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新闻主题	不同节距的交流发电机使用条件

 

摘要：不同节距的交流发电机并联时的不兼容的影响，可以通过包括常规的交流电流测量在内的适当的测量装置清楚地看出。在系统空载运行时，观察从每个发电机流出的电流显示，环流将是最明显的。存在几种用于并联5/6节距交流发电机或不同节距的交流发电机的方法，并且这些方法中的最常见的将在本文中进行描述以及示例说明。

 

一、并联发电机环流概述

 

      发电机是基于法拉第电磁感应定律而来的，即一块金属，比如一根铜线，在磁场中运动，金属内部会产生电场。金属内部的电荷就会沿着电场流动。如果这块金属不是一个环，电荷就会积累在两端，以电压的形式存在，把这块金属接在一个回路中（回路除金属以外的其他部分并没有在磁场中），就产生了电流，于是，发电机发出了电。所以，发电机的基本原则就是固定住永磁体或者是金属，让金属或者是永磁体不停的运动。以康明斯斯坦福发电机为例，外形构造如图1、图2所示。

2、环流的产生

      当发电机并联时，两个发电机的瞬时电压幅值和频率在它们连接到公共母排处被迫达到完全相同。由交流发电机产生的电动势（emf）的差异将导致电流从具有较高瞬时电动势的发电机流到具有较低瞬时电动势的发电机。以纯正基波电压波形和具有3次谐波的失真电压波形彼此叠加为例说明，即使这两个波形可能具有完全相同的电压有效值幅值（RMS均方根值），但在不同的时间点，一个电压波形的瞬时值会高于另一个电压波形的瞬时值，反之亦然。当发电机在公共母排上连接在一起时，瞬时电压的差异将导致发电机之间的瞬时电流流动即产生3次谐波电流环流。因此，在并联之前，在发电机之间存在瞬时电压差的任何时间点处，被称为中性线环流的电流将在发电机之间循环流动，当存在可作为电流流经路径的系统中性线时更为明显。

3、环流导致的发电机降额使用

      环流对交流发电机损坏程度取决于电流的大小、系统中发电机的额定值以及系统中的保护装置对中性线或谐波电流的灵敏度。因为发电机输出电压波形的谐波含量随负载变化，所以不同节距发电机并联工作的负面影响可能在随负载水平变化而变化，但通常主要关注的是在额定负载下的电流大小，因为此时交流发电机的内部温度通常将最高，并且最易于发生故障。

      在使用不同节距发电机并联的四线系统中，应测量发电机中性线电流，以验证不同节距发电机的并联运行不会导致系统运行问题或发电机过早故障。如果系统中没有其他相关问题，则设计者可以允许系统中存在一定量的中性线电流，并且通过交流发电机降额使用来补偿。降额因数计算如下：

交流发电机的最大允许负载（kVA）＝｛I_R /（√I²_R+I²_N）｝(kVAgen)

式中，I_R——发电机在满载和额定功率因数时的输出电流；

I_N——发电机并联且带三相对称平衡满负载运行时的中性点电流；

kVA gen——交流发电机在最大温升的额定kVA。

 

图1  同步发电机三维等测图

图2  同步发电机三维侧面图

 

二、柴发并联示例

 

      与交流发电机匹配的柴发并联系统如图3所示，工程实例如图4所示。

1、中压/高电压示例

      在北美使用的中压系统中，每个高压柴油发电机的中性点通过中性接地电阻器接地。并联的中压发电机通过三角形（Δ）/星形（Y）接法的降压变压器所带实际负载，由发电机产生的任何谐波失真保持在电力变压器的高压侧，并且与实际负载隔离。可以看出，当在中压下，来自电源的谐波失真可以忽略，因为它不会增加由负载产生的谐波失真。此外，发电机产生的任何3次谐波电压将保持在变压器的中压侧，并且不通过低压配电系统中的中性点。

      在该示例中，通常使用2/3节距或5/6节距的中压交流发电机。使用5/6节距的交流发电机是由于还有一个额外的考虑。如前所述，5/6节距的交流发电机将产生一些3次谐波电压。如果发电机之间存在阻抗差异，则会有一定量的谐波电流通过电阻器和接地连接在它们之间循环。这些阻抗差异可能是由于轻微的交流发电机工艺差异，不同的电缆长度或不同的电阻值。在大多数情况下，阻抗差不足以大到对于该环流导致任何问题。交流发电机和电阻规格应考虑这一电流。很多时候，选择不受该电流影响的交流发电机和电阻器是最简单和最具成本效益的。

      当需要减少环流时，可以使用可选的接地方法。这些方法包括使用电抗器代替电阻器或使用中性线切换方案。可以使用适配装置代替相同配置的电阻器。需要对适配装置进行适当选型和调整。另一种适配装置方法在以下关于“用于并联不同节距的发电机的策略”的部分中描述。下面描述中性线切换方法。

      当发电机停止时，所有中性点接地开关均处于合闸状态。当发电机启动时，第一台成功合闸的发电机组，将保持其中性点接地开关的合闸状态，而所有其他发电机组的中性点接地开关则分闸。由于始终只有一台运行中的发电机的中性点连接到接地电阻器，发电机之间的所有环流无法形成通路。如果发电机系统需要与市电并联，则应断开已合闸的中性点接地开关。与所有接地方案一样，中性点接地电阻大小必须适当。该方法具有将由发电机产生的所有谐波电流保持在变压器的高压侧并且不增加负载的谐波含量的相同优点。

2、低电压示例

      在北美，大多数柴油发电机组以480V线电压运行，一些系统以416V或600V线电压运行。在低压系统和MV/HV系统之间存在两个主要差异，其需要更仔细地选择交流发电机绕组节距。

（1）许多低压柴油发电机组包括连接在发电机和并联开关装置之间的中性线，该中性线也可以连接到各种低压负载。

（2）许多低压负载是非线性的，并且在电力系统运行时在其上产生谐波。这些负载包括变频器（VFD），不间断电源（UPS）和开关电源（SMPS）。如前所述，选择使其产生的总谐波失真最小的交流发电机对于低电压系统是重要的。

      2/3节距的交流发电机不会向总系统增加任何3次谐波。因此，2/3节距交流发电机是低压四线系统的最佳选择。

 

柴油发电机组并联示意图

柴油发电机组并联工程实例

 

三、不同节距的发电机并联

 

1、三线配电系统的并联不同节距的交流发电机

      当并联不同节距的交流发电机时，使用三线配电系统。通过减配发电机组母排和负载之间的中性线，去除最具破坏性的谐波电流赖以流经的路径，谐波问题的最常见原因被最小化。虽然谐波电流仍然会在发电机中产生热量，但消除了谐波电流流经中性线产生发热的破坏性影响。

2、四线系统中的并联不同节距的交流发电机

      当需要并联发电机组直接为单相负载供电时（电路中没有三角形/星形接法的变压器为负载提供中性线），有3种方法可以降低流经中性线的谐波电流的破坏性风险：仅连接类似节距电机的中性点（不同节距发电机中性点不连接），在不同节距交流发电机之间安装电抗器，或考虑到中性线谐波电流占用了部分中性线额定载流量，对交流发电机进行降额使用。

3、只连接类似节距的中性点

      低压系统通常需要具有接地的中性线。在并联应用中，为了使系统只有一个中性线接地点，该接地点的理想位置在系统开关装置中。同时必须考虑需要中性线连接的单相负载的大小与不需要中性线连接的三相负载的大小。只要系统中有足够的线对中性容量，系统负载将自然平衡。在这种情况下必须小心，以确保没有中性线接地点的发电机不是第一个接入母排的，否则系统将没有中性线接地点。如果存在任何发电机必须被允许作为连接到母排的唯一发电机（例如在所有其他发电机组已经失效的故障情况下）的情况，则使用中性线接触器以确保仅类似节距的发电机的中性点之间进行连接，类似于北美以外中压/高压系统最常见的发电机并联配置。在该设计中，对于考虑中性点接触器的故障模式尤其关键。不管是在合闸还是在分闸模式下，中性线接触器的合闸故障，都应该发出警报。中性线接触器应使用具有位置反馈信号错误自诊断功能的双位置指示触点（来自不同开关的一个“a”合闸状态和一个“b”分闸状态），以更确定中性线接触器的合分闸状态。

4、在不同节距发电机之间的中性支路中安装电抗器

      可以将适配装置安装在不同节距发电机之间的中性点之间，以降低中性线环流。适配装置可以调谐到产生最大问题的特定谐波频率，即150/180Hz。

      使用适配装置的主要问题是其成本和其设计的定制性质，使得它们难以快速到货和安装。此外，适配装置的故障可能长时间未被检测到，导致系统中性线有效连接的改变和潜在的意外危险。

 

 总结：

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