新聞主題	不同節距的交流發(fā)電機使用條件

 

摘要：不同節距的交流發(fā)電機并聯(lián)時(shí)的不兼容的影響，可以通過(guò)包括常規的交流電流測量在內的適當的測量裝置清楚地看出。在系統空載運行時(shí)，觀(guān)察從每個(gè)發(fā)電機流出的電流顯示，環(huán)流將是最明顯的。存在幾種用于并聯(lián)5/6節距交流發(fā)電機或不同節距的交流發(fā)電機的方法，并且這些方法中的最常見(jiàn)的將在本文中進(jìn)行描述以及示例說(shuō)明。

 

一、并聯(lián)發(fā)電機環(huán)流概述

 

      發(fā)電機是基于法拉第電磁感應定律而來(lái)的，即一塊金屬，比如一根銅線(xiàn)，在磁場(chǎng)中運動(dòng)，金屬內部會(huì )產(chǎn)生電場(chǎng)。金屬內部的電荷就會(huì )沿著(zhù)電場(chǎng)流動(dòng)。如果這塊金屬不是一個(gè)環(huán)，電荷就會(huì )積累在兩端，以電壓的形式存在，把這塊金屬接在一個(gè)回路中（回路除金屬以外的其他部分并沒(méi)有在磁場(chǎng)中），就產(chǎn)生了電流，于是，發(fā)電機發(fā)出了電。所以，發(fā)電機的基本原則就是固定住永磁體或者是金屬，讓金屬或者是永磁體不停的運動(dòng)。以康明斯斯坦福發(fā)電機為例，外形構造如圖1、圖2所示。

2、環(huán)流的產(chǎn)生

      當發(fā)電機并聯(lián)時(shí)，兩個(gè)發(fā)電機的瞬時(shí)電壓幅值和頻率在它們連接到公共母排處被迫達到完全相同。由交流發(fā)電機產(chǎn)生的電動(dòng)勢（emf）的差異將導致電流從具有較高瞬時(shí)電動(dòng)勢的發(fā)電機流到具有較低瞬時(shí)電動(dòng)勢的發(fā)電機。以純正基波電壓波形和具有3次諧波的失真電壓波形彼此疊加為例說(shuō)明，即使這兩個(gè)波形可能具有完全相同的電壓有效值幅值（RMS均方根值），但在不同的時(shí)間點(diǎn)，一個(gè)電壓波形的瞬時(shí)值會(huì )高于另一個(gè)電壓波形的瞬時(shí)值，反之亦然。當發(fā)電機在公共母排上連接在一起時(shí)，瞬時(shí)電壓的差異將導致發(fā)電機之間的瞬時(shí)電流流動(dòng)即產(chǎn)生3次諧波電流環(huán)流。因此，在并聯(lián)之前，在發(fā)電機之間存在瞬時(shí)電壓差的任何時(shí)間點(diǎn)處，被稱(chēng)為中性線(xiàn)環(huán)流的電流將在發(fā)電機之間循環(huán)流動(dòng)，當存在可作為電流流經(jīng)路徑的系統中性線(xiàn)時(shí)更為明顯。

3、環(huán)流導致的發(fā)電機降額使用

      環(huán)流對交流發(fā)電機損壞程度取決于電流的大小、系統中發(fā)電機的額定值以及系統中的保護裝置對中性線(xiàn)或諧波電流的靈敏度。因為發(fā)電機輸出電壓波形的諧波含量隨負載變化，所以不同節距發(fā)電機并聯(lián)工作的負面影響可能在隨負載水平變化而變化，但通常主要關(guān)注的是在額定負載下的電流大小，因為此時(shí)交流發(fā)電機的內部溫度通常將最高，并且最易于發(fā)生故障。

      在使用不同節距發(fā)電機并聯(lián)的四線(xiàn)系統中，應測量發(fā)電機中性線(xiàn)電流，以驗證不同節距發(fā)電機的并聯(lián)運行不會(huì )導致系統運行問(wèn)題或發(fā)電機過(guò)早故障。如果系統中沒(méi)有其他相關(guān)問(wèn)題，則設計者可以允許系統中存在一定量的中性線(xiàn)電流，并且通過(guò)交流發(fā)電機降額使用來(lái)補償。降額因數計算如下：

交流發(fā)電機的最大允許負載（kVA）＝｛I_R /（√I²_R+I²_N）｝(kVAgen)

式中，I_R——發(fā)電機在滿(mǎn)載和額定功率因數時(shí)的輸出電流；

I_N——發(fā)電機并聯(lián)且帶三相對稱(chēng)平衡滿(mǎn)負載運行時(shí)的中性點(diǎn)電流；

kVA gen——交流發(fā)電機在最大溫升的額定kVA。

 

圖1  同步發(fā)電機三維等測圖

圖2  同步發(fā)電機三維側面圖

 

二、柴發(fā)并聯(lián)示例

 

      與交流發(fā)電機匹配的柴發(fā)并聯(lián)系統如圖3所示，工程實(shí)例如圖4所示。

1、中壓/高電壓示例

      在北美使用的中壓系統中，每個(gè)高壓柴油發(fā)電機的中性點(diǎn)通過(guò)中性接地電阻器接地。并聯(lián)的中壓發(fā)電機通過(guò)三角形（Δ）/星形（Y）接法的降壓變壓器所帶實(shí)際負載，由發(fā)電機產(chǎn)生的任何諧波失真保持在電力變壓器的高壓側，并且與實(shí)際負載隔離?？梢钥闯?，當在中壓下，來(lái)自電源的諧波失真可以忽略，因為它不會(huì )增加由負載產(chǎn)生的諧波失真。此外，發(fā)電機產(chǎn)生的任何3次諧波電壓將保持在變壓器的中壓側，并且不通過(guò)低壓配電系統中的中性點(diǎn)。

      在該示例中，通常使用2/3節距或5/6節距的中壓交流發(fā)電機。使用5/6節距的交流發(fā)電機是由于還有一個(gè)額外的考慮。如前所述，5/6節距的交流發(fā)電機將產(chǎn)生一些3次諧波電壓。如果發(fā)電機之間存在阻抗差異，則會(huì )有一定量的諧波電流通過(guò)電阻器和接地連接在它們之間循環(huán)。這些阻抗差異可能是由于輕微的交流發(fā)電機工藝差異，不同的電纜長(cháng)度或不同的電阻值。在大多數情況下，阻抗差不足以大到對于該環(huán)流導致任何問(wèn)題。交流發(fā)電機和電阻規格應考慮這一電流。很多時(shí)候，選擇不受該電流影響的交流發(fā)電機和電阻器是最簡(jiǎn)單和最具成本效益的。

      當需要減少環(huán)流時(shí)，可以使用可選的接地方法。這些方法包括使用電抗器代替電阻器或使用中性線(xiàn)切換方案?？梢允褂眠m配裝置代替相同配置的電阻器。需要對適配裝置進(jìn)行適當選型和調整。另一種適配裝置方法在以下關(guān)于“用于并聯(lián)不同節距的發(fā)電機的策略”的部分中描述。下面描述中性線(xiàn)切換方法。

      當發(fā)電機停止時(shí)，所有中性點(diǎn)接地開(kāi)關(guān)均處于合閘狀態(tài)。當發(fā)電機啟動(dòng)時(shí)，第一臺成功合閘的發(fā)電機組，將保持其中性點(diǎn)接地開(kāi)關(guān)的合閘狀態(tài)，而所有其他發(fā)電機組的中性點(diǎn)接地開(kāi)關(guān)則分閘。由于始終只有一臺運行中的發(fā)電機的中性點(diǎn)連接到接地電阻器，發(fā)電機之間的所有環(huán)流無(wú)法形成通路。如果發(fā)電機系統需要與市電并聯(lián)，則應斷開(kāi)已合閘的中性點(diǎn)接地開(kāi)關(guān)。與所有接地方案一樣，中性點(diǎn)接地電阻大小必須適當。該方法具有將由發(fā)電機產(chǎn)生的所有諧波電流保持在變壓器的高壓側并且不增加負載的諧波含量的相同優(yōu)點(diǎn)。

2、低電壓示例

      在北美，大多數柴油發(fā)電機組以480V線(xiàn)電壓運行，一些系統以416V或600V線(xiàn)電壓運行。在低壓系統和MV/HV系統之間存在兩個(gè)主要差異，其需要更仔細地選擇交流發(fā)電機繞組節距。

（1）許多低壓柴油發(fā)電機組包括連接在發(fā)電機和并聯(lián)開(kāi)關(guān)裝置之間的中性線(xiàn)，該中性線(xiàn)也可以連接到各種低壓負載。

（2）許多低壓負載是非線(xiàn)性的，并且在電力系統運行時(shí)在其上產(chǎn)生諧波。這些負載包括變頻器（VFD），不間斷電源（UPS）和開(kāi)關(guān)電源（SMPS）。如前所述，選擇使其產(chǎn)生的總諧波失真最小的交流發(fā)電機對于低電壓系統是重要的。

      2/3節距的交流發(fā)電機不會(huì )向總系統增加任何3次諧波。因此，2/3節距交流發(fā)電機是低壓四線(xiàn)系統的最佳選擇。

 

柴油發(fā)電機組并聯(lián)示意圖

柴油發(fā)電機組并聯(lián)工程實(shí)例

 

三、不同節距的發(fā)電機并聯(lián)

 

1、三線(xiàn)配電系統的并聯(lián)不同節距的交流發(fā)電機

      當并聯(lián)不同節距的交流發(fā)電機時(shí)，使用三線(xiàn)配電系統。通過(guò)減配發(fā)電機組母排和負載之間的中性線(xiàn)，去除最具破壞性的諧波電流賴(lài)以流經(jīng)的路徑，諧波問(wèn)題的最常見(jiàn)原因被最小化。雖然諧波電流仍然會(huì )在發(fā)電機中產(chǎn)生熱量，但消除了諧波電流流經(jīng)中性線(xiàn)產(chǎn)生發(fā)熱的破壞性影響。

2、四線(xiàn)系統中的并聯(lián)不同節距的交流發(fā)電機

      當需要并聯(lián)發(fā)電機組直接為單相負載供電時(shí)（電路中沒(méi)有三角形/星形接法的變壓器為負載提供中性線(xiàn)），有3種方法可以降低流經(jīng)中性線(xiàn)的諧波電流的破壞性風(fēng)險：僅連接類(lèi)似節距電機的中性點(diǎn)（不同節距發(fā)電機中性點(diǎn)不連接），在不同節距交流發(fā)電機之間安裝電抗器，或考慮到中性線(xiàn)諧波電流占用了部分中性線(xiàn)額定載流量，對交流發(fā)電機進(jìn)行降額使用。

3、只連接類(lèi)似節距的中性點(diǎn)

      低壓系統通常需要具有接地的中性線(xiàn)。在并聯(lián)應用中，為了使系統只有一個(gè)中性線(xiàn)接地點(diǎn)，該接地點(diǎn)的理想位置在系統開(kāi)關(guān)裝置中。同時(shí)必須考慮需要中性線(xiàn)連接的單相負載的大小與不需要中性線(xiàn)連接的三相負載的大小。只要系統中有足夠的線(xiàn)對中性容量，系統負載將自然平衡。在這種情況下必須小心，以確保沒(méi)有中性線(xiàn)接地點(diǎn)的發(fā)電機不是第一個(gè)接入母排的，否則系統將沒(méi)有中性線(xiàn)接地點(diǎn)。如果存在任何發(fā)電機必須被允許作為連接到母排的唯一發(fā)電機（例如在所有其他發(fā)電機組已經(jīng)失效的故障情況下）的情況，則使用中性線(xiàn)接觸器以確保僅類(lèi)似節距的發(fā)電機的中性點(diǎn)之間進(jìn)行連接，類(lèi)似于北美以外中壓/高壓系統最常見(jiàn)的發(fā)電機并聯(lián)配置。在該設計中，對于考慮中性點(diǎn)接觸器的故障模式尤其關(guān)鍵。不管是在合閘還是在分閘模式下，中性線(xiàn)接觸器的合閘故障，都應該發(fā)出警報。中性線(xiàn)接觸器應使用具有位置反饋信號錯誤自診斷功能的雙位置指示觸點(diǎn)（來(lái)自不同開(kāi)關(guān)的一個(gè)“a”合閘狀態(tài)和一個(gè)“b”分閘狀態(tài)），以更確定中性線(xiàn)接觸器的合分閘狀態(tài)。

4、在不同節距發(fā)電機之間的中性支路中安裝電抗器

      可以將適配裝置安裝在不同節距發(fā)電機之間的中性點(diǎn)之間，以降低中性線(xiàn)環(huán)流。適配裝置可以調諧到產(chǎn)生最大問(wèn)題的特定諧波頻率，即150/180Hz。

      使用適配裝置的主要問(wèn)題是其成本和其設計的定制性質(zhì)，使得它們難以快速到貨和安裝。此外，適配裝置的故障可能長(cháng)時(shí)間未被檢測到，導致系統中性線(xiàn)有效連接的改變和潛在的意外危險。

 

 總結：

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