的准同期并列在日常的生产生活中，一般的发电厂总是有多台同步发电机并联运行，而更大的电力系统亦必然有多个发电厂并联而成。因此，研究同步发电机投入并联的方法以及并联运行的规律，对于动力资源的合理利用、发电设备的运行和维护、供电的可靠性、稳定性和经济性等，具有极为重要的意义。发电机并网是电力系统的一项经常、重要操作，不恰当的并列可能造成电气设备的损坏并对系统的稳定产生影响7。根据系统运行情况的需要，有时会将一台或多台同步发电机退出或投入运行，在某些情况下，甚至需要将己被解列为两部分的电力系统重新恢复并列运行同步发电机投入电力系统并列运行的操作，或者电力系统解列的两部分进行并列运行的操作称为并列或同期操作8。电力系统动态模拟要历经几个过程，当发电机转速调节好以后，发电机要和无穷大系统并列运行。这里的并列不是简单的将发电机组高压侧断路器合上，而是不断调节发电机运行参数，在发电机的电压、频率和功角满足规定要求时，才合上断路器9。为了提高供电的可靠性和电能质量，电力系统中的发电机通常都采用并联运行。根据系统运行情况的需要，有时会将一台或多台同步发电机退出或投入运行，在某些情况下，甚至需要将己被解列为两部分的电力系统重新恢复并列运行同步发电机投入电力系统并列运行的操作，或者电力系统解列的两部分进行并列运行的操作称为并列或同期操作。同期控制器需要解决的关键技术问题是无扰动合闸。所谓有扰动，就是指断路器合闸瞬间的合闸冲击电流不等于零。实践证明，在发电机并列瞬间，往往伴随有冲击电流和冲击功率。这些冲击，将引起系统电压瞬间下降。如果并列操作不当，冲击电流过大，还可能引起机组大轴发生机械损伤，或者引起机组绕组电气损伤。过大的合闸电流会发生大量热量使定子绕组过热，从而使绝缘加速老化；过大的合闸电流还会产生危险的电动力，使定子绕组变形受损；同时，合闸电流的有功分量还会产生有功功率冲击；对机组转速施加过大的冲击力矩，严重时会损坏同步发电机的联轴器；此外，过大的冲击电流对电力系统稳定也会产生不利影响。所以必须严格控制合闸冲击电流，以延长发电机的使用寿命，避免意外事故发生。同步发电机与电力系统并列示意图如图2.9所示。在相量上，和以不同的角速度和旋转。由等效电路可知：断路器两侧的电动势相量不等，或两电动势相量差不等于零是产生扰动的根本原因。若要消除扰动，就要做到合闸瞬间断路器两侧的电动势相量相等，即电动势相量差为零。图2.9 同步发电机与系统并列等效电路图 发电机并列运行是一项经常性操作。在系统发生事故出现功率缺额时，也往往要求将备用发电机组迅速投入电网。因此，并列操作在电力系统中是频繁而必要的。同步发电机并联投入电网时，为避免发生电磁冲击和机械冲击，避免并列操作不当而影响电力系统的安全运行，发电机的同期并列，应满足下列两个基本要求：(1) 发电机投入瞬间冲击电流应尽可能小，其最大值不应超过允许值；(2) 发电机组并入系统后 ，应尽可能快的进入同步运行状态。在实际操作中，可以通过以下五个方面做具体的判断：(1) 待并网发电机电压和并列点的系统侧电压的波形相同；(2) 待并网发电机频率和并列点的系统侧频率相等；(3) 待并网发电机电压和并列点的系统侧电压的幅值相等；(4) 待并网发电机电压和并列点的系统侧电压相位差为零；(5) 待并网发电机相序和并列点的系统侧相序相同；前四点是交流电磁量恒等的基本条件，最后一点是多项系统相容的基本要求。并列的方式可分为两种：准同期并列和自同期并列(特殊条件下，还有非同期并列方式)。(1)准同期并列：它是将发电机调整到完全符合并联条件后的合闸并网操作过程称为准确同步法。它是待并列机组并列前，转子先加励磁电流，并调整到使发电机电压与系统电压相等，同时调整发电机转速使发电机频率与系统频率相等。当上述条件基本满足时，在相位重合前一定时期发出合闸脉冲，合上发电机与系统之间的并列断路器，这种并列称为准同期并列。就调整过程中而言，常用同步指示器来判断条件的满足情况。最简单的同步指示器有三组相灯组成，并有直接接法和交叉接法两种。采用准同期并列的优点是:在正常情况下，并列时产生的冲击电流比较小，对系统和待并发电机均不会产生什么危害，因而在电力系统中得到广泛采用。准同期并列的缺点是: 虽然准确同步法投入并联在合闸时没有明显的电流冲击，但因同期时需调整待并发电机的电压和频率，使之与系统电压、频率接近，其操作比较复杂，这就要花费一定时间，使并列时间加长，不利于系统发生事故出现功率缺额时及时投入备用容量。(2)自同期并列：它是待并发电机并列时，将发电机励磁绕组经限流电阻短路，转子先不加励磁，调整待并发电机的转速，当发电机转速接近同步转速时(正常情况下频率差允许为(2-3)%，事故情况下可达10%)，首先合上机端断路器，接着立刻合上励磁开关，给转子加励磁电流，最后利用自整步作用实现同步，在发电机电势逐渐增长的过程中由系统将发电机拉入同步运行。自同期并列最大的优点是投入迅速，操作简单，不需要添加复杂设备。当系统发生事故要求备用机组迅速投入时，采用这种并列方式比较有效。它的缺点是:并列过程中，合闸及投入励磁时均有较大的电流冲击，对发电机不利。此外，自同期初期，待并发电机不加励磁，它将从系统吸收无功功率，从而导致系统电压突然降低，影响供电质量。因此，对自同期的应用规定了较严格的限制条件。应用自同期并列方式将发电机投入系统时，因为发电机不加励磁，这相当于系统经过很小的发电机纵轴次暂态电抗心而短路，所以合闸时的冲击电流较大，这会引起系统电压的短时下降。自同期合闸时最大冲击电流的周期分量可由式（2.10）求得: （式2.10）式中 发电机纵轴次暂态电抗； 系统电抗； 系统电压。发电机母线电压可由式（2.11）求得: （式2.11）可以看出，自同期合闸时的最大冲击电流必然小于发电机出口三相短路时的电流，一般来说发电机是应该经受得起这一冲击电流的。但由于这种并列操作是经常进行的，为了避免由于多次使用自同期产生的积累效应而造成绝缘缺陷，所以应对自同期使用作一定的限制9。本实验台采用的同步发电机并网方式是准同期方式，是通过HGWT-03微机准同期控制装置实现的，它的控制器面板如图2.10所示。图2.10 HGWT-03微机准同期控制器的面板图它按恒定越前时间原理工作，主要特点如下：（1）可选择全自动准同期合闸；（2）可选择半自动准同期合闸；（3）可测定断路器的开关时间；（4）可测定合闸误差角；（5）可改变频差允许值，电压差允许值，观察不同整定值时的合闸效果；（6）按定频调宽原理实现均频均压控制，自由整定均频均压脉冲宽度系数，自由整定均频均压脉冲周期；观察不同整定值时的均频均压效果；（7）可观察合闸脉冲相对于三角波的位置，测定越前时间和越前角度；（8）可自由整定越前（开关）时间；（9）输出合闸出口电平信号，供实验录波之用。微机自动准同期控制器由三个基本单元组成：（1）合闸控制单元；（2）均频控制单元；（3）均压控制单元。控制器的主要输入信号有：（1）断路器系统侧a、b相电压USa和USb；（2）断路器发电机侧a、b相电压UGa和UGb；（3）通常将和短路后接大地。控制器的主要输出信号有：（1）合闸；（2）加速和减速；（3）升压和降压。合闸控制单元的作用是：检测准同期条件（电压差、频率差和相位差），当电压差和频率差条件满足时，选择合适时机（相位差等于超前相角）发出合闸命令；当电压差和/或频率差条件不满足时，闭锁合闸。均频控制单元的作用是：当频率差条件不满足时，根据频率差的方向，相应发出加速或减速命令给原动机调速器，调整调速器的速度给定值，使发电机频率（转速）向系统频率靠近，进而满足频率差条件。调速命令一般以脉冲形式输出，调速脉冲的宽度和/或调速脉冲的频率，根据频率差的大小按一定控制准则计算得出。均压控制单元的作用与均频控制单元相类似，即用以在电压差条件不满足时尽快创造满足要求的电压条件。均压（升压和减压）脉冲送往自动励磁调节器用以调节励磁调节器的极端电压给定值。频率差条件和电压差条件的创造，使准同期控制器和原动机调速器、自动励磁调节器三个自动装置协同完成的。微机自动准同期控制器由微机系统、输入通道和输出通道三部分组成。微机系统的硬件因CPU而异，它是准同期控制器的核心。输入通道的任务是为微机提供准同期条件的各种信息，主要是电压（发电机电压和系统电压）、变送器和频率（发电机频率和系统频率）传感器，微机借助它们，可以检测到发电机电压和频率、系统电压和频率、以及断路器两侧电压相量的相位差。输出通道的任务是输出均频、均压脉冲和合闸脉冲，实现均频均压和合闸并列的目的。微机自动准同期控制器的软件框图如下，其中图2.11为合闸控制软件框图，图2.12为测频软件框图。程序开始有压差闭锁标志？有频差闭锁标志？计算越前相角：式中，计算当前相角：发合闸命令返回YYNNNY图2.11 合闸控制软件框图保护现场上次中断时刻t k存到t k-1本次中断时刻存到t k计算机两次中断间隔T=tk-tk-1计算频率恢复现场中断返回中断进入 图 2.12 测频软件框图2.2.4 线路保护电力系统中发生故障和出现不正常运行情况时，系统正常运行遭到破环，以致造成对用户的停止供电或少供电，有时甚至破坏设备。为了预防事故或缩小事故范围，提高电力系统运行的可靠性，最大限度的保证向用户安全连续供电，在电力系统中，必须有专门的继电保护装置。继电保护装置必须能正确区分被保护元件是处于正常运行还是发生故障，必须能正确区分被保护元件是处于区内故障还是区外故障。保护装置要实现这些功能，需要根据电力系统发生故障前后电气物理量发生变化的特征为基础来构成相应的保护。保护装置必须满足下列四个基本要求：即选择性