高壓發(fā)電機(jī)組的工作原理以及性能特點(diǎn)

導(dǎo)語：發(fā)電機(jī)組是由同步發(fā)電機(jī)、驅(qū)動機(jī)械、控制及附屬裝置構(gòu)成一體的發(fā)電設(shè)備。現(xiàn)代數(shù)據(jù)、通信等中心的不間斷供電系統(tǒng)廣泛地采用中、大功率的柴油發(fā)電機(jī)組作為市電的備用電源。它們額定輸出的線電壓是400V、相電壓230V，這在我國輸電網(wǎng)體制中屬于二次配電網(wǎng)電壓范疇，即低壓區(qū)段。這些柴油發(fā)電機(jī)組亦可稱為低壓發(fā)電組。
基本工作原理

高壓發(fā)電機(jī)組與低壓發(fā)電機(jī)組的基本工作原理是一樣的。一般都是由柴油發(fā)動機(jī)帶動同步發(fā)電機(jī)在附屬裝置和控制器的配合下共同工作發(fā)出電力。低壓發(fā)電機(jī)組輸出功率在十幾到幾千kVA，高壓發(fā)電機(jī)組的輸出功率大都在一千kVA以上。還有少量的高壓發(fā)電機(jī)組采用了燃?xì)廨啓C(jī)帶動同步發(fā)電機(jī)。但無論采用什么類型的發(fā)動機(jī)作為驅(qū)動機(jī)械，它們的主軸轉(zhuǎn)速都應(yīng)該設(shè)定在1500轉(zhuǎn)/min。這是為了確保三相同步發(fā)電機(jī)在它們的帶動下能夠發(fā)出符合國家規(guī)定的每秒鐘50Hz的交流電。

同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上的繞組線圈通以直流電流后產(chǎn)生直流轉(zhuǎn)子磁場，它的強(qiáng)弱用磁通Φ表示。當(dāng)轉(zhuǎn)子被發(fā)動機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子的磁場在旋轉(zhuǎn)中切割嵌在同步發(fā)電機(jī)定子內(nèi)的繞組(導(dǎo)線繞一圈稱為一匝。每個(gè)繞組內(nèi)有N匝線圈)，則繞組兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動勢E。轉(zhuǎn)子磁通Φ越強(qiáng)，定子繞組線圈匝數(shù)N越多，則產(chǎn)生的電壓越高。同步發(fā)電機(jī)共有三個(gè)(三相)定子繞組，每個(gè)繞組的感應(yīng)電動勢E的有效值為：E=4.44ΦfNK

式中，f是同步發(fā)電機(jī)輸出電壓的頻率50Hz，K是定子繞組內(nèi)整距線圈與短距線圈的數(shù)量比，稱為節(jié)距因數(shù)，通常K≤1?？梢?，要想讓同步發(fā)電機(jī)發(fā)出更高的電壓，雙管齊下地增大轉(zhuǎn)子磁場的磁通Φ及增加定子繞組內(nèi)的線圈匝數(shù)N就可以做到。高壓同步發(fā)電機(jī)就是依此技術(shù)理念制造的。隨著電機(jī)制造技術(shù)的逐步提高以及新材料的不斷涌現(xiàn)，現(xiàn)代高壓同步發(fā)電機(jī)的技術(shù)性能已趨于完善。

性能與特點(diǎn)

半個(gè)多世紀(jì)以來，高壓發(fā)電機(jī)組已從*領(lǐng)域逐步向國民經(jīng)濟(jì)的其他部門普及，主要原因是它的高壓同步發(fā)電機(jī)(以下簡稱高壓發(fā)電機(jī)或發(fā)電機(jī))以下性能特點(diǎn)。

1、輸出電壓高

按照相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)，高壓發(fā)電機(jī)組額定輸出的線電壓——實(shí)際上就是高壓發(fā)電機(jī)輸出的線電壓10kV。低壓發(fā)電機(jī)組額定輸出線電壓——實(shí)際上是低壓發(fā)電機(jī)輸出的線電壓400V。高壓發(fā)電機(jī)比低壓發(fā)電機(jī)的輸出電壓高25倍。

2、輸出電流小

　　發(fā)電機(jī)的供電能力用其額定容量SH=1.73UHIH表征。它定義了額定功率因數(shù)為0.8的發(fā)電機(jī)在向負(fù)載饋送額定線電壓為UH的額定線電流是IH時(shí)，可供出的額定視在功率SH。

設(shè)低壓發(fā)電機(jī)可輸出的額定視在功率為SHO，另一臺高壓發(fā)電機(jī)可輸出的額定視在功率大小同樣是SHO。則有(高壓發(fā)電機(jī))1.73UHGIHG=1.73UHDIHD(低壓發(fā)電機(jī))。此時(shí)高壓發(fā)電機(jī)輸出的線電流IHG與低壓發(fā)電機(jī)輸出線電流IHD之比為

可見，輸出同樣的額定視在功率，高壓發(fā)電機(jī)所供出的線電流只是低壓發(fā)電機(jī)的二十五分之一。電流小，電能在輸電線路上的損耗就小，而且輸配電線纜的橫截面積就可小很多，這有利于遠(yuǎn)距離輸電，還可以節(jié)省銅材。

3、轉(zhuǎn)子磁場強(qiáng)

高壓發(fā)電機(jī)通過增大轉(zhuǎn)子繞組線圈的匝數(shù)和輸入線圈的直流電流(叫作勵磁電流)可得到比低壓發(fā)電機(jī)強(qiáng)幾到幾十倍的轉(zhuǎn)子磁場與磁通Φ。勵磁電流來自由旋轉(zhuǎn)整流器、無刷勵磁發(fā)電機(jī)、自動電壓調(diào)節(jié)器所構(gòu)成的發(fā)電機(jī)自動電壓調(diào)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)把轉(zhuǎn)子磁場磁通Φ與高壓發(fā)電機(jī)輸出電壓U以負(fù)反饋邏輯聯(lián)動起來，若因負(fù)載變動引起U下降，則調(diào)控系統(tǒng)使Φ增強(qiáng)而導(dǎo)致U上升。反之亦然。它不僅向轉(zhuǎn)子繞組提供很大的勵磁 產(chǎn)生強(qiáng)勢的磁場與磁通Φ，為發(fā)電機(jī)輸出高電壓創(chuàng)造了條件，而且還自動地穩(wěn)定高壓發(fā)電機(jī)的輸出電壓。
 

4、定子繞組內(nèi)線圈匝數(shù)多

　　線圈的匝數(shù)越多，則在磁場做切割它的運(yùn)動時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢就越強(qiáng)。這是發(fā)電機(jī)的基本原理。高壓發(fā)電機(jī)電流小，定子繞組線圈所用的導(dǎo)線比低壓發(fā)電機(jī)要細(xì)的多。這就為增加定子繞組內(nèi)線圈匝數(shù)提供了便利。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，不同額定輸出功率的高壓發(fā)電機(jī)定子繞組線圈的匝數(shù)及線徑、每圈的大小、形狀等參數(shù)不盡相同。但總的來說，高壓發(fā)電機(jī)定子各繞組內(nèi)線圈的匝數(shù)一般比低壓發(fā)電機(jī)多幾倍到十幾倍。

　　嵌入這些繞組的定子上的槽溝的多少、形狀、長度或者是直徑也都是根據(jù)高壓發(fā)電機(jī)的性能要求制造出來的。通常定子上還開有通風(fēng)散熱的溝槽并裝有溫度傳感器，以確保工作中定子的溫升符合設(shè)計(jì)要求。

　　高壓發(fā)電機(jī)各定子繞組末端之間的電壓達(dá)10kV。因此，線圈、繞組、定子槽溝之間的絕緣程度要求很高，以杜絕出現(xiàn)擊穿、漏電、打火等有損發(fā)電機(jī)的嚴(yán)重現(xiàn)象?，F(xiàn)代普遍采用介電強(qiáng)度高、介質(zhì)損耗小并能承受溫度強(qiáng)變的交鏈聚乙烯、特種亞胺薄膜、少膠云母等絕緣材料作為線圈、繞組、槽溝之間的絕緣和填充。使整個(gè)定子及繞組的絕緣等級達(dá)到F級。

　　不僅如此，還在每相定子繞組的首端和末端安裝上電流互感器，檢測這兩端之間的電流差值。電流無差值說明電流從進(jìn)入繞組到流出繞組其值一樣，繞組沒有擊穿、漏電現(xiàn)象，絕緣良好。否則，進(jìn)、出電流不一樣，電流有差值，表明繞組內(nèi)有漏電或短路現(xiàn)象，連接著電流互感器的自動電流差值測控裝置會立即報(bào)警并指令停機(jī)，以確保高壓發(fā)電機(jī)的安全工作。

5、中線接地不一般

10kV高壓發(fā)電機(jī)通常都是對三角形連接的負(fù)荷饋送線電壓，一般中線不接地。但為了保護(hù)發(fā)電機(jī)或者應(yīng)對一些特殊的需求，就需要把中線通過電阻柜和接觸器柜接地。這是因?yàn)槿我粋€(gè)繞組本身或其輸電線路中出現(xiàn)漏電、短路就會使三個(gè)繞組的電流出現(xiàn)不平衡而產(chǎn)生中線電流。電阻柜不僅可以阻止電流的激增，還可為檢測控制裝置提供實(shí)時(shí)變化的電壓數(shù)據(jù)，測控裝置研判中線電壓并自動調(diào)控高壓發(fā)電機(jī)在損壞曲線之外運(yùn)行，雖有中線電流但不超出耐受程度。否則將指令停機(jī)，以保護(hù)高壓發(fā)電機(jī)。

6、使用維護(hù)要求高

高壓發(fā)電機(jī)屬于10kV以上的高壓電氣設(shè)備，它的發(fā)電機(jī)房、配電室、控制柜、饋電柜、測量柜、輸配電線纜等都應(yīng)符合相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)，才能為安全生產(chǎn)打好基礎(chǔ)。因?yàn)楦邏涸O(shè)備的使用維護(hù)要求嚴(yán)格，管理或操控等崗位人員應(yīng)該受過高壓電氣專業(yè)的培訓(xùn)，并且具有高壓電工操作資質(zhì)，如高壓電工本。工作中特別是現(xiàn)場高壓設(shè)備操控、檢測時(shí)要穿好防護(hù)工裝，嚴(yán)格按流程和規(guī)范進(jìn)行。