摘要：在柴油发电机组并联运行系统中，不同节距（跨距）的交流发电机并联时可能出现不兼容现象，其影响可以通过包括常规交流电流测量在内的适当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。若环流过大，不仅会增加发电机绕组和中性线的额外发热，还可能导致保护装置误动作，甚至缩短发电机组的使用寿命。本文将从发电机节距的定义出发，系统阐述环流产生的机理、不同电压等级系统中的环流表现，以及针对不同节距发电机并联的工程解决方案，为发电机组并联系统的设计与运行提供技术参考。
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工作的——当导体在磁场中运动时，导体内部会产生电场，电荷沿电场流动形成电压。在发电机中，通过固定永磁体或励磁绕组形成磁场，让电枢绕组（或转子）不停地旋转，从而在定子绕组中感应出交流电动势。以康明斯斯坦福发电机为例，其外形构造如图1、图2所示。
1. 节距（跨距）的定义
（1）节距是指主定子中每个线圈两个有效边在定子上跨过的距离（即所跨过的槽数），它与发电机极距（定子相邻两磁极间的距离）配合进行表述。当节距等于极距时，称为整距绕组。整距设计时，发电机具有最优的输出电功率，即绕组线圈的利用率达到最大化。越接近整距的设计，代表线圈利用率越优。
（2）若通过傅里叶级数将发电机输出电压波形分解，电压波形中包含的是1（基波）、3、5、7……等奇数次谐波。7次及以上的谐波对实际运行影响较小，因此发电机主流设计中主要考量的是3、5、7次谐波。不同节距的绕组设计，本质上是对各次谐波的取舍与优化。
（3）2/3节距代表线圈有效边横跨了2/3的极距，主要可以消除3次以及3的倍数次（3、9、15、21……）谐波。这使得2/3节距绕组在低压四线制系统中具有天然优势——因为3次谐波电流在三相四线系统中会在中性线上叠加，消除3次谐波可有效降低中性线过载风险。
（4）5/6节距代表线圈有效边横跨了5/6的极距，主要可以消除5、7等高次谐波，而对3次谐波的抑制效果较弱。这使得5/6节距绕组在高压三线制系统中更受青睐——因为高压系统通常采用三角形接线，3次谐波无流通路径，重点在于抑制5、7次谐波以改善电压波形。
2. 环流的产生
（1）当多台发电机并联连接到公共母排时，各发电机的瞬时电压幅值和频率被迫达到完全相同。然而，由于不同节距绕组的谐波含量不同，即使各发电机输出电压的有效值（RMS）完全相同，其瞬时电压波形也存在差异。
（2）以纯正基波电压波形和具有3次谐波的失真电压波形为例：即使这两个波形具有完全相同的电压有效值幅值，在不同的时间点，一个电压波形的瞬时值会高于另一个。当发电机在公共母排上并联连接时，瞬时电压的差异将导致发电机之间的瞬时电流流动，即产生谐波环流。
（3）当系统中存在可作为电流流经路径的中性线时，这种环流更为明显，被称为中性线环流。环流的频率成分取决于电压波形差异的谐波次数——2/3节距与5/6节距发电机并联时，3次谐波环流是最主要的成分。
3. 环流导致的发电机降额使用
（1）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。过大的环流会增加发电机绕组的铜耗和铁耗，导致温升升高，加速绝缘老化。
（2）因为发电机输出电压波形的谐波含量随负载变化而变化，所以不同节距发电机并联工作的负面影响可能随负载水平变化而不同，但通常主要关注的是在额定负载下的电流大小——此时交流发电机的内部温度通常最高，最易于发生故障。
（3）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，设计者可以允许系统中存在一定量的中性线电流，并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） = 降额因数 × kVA_gen
式中：
——发电机在满载和额定功率因数时的输出电流（A）；
——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（A）；
——交流发电机在最大温升限制下的额定kVA。
例如，若某发电机的满载电流，则降额因数为 ，即发电机需降额约4.4%使用。
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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、柴油发电机组并联示例
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/高压系统示例
（1）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）接法的降压变压器向实际负载供电。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，并与实际负载隔离。可以看出，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。
（2）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节距的交流发电机还有一个额外考量。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（如轻微的工艺差异、不同的电缆长度或不同的接地电阻值），则会有一定量的谐波电流通过电阻器和接地连接在发电机之间循环。在大多数情况下，阻抗差不足以大到引发任何问题。交流发电机和电阻器的规格应校核这一电流。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且最具成本效益的方案。
（3）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。电抗器适配装置需要适当选型和调整，以调谐到产生最大问题的特定谐波频率（150Hz对应50Hz系统的3次谐波，180Hz对应60Hz系统的3次谐波）。另一种适配装置方法在以下“用于并联不同节距的发电机的策略”部分中描述。
（4）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闭合通路，因此环流被有效阻断。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。该方法的优点是保留了由发电机产生的所有谐波电流保持在变压器高压侧、不增加负载谐波含量的特性。
2. 低压系统示例
（1）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。低压系统和中/高压系统之间存在两个主要差异，这些差异需要更仔细地选择交流发电机绕组节距。
（2）差异一：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，该中性线也可能连接到各种低压负载。这使得3次谐波电流有了流通路径，可能在系统中性线上叠加，造成中性线过载。
（3）差异二：许多低压负载是非线性的，在运行时会产生谐波。这些负载包括变频器（VFD）、不间断电源（UPS）和开关电源（SMPS）。这些负载本身就会向系统注入谐波电流，若发电机自身也产生谐波，则两者叠加，进一步恶化电能质量。
（4）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压系统至关重要。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，因为它既能满足带单相负载的需求，又能避免3次谐波在中性线上叠加。
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图3 柴油发电机组并联示意图 |
图4 柴油发电机组并联工程实例 |
三、不同节距的发电机并联
市面上常见的发电机绕组节距设计主要分为2/3与5/6两种。当不同节距的发电机并联运行时，由于谐波电压成分的差异，会在发电机之间产生环流。本节将针对三线系统和四线系统分别讨论其解决方案。
1. 三线配电系统中并联不同节距的交流发电机
（1）当并联不同节距的交流发电机时，如果使用三线配电系统（即不引出中性线），通过取消发电机组母排和负载之间的中性线，去除了最具破坏性的谐波电流赖以流经的路径。
（2）虽然谐波电流仍然会在发电机内部产生热量，但消除了谐波电流流经中性线时产生的发热和绝缘破坏风险。在三线系统中，3次谐波电流无法形成流通路径，因此不同节距发电机并联的主要风险被最小化。
（3）三线系统适用于主要为三相平衡负载（如三相电动机、三相电热负载）供电的场合，不需要为单相负载提供中性线。
2. 四线系统中并联不同节距的交流发电机
（1）当需要并联发电机组直接为单相负载供电时（即电路中无三角形/星形接法的变压器为负载提供中性线），3次谐波电流可以流经中性线，可能造成中性线过载。此时有3种方法可以降低流经中性线的谐波电流的破坏性风险：仅连接同节距发电机的中性点（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，或对交流发电机进行降额使用。
（2）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，理想位置是在系统开关装置中设置唯一的中性线接地点。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。在该方案中，仅将相同节距的发电机的中性点连接在一起，不同节距的发电机的中性点相互隔离，从而阻断不同节距发电机之间3次谐波环流的路径。必须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的情况（例如在所有其他发电机组已失效的故障情况下），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。对于中性点接触器的故障模式应特别关注——无论处于合闸还是分闸状态，接触器的故障都应发出警报。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（一个“a”合闸状态和一个“b”分闸状态），以更可靠地确认合分闸状态。
（3）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（150Hz对应50Hz系统的3次谐波，180Hz对应60Hz系统的3次谐波）。使用适配装置的主要问题是其定制化设计导致成本较高、到货周期长，且安装后若发生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。
（4）发电机降额使用：如前文所述，通过测量中性线环流大小，按公式1计算降额因数，降低发电机的最大允许负载，以补偿环流带来的额外发热。这种方法不需要增加额外设备，但会牺牲部分发电容量。
总结
通过以上描述不难发现，两种不同节距的发电机设计，主要考量的就是在线圈的优化利用与尽可能减少各频率谐波电压之间的平衡。2/3节距可消除3次及3的倍数次谐波，而5/6节距可消除5、7等更高次谐波。
在实际工程应用中，应根据配电系统形式和负载特性进行合理选择：
（1）低压四线系统（电压小于1000V）：由于三相3次谐波电流在中性线上叠加，2/3节距发电机是首选。它能有效消除3次谐波，避免中性线过载风险，特别适用于含有单相敏感负载（如单相整流器、气体放电照明）的场合。
（2）中高压三线系统（电压大于1000V）：由于3次谐波无中性线流通路径，且负载通常通过Δ/Y变压器隔离，5/6节距发电机因其更好的电压波形正弦性和更低的5、7次谐波含量而成为常见选择。
（3）不同节距发电机并联时，应根据系统接线方式采取相应措施：三线系统中可取消中性线来阻断环流路径；四线系统中可采取只连接同类节距发电机中性点、安装电抗器或发电机降额使用三种策略之一。
（4）并联运行验证：在并联系统投入运行前，应在空载和满载两种工况下测量各发电机的输出电流和中性线电流，验证环流水平是否在可接受范围内。若中性线电流超过发电机额定电流的5%～10%，建议采取上述抑制措施。
（5）对于并联运行且中性点并接的机组（包括与电网并联且中性点分别接地的情况） ，建议优先选用2/3节距发电机，以从源头减少3次谐波的产生，降低环流和中性线过载风险。
通过合理的节距选型与系统设计，可有效实现不同节距发电机组的并联运行，在保证供电可靠性的同时，最大限度地降低环流对发电机组和配电系统的不利影响。
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