柴油发电机并联运转中冲击电流的计算举措

摘要：发电机组进行并机操作时，存在较大的电压幅值差、频率差、相角差，会发生冲击电流，若冲击电流的数值过度，则会磨损发电机的绕组和轴系。本文通过解说幅值差、频率差、相角差对并联使用瞬态冲击电流的危害，利用拉普拉斯算法推导出存在幅值差和相角差时冲击电流的计算公式。通过发电机组并车实例计算，给出了合理的数据差值范围，为发电机并联同期锁闭系统数据设置提供理论依据。同时，为进一步仿真探讨多台发电机组并机运转程序奠定基本。

在电气化时代的今天，发电装置广泛使用，负载的变动使得电力系统中发电机运行台数随之改变，发电机并列（包括发电机并网）运行就是一项频繁而重要的操作。发电机并机运转拥有众多的应用领域，例如发电机组、矿山、发电厂等，对国民生发生活有重大补充功用。随着同步发电机单机功率不断增大，并联瞬态两相电路接通，合适的并车条件会使得原本两个稳定的运转状态向一个稳定的运转状态平滑过渡。使用错误则会产生影响性的冲击电流，引起发电机组绕组的电气磨损，甚至产生很大的电磁转矩，造成发电机轴系机械磨耗。因此，并列冲击电流抑制一直是讨论的关键技术之一，也是并车的基础要求。为保证发电机组并联稳定运转，通常限制冲击电流不超过发电机组的额定电流。

本文从讲解同步发电机并机过程中导致冲击电流的缘由和影响着手，推导了同时存在电压幅值差和相位差时冲击电流的计算公式，通过发电机组并联案例计算，给出了合理的参数差值范围，为发电机并列同期锁闭系统参数设置提供理论依据。

柴油发电机组在投入机构并联运转之前，断路器两侧的电压状态量往往不相等，如图1所示，可知并车合闸前断路器（QF）两侧的电压UG与并联母线电压UN两端电压差为u=U.G−U.N，立即合闸并列运转会瞬态产生冲击电流（可简化表示为ic=u/X∑）。理想情形为u的值为零，即断路器合闸后两侧电压的幅值、频率、相角3个状态量全部相等，冲击电流则为零，发电机组能够顺利进入同步运转状态。但实际使用中很难实现3个要素同时满足全部相等，只要断路器合闸时电压相量差u尽可能小，使冲击电流的较大值在允许范围内，不危及电气装置并且能够顺利进入并车运转状态即可。因此需要对致使冲击电流的缘由和危害进行浅析，并在实际使用中给出参数差值的允许范围。

设发电机组并列运行时的电压向量如图2所示，即并车运行时发电机组频率fG等于母线频率fN，相角差δ=ϕN−ϕG=0，电压幅值不等UG≠UN，则冲击电流的有效值为

由图2可知，冲击电流I′′c为无功性质的电流。式（3）表明，电压幅值差较大时冲击电流I′′c会很大，将会使发电机定子绕组发烫，并在冲击电流的电动力功能下受损。

发电机组未并车前为空载运行，电动势即为端电压，与并机母线电压近似相等，此瞬态发电机必然有一个过渡流程。

设u=U.G−U.N、fN=fG、（ωN t+ϕN）−（ωG t+ϕG）=δ≠0。

由图3可知，当相角差较小时，冲击电流详细为有功性质的电流分量，断路器合闸瞬间，发电机组与装置之间存在有功容量交换，会在发电机轴上发生冲击力矩，从而引起发电机组轴系扭振，严重时可引起轴系损坏，对发电机内部构造也有损伤。当δ=180°时，冲击电流达到较大值，对电机损伤较大。

图4所示为待并联发电机的电压相量，当UG=UN，fN≠fG或ωG≠ωN时，u=UG sin（ωG t+ϕG）−UN sin（ωN t+ϕN）

由式（9）可知，u可以视为幅值为Us、频率近似工频的交流电压，ωs=ωG−ωN为滑差角频率。因此u为正弦脉动波，其较大幅值为2UG，又称脉动电压，如图4所示。

由式（10）可知，脉动电压u的周期Ts=2π/ωs，滑差角频率ωs能够表明并联发电机组之间的状态差，相角差δs是与合闸信发出时间有关的函数。若断路器合闸信号发出时间恰好在两电压重合，合闸后发电机组之间的冲击电流则为零。当发电机组并联合闸信号发出时，即使合闸时相角差δs很小，但频率差较大，待并车发电机也需要经历很长的暂态过程才能进入同步运行状态，严重时会引起失步；存在较小的频率差时，微小的频率差所发生的冲击电流会在转子上生成一个使发电机组间同步的力矩，将发电机组带入同步稳定运转。

由上述叙谈可知，频率差对冲击电流的大小有危害，但影响效果甚微，且频率通常非常小，因而冲击电流的计算程序可以忽略频率差对冲击电流大小的用途。

当fN=fG、UG≠UN、（ωN t+ϕN）−（ωG t+ϕG）=δ≠0时，设

由式（16）可知，nm的大小由ΔU和Δϕ决定，并联系统电压U是与幅值差有关的参考量（通常取机构高压侧的电压等级），冲击电流为i′′c=ua/ΣX。当Δϕ=0时，i′′c=Δu/ΣX康明斯发电机厂家，当ΔU=0时，i′′c=2u/ΣX.sin.Δϕ/2。

当Δϕ与ΔU同时存在时，i′′c的大小与性质由ΔU和Δϕ的大小以及Δϕ的超前或滞后原装置电压共同决定。通常断路器合闸时待并车发电机与装置的相角差较小，如图5所示，随着Δϕ的增大以及ΔU的变化，冲击电流的大小和性质需要根据实际情况总述。冲击电流的无功分量会使发电机定子绕组过热，发电机定子绕组会受到其电动力产生的冲击；有功分量使发电机组联轴受到突然冲击柴油发电机一览表，对机组和系统都有危害。同时，在相同的频率差下并列时装置的电压等级越低，可以并列的相位差较大值越大，可以并机的区域就会越大。

式（16）所表示的冲击电流表达式数据变量为电压幅值差和相角差，通过式（16）可以计算存在误差时产生冲击电流的理论值，也可以计算并列控制面板的并车数据差值的允许范围。以“育鲲”轮发电机组电站两台同型号主发电机组并车为例，电站主发电机的额定功率为650kVA，额定电压为400V，额定电流为930A，发电机交、直轴次暂态电抗相等，为0.07Ω，配电室电力电缆线路短，线路阻抗忽略不计。为保证两台发电机并联能够稳定运行，并联冲击电流限制为不超过发电机额定电流。

由式（16）依次计算可得：当相角差为0°时，电压差的取值应限制在额定电压的32%以内；当两台发电机的相角差为5°时，电压幅值差取值范围很宽，达到额定电压的30%；当两台发电机的相角差为10°时，电压差的取值应限制在额定电压的26%以内；当两台发电机的相角差为15°时，电压差的取值应限制在额定电压的16%以内。通过计算可得，这些参数差值范围都是合理的，并联参数差值范围见表1。

实际中断路器合闸时要求相角差不应超过±30°，依据上式计算结果则为不超过±19°（按照不超过发电机额定电流计算所得）。若存在电压幅值差，则可根据式（15）具体计算所得幅值差和相角差范围发电机常见故障及维修。合理的参数范围可以使发电机快速进入并机运行，能够保证电站发电机并机合闸后稳定运行。

本文解说了发电机并机程序中引起冲击电流的因由和影响，采用拉普拉斯变换，给出了存在电压幅值差和相位差时发电机冲击电流的计算式。以实际康明斯发电机组并联作为算例，计算了合理的参数差值范围，经过上述的论说及计算，可以得到如下结论：

1、三相同步发电机并列运行时的冲击电流大小具体由并列合闸时电压差和相位差综合决定，并机时刻发电机组之间的频率差对冲击电流大小的危害较小。适当的频率差会使发电机组很快进入同步运转，但频率差过量会使发电机组会经历长时间振荡，甚至解列。

2、对于任意功率的发电机组并联运转操作时先调整待并列机构两侧电压幅值相等，但实际操作并联断路器合闸时总会同时存在电压幅值差和相角差，因此造成冲击电流的因由也是由电压幅值差和相角差共同决定的。

3、设置合理的并机断路器和同步机构的参数范围，可以减轻由电压幅值差和相角差所致使的冲击电流，提升并机运转的成容量并加快并列转速，使机构安全、平稳的运行。