小型發(fā)電機在地鐵應急現(xiàn)場的并機運行研究

陳崇焜，周大林，肖濤古，陳奕富，張少峰，陸啟民

（廣州地鐵集團有限公司，廣州 510330）

0 引言

小型發(fā)電機體積小、質(zhì)量輕、便于運輸，非常適合作為應急電源，目前廣泛應用于地鐵的各種場合，尤其在一些大型發(fā)電機無法到達的區(qū)域，小型發(fā)電機的便攜優(yōu)勢顯得尤為重要，為應急工作提供重要的幫助。但小型發(fā)電機容量偏低，無法滿足一些大功率應急設備（如水泵、風機等）的工作要求。

為滿足現(xiàn)場實際負荷需求，考慮將多臺小型發(fā)電機進行并機以達到擴大容量。目前發(fā)電機并機技術(shù)多用于大容量發(fā)電機組，在小型發(fā)電機領(lǐng)域無相關(guān)產(chǎn)品或指導。地鐵日常運營管理中，為方便運輸，現(xiàn)場配置了較多小型發(fā)電機，但若遇到區(qū)間水泵或隧道風機等大功率負荷時，小型發(fā)電機因容量不足無法滿足這類負荷的要求，為充分發(fā)揮小型發(fā)電機的作用，本文針對現(xiàn)場兩臺或多臺小型發(fā)電機并機運行的可行性進行研究，提出一種適用于現(xiàn)場的并機操作方式，并通過精確調(diào)整發(fā)電機輸出電壓的電壓及頻率，利用雙通道示波器監(jiān)測兩臺發(fā)電機的輸出電壓，尋找合適的并機時間點對兩臺發(fā)電機進行并機操作，該方法簡單易行，可在地鐵任何現(xiàn)場實現(xiàn)并機。

1 小型發(fā)電機并機運行基本要求

發(fā)電機并機，是指兩臺或多臺發(fā)電機并聯(lián)在一起向負荷供電。兩臺發(fā)電機并機運行時，為了避免兩臺發(fā)電機之間發(fā)生電流的沖擊和轉(zhuǎn)軸突然受到扭矩，應使兩臺發(fā)電機輸出的每相的電動勢瞬時值一直相等，此條件包含4條要求［1］：（1）兩臺發(fā)電機的頻率相同；（2）兩臺發(fā)電機的波形相同；（3）兩臺發(fā)電機的電壓、相位相同；（4）兩臺發(fā)電機的相序相同。

如果頻率不同，兩臺發(fā)電機的電壓相量之間有相對運動，將產(chǎn)生數(shù)值一直在變化的環(huán)流，引起電機內(nèi)的功率振蕩。如果波形不同，則在兩臺發(fā)電機內(nèi)產(chǎn)生高次諧波環(huán)流，使發(fā)電機的運行損耗和溫升升高。如果電壓的大小和相位不一致，則會在兩臺發(fā)電機之間產(chǎn)生環(huán)流，若極性相反時進行并機操作，瞬間的環(huán)流數(shù)值可達到20～30倍的電機額定電流，該環(huán)流在發(fā)電機里產(chǎn)生巨大的電磁力沖擊，損壞其定子繞組端部。如果相序不同，則兩臺發(fā)電機的某一相輸出之間存在很大的電位差，這個電位差會產(chǎn)生巨大的環(huán)流和轉(zhuǎn)矩沖擊，嚴重損壞發(fā)電機。

2 小型發(fā)電機并機運行的方法及原理

常用的發(fā)電機并機方法有兩種：（1）準確同步法，將兩臺發(fā)電機調(diào)整到滿足文前所提的并機運行條件后再進行并機的操作；（2）自同步法，將其中一臺發(fā)電機的勵磁繞組經(jīng)限流電阻短路，當該發(fā)電機轉(zhuǎn)速升到和另一臺發(fā)電機轉(zhuǎn)速相近時（兩臺發(fā)電機頻率相差±5%）進行并機，然后馬上恢復該發(fā)電機勵磁。

本文的并機操作基于準確同步法，使用準確同步法進行并機時，沖擊電流很小，有利于保護發(fā)電機。基本原理如下：設兩臺發(fā)電機的相序相同，由于兩臺發(fā)電機輸出電壓的中性點是等電位，假設兩臺發(fā)電機的電壓相同、但頻率不同，可得到兩臺發(fā)電機的電壓向量如圖1所示。圖中：Ua1、Ub1、Uc1為發(fā)電機1三相輸出電壓；Ua2、Ub2、Uc2為發(fā)電機2三相輸出電壓；w1為發(fā)電機1角頻率；w2為發(fā)電機2角頻率；Ua1＝Ua2，Ub1＝Ub2，Uc1＝Uc2。由圖可知，因為兩臺發(fā)電機的頻率不同，則w1≠w2，因此發(fā)電機2的各相輸出電壓會以（w1-w2）的角速度對發(fā)電機1的各相輸出電壓進行旋轉(zhuǎn)。在旋轉(zhuǎn)過程中，兩臺發(fā)電機的輸出電壓差以ΔU表示，以A相為例，可知在旋轉(zhuǎn)過程中，當Ua1與Ua2重合時，ΔUa＝0；當Ua1與Ua2反相時，ΔUa＝-2Ua1；即ΔUa會在0～-2Ua1之間交替變化。

圖1 兩臺發(fā)電機的電壓向量圖

顯然，當ΔU＝0時進行并機操作最為合適，沖擊電流為0。并機后，ΔU又會緩慢變大，這時候其中一臺發(fā)電機會自動牽入同步，這種作用稱為自整步作用。自整步作用的原理如下：由于兩臺發(fā)電機的頻率不同，并機后，在ΔU的作用下，兩臺發(fā)電機之間會產(chǎn)生環(huán)流，由于同步電抗遠大于電阻，因此環(huán)流與頻率較低的發(fā)電機形成負電磁功率，與頻率較高的發(fā)電機形成正電磁功率；頻率較低的發(fā)電機在負電磁功率的作用下，其軸上受到驅(qū)動的電磁轉(zhuǎn)矩，成為電動機狀態(tài)，轉(zhuǎn)速逐漸上升；頻率較高的發(fā)電機在正電磁功率的作用下，其軸上收到制動的電磁轉(zhuǎn)矩，使電機的轉(zhuǎn)速降低。兩臺發(fā)電機并機后，在ΔU的作用下會各自調(diào)整自己的轉(zhuǎn)速，直到兩臺發(fā)電機的轉(zhuǎn)速一樣，這個相互匹配的過程，稱為牽入同步。

3 兩臺小型發(fā)電機并機操作

按照并機的基本要求，將兩臺發(fā)電機的輸出通過一個斷路器作為并機MCB連接，使用雙通道示波器監(jiān)測兩臺發(fā)電機輸出的電壓和頻率。裝置接線如圖2所示。

圖2 并機測試接線

并機前，先通過調(diào)整兩臺發(fā)電機的AVR［2-3］或油門等方式，使兩臺發(fā)電機的輸出電壓有效值及頻率基本一致，誤差控制在1%以內(nèi)，誤差越小，并機時的沖擊電流越小，有利于提高并機成功率及保護發(fā)電機。

通過示波器觀察兩臺發(fā)電機的輸出波形如圖3所示。因為兩發(fā)電機的輸出頻率仍存在細微的差別，所以，兩個發(fā)電機的輸出波形仍會有輕微的相對運動，但相對運動較為緩慢。

圖3 兩臺發(fā)電機的輸出波形

下一步，密切觀察示波器中兩個波形的相對運動，當發(fā)現(xiàn)兩個波形重合的瞬間，迅速合上并機MCB。并機瞬間，其中一臺發(fā)電機可能會有輕微的抖動或者有個加大出力的反應，這個屬于正常現(xiàn)象，原因是兩臺發(fā)電機在進行上文提到的牽入同步的過程。檢查兩臺發(fā)電機的輸出MCB及并機MCB是否跳閘，兩臺發(fā)電機的運行聲音是否平穩(wěn)，若無異常，說明并機成功。并機后，示波器中的波形如圖4所示。

圖4 并機成功后的輸出波形

若兩個發(fā)電機工作正常，并機后并機線中應無電流。若檢測到存在較大電流，說明其中一臺發(fā)電機一直無法完成牽入同步，同時以電動機的狀態(tài)，成為了另一臺發(fā)電機的負荷。遇到該情況，應斷開并機開關(guān)，檢查兩臺發(fā)電機是否存在故障。主要檢查以下功能：（1）兩臺發(fā)電機是否能正常調(diào)整電壓；（2）兩臺發(fā)電機是否能正常調(diào)整頻率；（3）兩臺發(fā)電機是否能正常帶負荷。若以上功能異常，一般是由于發(fā)電機的電子調(diào)速器、調(diào)壓器或控制器故障所導致［4］，應重點檢查以上部件的功能。

4 發(fā)電機并機的停機

當不再需要為負荷供電，需停止發(fā)電機的并機運行時，應按以下步驟進行：（1）將所帶負荷停機；（2）斷開兩臺發(fā)電機之間的并機MCB（圖2）；（3）斷開兩臺發(fā)電機的輸出開關(guān)；（4）將兩臺發(fā)電機停機。

5 兩臺小型發(fā)電機并機負載試驗

為驗證并機后的帶負荷能力，本文分別進行相同及不同容量發(fā)電機的并機帶不同類型負荷的負荷試驗。

5.1 兩臺同功率發(fā)電機并機負載試驗情況

使用兩臺5 kVA發(fā)電機并機后，通過變頻器啟動一臺7 kW的抽水泵，測量水泵電流及兩臺發(fā)電機的輸出電流曲線如圖5所示。由圖可知，隨著水泵的啟動，水泵電流在逐步上升，兩臺發(fā)電機的輸出電流也同時上升，可發(fā)現(xiàn)，兩臺發(fā)電機的輸出電流基本均等，即兩臺電機的出力基本均等，共同承擔了水泵負荷。并機帶負荷，實質(zhì)是兩臺發(fā)電機之間的功率分配。發(fā)電機并機運行后，在穩(wěn)定狀態(tài)下，兩臺發(fā)電機的有功功率分配是由發(fā)電機的功頻特性決定的，只有當兩臺發(fā)電機的調(diào)差系數(shù)相同時，兩臺發(fā)電機分擔的功率才與本身的容量成比例［4］。但兩臺發(fā)電機的調(diào)差系數(shù)無法絕對一致，因此，即使兩臺型號相同的發(fā)電機，在實際帶負荷時，有功功率的分配也不是絕對平均的。

圖5 同功率發(fā)電帶負載情況

5.2 兩臺不同功率發(fā)電機并機負載試驗情況

使用一臺5 kVA發(fā)電機與一臺8 kVA發(fā)電機并機后，逐步增加負荷，測量總電流及兩臺發(fā)電機的輸出電流曲線如圖6所示。可見，隨著負荷的逐步增加，兩臺發(fā)電機的輸出電流也同時上升。觀察各自電流可發(fā)現(xiàn)，兩臺發(fā)電機的輸出電流與發(fā)電機的容量相關(guān)，發(fā)電機容量越大，其分擔的負荷電流也越大。當負荷持續(xù)增加，小容量發(fā)電機首先達到其額定輸出電流并保持穩(wěn)定，隨后負荷繼續(xù)增加，但小容量發(fā)電機輸出電流將不再變大，后續(xù)增加的負荷由大容量發(fā)電機負擔。

圖6 不同功率發(fā)電機帶負載情況

5.3 發(fā)電機并機后帶遠距離大功率負荷情況

發(fā)電機并機后，帶遠距離的大功率負荷（區(qū)間水泵）進行測試。測試發(fā)現(xiàn)，若負荷采用直接啟動的方式，全壓啟動電機時，其啟動電流可達到電機額定電流的3～7倍［5］，將造成發(fā)電機的電壓急劇下降，導致負荷無法正常啟動［6］，如圖7所示。

圖7 大功率負荷啟動瞬間電壓波形

同時，由于兩臺發(fā)電機的輸出電流并不完全一致，所以兩臺發(fā)電機被拉低的壓降也存在差異，這會導致兩臺發(fā)電機發(fā)生功率震蕩并產(chǎn)生強烈抖動，破壞了兩臺發(fā)電機的同步狀態(tài)，嚴重情況下，會引起發(fā)電機輸出跳閘或損壞發(fā)電機。

產(chǎn)生功率震蕩的原因有很多，按類型分，主要有自由震蕩、強迫震蕩兩種。自由震蕩一般是由于負載的突然變化，如投切大功率負荷或者系統(tǒng)發(fā)生短路故障；強迫震蕩一般發(fā)生在三相負載不平衡時，導致發(fā)電機發(fā)生的周期性震蕩［7-8］。

除了電機啟動的原因，電能在長距離輸送的過程中，由于線路阻抗的存在，線路上會產(chǎn)生電壓損失，導致負荷處的電壓會比發(fā)電機輸出的電壓要低［9］，距離越長，線路阻抗的影響越大。因此，發(fā)電機并機后，若其負荷為遠距離的大功率負荷，為保證并機輸出正常，應保證以下條件：（1）并機發(fā)電機總?cè)萘繎笥谪摵晒β蕛杀痘蛞陨希唬?）并機發(fā)電機的放置點應盡量接近負荷，減少供電電纜的長度；（3）供電電纜使用大線徑的電纜；（4）盡量采用星三角啟動［10］、變頻啟動或軟起動等方式啟動負荷［11］。

6 結(jié)束語

目前發(fā)電機并機技術(shù)主要應用在大容量發(fā)電機上，但地鐵搶險現(xiàn)場多使用小容量發(fā)電機，為解決小容量發(fā)電機在搶險現(xiàn)場容量不足的問題，本文從電機并機的原理著手，提出了一種適用于地鐵現(xiàn)場的發(fā)電機并機方法。通過該并機方法，可以任意現(xiàn)場實現(xiàn)兩臺或多臺發(fā)電機的并機運行。并且通過現(xiàn)場并機試驗及各種情況下的負荷試驗，驗證了該方法的可行性，同時針對試驗過程中遇到的一些常見問題（如功率分配、功率震蕩等），給出相關(guān)的建議及解決方案。以上工作表明在地鐵搶險現(xiàn)場工作中，將兩臺或多臺小型發(fā)電機通過并機運行的方式向大功率負荷供電，可作為在現(xiàn)場應急工作的一種應急電源解決方案。