小型發(fā)電機(jī)在地鐵應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)的并機(jī)運(yùn)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(tuán)有限公司，廣州 510330）

0 引言

小型發(fā)電機(jī)體積小、質(zhì)量輕、便于運(yùn)輸，非常適合作為應(yīng)急電源，目前廣泛應(yīng)用于地鐵的各種場(chǎng)合，尤其在一些大型發(fā)電機(jī)無(wú)法到達(dá)的區(qū)域，小型發(fā)電機(jī)的便攜優(yōu)勢(shì)顯得尤為重要，為應(yīng)急工作提供重要的幫助。但小型發(fā)電機(jī)容量偏低，無(wú)法滿足一些大功率應(yīng)急設(shè)備（如水泵、風(fēng)機(jī)等）的工作要求。

為滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際負(fù)荷需求，考慮將多臺(tái)小型發(fā)電機(jī)進(jìn)行并機(jī)以達(dá)到擴(kuò)大容量。目前發(fā)電機(jī)并機(jī)技術(shù)多用于大容量發(fā)電機(jī)組，在小型發(fā)電機(jī)領(lǐng)域無(wú)相關(guān)產(chǎn)品或指導(dǎo)。地鐵日常運(yùn)營(yíng)管理中，為方便運(yùn)輸，現(xiàn)場(chǎng)配置了較多小型發(fā)電機(jī)，但若遇到區(qū)間水泵或隧道風(fēng)機(jī)等大功率負(fù)荷時(shí)，小型發(fā)電機(jī)因容量不足無(wú)法滿足這類負(fù)荷的要求，為充分發(fā)揮小型發(fā)電機(jī)的作用，本文針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)兩臺(tái)或多臺(tái)小型發(fā)電機(jī)并機(jī)運(yùn)行的可行性進(jìn)行研究，提出一種適用于現(xiàn)場(chǎng)的并機(jī)操作方式，并通過(guò)精確調(diào)整發(fā)電機(jī)輸出電壓的電壓及頻率，利用雙通道示波器監(jiān)測(cè)兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的輸出電壓，尋找合適的并機(jī)時(shí)間點(diǎn)對(duì)兩臺(tái)發(fā)電機(jī)進(jìn)行并機(jī)操作，該方法簡(jiǎn)單易行，可在地鐵任何現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)并機(jī)。

1 小型發(fā)電機(jī)并機(jī)運(yùn)行基本要求

發(fā)電機(jī)并機(jī)，是指兩臺(tái)或多臺(tái)發(fā)電機(jī)并聯(lián)在一起向負(fù)荷供電。兩臺(tái)發(fā)電機(jī)并機(jī)運(yùn)行時(shí)，為了避免兩臺(tái)發(fā)電機(jī)之間發(fā)生電流的沖擊和轉(zhuǎn)軸突然受到扭矩，應(yīng)使兩臺(tái)發(fā)電機(jī)輸出的每相的電動(dòng)勢(shì)瞬時(shí)值一直相等，此條件包含4條要求［1］：（1）兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的頻率相同；（2）兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的波形相同；（3）兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的電壓、相位相同；（4）兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的相序相同。

如果頻率不同，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的電壓相量之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，將產(chǎn)生數(shù)值一直在變化的環(huán)流，引起電機(jī)內(nèi)的功率振蕩。如果波形不同，則在兩臺(tái)發(fā)電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生高次諧波環(huán)流，使發(fā)電機(jī)的運(yùn)行損耗和溫升升高。如果電壓的大小和相位不一致，則會(huì)在兩臺(tái)發(fā)電機(jī)之間產(chǎn)生環(huán)流，若極性相反時(shí)進(jìn)行并機(jī)操作，瞬間的環(huán)流數(shù)值可達(dá)到20～30倍的電機(jī)額定電流，該環(huán)流在發(fā)電機(jī)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(tái)發(fā)電機(jī)的某一相輸出之間存在很大的電位差，這個(gè)電位差會(huì)產(chǎn)生巨大的環(huán)流和轉(zhuǎn)矩沖擊，嚴(yán)重?fù)p壞發(fā)電機(jī)。

2 小型發(fā)電機(jī)并機(jī)運(yùn)行的方法及原理

常用的發(fā)電機(jī)并機(jī)方法有兩種：（1）準(zhǔn)確同步法，將兩臺(tái)發(fā)電機(jī)調(diào)整到滿足文前所提的并機(jī)運(yùn)行條件后再進(jìn)行并機(jī)的操作；（2）自同步法，將其中一臺(tái)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組經(jīng)限流電阻短路，當(dāng)該發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速升到和另一臺(tái)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速相近時(shí)（兩臺(tái)發(fā)電機(jī)頻率相差±5%）進(jìn)行并機(jī)，然后馬上恢復(fù)該發(fā)電機(jī)勵(lì)磁。

本文的并機(jī)操作基于準(zhǔn)確同步法，使用準(zhǔn)確同步法進(jìn)行并機(jī)時(shí)，沖擊電流很小，有利于保護(hù)發(fā)電機(jī)。基本原理如下：設(shè)兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的相序相同，由于兩臺(tái)發(fā)電機(jī)輸出電壓的中性點(diǎn)是等電位，假設(shè)兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的電壓相同、但頻率不同，可得到兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的電壓向量如圖1所示。圖中：Ua1、Ub1、Uc1為發(fā)電機(jī)1三相輸出電壓；Ua2、Ub2、Uc2為發(fā)電機(jī)2三相輸出電壓；w1為發(fā)電機(jī)1角頻率；w2為發(fā)電機(jī)2角頻率；Ua1＝Ua2，Ub1＝Ub2，Uc1＝Uc2。由圖可知，因?yàn)閮膳_(tái)發(fā)電機(jī)的頻率不同，則w1≠w2，因此發(fā)電機(jī)2的各相輸出電壓會(huì)以（w1-w2）的角速度對(duì)發(fā)電機(jī)1的各相輸出電壓進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的輸出電壓差以ΔU表示，以A相為例，可知在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，當(dāng)Ua1與Ua2重合時(shí)，ΔUa＝0；當(dāng)Ua1與Ua2反相時(shí)，ΔUa＝-2Ua1；即ΔUa會(huì)在0～-2Ua1之間交替變化。

圖1 兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的電壓向量圖

顯然，當(dāng)ΔU＝0時(shí)進(jìn)行并機(jī)操作最為合適，沖擊電流為0。并機(jī)后，ΔU又會(huì)緩慢變大，這時(shí)候其中一臺(tái)發(fā)電機(jī)會(huì)自動(dòng)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(tái)發(fā)電機(jī)的頻率不同，并機(jī)后，在ΔU的作用下，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)之間會(huì)產(chǎn)生環(huán)流，由于同步電抗遠(yuǎn)大于電阻，因此環(huán)流與頻率較低的發(fā)電機(jī)形成負(fù)電磁功率，與頻率較高的發(fā)電機(jī)形成正電磁功率；頻率較低的發(fā)電機(jī)在負(fù)電磁功率的作用下，其軸上受到驅(qū)動(dòng)的電磁轉(zhuǎn)矩，成為電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速逐漸上升；頻率較高的發(fā)電機(jī)在正電磁功率的作用下，其軸上收到制動(dòng)的電磁轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)的轉(zhuǎn)速降低。兩臺(tái)發(fā)電機(jī)并機(jī)后，在ΔU的作用下會(huì)各自調(diào)整自己的轉(zhuǎn)速，直到兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速一樣，這個(gè)相互匹配的過(guò)程，稱為牽入同步。

3 兩臺(tái)小型發(fā)電機(jī)并機(jī)操作

按照并機(jī)的基本要求，將兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的輸出通過(guò)一個(gè)斷路器作為并機(jī)MCB連接，使用雙通道示波器監(jiān)測(cè)兩臺(tái)發(fā)電機(jī)輸出的電壓和頻率。裝置接線如圖2所示。

圖2 并機(jī)測(cè)試接線

并機(jī)前，先通過(guò)調(diào)整兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的AVR［2-3］或油門等方式，使兩臺(tái)發(fā)電機(jī)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(jī)時(shí)的沖擊電流越小，有利于提高并機(jī)成功率及保護(hù)發(fā)電機(jī)。

通過(guò)示波器觀察兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的輸出波形如圖3所示。因?yàn)閮砂l(fā)電機(jī)的輸出頻率仍存在細(xì)微的差別，所以，兩個(gè)發(fā)電機(jī)的輸出波形仍會(huì)有輕微的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，但相對(duì)運(yùn)動(dòng)較為緩慢。

圖3 兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的輸出波形

下一步，密切觀察示波器中兩個(gè)波形的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)兩個(gè)波形重合的瞬間，迅速合上并機(jī)MCB。并機(jī)瞬間，其中一臺(tái)發(fā)電機(jī)可能會(huì)有輕微的抖動(dòng)或者有個(gè)加大出力的反應(yīng)，這個(gè)屬于正?，F(xiàn)象，原因是兩臺(tái)發(fā)電機(jī)在進(jìn)行上文提到的牽入同步的過(guò)程。檢查兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的輸出MCB及并機(jī)MCB是否跳閘，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行聲音是否平穩(wěn)，若無(wú)異常，說(shuō)明并機(jī)成功。并機(jī)后，示波器中的波形如圖4所示。

圖4 并機(jī)成功后的輸出波形

若兩個(gè)發(fā)電機(jī)工作正常，并機(jī)后并機(jī)線中應(yīng)無(wú)電流。若檢測(cè)到存在較大電流，說(shuō)明其中一臺(tái)發(fā)電機(jī)一直無(wú)法完成牽入同步，同時(shí)以電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)，成為了另一臺(tái)發(fā)電機(jī)的負(fù)荷。遇到該情況，應(yīng)斷開(kāi)并機(jī)開(kāi)關(guān)，檢查兩臺(tái)發(fā)電機(jī)是否存在故障。主要檢查以下功能：（1）兩臺(tái)發(fā)電機(jī)是否能正常調(diào)整電壓；（2）兩臺(tái)發(fā)電機(jī)是否能正常調(diào)整頻率；（3）兩臺(tái)發(fā)電機(jī)是否能正常帶負(fù)荷。若以上功能異常，一般是由于發(fā)電機(jī)的電子調(diào)速器、調(diào)壓器或控制器故障所導(dǎo)致［4］，應(yīng)重點(diǎn)檢查以上部件的功能。

4 發(fā)電機(jī)并機(jī)的停機(jī)

當(dāng)不再需要為負(fù)荷供電，需停止發(fā)電機(jī)的并機(jī)運(yùn)行時(shí)，應(yīng)按以下步驟進(jìn)行：（1）將所帶負(fù)荷停機(jī)；（2）斷開(kāi)兩臺(tái)發(fā)電機(jī)之間的并機(jī)MCB（圖2）；（3）斷開(kāi)兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的輸出開(kāi)關(guān)；（4）將兩臺(tái)發(fā)電機(jī)停機(jī)。

5 兩臺(tái)小型發(fā)電機(jī)并機(jī)負(fù)載試驗(yàn)

為驗(yàn)證并機(jī)后的帶負(fù)荷能力，本文分別進(jìn)行相同及不同容量發(fā)電機(jī)的并機(jī)帶不同類型負(fù)荷的負(fù)荷試驗(yàn)。

5.1 兩臺(tái)同功率發(fā)電機(jī)并機(jī)負(fù)載試驗(yàn)情況

使用兩臺(tái)5 kVA發(fā)電機(jī)并機(jī)后，通過(guò)變頻器啟動(dòng)一臺(tái)7 kW的抽水泵，測(cè)量水泵電流及兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的輸出電流曲線如圖5所示。由圖可知，隨著水泵的啟動(dòng)，水泵電流在逐步上升，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的輸出電流也同時(shí)上升，可發(fā)現(xiàn)，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的輸出電流基本均等，即兩臺(tái)電機(jī)的出力基本均等，共同承擔(dān)了水泵負(fù)荷。并機(jī)帶負(fù)荷，實(shí)質(zhì)是兩臺(tái)發(fā)電機(jī)之間的功率分配。發(fā)電機(jī)并機(jī)運(yùn)行后，在穩(wěn)定狀態(tài)下，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的有功功率分配是由發(fā)電機(jī)的功頻特性決定的，只有當(dāng)兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的調(diào)差系數(shù)相同時(shí)，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)分擔(dān)的功率才與本身的容量成比例［4］。但兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的調(diào)差系數(shù)無(wú)法絕對(duì)一致，因此，即使兩臺(tái)型號(hào)相同的發(fā)電機(jī)，在實(shí)際帶負(fù)荷時(shí)，有功功率的分配也不是絕對(duì)平均的。

圖5 同功率發(fā)電帶負(fù)載情況

5.2 兩臺(tái)不同功率發(fā)電機(jī)并機(jī)負(fù)載試驗(yàn)情況

使用一臺(tái)5 kVA發(fā)電機(jī)與一臺(tái)8 kVA發(fā)電機(jī)并機(jī)后，逐步增加負(fù)荷，測(cè)量總電流及兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的輸出電流曲線如圖6所示?？梢?jiàn)，隨著負(fù)荷的逐步增加，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的輸出電流也同時(shí)上升。觀察各自電流可發(fā)現(xiàn)，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的輸出電流與發(fā)電機(jī)的容量相關(guān)，發(fā)電機(jī)容量越大，其分擔(dān)的負(fù)荷電流也越大。當(dāng)負(fù)荷持續(xù)增加，小容量發(fā)電機(jī)首先達(dá)到其額定輸出電流并保持穩(wěn)定，隨后負(fù)荷繼續(xù)增加，但小容量發(fā)電機(jī)輸出電流將不再變大，后續(xù)增加的負(fù)荷由大容量發(fā)電機(jī)負(fù)擔(dān)。

圖6 不同功率發(fā)電機(jī)帶負(fù)載情況

5.3 發(fā)電機(jī)并機(jī)后帶遠(yuǎn)距離大功率負(fù)荷情況

發(fā)電機(jī)并機(jī)后，帶遠(yuǎn)距離的大功率負(fù)荷（區(qū)間水泵）進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試發(fā)現(xiàn)，若負(fù)荷采用直接啟動(dòng)的方式，全壓?jiǎn)?dòng)電機(jī)時(shí)，其啟動(dòng)電流可達(dá)到電機(jī)額定電流的3～7倍［5］，將造成發(fā)電機(jī)的電壓急劇下降，導(dǎo)致負(fù)荷無(wú)法正常啟動(dòng)［6］，如圖7所示。

圖7 大功率負(fù)荷啟動(dòng)瞬間電壓波形

同時(shí)，由于兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的輸出電流并不完全一致，所以兩臺(tái)發(fā)電機(jī)被拉低的壓降也存在差異，這會(huì)導(dǎo)致兩臺(tái)發(fā)電機(jī)發(fā)生功率震蕩并產(chǎn)生強(qiáng)烈抖動(dòng)，破壞了兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的同步狀態(tài)，嚴(yán)重情況下，會(huì)引起發(fā)電機(jī)輸出跳閘或損壞發(fā)電機(jī)。

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(qiáng)迫震蕩兩種。自由震蕩一般是由于負(fù)載的突然變化，如投切大功率負(fù)荷或者系統(tǒng)發(fā)生短路故障；強(qiáng)迫震蕩一般發(fā)生在三相負(fù)載不平衡時(shí)，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)發(fā)生的周期性震蕩［7-8］。

除了電機(jī)啟動(dòng)的原因，電能在長(zhǎng)距離輸送的過(guò)程中，由于線路阻抗的存在，線路上會(huì)產(chǎn)生電壓損失，導(dǎo)致負(fù)荷處的電壓會(huì)比發(fā)電機(jī)輸出的電壓要低［9］，距離越長(zhǎng)，線路阻抗的影響越大。因此，發(fā)電機(jī)并機(jī)后，若其負(fù)荷為遠(yuǎn)距離的大功率負(fù)荷，為保證并機(jī)輸出正常，應(yīng)保證以下條件：（1）并機(jī)發(fā)電機(jī)總?cè)萘繎?yīng)大于負(fù)荷功率兩倍或以上；（2）并機(jī)發(fā)電機(jī)的放置點(diǎn)應(yīng)盡量接近負(fù)荷，減少供電電纜的長(zhǎng)度；（3）供電電纜使用大線徑的電纜；（4）盡量采用星三角啟動(dòng)［10］、變頻啟動(dòng)或軟起動(dòng)等方式啟動(dòng)負(fù)荷［11］。

6 結(jié)束語(yǔ)

目前發(fā)電機(jī)并機(jī)技術(shù)主要應(yīng)用在大容量發(fā)電機(jī)上，但地鐵搶險(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)多使用小容量發(fā)電機(jī)，為解決小容量發(fā)電機(jī)在搶險(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)容量不足的問(wèn)題，本文從電機(jī)并機(jī)的原理著手，提出了一種適用于地鐵現(xiàn)場(chǎng)的發(fā)電機(jī)并機(jī)方法。通過(guò)該并機(jī)方法，可以任意現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)或多臺(tái)發(fā)電機(jī)的并機(jī)運(yùn)行。并且通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)并機(jī)試驗(yàn)及各種情況下的負(fù)荷試驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法的可行性，同時(shí)針對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中遇到的一些常見(jiàn)問(wèn)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(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)工作中，將兩臺(tái)或多臺(tái)小型發(fā)電機(jī)通過(guò)并機(jī)運(yùn)行的方式向大功率負(fù)荷供電，可作為在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急工作的一種應(yīng)急電源解決方案。