新聞主題	同步發(fā)電機并聯(lián)運行優(yōu)點及其條件分析

 

摘要：柴油發(fā)電機組并聯(lián)運行時，如果有功功率分配嚴重不平衡，會造成一臺發(fā)電機負荷全部轉移給另一臺發(fā)電機，從而可能使其中一臺發(fā)電機處于電動機狀態(tài)，另一臺超負荷運行。如果無功功率分配不均，在兩發(fā)電機組之間將產(chǎn)生無功性質的環(huán)流，當環(huán)流太大時，會引起發(fā)電機電流過載而燒壞。有功功率或無功功率分配不均，會直接影響電站的運行安全，加強日常檢查、及時排除故障，保證柴油發(fā)電機組并聯(lián)穩(wěn)定、安全、經(jīng)濟運行至關重要。柴油發(fā)電機組之間有功功率和無功功率的合理分配，是柴油發(fā)電機組組穩(wěn)定并聯(lián)運行的必要條件之一。文章結合多年船舶柴油發(fā)電機組修理及船舶電站調(diào)試經(jīng)驗，對柴油發(fā)電機組并聯(lián)運行中出現(xiàn)的典型故障進行分析，并提出了排除故障的方法。

 

一、設備并聯(lián)條件和合閘方法

 

1、并聯(lián)條件

      設有一臺同步發(fā)電機打算與已經(jīng)對負載供電的發(fā)電機組（電網(wǎng)）并聯(lián)，為了在投入并聯(lián)時避免發(fā)生大電流沖擊和發(fā)電機轉軸突然受到扭力矩而損傷定子繞組端部和轉軸，并聯(lián)合閘需要滿足一定的條件，即投入的發(fā)電機相電勢瞬時值與電網(wǎng)電壓瞬時值應始終保持相等。以上并聯(lián)合閘的條件可分為四條：

① 發(fā)電機電壓和母線（電網(wǎng)）電壓的相序要一致。柴油發(fā)電機組在出廠時已明確規(guī)定了相序，并在出線端標明，可在安裝接線時實現(xiàn)。

② 發(fā)電機的輸出電壓（勵磁電勢）與電網(wǎng)電壓大小（幅值）相等且波形相同。前者通過調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流0來實現(xiàn)，后者在發(fā)電機設計制造時得以保證。

③ 發(fā)電機的電壓頻率和母線（電網(wǎng)）電壓的頻率要一致?？赏ㄟ^調(diào)整發(fā)電機的轉速來實現(xiàn)與母線（電網(wǎng)）電壓頻率一致。

④ 發(fā)電機的輸出電壓與母線（電網(wǎng)）電壓相位要相同，亦即發(fā)電機與電網(wǎng)的回路電勢為零?？赏ㄟ^采用不同的并網(wǎng)方法，選擇適當?shù)牟⒕W(wǎng)瞬間來實現(xiàn)。

2、合閘方法

      并聯(lián)合閘的方法暗燈法和燈光旋轉法都可比較準確地確定刻，使合閘時無電流沖擊，稱為準確同步法。實際中，在需要將發(fā)電機很快投在需要將發(fā)電機很快投入并網(wǎng)運行時，可采用自同步法。事先校驗好發(fā)電機的相序；起動發(fā)電機，使接近同步轉速，勵磁繞組經(jīng)限流電阻短路；合上并聯(lián)開關，再立即加勵磁，使發(fā)電機自動牽入同步。該法操作簡單，裝置簡單，但是合閘有電流沖擊。

（1）暗燈法

      暗燈法接線圖如圖1所示，相量圖如圖2所示。判斷合閘開關兩端的電壓差。

① 如果3個相燈都熄滅，始終，說明合閘開關兩端的電壓差為零，4個條件滿足。

② 利用相燈來判斷，即把燈泡跨接在合閘開關兩端，由燈的亮暗情況來判斷電壓差的大小。

③ 當相序不同時，若發(fā)電機頻率高于電網(wǎng)，則順時針旋轉；反之，則逆時針旋轉。頻率差越大，燈光旋轉速度越快。調(diào)節(jié)方法：將發(fā)電機接到合閘開關的任何兩根線對調(diào)，使相序相同。

（2）燈光旋轉法

      采用暗燈法，在相序不同時，燈光出現(xiàn)旋轉，接線圖如圖3所示，相量圖如圖4所示。通過旋轉的速度和方向，可以判斷發(fā)電機頻率與電網(wǎng)頻率的差別和快慢。

① 有意把相燈接在不同相的電壓之間，在相序正確時使燈光旋轉，這種并聯(lián)合閘方法稱為燈光旋轉法。

② 若相序正確，則會出現(xiàn)燈光旋轉現(xiàn)象，調(diào)節(jié)發(fā)電機電壓，使 U_g=U_s ；調(diào)節(jié)發(fā)電機轉速，使燈光旋轉緩慢，說明 W_g已接近于W_s；等到不交叉的相燈，即相燈1 熄滅時，說明電壓相等而且同相位；即可把發(fā)電機投入電網(wǎng)。

③ 若按燈光旋轉法接線，而發(fā)現(xiàn)燈光同時亮，同時滅。則說明相序接錯，需要改變發(fā)電機的相序，才能進行投入。

 

圖1  同步發(fā)電機并聯(lián)暗燈接線圖	圖2  同步發(fā)電機暗燈法相量圖
圖3  同步發(fā)電機燈光旋轉法接線圖	圖4  同步發(fā)電機燈光旋轉法相量圖

 

二、電流大且主開關跳閘故障

 

1、故障現(xiàn)象

      某用戶2臺型號為KC90GF型康明斯發(fā)電機組（額定電壓400V，額定功率90 kW，額定電流162 A，額定轉速1500r/min，額定功率因數(shù)0.8）不可控相復勵同步發(fā)電機負荷試驗，1#柴油發(fā)電機組運行，并入2#柴油發(fā)電機組時，出現(xiàn)兩功率因數(shù)表一個指示容性，一個指示感性，且1#發(fā)電機電流表電流瞬時達到最大量程的異?，F(xiàn)象。并車沖擊電流很大，導致1#發(fā)電機主開關跳閘，無法并車使用。

2、故障分析

      根據(jù)故障現(xiàn)象分析為無功功率分配不均故障。交流發(fā)電機并聯(lián)運行時，無功功率是否能均勻分配，主要是與發(fā)電機組的外特性有關。

      如果發(fā)電機組外特性不相同，在發(fā)電機之間就有均衡電流產(chǎn)生，當2臺發(fā)電機組的外特性在空載點重合時，此電流從外特性較平的發(fā)電機流向外特性較陡的發(fā)電機；對前者來講，是一個感性電流，對后者來講，是一個容性電流。使前者的內(nèi)電勢降低，后者的內(nèi)電勢升高，2臺發(fā)電機的端電壓趨向相等，均衡的結果，使前者運行在功率因數(shù)較低的一條特性上，后者運行在功率因數(shù)較高的一條特性上。如果發(fā)電機原先有無功功率輸出，現(xiàn)在再加上這一部分的無功均衡電流，矢量相加的結果使這2臺發(fā)電機的總電流不再相等，功率因數(shù)也不相等。外特性差異過大時，會造成一臺發(fā)電機電流過載、主開關跳閘。為了避免出現(xiàn)這種情況，同容量不可控相復勵發(fā)電機并聯(lián)運行時通常采用勵磁均壓線，保證其外特性曲線斜率一致，以保持無功功率分配均衡?？煽叵鄰蛣畎l(fā)電機并聯(lián)運行時，則是采用無功調(diào)差裝置。

3、故障排除方法及驗證

      查看隨機配電板原理圖，并聯(lián)時2臺發(fā)電機勵磁繞組通過2個繼電器的常開觸點實現(xiàn)勵磁均壓線連接。對2臺發(fā)電機分別供電檢查，發(fā)現(xiàn)1#發(fā)電機合閘時對應的繼電器動作，2#發(fā)電機合閘時對應的未動作。分析并車時2”發(fā)電機繼電器常開觸點不閉合，導致均壓線未連通，出現(xiàn)上述故障。

      更換該繼電器后，重新并車，工作正常，兩機功率表、功率因數(shù)表、電流表指示基本一致，無功功率分配均勻，故障排除。

 

三、無功功率分配不均故障

 

1、故障現(xiàn)象

      某用戶2臺型號為KC310GF康明斯發(fā)電機組（額定電壓390 V，額定功率310 kW，額定電流574A，額定轉速1500 r/min，額定功率因數(shù)0.8）的無刷交流同步發(fā)電機修后進行負載試驗，單機負載試驗，運行參數(shù)正常，其穩(wěn)態(tài)調(diào)速率和穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率試驗記錄1如表1所示。

表1     柴油發(fā)電機組穩(wěn)態(tài)調(diào)速率和穩(wěn)態(tài)電壓

 

      兩臺機的穩(wěn)態(tài)調(diào)速率均為2.4%，穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率均為1.79%，調(diào)速特性和調(diào)壓特性一致。當并聯(lián)運行時，觀察配電板上的功率表，兩機有功功率分配均勻，但2個功率因數(shù)表顯示不均勻，指針波動較大，兩電流表數(shù)值相差很大，無功功率分配超出標準范圍。

2、故障分析

      該發(fā)電機調(diào)差裝置原理圖如圖5所示。因單機穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率及穩(wěn)態(tài)調(diào)速率正常，并車時出現(xiàn)故障，根據(jù)原理圖分析，可能故障原因如下幾點。

（1）調(diào)差電流互感器輸出線路接錯。

      當并聯(lián)運行時，為了使各臺發(fā)電機無功功率分配合理，通常需將各發(fā)電機單機的外特性調(diào)整為隨無功電流的增大而下垂。此時無功調(diào)差起作用，V、W相線電壓經(jīng)T₁'（變電器）降壓，與U相電流經(jīng)T?變流，在調(diào)差電位器S上的壓降疊加后形成取樣電壓u?，該取樣電壓不僅反映發(fā)電機端電壓，還反映了發(fā)電機的無功電流I_u的大小。當無功電流增大時，取樣電壓u。增大，通過AVR調(diào)節(jié)減小勵磁電流，端電壓下降，從而實現(xiàn)了下垂特性，當各臺發(fā)電機的下垂特性一致時，無功功率分配會合理均勻。在cosφ=1、0<cosφ<1、cos?=0（φ為功率因數(shù)）的工況下，調(diào)差裝置矢量疊加如圖6、圖7、圖8所示。

      圖6表示cosφ=1的負載電流情況，調(diào)差線路接錯得到取樣電壓u₀₂，與正確接法所得的取樣電壓u₀₁相比變化不大；圖7表示0<cosφ<1的負載電流情況，調(diào)差線路接錯得到取樣電壓u₀₂，與正確接法所得的取樣電壓u₀₁相比有所減少；圖8表示cosφ=0的負載電流情況，調(diào)差線路接錯得到取樣電壓u₀₂，與正確接法所得的取樣電壓u₀₁相比減少很多。由此可見，AVR檢測到的取樣電壓將依次減少，通過AVR調(diào)節(jié)增加勵磁電流，端電壓上升，不能實現(xiàn)下垂特性，導致并聯(lián)運行發(fā)電機特性不一致，無功功率分配不均，且隨著功率因數(shù)的減小，無功功率分配差值加大。

（2）調(diào)差電流互感器輸出線路開路。

      如無功調(diào)差電流互感器輸出線路開路，調(diào)差裝置測得的電壓不隨無功電流的變化而變化，相當于無功調(diào)差不起作用，不能實現(xiàn)理想的下垂特性，同樣導致無功功率分配不均，只是無功功率分配差值比調(diào)差線路接錯要小一些。

（3）調(diào)差電位器S開路或接觸不良。

      其原理類似于調(diào)差電流互感器輸出線路開路。

 

圖5  柴油發(fā)電機組并聯(lián)調(diào)差裝置原理圖	圖6  COSφ=1并聯(lián)調(diào)差裝置矢量圖
圖7  0＜COSφ＜1并聯(lián)調(diào)差裝置矢量圖	圖8  COSφ=0并聯(lián)調(diào)差裝置矢量圖

 

 

3、 故障排除方法及驗證

      檢查時按就簡原則排查故障，首先檢查調(diào)差電流互感器輸出線路通斷情況，線圈正常；檢查輸入接線端子排接線是否正確或松動，檢查正常；檢查調(diào)差電位器阻值是否正常、變化是否平穩(wěn)，檢查中發(fā)現(xiàn)，調(diào)整調(diào)差電位器S阻值有時變化正常、有時開路，對該電位器進行更換，將電位器整定到出廠刻度值。

      調(diào)整后進行并聯(lián)運行試驗，過程穩(wěn)定，最大無功功率分配差值為2.4%，滿足無功功率分配差值小于發(fā)電機組額定無功功率的10%的標準要求，故障排除。2臺發(fā)電機組并聯(lián)運行試驗記錄1見表2。

表2  2臺發(fā)電機組并聯(lián)運行試驗記錄1

 

四、有功功率分配不均故障

 

1、故障現(xiàn)象

      某用戶2臺型號為KC320GF康明斯發(fā)電機組（額定電壓440V，額定功率320 kW，額定電流524.9 A，額定轉速1800r/min，額定功率因數(shù)0.8）的柴油發(fā)電機組單機負載試驗，運行參數(shù)正常，其穩(wěn)態(tài)調(diào)速率和穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率試驗記錄2如表3所示。

表3  柴油發(fā)電機組穩(wěn)態(tài)調(diào)速率和穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率試驗記錄2

      并聯(lián)試驗時，1#發(fā)電機組運行，并入2#發(fā)電機組時，出現(xiàn)2#發(fā)電機組自動搶負荷，持續(xù)上升。將1#發(fā)電機組調(diào)速器加速，又出現(xiàn)1#發(fā)電機組負荷持續(xù)上升，兩發(fā)電機組始終無法穩(wěn)定并聯(lián)運行。

2、故障分析

      有功功率分配主要取決于柴油發(fā)電機組的外特性。如圖9、圖10所示。

（1）如果1#發(fā)電機和2#柴油發(fā)電機組的外特性均為下降特性，如圖9，2臺發(fā)電機穩(wěn)定并聯(lián)運行時，頻率是一致的，2臺發(fā)電機各自承擔的負荷為P₁和P₂，總功率為P=P₁+P₂，頻率為fi。如果負荷增加，則頻率從f₁下降至f₂，2臺發(fā)電機分別發(fā)出功率為P₃、P₄。如果2臺柴油發(fā)電機組的外性相差很大，負荷分配也就越不均勻，即使調(diào)節(jié)柴油機油門，使2臺發(fā)電機在總功率為20%時有一個分配預差也難以補償，隨著負荷的增加，還是有可能超出分配差值，從圖3可以看出，外特性越是平坦，它所承擔的負荷變化值越多，分配誤差越有可能超出標準范圍。

（2）如果1#柴油發(fā)電機組的外特性為下降特性，2#柴油發(fā)電機組的外特性為平特性，如圖10。電網(wǎng)頻率為f'，1#發(fā)電機工作點在A點，始終只承擔功率P'。當負荷功率等于2P'時，2個發(fā)電機各承擔一半功率。當負荷功率大于2P'時，其超過2P'的部分均由2#發(fā)電機承擔。當負荷功率處于P'~2P'之間時，2#發(fā)電機只承擔總功率減去P'后剩下來的、小于P'的功率。當負荷功率等于P'時，2#發(fā)電機不承擔任何功率，它的工作點在B點。如果負荷功率進一步減少，2#發(fā)電機要轉入電動機工作狀態(tài)運行。

（3）如果2臺柴油發(fā)電機組的外特性均為平特性，當這二條特性不重合時，就找不到共同運行點，即使重合，負荷也無法以一個明確的比例來分配，即使調(diào)節(jié)均勻，也極度不穩(wěn)定，極易造成一臺負荷全部轉移給另一臺發(fā)電機，而使其中一臺處于電動機狀態(tài)，逆功率保護動作，自動退出并聯(lián)運行。為了使發(fā)電機有功功率均勻分配，柴油發(fā)電機組應滿足下列3個要求：

① 各臺柴油發(fā)電機組外特性應盡量一致，并且是下降特性；

② 外特性的線性度要好，并盡可能成一直線；

③ 負荷增加時的外特性和負荷減小時的外特性應盡量一致。

      通過單機試驗記錄觀察，判斷本次故障主要原因是2臺柴油發(fā)電機組穩(wěn)態(tài)調(diào)速率為0%，調(diào)速特性太平造成。需對柴油發(fā)電機組的特性曲線進行調(diào)整，使調(diào)速特性呈下降并盡量一致。

 

圖9  柴油發(fā)電機組功率下降特性

圖10  柴油發(fā)電機組功率平特性

 

3、故障排除方法及驗證

（1）啟動1#柴油發(fā)電機組，空載時調(diào)整柴油發(fā)電機組調(diào)速器，將轉速調(diào)整為1803 r/min，合閘后帶額定負荷、功率因數(shù)調(diào)整為0.8，將轉速調(diào)整為1773 r/min。

（2）啟動2#柴油發(fā)電機組，空載時調(diào)整原動機調(diào)速器，將轉速也調(diào)整為1803r/min，合閘后帶額定負荷、功率因數(shù)調(diào)整為0.8，將轉速也調(diào)整為1773 r/min。

      兩機的穩(wěn)態(tài)調(diào)速率均為1.7%。調(diào)整后進行并車試驗，并聯(lián)運行穩(wěn)定，最大有功功率分配差值為3.1%，滿足有功功率分配差值小于發(fā)電機組額定有功功率的15%標準要求，故障排除。2臺發(fā)電機組并聯(lián)運行試驗記錄2如表4所示。

表4    2臺發(fā)電機組并聯(lián)運行試驗記錄2

 

總結：

      柴油發(fā)電機組試驗過程中一般先進行單機試驗，為了滿足并聯(lián)運行有功功率和無功功率分配差值要求，單機時應盡量調(diào)整好柴油發(fā)電機組的穩(wěn)態(tài)調(diào)速率和發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率，使需要并聯(lián)運行的發(fā)電機組的調(diào)速特性和調(diào)壓特性盡量一致，并均呈現(xiàn)下降趨勢。在并車調(diào)試過程中若出現(xiàn)有功功率、無功功率分配不均現(xiàn)象，一般在并車過程中通過調(diào)整柴油機調(diào)速器和發(fā)電機調(diào)差電位器進行有功功率和無功功率調(diào)整。此階段調(diào)整時，單機的穩(wěn)態(tài)調(diào)速率和穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率會發(fā)生變化，此時要檢查發(fā)電機組單機特性是否也滿足標準要求，并做好記錄。無論發(fā)電機單機運行還是并聯(lián)運行，若發(fā)電機的功率因數(shù)、電流值、電壓異常，掌握發(fā)電機特性要求，查清勵磁系統(tǒng)中各個元器件的作用以及工作原理，是保證排除故障的基礎，特別在日常檢修和保養(yǎng)中，不能隨意調(diào)整電阻值，且接線端子不能隨意顛倒。

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