新聞主題	同步發電機并聯運行優點及其條件分析

 

摘要：柴油發電機組并聯運行時，如果有功功率分配嚴重不平衡，會造成一臺發電機負荷全部轉移給另一臺發電機，從而可能使其中一臺發電機處于電動機狀態，另一臺超負荷運行。如果無功功率分配不均，在兩發電機組之間將產生無功性質的環流，當環流太大時，會引起發電機電流過載而燒壞。有功功率或無功功率分配不均，會直接影響電站的運行安全，加強日常檢查、及時排除故障，保證柴油發電機組并聯穩定、安全、經濟運行至關重要。柴油發電機組之間有功功率和無功功率的合理分配，是柴油發電機組組穩定并聯運行的必要條件之一。文章結合多年船舶柴油發電機組修理及船舶電站調試經驗，對柴油發電機組并聯運行中出現的典型故障進行分析，并提出了排除故障的方法。

 

一、設備并聯條件和合閘方法

 

1、并聯條件

      設有一臺同步發電機打算與已經對負載供電的發電機組（電網）并聯，為了在投入并聯時避免發生大電流沖擊和發電機轉軸突然受到扭力矩而損傷定子繞組端部和轉軸，并聯合閘需要滿足一定的條件，即投入的發電機相電勢瞬時值與電網電壓瞬時值應始終保持相等。以上并聯合閘的條件可分為四條：

① 發電機電壓和母線（電網）電壓的相序要一致。柴油發電機組在出廠時已明確規定了相序，并在出線端標明，可在安裝接線時實現。

② 發電機的輸出電壓（勵磁電勢）與電網電壓大小（幅值）相等且波形相同。前者通過調節發電機的勵磁電流0來實現，后者在發電機設計制造時得以保證。

③ 發電機的電壓頻率和母線（電網）電壓的頻率要一致。可通過調整發電機的轉速來實現與母線（電網）電壓頻率一致。

④ 發電機的輸出電壓與母線（電網）電壓相位要相同，亦即發電機與電網的回路電勢為零。可通過采用不同的并網方法，選擇適當的并網瞬間來實現。

2、合閘方法

      并聯合閘的方法暗燈法和燈光旋轉法都可比較準確地確定刻，使合閘時無電流沖擊，稱為準確同步法。實際中，在需要將發電機很快投在需要將發電機很快投入并網運行時，可采用自同步法。事先校驗好發電機的相序；起動發電機，使接近同步轉速，勵磁繞組經限流電阻短路；合上并聯開關，再立即加勵磁，使發電機自動牽入同步。該法操作簡單，裝置簡單，但是合閘有電流沖擊。

（1）暗燈法

      暗燈法接線圖如圖1所示，相量圖如圖2所示。判斷合閘開關兩端的電壓差。

① 如果3個相燈都熄滅，始終，說明合閘開關兩端的電壓差為零，4個條件滿足。

② 利用相燈來判斷，即把燈泡跨接在合閘開關兩端，由燈的亮暗情況來判斷電壓差的大小。

③ 當相序不同時，若發電機頻率高于電網，則順時針旋轉；反之，則逆時針旋轉。頻率差越大，燈光旋轉速度越快。調節方法：將發電機接到合閘開關的任何兩根線對調，使相序相同。

（2）燈光旋轉法

      采用暗燈法，在相序不同時，燈光出現旋轉，接線圖如圖3所示，相量圖如圖4所示。通過旋轉的速度和方向，可以判斷發電機頻率與電網頻率的差別和快慢。

① 有意把相燈接在不同相的電壓之間，在相序正確時使燈光旋轉，這種并聯合閘方法稱為燈光旋轉法。

② 若相序正確，則會出現燈光旋轉現象，調節發電機電壓，使 U_g=U_s ；調節發電機轉速，使燈光旋轉緩慢，說明 W_g已接近于W_s；等到不交叉的相燈，即相燈1 熄滅時，說明電壓相等而且同相位；即可把發電機投入電網。

③ 若按燈光旋轉法接線，而發現燈光同時亮，同時滅。則說明相序接錯，需要改變發電機的相序，才能進行投入。

 

圖1  同步發電機并聯暗燈接線圖	圖2  同步發電機暗燈法相量圖
圖3  同步發電機燈光旋轉法接線圖	圖4  同步發電機燈光旋轉法相量圖

 

二、電流大且主開關跳閘故障

 

1、故障現象

      某用戶2臺型號為KC90GF型康明斯發電機組（額定電壓400V，額定功率90 kW，額定電流162 A，額定轉速1500r/min，額定功率因數0.8）不可控相復勵同步發電機負荷試驗，1#柴油發電機組運行，并入2#柴油發電機組時，出現兩功率因數表一個指示容性，一個指示感性，且1#發電機電流表電流瞬時達到最大量程的異常現象。并車沖擊電流很大，導致1#發電機主開關跳閘，無法并車使用。

2、故障分析

      根據故障現象分析為無功功率分配不均故障。交流發電機并聯運行時，無功功率是否能均勻分配，主要是與發電機組的外特性有關。

      如果發電機組外特性不相同，在發電機之間就有均衡電流產生，當2臺發電機組的外特性在空載點重合時，此電流從外特性較平的發電機流向外特性較陡的發電機；對前者來講，是一個感性電流，對后者來講，是一個容性電流。使前者的內電勢降低，后者的內電勢升高，2臺發電機的端電壓趨向相等，均衡的結果，使前者運行在功率因數較低的一條特性上，后者運行在功率因數較高的一條特性上。如果發電機原先有無功功率輸出，現在再加上這一部分的無功均衡電流，矢量相加的結果使這2臺發電機的總電流不再相等，功率因數也不相等。外特性差異過大時，會造成一臺發電機電流過載、主開關跳閘。為了避免出現這種情況，同容量不可控相復勵發電機并聯運行時通常采用勵磁均壓線，保證其外特性曲線斜率一致，以保持無功功率分配均衡。可控相復勵發電機并聯運行時，則是采用無功調差裝置。

3、故障排除方法及驗證

      查看隨機配電板原理圖，并聯時2臺發電機勵磁繞組通過2個繼電器的常開觸點實現勵磁均壓線連接。對2臺發電機分別供電檢查，發現1#發電機合閘時對應的繼電器動作，2#發電機合閘時對應的未動作。分析并車時2”發電機繼電器常開觸點不閉合，導致均壓線未連通，出現上述故障。

      更換該繼電器后，重新并車，工作正常，兩機功率表、功率因數表、電流表指示基本一致，無功功率分配均勻，故障排除。

 

三、無功功率分配不均故障

 

1、故障現象

      某用戶2臺型號為KC310GF康明斯發電機組（額定電壓390 V，額定功率310 kW，額定電流574A，額定轉速1500 r/min，額定功率因數0.8）的無刷交流同步發電機修后進行負載試驗，單機負載試驗，運行參數正常，其穩態調速率和穩態電壓調整率試驗記錄1如表1所示。

表1     柴油發電機組穩態調速率和穩態電壓

 

      兩臺機的穩態調速率均為2.4%，穩態電壓調整率均為1.79%，調速特性和調壓特性一致。當并聯運行時，觀察配電板上的功率表，兩機有功功率分配均勻，但2個功率因數表顯示不均勻，指針波動較大，兩電流表數值相差很大，無功功率分配超出標準范圍。

2、故障分析

      該發電機調差裝置原理圖如圖5所示。因單機穩態電壓調整率及穩態調速率正常，并車時出現故障，根據原理圖分析，可能故障原因如下幾點。

（1）調差電流互感器輸出線路接錯。

      當并聯運行時，為了使各臺發電機無功功率分配合理，通常需將各發電機單機的外特性調整為隨無功電流的增大而下垂。此時無功調差起作用，V、W相線電壓經T₁'（變電器）降壓，與U相電流經T?變流，在調差電位器S上的壓降疊加后形成取樣電壓u?，該取樣電壓不僅反映發電機端電壓，還反映了發電機的無功電流I_u的大小。當無功電流增大時，取樣電壓u。增大，通過AVR調節減小勵磁電流，端電壓下降，從而實現了下垂特性，當各臺發電機的下垂特性一致時，無功功率分配會合理均勻。在cosφ=1、0<cosφ<1、cos?=0（φ為功率因數）的工況下，調差裝置矢量疊加如圖6、圖7、圖8所示。

      圖6表示cosφ=1的負載電流情況，調差線路接錯得到取樣電壓u₀₂，與正確接法所得的取樣電壓u₀₁相比變化不大；圖7表示0<cosφ<1的負載電流情況，調差線路接錯得到取樣電壓u₀₂，與正確接法所得的取樣電壓u₀₁相比有所減少；圖8表示cosφ=0的負載電流情況，調差線路接錯得到取樣電壓u₀₂，與正確接法所得的取樣電壓u₀₁相比減少很多。由此可見，AVR檢測到的取樣電壓將依次減少，通過AVR調節增加勵磁電流，端電壓上升，不能實現下垂特性，導致并聯運行發電機特性不一致，無功功率分配不均，且隨著功率因數的減小，無功功率分配差值加大。

（2）調差電流互感器輸出線路開路。

      如無功調差電流互感器輸出線路開路，調差裝置測得的電壓不隨無功電流的變化而變化，相當于無功調差不起作用，不能實現理想的下垂特性，同樣導致無功功率分配不均，只是無功功率分配差值比調差線路接錯要小一些。

（3）調差電位器S開路或接觸不良。

      其原理類似于調差電流互感器輸出線路開路。

 

圖5  柴油發電機組并聯調差裝置原理圖	圖6  COSφ=1并聯調差裝置矢量圖
圖7  0＜COSφ＜1并聯調差裝置矢量圖	圖8  COSφ=0并聯調差裝置矢量圖

 

 

3、 故障排除方法及驗證

      檢查時按就簡原則排查故障，首先檢查調差電流互感器輸出線路通斷情況，線圈正常；檢查輸入接線端子排接線是否正確或松動，檢查正常；檢查調差電位器阻值是否正常、變化是否平穩，檢查中發現，調整調差電位器S阻值有時變化正常、有時開路，對該電位器進行更換，將電位器整定到出廠刻度值。

      調整后進行并聯運行試驗，過程穩定，最大無功功率分配差值為2.4%，滿足無功功率分配差值小于發電機組額定無功功率的10%的標準要求，故障排除。2臺發電機組并聯運行試驗記錄1見表2。

表2  2臺發電機組并聯運行試驗記錄1

 

四、有功功率分配不均故障

 

1、故障現象

      某用戶2臺型號為KC320GF康明斯發電機組（額定電壓440V，額定功率320 kW，額定電流524.9 A，額定轉速1800r/min，額定功率因數0.8）的柴油發電機組單機負載試驗，運行參數正常，其穩態調速率和穩態電壓調整率試驗記錄2如表3所示。

表3  柴油發電機組穩態調速率和穩態電壓調整率試驗記錄2

      并聯試驗時，1#發電機組運行，并入2#發電機組時，出現2#發電機組自動搶負荷，持續上升。將1#發電機組調速器加速，又出現1#發電機組負荷持續上升，兩發電機組始終無法穩定并聯運行。

2、故障分析

      有功功率分配主要取決于柴油發電機組的外特性。如圖9、圖10所示。

（1）如果1#發電機和2#柴油發電機組的外特性均為下降特性，如圖9，2臺發電機穩定并聯運行時，頻率是一致的，2臺發電機各自承擔的負荷為P₁和P₂，總功率為P=P₁+P₂，頻率為fi。如果負荷增加，則頻率從f₁下降至f₂，2臺發電機分別發出功率為P₃、P₄。如果2臺柴油發電機組的外性相差很大，負荷分配也就越不均勻，即使調節柴油機油門，使2臺發電機在總功率為20%時有一個分配預差也難以補償，隨著負荷的增加，還是有可能超出分配差值，從圖3可以看出，外特性越是平坦，它所承擔的負荷變化值越多，分配誤差越有可能超出標準范圍。

（2）如果1#柴油發電機組的外特性為下降特性，2#柴油發電機組的外特性為平特性，如圖10。電網頻率為f'，1#發電機工作點在A點，始終只承擔功率P'。當負荷功率等于2P'時，2個發電機各承擔一半功率。當負荷功率大于2P'時，其超過2P'的部分均由2#發電機承擔。當負荷功率處于P'~2P'之間時，2#發電機只承擔總功率減去P'后剩下來的、小于P'的功率。當負荷功率等于P'時，2#發電機不承擔任何功率，它的工作點在B點。如果負荷功率進一步減少，2#發電機要轉入電動機工作狀態運行。

（3）如果2臺柴油發電機組的外特性均為平特性，當這二條特性不重合時，就找不到共同運行點，即使重合，負荷也無法以一個明確的比例來分配，即使調節均勻，也極度不穩定，極易造成一臺負荷全部轉移給另一臺發電機，而使其中一臺處于電動機狀態，逆功率保護動作，自動退出并聯運行。為了使發電機有功功率均勻分配，柴油發電機組應滿足下列3個要求：

① 各臺柴油發電機組外特性應盡量一致，并且是下降特性；

② 外特性的線性度要好，并盡可能成一直線；

③ 負荷增加時的外特性和負荷減小時的外特性應盡量一致。

      通過單機試驗記錄觀察，判斷本次故障主要原因是2臺柴油發電機組穩態調速率為0%，調速特性太平造成。需對柴油發電機組的特性曲線進行調整，使調速特性呈下降并盡量一致。

 

圖9  柴油發電機組功率下降特性

圖10  柴油發電機組功率平特性

 

3、故障排除方法及驗證

（1）啟動1#柴油發電機組，空載時調整柴油發電機組調速器，將轉速調整為1803 r/min，合閘后帶額定負荷、功率因數調整為0.8，將轉速調整為1773 r/min。

（2）啟動2#柴油發電機組，空載時調整原動機調速器，將轉速也調整為1803r/min，合閘后帶額定負荷、功率因數調整為0.8，將轉速也調整為1773 r/min。

      兩機的穩態調速率均為1.7%。調整后進行并車試驗，并聯運行穩定，最大有功功率分配差值為3.1%，滿足有功功率分配差值小于發電機組額定有功功率的15%標準要求，故障排除。2臺發電機組并聯運行試驗記錄2如表4所示。

表4    2臺發電機組并聯運行試驗記錄2

 

總結：

      柴油發電機組試驗過程中一般先進行單機試驗，為了滿足并聯運行有功功率和無功功率分配差值要求，單機時應盡量調整好柴油發電機組的穩態調速率和發電機的穩態電壓調整率，使需要并聯運行的發電機組的調速特性和調壓特性盡量一致，并均呈現下降趨勢。在并車調試過程中若出現有功功率、無功功率分配不均現象，一般在并車過程中通過調整柴油機調速器和發電機調差電位器進行有功功率和無功功率調整。此階段調整時，單機的穩態調速率和穩態電壓調整率會發生變化，此時要檢查發電機組單機特性是否也滿足標準要求，并做好記錄。無論發電機單機運行還是并聯運行，若發電機的功率因數、電流值、電壓異常，掌握發電機特性要求，查清勵磁系統中各個元器件的作用以及工作原理，是保證排除故障的基礎，特別在日常檢修和保養中，不能隨意調整電阻值，且接線端子不能隨意顛倒。

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