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操作使用与维护保养 |
柴油发电机并联柜的并列运行条件与操作 |
摘要：发电机组投入并列运行的整个过程叫做并列。将一台发电机组先运行起来，把电压送至母线上，而另一台发电机组启动后，与前一台发电机组并列，应在合闸瞬间，发电机组不应出现有害的冲击电流，转轴不受到突然的冲击。合闸后，转子应能很快的被拉入同步。随着负荷的波动，电力系统中运行的发电机组台数经常要变动。因此，同步发电机的并列操作是电厂的一项重要操作。另外，在系统发生某些事故时，也经常要求将备用发电机组迅速投入电网运行。可见，并列操作在电力系统中是很频繁的。电力系统的容量在不断增大，同步发电机的单机容量也越来越大，大型发电机组不恰当的并列操作将导致严重后果。因此，对同步发电机的并列操作进行研究，提高并列操作的准确度和可靠性，对于系统的可靠运行具有很大的现实意义。
一、发电机并列运行的条件
1、电压相等
待并发电机的电压有效值Uf与电网的电压有效值U相等或接近相等，允许相差±5％的额定电压值。
待并发电机的电压有效值Uf，与电网的电压有效值U之间的压差ΔU，若在允许范围内，所引起的无功冲击电流是允许的。否则ΔU越大，冲击电流越大，这个过程相当于发电机的突然短路。因此，必须调整两者间的电压，使其接近相等后才可并列。
2、频率相等
待并发电机的周波ff应与电网的周波f相等，但允许相差±0.05～0.1周/秒以内。
若两者周波不等，则会产生有功冲击电流，其结果使发电机转速增加或减小，导致发电机轴产生振动。如果周波相差超出允许值而且较大，将导致转子磁极和定子磁极间的相对速度过大，相互之间不易拉住，容易失步。因此，在待并发电机并列时，必须调整周波至允许范围内。通常是将待并发电机的周波略调高于电网的周波，这样发电机容易拉入同步，并列后可立即带上部分负荷。
3、相位相等
待并发电机电压的相位与电网电压的相位相同，即相角相同。
在发电机并列时，如果两个电压的相位不一致，由此而产生的冲击电流可能达到额定电流的20～30倍，所以是非常危险的。冲击电流可分解为有功分量和无功分量，有功电流的冲击不仅要加重汽轮机的负担，还有可能使汽轮机受到很大的机械应力，这样非但不能把待并发电机拉入同步，而且可能使其它并列运行的发电机失去同步。
在采用准同期并列时，发电机的冲击电流很小。所以，一般应将相角差控制在10º以内，此时的冲击电流约为发电机额定电流的0.5倍。
4、相序相等
待并发电机电压的相序必须与电网电压的相序一致。
5、波形相等
待并发电机电压的波形应与电网电压的波形一致，如图1所示。
以上条件中第4项关于相序的问题，要求在安装发电机的时候，根据发电机规定的转向，确定好发电机的相序而得到满足。所以在以后的并列过程中，相序问题就不必考虑了。第5项关于电压波形的问题，应在发电机生产制造过程中得以保证。
综上所述，在发电机并列时，主要满足1～3项的条件，否则将会造成严重事故。在并列合闸过程中，发电机与电网的电压、周波、相位角接近但并不相等时，由此而产生的较小冲击电流还是允许的。合闸后，在“自整步作用”下，能够将发电机拉入同步。其并机装置运行电路图分别如图2所示。
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图1 发电机三相电压波形图 |
图2 发电机并联运行电路示意图 |
二、发电机工作原理及并联操作
1、发电机的工作原理
① 发电机采用旋转磁场式，其励磁绕组装在转子上，而交流励磁机采用旋转电枢式，其励磁绕组装在定子上，发电机的励磁绕组和励磁机的电枢绕组固定在同一转轴上，转轴上还有一个旋转整流器，这样转子部分自成闭合电路。
② 励磁机的励磁电流则通过调节进入励磁机磁场的电流来控制交流无刷发电机的输出电压。所以无刷发电机的电压调节就是调节发电机定子绕组向励磁机定子绕组供应的电流，主要由相复励励磁装置和自动电压调节器（AVR）两部分组成。
③ 可控相复励励磁装置根据同步发电机的实际电压，调节励磁机的励磁电流，控制流过同步发电机励磁绕组的电流，实现稳定同步发电机输出电压和自动分配无功功率的目的。
④ 自动电压调节器（AVR）采用分流校正同步发电机的电压，使系统具有满意的静态性能。
由于2台发电机单独运行时都能正常起压，在负载变化时也能完成功率的正常分配，并且能保持输出电压的稳定。即排除了发电机本身的问题，问题应该出在了并车环节。
2、发电机并联运行操作方法
目前发电机采用的并联运行操作方法主要可分为三类：准同步法、自同步法、粗同步法（电抗同步法）。
现在柴发电站上通常采用的手动并车，半自动并车及自动并车均属于准同步并车法。准同步法是将待并发电机组及运行发电机的电压、频率和相位都调整到十分接近，再合上待并发电机组的主开关。此法在并车时产生的冲击电流、冲击转矩和母线电压的下降都很小，对系统的影响较小。
3、并车条件检测
手动准同步并车通常采用灯光法和整步表法来检测并车条件。
灯光法分为灯光明暗法（如图3所示）和灯光旋转法（如图4所示）。同步表是一种用来检测待并发电机与电网电压、频率及相位差大小和方向的仪表。手动并车时我们借助同步灯或同步表旋转方向来判断待并机的频率是高于还是低于电网频率，从而决定待并机是加速或减速，通过调节频差到满足并车要求时，抓取相位差为零的时刻按下合闸按钮。我们船上的管理人员一般都是在整步表指针转至55分时进行并车合闸操作，这种不管合闸时差频大小而盲目采取固定提前量的做法是不恰当的，因为从主开关接到合闸指令到其主触点闭合需要的时间和不同操作人员操作需要的时间（操作人员反应时间、手按按钮到按钮触点闭合时间）是不同的。如果相位差较大，容易在并车瞬间产生相当大的冲击电流和冲击转矩，会对发电机造成损伤，甚至会引起主开关跳闸，造成全厂失电，影响柴发电站安全。所以柴油发电机上一般都安装有自动准同步并车装置。
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图3 发电机并列——灯光明暗法 |
图4 发电机并列——灯光旋转法 |
三、并机工作模式
并机装置系统图和剖面图如图5、图6所示。柴油发电机组在并机使用的情况下，按照客户的不同需求，可分三种工作模式：
1、按需启动并机
在自动模式下，当发电机组接收到启动信号后，优先级最高的（可设定）发电机组自动启动，同时发电机组的控制器内部程序判断负载与设定的值进行比较，如大于单台额定功率的75%（可调）时，次优先级控制器得到启动信号，启动发电机组，同步并机，负载均分，负载增大时如上加列发电机组。当负载减小至单台发电机组额定功率的75%（可调）以下时，次优先级控制器内部发出解列信号，发电机组按设定时间延时冷却运转，延时结束分闸停机。
当带载的发电机组出现故障停机时，其它次优先级发电机组自动运行，并带载。
2、全开启动并机
在自动模式下，接收到带载信号有效时，所有模块全部发出开机信号，首先达到带载条件的发电机组先行合闸，其它发电机组达到带载条件时，一一同步并机。然后控制器模块检测负载，当负载小于内部设定的停机最小百分比时，优先级低的发电机组进入延时冷却后，分闸散热后停机。当负载再次增大时，并超过设定的百分比时，剩余未开机的发电机组全部启动开机，并进入上述检测停机过程。当带载的发电机组报警停机时，剩余未开机的发电机组全部自开机，并进入上述检测停机过程。
3、均衡发电机组运行模式
在自模式下，当发电机组接收到启动信号后，所有发电机组中运行时间最少的发电机组首先自动启动 。当带载运行的 发电机组运行时间大于其它发电机组组设定的均衡运行时间时，发出信号让其它发电机组开机，并同步并机后，自行分闸卸载停机。所有发电机组按设定的均衡运行时间表多少轮流循环自动开停机。
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图5 发电机并机柜一次系统图 |
图6 发电机并机柜剖面图 |
总结：
发电机的并列操作非常重要，在一定程度上关系到整个发电厂与电网的安危。因此，要求操作人员必须具有丰富的现场经验和实际工作的锻炼；要求在操作时注意力必须高度集中，密切监视有关发电机组及联络线的表计变动情况；抓住机会稳、准地进行发电机的并列操作，确保待并发电机安全可靠地并入电网运行。
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