不一样节距的交流发电机可以并列使用吗？

摘要：不同节距的交流发电机并车时的不兼容的危害，可以通过包括常规的交流电流测量在内的适当的测定机构清楚地看出。在系统空载运行时发电机厂家排行榜前十名，观察从每个发电机流出的电流显示，环流将是较明显的。存在几种用于并列5/6节距交流发电机或不同节距的交流发电机的步骤，并且这些步骤中的较易损的将在本文中进行描述以及实例说明。

      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，故而，发电机发出了电。于是，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，外形组成如图1、图2所示。

      从定义上讲，是指主定子中每个线圈两个有效边在定子上面跨过的距离（或是槽数），它与发电机极距（定子相邻两磁极间的距离）配合进行表述。当节距=极距，称为整距。整距布置时，发电机具有较优的输出电容量，即绕组线圈的利用率较大化。越接近整距的设计，代表着线圈利用率越优。

      若通过傅里叶级数将发波形分解，发电机电压波形中包含的是1（基波），3，5，7……等奇数次谐波。7次后的谐波分解影响较小，因此发电机主流规划中，主要考量的是3，5，7次谐波。

      当发电机并机时，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。由交流发电机发生的电动势（emf）的区别将致使电流从具有较高瞬时电动势的发电机流到具有过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迭加为例说明，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，瞬时电压的差异将致使发电机之间的瞬时电流流动即发生3次谐波电流环流。因此，在并机之前，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。

      环流对交流发电机损坏程度取决于电流的大小、装置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荷变化，故而不同节距发电机并车作业的负面危害可能在随负载水平变化而变化，但一般主要关注的是在额定负载下的电流大小，由于此时交流发电机的内部温度通常将较高，并且较易于产生故障。

      在使用不同节距发电机并机的四线系统中，应检测发电机中性线电流，以验证不一样节距发电机的并机运行不会引起系统运转问题或发电机过早损坏。如果机构中没有其他相关问题，则布置者可以允许装置中存在一定量的中性线电流，并且通过交流发电机降额操作来补偿柴油发电机组型号及参数。降额因数计算如下：

交流发电机的较大允许负载（kVA）＝｛IR /（√I2R+I2N）｝(kVAgen)

      与交流发电机匹配的柴发并联系统如图3所示，工程案例如图4所示。

      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荷，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，并且与实际负荷隔离。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荷产生的谐波失真。此外，发电机发生的任何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机构中的中性点。

      在该实例中，一般操作2/3节距或5/6节距的中压交流发电机。操作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区别，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区别，不一样的电缆长度或不一样的电阻值。在大多数情况下，阻抗差不足以大到对于该环流致使任何问题。交流发电机和电阻类型应考虑这一电流。很多时候，选定不受该电流影响的交流发电机和电阻器是较简单和较具成本效益的。

      当需要降低环流时，可以使用可选的接地方案。这些对策包括使用电抗器代替电阻器或使用中性线转换策略。可以操作适配系统代替相同配置的电阻器。需要对适配机构进行适当选取和调节。另一种适配机构手段在以下针对“用于并联不同节距的发电机的方法”的部分中描述。下面描述中性线转换方案。

      当发电机停止时，所有中性点接地开关均处于合闸状态。当发电机起动时，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不能形成通路。如果发电机装置需要与大电并联，则应断开已合闸的中性点接地开关。与所有接地策略一样，中性点接地电阻大小必须适当。该途径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荷的谐波含量的相同好处。

      在北美，大多数柴油发电机组以480V线V线电压运转。在低压装置和MV/HV系统之间存在两个具体差异，其需要更仔细地选用交流发电机绕组节距。

（1）许多低压康明斯发电机组包括连接在发电机和并机开关系统之间的中性线，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，并且在电力装置运转时在其上发生谐波。这些负荷包括变频器（VFD），不间断电源（UPS）和开关电源（SMPS）。如前所述，选取使其产生的总谐波失真较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机构增加任何3次谐波。因此，2/3节距交流发电机是低压四线机构的较佳选择。

      市面上常见的发电机绕组节距规划详细分为2/3与5/6两种。而提到两种不同节距的布置，不得不提到的一个概念就是谐波。当交流发电机实载（线性负载或非线性负荷）运行时，所有的交流发电机都会发生一定程度的谐波电压失真。发电机谐波偏高，将会对发电机的运行带来较大的危害。

      当并机不一样节距的交流发电机时，使用三线配电装置。通过减配发电机组母排和负载之间的中性线，去除较具破坏性的谐波电流赖以流经的路径，谐波问题的较易见缘由被较小化。虽然谐波电流仍然会在发电机中发生热量，但消除了谐波电流流经中性线发生高温的破坏性影响。

      当需要并联发电机组直接为单相负荷供电时（电路中没有三角形/星形接法的变压器为负载提供中性线种途径可以减少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（不一样节距发电机中性点不连接），在不一样节距交流发电机之间装配电抗器，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操作。

      低压装置一般需要具有接地的中性线。在并机应用中，为了使装置只有一个中性线接地点，该接地点的理想位置在装置开关系统中。同时必须考虑需要中性线连接的单相负荷的大小与不需要中性线连接的三相负荷的大小。只要系统中有足够的线对中性容量，系统负荷将自然平衡。在这种状况下必须小心，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，否则装置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损坏情形下）的情况，则操作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/高压系统较易见的发电机并机配置。在该布置中，对于考虑中性点接触器的损坏模式尤其关键。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“非法”自诊断用途的双位置指示触点（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。

      可以将适配系统装配在不一样节距发电机之间的中性点之间，以减轻中性线环流。适配系统可以调谐到发生较大问题的特定谐波频率，即150/180Hz。

      操作适配机构的具体问题是其成本和其布置的定制性质，使得它们难以快速到货和装配。此外，适配系统的损坏可能长时间未被测量到，导致装置中性线有效连接的改变和潜在的意外危险。

      通过以上描述，我们不难发现，两种不同节距的发电机设计，具体考量的就是线圈的优化利用与尽可能减小所有频率的谐波电压。2/3节距一般应用三相四线装置中中国发电机组十大厂家，在低压配电装置中三相的3次（及3的倍数次）谐波电流直接流经中性线并在中性线迭加，从而致使较高的谐波失真和潜在中性线发热的风险。正由于这样，大部分低压发电机都选取2/3节距。总体来讲，2/3节距具体运用于：低压陆用发电机组（电压小于1000V）；单相敏感负荷（如：单相整流器，气体放电照明）；并列运转时（包含中高压-电压大于1000V）；与其他发电机组并列，且中性点并接；与市电并联，中性点分别接地。