新聞主題	不同節(jié)距的交流發(fā)電機(jī)使用條件

 

摘要：不同節(jié)距的交流發(fā)電機(jī)并聯(lián)時(shí)的不兼容的影響，可以通過包括常規(guī)的交流電流測量在內(nèi)的適當(dāng)?shù)臏y量裝置清楚地看出。在系統(tǒng)空載運(yùn)行時(shí)，觀察從每個(gè)發(fā)電機(jī)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(jié)距交流發(fā)電機(jī)或不同節(jié)距的交流發(fā)電機(jī)的方法，并且這些方法中的最常見的將在本文中進(jìn)行描述以及示例說明。

 

一、并聯(lián)發(fā)電機(jī)環(huán)流概述

 

      發(fā)電機(jī)是基于法拉第電磁感應(yīng)定律而來的，即一塊金屬，比如一根銅線，在磁場中運(yùn)動(dòng)，金屬內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生電場。金屬內(nèi)部的電荷就會(huì)沿著電場流動(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有在磁場中），就產(chǎn)生了電流，于是，發(fā)電機(jī)發(fā)出了電。所以，發(fā)電機(jī)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(yùn)動(dòng)。以康明斯斯坦福發(fā)電機(jī)為例，外形構(gòu)造如圖1、圖2所示。

2、環(huán)流的產(chǎn)生

      當(dāng)發(fā)電機(jī)并聯(lián)時(shí)，兩個(gè)發(fā)電機(jī)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(dá)到完全相同。由交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電動(dòng)勢（emf）的差異將導(dǎo)致電流從具有較高瞬時(shí)電動(dòng)勢的發(fā)電機(jī)流到具有較低瞬時(shí)電動(dòng)勢的發(fā)電機(jī)。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(dāng)發(fā)電機(jī)在公共母排上連接在一起時(shí)，瞬時(shí)電壓的差異將導(dǎo)致發(fā)電機(jī)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(jī)之間存在瞬時(shí)電壓差的任何時(shí)間點(diǎn)處，被稱為中性線環(huán)流的電流將在發(fā)電機(jī)之間循環(huán)流動(dòng)，當(dāng)存在可作為電流流經(jīng)路徑的系統(tǒng)中性線時(shí)更為明顯。

3、環(huán)流導(dǎo)致的發(fā)電機(jī)降額使用

      環(huán)流對交流發(fā)電機(jī)損壞程度取決于電流的大小、系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)的額定值以及系統(tǒng)中的保護(hù)裝置對中性線或諧波電流的靈敏度。因?yàn)榘l(fā)電機(jī)輸出電壓波形的諧波含量隨負(fù)載變化，所以不同節(jié)距發(fā)電機(jī)并聯(lián)工作的負(fù)面影響可能在隨負(fù)載水平變化而變化，但通常主要關(guān)注的是在額定負(fù)載下的電流大小，因?yàn)榇藭r(shí)交流發(fā)電機(jī)的內(nèi)部溫度通常將最高，并且最易于發(fā)生故障。

      在使用不同節(jié)距發(fā)電機(jī)并聯(lián)的四線系統(tǒng)中，應(yīng)測量發(fā)電機(jī)中性線電流，以驗(yàn)證不同節(jié)距發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行問題或發(fā)電機(jī)過早故障。如果系統(tǒng)中沒有其他相關(guān)問題，則設(shè)計(jì)者可以允許系統(tǒng)中存在一定量的中性線電流，并且通過交流發(fā)電機(jī)降額使用來補(bǔ)償。降額因數(shù)計(jì)算如下：

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

式中，I_R——發(fā)電機(jī)在滿載和額定功率因數(shù)時(shí)的輸出電流；

I_N——發(fā)電機(jī)并聯(lián)且?guī)鄬ΨQ平衡滿負(fù)載運(yùn)行時(shí)的中性點(diǎn)電流；

kVA gen——交流發(fā)電機(jī)在最大溫升的額定kVA。

 

圖1  同步發(fā)電機(jī)三維等測圖

圖2  同步發(fā)電機(jī)三維側(cè)面圖

 

二、柴發(fā)并聯(lián)示例

 

      與交流發(fā)電機(jī)匹配的柴發(fā)并聯(lián)系統(tǒng)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(tǒng)中，每個(gè)高壓柴油發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)通過中性接地電阻器接地。并聯(lián)的中壓發(fā)電機(jī)通過三角形（Δ）/星形（Y）接法的降壓變壓器所帶實(shí)際負(fù)載，由發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的任何諧波失真保持在電力變壓器的高壓側(cè)，并且與實(shí)際負(fù)載隔離?？梢钥闯?，當(dāng)在中壓下，來自電源的諧波失真可以忽略，因?yàn)樗粫?huì)增加由負(fù)載產(chǎn)生的諧波失真。此外，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的任何3次諧波電壓將保持在變壓器的中壓側(cè)，并且不通過低壓配電系統(tǒng)中的中性點(diǎn)。

      在該示例中，通常使用2/3節(jié)距或5/6節(jié)距的中壓交流發(fā)電機(jī)。使用5/6節(jié)距的交流發(fā)電機(jī)是由于還有一個(gè)額外的考慮。如前所述，5/6節(jié)距的交流發(fā)電機(jī)將產(chǎn)生一些3次諧波電壓。如果發(fā)電機(jī)之間存在阻抗差異，則會(huì)有一定量的諧波電流通過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(jī)工藝差異，不同的電纜長度或不同的電阻值。在大多數(shù)情況下，阻抗差不足以大到對于該環(huán)流導(dǎo)致任何問題。交流發(fā)電機(jī)和電阻規(guī)格應(yīng)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(jī)和電阻器是最簡單和最具成本效益的。

      當(dāng)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(dāng)選型和調(diào)整。另一種適配裝置方法在以下關(guān)于“用于并聯(lián)不同節(jié)距的發(fā)電機(jī)的策略”的部分中描述。下面描述中性線切換方法。

      當(dāng)發(fā)電機(jī)停止時(shí)，所有中性點(diǎn)接地開關(guān)均處于合閘狀態(tài)。當(dāng)發(fā)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，第一臺成功合閘的發(fā)電機(jī)組，將保持其中性點(diǎn)接地開關(guān)的合閘狀態(tài)，而所有其他發(fā)電機(jī)組的中性點(diǎn)接地開關(guān)則分閘。由于始終只有一臺運(yùn)行中的發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)連接到接地電阻器，發(fā)電機(jī)之間的所有環(huán)流無法形成通路。如果發(fā)電機(jī)系統(tǒng)需要與市電并聯(lián)，則應(yīng)斷開已合閘的中性點(diǎn)接地開關(guān)。與所有接地方案一樣，中性點(diǎn)接地電阻大小必須適當(dāng)。該方法具有將由發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的所有諧波電流保持在變壓器的高壓側(cè)并且不增加負(fù)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(shù)柴油發(fā)電機(jī)組以480V線電壓運(yùn)行，一些系統(tǒng)以416V或600V線電壓運(yùn)行。在低壓系統(tǒng)和MV/HV系統(tǒng)之間存在兩個(gè)主要差異，其需要更仔細(xì)地選擇交流發(fā)電機(jī)繞組節(jié)距。

（1）許多低壓柴油發(fā)電機(jī)組包括連接在發(fā)電機(jī)和并聯(lián)開關(guān)裝置之間的中性線，該中性線也可以連接到各種低壓負(fù)載。

（2）許多低壓負(fù)載是非線性的，并且在電力系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)在其上產(chǎn)生諧波。這些負(fù)載包括變頻器（VFD），不間斷電源（UPS）和開關(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(jī)對于低電壓系統(tǒng)是重要的。

      2/3節(jié)距的交流發(fā)電機(jī)不會(huì)向總系統(tǒng)增加任何3次諧波。因此，2/3節(jié)距交流發(fā)電機(jī)是低壓四線系統(tǒng)的最佳選擇。

 

柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)示意圖

柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)工程實(shí)例

 

三、不同節(jié)距的發(fā)電機(jī)并聯(lián)

 

1、三線配電系統(tǒng)的并聯(lián)不同節(jié)距的交流發(fā)電機(jī)

      當(dāng)并聯(lián)不同節(jié)距的交流發(fā)電機(jī)時(shí)，使用三線配電系統(tǒng)。通過減配發(fā)電機(jī)組母排和負(fù)載之間的中性線，去除最具破壞性的諧波電流賴以流經(jīng)的路徑，諧波問題的最常見原因被最小化。雖然諧波電流仍然會(huì)在發(fā)電機(jī)中產(chǎn)生熱量，但消除了諧波電流流經(jīng)中性線產(chǎn)生發(fā)熱的破壞性影響。

2、四線系統(tǒng)中的并聯(lián)不同節(jié)距的交流發(fā)電機(jī)

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

3、只連接類似節(jié)距的中性點(diǎn)

      低壓系統(tǒng)通常需要具有接地的中性線。在并聯(lián)應(yīng)用中，為了使系統(tǒng)只有一個(gè)中性線接地點(diǎn)，該接地點(diǎn)的理想位置在系統(tǒng)開關(guān)裝置中。同時(shí)必須考慮需要中性線連接的單相負(fù)載的大小與不需要中性線連接的三相負(fù)載的大小。只要系統(tǒng)中有足夠的線對中性容量，系統(tǒng)負(fù)載將自然平衡。在這種情況下必須小心，以確保沒有中性線接地點(diǎn)的發(fā)電機(jī)不是第一個(gè)接入母排的，否則系統(tǒng)將沒有中性線接地點(diǎn)。如果存在任何發(fā)電機(jī)必須被允許作為連接到母排的唯一發(fā)電機(jī)（例如在所有其他發(fā)電機(jī)組已經(jīng)失效的故障情況下）的情況，則使用中性線接觸器以確保僅類似節(jié)距的發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)之間進(jìn)行連接，類似于北美以外中壓/高壓系統(tǒng)最常見的發(fā)電機(jī)并聯(lián)配置。在該設(shè)計(jì)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，中性線接觸器的合閘故障，都應(yīng)該發(fā)出警報(bào)。中性線接觸器應(yīng)使用具有位置反饋信號錯(cuò)誤自診斷功能的雙位置指示觸點(diǎn)（來自不同開關(guān)的一個(gè)“a”合閘狀態(tài)和一個(gè)“b”分閘狀態(tài)），以更確定中性線接觸器的合分閘狀態(tài)。

4、在不同節(jié)距發(fā)電機(jī)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(jié)距發(fā)電機(jī)之間的中性點(diǎn)之間，以降低中性線環(huán)流。適配裝置可以調(diào)諧到產(chǎn)生最大問題的特定諧波頻率，即150/180Hz。

      使用適配裝置的主要問題是其成本和其設(shè)計(jì)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時(shí)間未被檢測到，導(dǎo)致系統(tǒng)中性線有效連接的改變和潛在的意外危險(xiǎn)。

 

 總結(jié)：

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