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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,觀察從每個發(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,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(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。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。
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(jī)極距(定子相鄰兩磁極間的距離)配合進(jìn)行表述。當(dāng)節(jié)距=極距,稱為整距。整距設(shè)計時,發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)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(dāng)發(fā)電機(jī)并聯(lián)時,兩個發(fā)電機(jī)的瞬時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(jī)流到具有較低瞬時電動勢的發(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(dāng)發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)之間循環(huán)流動,當(dāng)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(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。因為發(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,因為此時交流發(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,以驗證不同節(jié)距發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行不會導(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)計算如下:
交流發(fā)電機(jī)的最大允許負(fù)載(kVA)={IR /(√I2R+I2N)}(kVAgen)
式中,IR——發(fā)電機(jī)在滿載和額定功率因數(shù)時的輸出電流;
IN——發(fā)電機(jī)并聯(lián)且?guī)鄬ΨQ平衡滿負(fù)載運(yùn)行時的中性點電流;
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(jī)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(jī)通過三角形(Δ)/星形(Y)接法的降壓變壓器所帶實際負(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),并且與實際負(fù)載隔離。可以看出,當(dāng)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(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。
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,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,所有中性點接地開關(guān)均處于合閘狀態(tài)。當(dāng)發(fā)電機(jī)啟動時,第一臺成功合閘的發(fā)電機(jī)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(jī)組的中性點接地開關(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(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。
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)工程實例 |
三、不同節(jié)距的發(fā)電機(jī)并聯(lián)
市面上常見的發(fā)電機(jī)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(dāng)交流發(fā)電機(jī)帶載(線性負(fù)載或非線性負(fù)載)運(yùn)行時,所有的交流發(fā)電機(jī)都會出現(xiàn)一定程度的諧波電壓失真。發(fā)電機(jī)諧波過高,將會對發(fā)電機(jī)的運(yùn)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(jī)
當(dāng)并聯(lián)不同節(jié)距的交流發(fā)電機(jī)時,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(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:僅連接類似節(jié)距電機(jī)的中性點(不同節(jié)距發(fā)電機(jī)中性點不連接),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
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(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的發(fā)電機(jī)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(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(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(jī)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(fēng)險。正因為這樣,大部分低壓發(fā)電機(jī)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(jī)組(電壓小于1000V);單相敏感負(fù)載(如:單相整流器,氣體放電照明);并聯(lián)運(yùn)行時(包含中高壓-電壓大于1000V);與其他發(fā)電機(jī)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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