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不同節(jié)距的交流發(fā)電機使用條件 |
摘要：不同節(jié)距的交流發(fā)電機并聯(lián)時的不兼容的影響，可以通過包括常規(guī)的交流電流測量在內(nèi)的適當?shù)臏y量裝置清楚地看出。在系統(tǒng)空載運行時，觀察從每個發(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(jié)距交流發(fā)電機或不同節(jié)距的交流發(fā)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(lián)發(fā)電機環(huán)流概述
發(fā)電機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，在磁場中運動，金屬內(nèi)部會產(chǎn)生電場。金屬內(nèi)部的電荷就會沿著電場流動。如果這塊金屬不是一個環(huán)，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(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。以康明斯斯坦福發(fā)電機為例，外形構(gòu)造如圖1、圖2所示。
1、節(jié)距（跨距）的定義
從定義上講，是指主定子中每個線圈兩個有效邊在定子上面跨過的距離（或是槽數(shù)），它與發(fā)電機極距（定子相鄰兩磁極間的距離）配合進行表述。當節(jié)距=極距，稱為整距。整距設(shè)計時，發(fā)電機具有最優(yōu)的輸出電功率，即繞組線圈的利用率最大化。越接近整距的設(shè)計，代表著線圈利用率越優(yōu)。
若通過傅里葉級數(shù)將發(fā)波形分解，發(fā)電機電壓波形中包含的是1（基波），3，5，7……等奇數(shù)次諧波。7次后的諧波分解影響較小，因此發(fā)電機主流設(shè)計中，主要考量的是3，5，7次諧波。
（1）2/3節(jié)距，代表線圈有效邊橫跨了2/3的極距，主要可以消除3次以及3的倍數(shù)次（3、9、15、21……）諧波。
（2）5/6節(jié)距，代表線圈有效邊橫跨了5/6的極距，主要可以消除5、7…..等高次諧波。
2、環(huán)流的產(chǎn)生
當發(fā)電機并聯(lián)時，兩個發(fā)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(fā)電機產(chǎn)生的電動勢（emf）的差異將導(dǎo)致電流從具有較高瞬時電動勢的發(fā)電機流到具有較低瞬時電動勢的發(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(fā)電機在公共母排上連接在一起時，瞬時電壓的差異將導(dǎo)致發(fā)電機之間的瞬時電流流動即產(chǎn)生3次諧波電流環(huán)流。因此，在并聯(lián)之前，在發(fā)電機之間存在瞬時電壓差的任何時間點處，被稱為中性線環(huán)流的電流將在發(fā)電機之間循環(huán)流動，當存在可作為電流流經(jīng)路徑的系統(tǒng)中性線時更為明顯。
3、環(huán)流導(dǎo)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(tǒng)中發(fā)電機的額定值以及系統(tǒng)中的保護裝置對中性線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(jié)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，因為此時交流發(fā)電機的內(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)電機并聯(lián)的四線系統(tǒng)中，應(yīng)測量發(fā)電機中性線電流，以驗證不同節(jié)距發(fā)電機的并聯(lián)運行不會導(dǎo)致系統(tǒng)運行問題或發(fā)電機過早故障。如果系統(tǒng)中沒有其他相關(guān)問題，則設(shè)計者可以允許系統(tǒng)中存在一定量的中性線電流，并且通過交流發(fā)電機降額使用來補償。降額因數(shù)計算如下：
交流發(fā)電機的最大允許負載（kVA）＝｛IR /（√I2R+I2N）｝(kVAgen)
式中，IR——發(fā)電機在滿載和額定功率因數(shù)時的輸出電流；
IN——發(fā)電機并聯(lián)且?guī)鄬ΨQ平衡滿負載運行時的中性點電流；
kVA gen——交流發(fā)電機在最大溫升的額定kVA。
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圖1 同步發(fā)電機三維等測圖 |
圖2 同步發(fā)電機三維側(cè)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(tǒng)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(tǒng)中，每個高壓柴油發(fā)電機的中性點通過中性接地電阻器接地。并聯(lián)的中壓發(fā)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(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(cè)，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(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(cè)，并且不通過低壓配電系統(tǒng)中的中性點。
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。使用5/6節(jié)距的交流發(fā)電機是由于還有一個額外的考慮。如前所述，5/6節(jié)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)電機和電阻規(guī)格應(yīng)考慮這一電流。很多時候，選擇不受該電流影響的交流發(fā)電機和電阻器是最簡單和最具成本效益的。
當需要減少環(huán)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?？梢允褂眠m配裝置代替相同配置的電阻器。需要對適配裝置進行適當選型和調(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)電機的策略”的部分中描述。下面描述中性線切換方法。
當發(fā)電機停止時，所有中性點接地開關(guān)均處于合閘狀態(tài)。當發(fā)電機啟動時，第一臺成功合閘的發(fā)電機組，將保持其中性點接地開關(guān)的合閘狀態(tài)，而所有其他發(fā)電機組的中性點接地開關(guān)則分閘。由于始終只有一臺運行中的發(fā)電機的中性點連接到接地電阻器，發(fā)電機之間的所有環(huán)流無法形成通路。如果發(fā)電機系統(tǒng)需要與市電并聯(lián)，則應(yīng)斷開已合閘的中性點接地開關(guān)。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(fā)電機產(chǎn)生的所有諧波電流保持在變壓器的高壓側(cè)并且不增加負載的諧波含量的相同優(yōu)點。
2、低電壓示例
在北美，大多數(shù)柴油發(fā)電機組以480V線電壓運行，一些系統(tǒng)以416V或600V線電壓運行。在低壓系統(tǒng)和MV/HV系統(tǒng)之間存在兩個主要差異，其需要更仔細地選擇交流發(fā)電機繞組節(jié)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載。
（2）許多低壓負載是非線性的，并且在電力系統(tǒng)運行時在其上產(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(tǒng)是重要的。
2/3節(jié)距的交流發(fā)電機不會向總系統(tǒng)增加任何3次諧波。因此，2/3節(jié)距交流發(fā)電機是低壓四線系統(tǒng)的最佳選擇。
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柴油發(fā)電機組并聯(lián)示意圖 |
柴油發(fā)電機組并聯(lián)工程實例 |
三、不同節(jié)距的發(fā)電機并聯(lián)
市面上常見的發(fā)電機繞組節(jié)距設(shè)計主要分為2/3與5/6兩種。而提到兩種不同節(jié)距的設(shè)計，不得不提到的一個概念就是諧波。當交流發(fā)電機帶載（線性負載或非線性負載）運行時，所有的交流發(fā)電機都會出現(xiàn)一定程度的諧波電壓失真。發(fā)電機諧波過高，將會對發(fā)電機的運行帶來較大的影響。
1、三線配電系統(tǒng)的并聯(lián)不同節(jié)距的交流發(fā)電機
當并聯(lián)不同節(jié)距的交流發(fā)電機時，使用三線配電系統(tǒng)。通過減配發(fā)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(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
當需要并聯(lián)發(fā)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(jīng)中性線的諧波電流的破壞性風險：僅連接類似節(jié)距電機的中性點（不同節(jié)距發(fā)電機中性點不連接），在不同節(jié)距交流發(fā)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(fā)電機進行降額使用。
3、只連接類似節(jié)距的中性點
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)只有一個中性線接地點，該接地點的理想位置在系統(tǒng)開關(guān)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(tǒng)中有足夠的線對中性容量，系統(tǒng)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(fā)電機不是第一個接入母排的，否則系統(tǒng)將沒有中性線接地點。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，則使用中性線接觸器以確保僅類似節(jié)距的發(fā)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(tǒng)最常見的發(fā)電機并聯(lián)配置。在該設(shè)計中，對于考慮中性點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。中性線接觸器應(yīng)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(guān)的一個“a”合閘狀態(tài)和一個“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)電機之間的中性點之間，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。
總結(jié)：
通過以上描述，我們不難發(fā)現(xiàn)，兩種不同節(jié)距的發(fā)電機設(shè)計，主要考量的就是線圈的優(yōu)化利用與盡可能減少所有頻率的諧波電壓。2/3節(jié)距一般應(yīng)用三相四線系統(tǒng)中，在低壓配電系統(tǒng)中三相的3次（及3的倍數(shù)次）諧波電流直接流經(jīng)中性線并在中性線疊加，從而導(dǎo)致較高的諧波失真和潛在中性線過熱的風險。正因為這樣，大部分低壓發(fā)電機都采用2/3節(jié)距。總體來講，2/3節(jié)距主要應(yīng)用于：低壓陸用發(fā)電機組（電壓小于1000V）；單相敏感負載（如：單相整流器，氣體放電照明）；并聯(lián)運行時（包含中高壓-電壓大于1000V）；與其他發(fā)電機組并聯(lián)，且中性點并接；與電網(wǎng)并聯(lián)，中性點分別接地。
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