南昌大学电力系统分析实验报告2

南昌大学实验报告
学生姓名： 学号： 专业班级：
实验类型：□ 验证 □ 综合 ■ 设计 □ 创新 实验日期： 12.7 实验成绩：
一、实验项目名称
电力系统短路计算实验
二、实验目的与要求：
目的：通过实验教学加深学生的基本概念，掌握电力系统的特点，使学生通过系
统进行物理模拟和数学模拟，对系统进行电力系统计算和仿真实验，以达到理论
联系实际的效果。通过电子计算机对电力系统短路等计算的数学模拟，分析电力
系统的故障计算方法、实现工程计算的功能。提高处理电力系统工程计算问题的
实际能力，以及实现对电力系统仿真的过程分析。
要求：
l、 使学生掌握对电力系统进行计算、仿真试验的方法，了解实验对电力系统分
析研究的必要性和意义。
2、使学生掌握使用实验设备计算机和相关计算软件、编程语言。
3、应用电子计算机完成电力系统的短路计算。
4、应用电子计算机及相关软件对电力系统进行仿真。
三、主要仪器设备及耗材
1.每组计算机1台、相关计算软件1套
四、实验步骤
1. 将事先编制好的形成电力网数学模型的计算程序原代码由自备移动存储设
备导入计算机。
2. 在相应的编程环境下对程序进行组织调试。
3. 应用计算例题验证程序的计算效果。
4. 对调试正确的计算程序进行存储、打印。
5. 完成本次实验的实验报告。
五、实验数据及处理结果
运行自行设计的程序，把结果与例题的计算结果相比较，验证所采用的短路
电流计算方法及程序运行的正确性。如果采用的是近似计算方法，还需分析由于
近似所产生的误差是否在运行范围内。
实验程序：
clear clc;
z=[0.2i,inf,0.51i,inf;
inf,4i,0.59i,inf;
0.51i,0.59i,inf,1.43i;
inf,inf,1.43i,inf];
y=[0,0,0,0;
0,0,0,0;
0,0,0,0;
0,0,0,0];
f=4;
Y=zeros(4,4);

for(i=1:4),
for(j=1:4),
if i==j
Y(i,j)=Y(i,j)
else
Y(i,j)=-1.0/z(i,j)
end
end
end
for (i=1:4),
for(j=1:4),
Y(i,i)=Y(i,i)+y(i,j)+1.0/z(i,j)
end
end

Z=zeros(4,4);
Z(1,3)=z(1,1)+z(1,3)
Z(2,3)=z(2,2)+z(2,3)
Z(5,6)=Z(1,3)*Z(2,3)/(Z(1,3)+Z(2,3))
Z(f,f)=Z(5,6)+z(4,3)
Eeq=(1/ Z(1,3)+1/ Z(2,3))* Z(5,6)
If= Eeq/ Z(f,f)
实验结果：If=0-0.48902i
实验例题所给结果短路电流
：If = - j0.4895，与程序运行结果在误差允许范围之内，故

验证了该程序的正确性。
六、思考讨论题或体会或对改进实验的建议
1. 理解课本上讲述的同步电机突然三相短路的物理分析。
答：同步电机稳态对称运行（包括稳态对称短路）时，电枢磁势大小不随时间变
化，而在空间以同步速旋转，同转子没有相对运动，故不会在转子绕组中感应电
流。突然短路时，定子电流发生急剧的变化，电枢反应磁通也随着变化，定转子
间电流会相互影响，这是同步电机突然短路暂态过程区别于稳态短路的显著特
点。我们在进行磁感分析时，对于每个绕组都遵守磁链守恒原则。
对于无阻尼绕组同步电机突然三相短路时，短路后定子侧将出现：①基频电
流，由三相对称绕组的基频电流产生的交变磁链，用以抵消转子主磁场对定子各
相绕组产生的交变磁链；②直流api：对各绕组产生的不变0a、0b、0c，来

维持定子绕组的磁链初值不变；③倍频电流2i：定子各相直流产生的恒定磁势，
当转子旋转时，因转子纵横轴磁阻不同，转子每转过0180，磁阻经历一个变化周
期，为适应磁阻的变化，产生倍频电流与直流共同作用，才能维持定子侧磁链初
值不变。
转子侧产生：①附加直流分量fai：为抵消定子电流对转子产生的强烈电枢反应
影响，维持磁链不变，该附加直流与原直流同向，加强了励磁绕组的磁场，而且
fa
i
产生磁通的一部分也要穿过定子绕组，故激起定子基频电流大大超过稳态短
路电流
②转子基频交流：为抵消定子的直流和倍频电流产生的电枢反应，该基频电流在
转子产生脉振磁场，分解为正反两方向磁场，又来影响定子侧的api以及在定子

侧产生两倍频的交变磁链，定子侧的2i就是为了抵消该磁链而产生的。
2. 简述无阻尼绕组同步电机突然三相短路时，短路电流所含各种分量以及各自
由电流衰减时间常数的确定，有阻尼绕组同步电机突然三相短路时有什么不
同之处？
答：（1）无阻尼绕组同步电机突然三相短路时，定子侧短路电流有：①基频电流


i
：抵消转子主磁场对定子各相绕组产生的交变磁链；②直流api：维持定子绕

组的磁链初值不变。③倍频电流2i：为适应磁阻的变化，倍频电流与直流共同
作用，才能维持定子侧磁链初值不变。

转子侧短路电流有：①附加直流分量fai：为抵消定子电流对转子产生的强
烈电枢反应影响，维持磁链不变；②转子基频交流fi：为抵消定子的直流和倍
频电流产生的电枢反应。
（2）在实用计算中，各自由电流衰减常数确定，常采用以下的简化原则：①为
维持磁链守恒而在短路瞬间出现的自由电流，若它产生的磁通对于本绕组相对静
止，那该电流将按本绕组时间常数衰减，一切同改自由电流发生依存关系的均按
同一时间常数衰减；②某绕组时间常数是该绕组电感同电阻之比,而忽略其他绕
组电阻的影响。
（3）有阻尼绕组同步电机突然三相短路时的不同：有阻尼绕组电机，在转子纵
轴向有励磁绕组和阻尼绕组，横轴向也有阻尼绕组。突然短路时，定子基频电流
突然增大，电枢反应磁通也突然增加，励磁绕组、阻尼绕组为维持磁链守恒，都
会感应出自由直流，由此来抵消电枢反应磁通的增加。转子各绕组自由直流产生
磁通一部分又进入定子侧，由此定子侧会有基频电流自由分量。注意，转子纵轴
向的励磁绕组和阻尼绕组间存在互感关系，突然短路瞬间它们当中任一绕组的磁
链守恒都是靠两绕组的自有电流共同维持的。

3. 简述电力系统三相短路电流的实用计算的条件，应用前提及使用方法。
电力系统三相短路电流的实用计算的条件：
（1）起始次暂态电流的实用计算条件：把系统所有元件都用其次暂
态参数代表，次暂态电流计算就同稳态电流计算一样，系统中所有静
止元件的次暂态参数都与其稳态参数一致，而旋转电机的次暂态参数
则不同于其稳态参数。
短路时，同步电机的次暂态电势]0[]0['']0[''0sinIxVE ①，实用计算
中汽轮机和有阻尼绕组的凸极发电机的''''dxx；对于异步电动机的

st
I
x1''
(stI是异步电机起动电流的标幺值)，]0[]0['']0[''0sinIxVE

②。
实用计算中，只对于短路点附近能显著提供短路电流的大型电动机，
才按上式①②算出次暂态电抗和次暂态电势。其他电动机，则看作是
系统中负荷节点的综合负荷的一部分，该综合负荷可近似用一个含次
暂态电抗和次暂态电势的等值支路表示。
（2）负荷提供的冲击电流''..2LDLDimLDimIki,式中''LDI为负荷提供的起始
次暂态电流的有效值，LDimk.为冲击系数
4. 三相短路时短路容量的标么值等于什么？

答：三相短路时短路容量标幺值ffBXSS,式中BS是系统的基准容量，*ffX是
短路点输入电抗的标幺值。
七、实验小结
在有过上次计算电力网数学模型模拟实验后，对于怎么用MATLAB软件
来求解电力网络节点导纳矩阵有了一定的基础，所以这次实验相对来说是比较轻
松的。本次实验就是通过节点导纳矩阵来求解系统的短路电流的标幺值。
所以本实验也是在求出系统的导纳矩阵的基础上进行的。还过这里是先求
出系统的节点阻抗矩阵，利用求解阻抗矩阵的逆矩阵来求解系统的导纳矩阵。在
求出了系统的导纳矩阵之后，这是一个含有发电机支路和负荷的节点矩阵，利用
节点方程YV=I可知，设发电机的电势为1，则I=1/Y可以求出短路电流。
八、参考资料
1. 《电力系统分析》 何仰赞 华中科技大学出版社
2. 《电力系统稳态分析》陈珩 中国电力出版社
3. 《电力系统暂态分析》李光琦 中国电力出版社
4. 《电力系统计算》 水利电力出版社
实验素材：