柴油发电机并联运转中冲击电流的计算方案

摘要：发电机组进行并联使用时，存在较大的电压幅值差、频率差、相角差，会产生冲击电流，若冲击电流的数值过量，则会磨耗发电机的绕组和轴系。本文通过分析幅值差、频率差、相角差对并车操作瞬间冲击电流的影响，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。通过发电机组并列实例计算，给出了合理的参数差值范围，为发电机并车同期锁闭装置参数设置供应理论依据。同时，为进一步仿真研讨多台发电机组并列运行步骤奠定基本。

在电气化时代的今天，发电装置广泛操作，负载的变动使得电力系统中发电机运转台数随之改变，发电机并联（包括发电机并网）运行就是一项频繁而重要的操作。发电机并车运行拥有众多的运用领域，例如发电机组、矿山、发电厂等，对国民生发生活有重大补充作用。随着同步发电机单机容量不断增大，并联瞬间两相电路接通，合适的并联要素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。操作“非法”则会发生损害性的冲击电流，引起发电机组绕组的电气磨耗，甚至产生很大的电磁转矩，造成发电机轴系机械损伤。因此，并联冲击电流抑制一直是研讨的关键技术之一，也是并机的根本要求。为保证发电机组并车稳定运转，通常限制冲击电流不超过发电机组的额定电流。

本文从解析同步发电机并车过程中致使冲击电流的缘由和危害着手，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，通过发电机组并机案例计算，给出了合理的参数差值范围，为发电机并车同期锁闭装置数据设置供应理论依据。

柴油发电机组在投入装置并机运转之前，断路器两侧的电压状态量往往不相等，如图1所示，可知并列合闸前断路器（QF）两侧的电压UG与并车母线电压UN两端电压差为u=U.G?U.N，立即合闸并车运行会瞬间产生冲击电流（可简化表示为ic=u/X∑）。理想状况为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行状态。但实际使用中很难实现3个条件同时满足全部相等，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机运行状态即可。因此需要对引起冲击电流的因由和影响进行解析，并在实际使用中给出数据差值的允许范围。

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

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过热，并在冲击电流的电动力作用下受损。

发电机组未并车前为空载运转，电动势即为端电压惠州发电机保养，与并联母线电压近似相等，此瞬态发电机必然有一个过渡步骤。

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

由图3可知，当相角差较小时，冲击电流主要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功率交换，会在发电机轴上产生冲击力矩，从而引起发电机组轴系扭振，严重时可引起轴系故障，对发电机内部构造也有磨损。当δ=180°时，冲击电流达到较大值，对电机磨耗较大。

图4所示为待并机发电机的电压相量，当UG=UN，fN≠fG或ωG≠ωN时，u=UG sin（ωG t+?G）?UN sin（ωN t+?N）

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能够表明并车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。当发电机组并机合闸信号发出时，即使合闸时相角差δs很小，但频率差较大，待并列发电机也需要经历很长的暂态流程才能进入同步运转状态，严重时会致使失步；存在较小的频率差时，微小的频率差所产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。

由上述解析可知，频率差对冲击电流的大小有危害，但影响效果甚微，且频率一般非常小，因而冲击电流的计算流程可以忽略频率差对冲击电流大小的功能。

当fN=fG、UG≠UN、（ωN t+?N）?（ωG t+?G）=δ≠0时，设

由式（16）可知，nm的大小由ΔU和Δ?决定，并联装置电压U是与幅值差有关的参考量（通常取系统高压侧的电压等级），冲击电流为i′′c=ua/ΣX。当Δ?=0时，i′′c=Δu/ΣX，当ΔU=0时，i′′c=2u/ΣX.sin.Δ?/2。

当Δ?与ΔU同时存在时，i′′c的大小与性质由ΔU和Δ?的大小以及Δ?的超前或滞后原系统电压共同决定。通常断路器合闸时待并列发电机与系统的相角差较小，如图5所示，随着Δ?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状况解析。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，对机组和装置都有损害。同时，在相同的频率差下并车时系统的电压等级越低，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参数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发生冲击电流的理论值，也可以计算并机操作界面的并机数据差值的允许范围。以“育鲲”轮发电机组电站两台同规格主发电机组并机为例，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车能够稳定运转，并车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，这些数据差值范围都是合理的，并机参数差值范围见表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）详细计算所得幅值差和相角差范围。合理的数据范围可以使发电机快速进入并联运行，能够保证电站发电机并车合闸后稳定运行。

本文剖析了发电机并车步骤中引起冲击电流的原由和危害，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列作为算例，计算了合理的参数差值范围，经过上述的剖析及计算，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详细由并机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影响较小。适当的频率差会使发电机组很快进入同步运行，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车运转使用时先调整待并车系统两侧电压幅值相等，但实际操作并机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起因也是由电压幅值差和相角差共同决定的。

3、设置合理的并列断路器和同步系统的数据范围，可以减轻由电压幅值差和相角差所引起的冲击电流，提高并联运转的成功率并加快并联转速，使系统安全、平稳的运转。