新聞主題	不同節距的交流發電機使用條件

 

摘要：不同節距的交流發電機并聯時的不兼容的影響，可以通過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，觀察從每個發電機流出的電流顯示，環流將是最明顯的。存在幾種用于并聯5/6節距交流發電機或不同節距的交流發電機的方法，并且這些方法中的最常見的將在本文中進行描述以及示例說明。

 

一、并聯發電機環流概述

 

      發電機是基于法拉第電磁感應定律而來的，即一塊金屬，比如一根銅線，在磁場中運動，金屬內部會產生電場。金屬內部的電荷就會沿著電場流動。如果這塊金屬不是一個環，電荷就會積累在兩端，以電壓的形式存在，把這塊金屬接在一個回路中（回路除金屬以外的其他部分并沒有在磁場中），就產生了電流，于是，發電機發出了電。所以，發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。以康明斯斯坦福發電機為例，外形構造如圖1、圖2所示。

2、環流的產生

      當發電機并聯時，兩個發電機的瞬時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。由交流發電機產生的電動勢（emf）的差異將導致電流從具有較高瞬時電動勢的發電機流到具有較低瞬時電動勢的發電機。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明，即使這兩個波形可能具有完全相同的電壓有效值幅值（RMS均方根值），但在不同的時間點，一個電壓波形的瞬時值會高于另一個電壓波形的瞬時值，反之亦然。當發電機在公共母排上連接在一起時，瞬時電壓的差異將導致發電機之間的瞬時電流流動即產生3次諧波電流環流。因此，在并聯之前，在發電機之間存在瞬時電壓差的任何時間點處，被稱為中性線環流的電流將在發電機之間循環流動，當存在可作為電流流經路徑的系統中性線時更為明顯。

3、環流導致的發電機降額使用

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

      在使用不同節距發電機并聯的四線系統中，應測量發電機中性線電流，以驗證不同節距發電機的并聯運行不會導致系統運行問題或發電機過早故障。如果系統中沒有其他相關問題，則設計者可以允許系統中存在一定量的中性線電流，并且通過交流發電機降額使用來補償。降額因數計算如下：

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

式中，I_R——發電機在滿載和額定功率因數時的輸出電流；

I_N——發電機并聯且帶三相對稱平衡滿負載運行時的中性點電流；

kVA gen——交流發電機在最大溫升的額定kVA。

 

圖1  同步發電機三維等測圖

圖2  同步發電機三維側面圖

 

二、柴發并聯示例

 

      與交流發電機匹配的柴發并聯系統如圖3所示，工程實例如圖4所示。

1、中壓/高電壓示例

      在北美使用的中壓系統中，每個高壓柴油發電機的中性點通過中性接地電阻器接地。并聯的中壓發電機通過三角形（Δ）/星形（Y）接法的降壓變壓器所帶實際負載，由發電機產生的任何諧波失真保持在電力變壓器的高壓側，并且與實際負載隔離。可以看出，當在中壓下，來自電源的諧波失真可以忽略，因為它不會增加由負載產生的諧波失真。此外，發電機產生的任何3次諧波電壓將保持在變壓器的中壓側，并且不通過低壓配電系統中的中性點。

      在該示例中，通常使用2/3節距或5/6節距的中壓交流發電機。使用5/6節距的交流發電機是由于還有一個額外的考慮。如前所述，5/6節距的交流發電機將產生一些3次諧波電壓。如果發電機之間存在阻抗差異，則會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。這些阻抗差異可能是由于輕微的交流發電機工藝差異，不同的電纜長度或不同的電阻值。在大多數情況下，阻抗差不足以大到對于該環流導致任何問題。交流發電機和電阻規格應考慮這一電流。很多時候，選擇不受該電流影響的交流發電機和電阻器是最簡單和最具成本效益的。

      當需要減少環流時，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。可以使用適配裝置代替相同配置的電阻器。需要對適配裝置進行適當選型和調整。另一種適配裝置方法在以下關于“用于并聯不同節距的發電機的策略”的部分中描述。下面描述中性線切換方法。

      當發電機停止時，所有中性點接地開關均處于合閘狀態。當發電機啟動時，第一臺成功合閘的發電機組，將保持其中性點接地開關的合閘狀態，而所有其他發電機組的中性點接地開關則分閘。由于始終只有一臺運行中的發電機的中性點連接到接地電阻器，發電機之間的所有環流無法形成通路。如果發電機系統需要與市電并聯，則應斷開已合閘的中性點接地開關。與所有接地方案一樣，中性點接地電阻大小必須適當。該方法具有將由發電機產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點。

2、低電壓示例

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

（1）許多低壓柴油發電機組包括連接在發電機和并聯開關裝置之間的中性線，該中性線也可以連接到各種低壓負載。

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

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

 

柴油發電機組并聯示意圖

柴油發電機組并聯工程實例

 

三、不同節距的發電機并聯

 

1、三線配電系統的并聯不同節距的交流發電機

      當并聯不同節距的交流發電機時，使用三線配電系統。通過減配發電機組母排和負載之間的中性線，去除最具破壞性的諧波電流賴以流經的路徑，諧波問題的最常見原因被最小化。雖然諧波電流仍然會在發電機中產生熱量，但消除了諧波電流流經中性線產生發熱的破壞性影響。

2、四線系統中的并聯不同節距的交流發電機

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

3、只連接類似節距的中性點

      低壓系統通常需要具有接地的中性線。在并聯應用中，為了使系統只有一個中性線接地點，該接地點的理想位置在系統開關裝置中。同時必須考慮需要中性線連接的單相負載的大小與不需要中性線連接的三相負載的大小。只要系統中有足夠的線對中性容量，系統負載將自然平衡。在這種情況下必須小心，以確保沒有中性線接地點的發電機不是第一個接入母排的，否則系統將沒有中性線接地點。如果存在任何發電機必須被允許作為連接到母排的唯一發電機（例如在所有其他發電機組已經失效的故障情況下）的情況，則使用中性線接觸器以確保僅類似節距的發電機的中性點之間進行連接，類似于北美以外中壓/高壓系統最常見的發電機并聯配置。在該設計中，對于考慮中性點接觸器的故障模式尤其關鍵。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，都應該發出警報。中性線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（來自不同開關的一個“a”合閘狀態和一個“b”分閘狀態），以更確定中性線接觸器的合分閘狀態。

4、在不同節距發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電機之間的中性點之間，以降低中性線環流。適配裝置可以調諧到產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計的定制性質，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間未被檢測到，導致系統中性線有效連接的改變和潛在的意外危險。

 

 總結：

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