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世界第一台发电机

1831年英国的物理学家、化学家迈克尔·法拉第(Michael Faraday 1791～1867)在试验中发现，当磁铁在线圈中移动时，线圈会产生电流，这就是今天我们大家所熟知的电磁感应现象。他还发现利用电磁作用能够得到旋转力，根据自己的研究成果，法拉第试制出了世界上第一台发电机，为人类利用电能作出了重大贡献。由于法拉第在电学研究方面成果卓著，后人为纪念他，将电容器的容量单位命名为“法拉”，用字母“F”表示。
　　1866年德国的电工学家、实业家恩斯脱·韦尔纳·冯·西门子(Ernst Werner Von Siemens 1816～1892)研制出自激励式发电机，1870年比利时的Z·T·克拉姆(1826～1901)又研制出了自激励式直流发电机，在经过了不断的改进之后，电机技术已经走向成熟，1877年真正实用的发电机开始进入商业化生产阶段。

柴油发电机原理

简而言之，就是柴油机驱动发电机运转。
在汽缸内，经过空气滤清器过滤后的洁净空气与喷油嘴喷射出的高压雾化柴油 充分混合，在活塞上行的挤压下，体积缩小，温度迅速升高，达到柴油的燃点。柴油被点燃，混合气体剧烈燃烧，体积迅速膨胀，推动活塞下行，称为‘作功’。各汽缸按一定顺序依次作功，作用在活塞上的推力经过连杆变成了推动曲轴转动的力量，从而带动曲轴旋转。
将无刷同步交流发电机与柴油机曲轴同轴安装，就可以利用柴油机的旋转带动发电机的转子，利用‘电磁感应’原理，发电机就会输出感应电动势，经闭合的负载回路就能产生电流。
这里只描述发电机组最基本的工作原理。要想得到可使用的、稳定的电力输出，还需要一系列的柴油机和发电机控制、保护器件和回路。

柴油发电机启动/停机

一、  手动试机
１、发电机手动启动：先测试警报系统正常后，将控制开关切于手动(MAN)位置后，发电机即可自行启动。
２、发电机停车：将控制开关切至停止(STOP)位置或压下红色紧急停车钮即可停止发电机运转。紧急状况时可直接压下紧急停车钮即可强迫停机。若压下红色紧急停车钮时必须复归原位，否则发电机将无法启动。

二、 自动切换控制
１、将控制开关切到自动 (AUTO) ，并配合电源自动切换开关（ATS）控制开关亦须置于自动位置使用，当市电停止时，A·T·S 会将启动信号给予发电机控制系统，发电机即会自动起动。
２、当控制开关切到停止(STOP)，或仍保持在自动，但市电已恢复时 ATS 即送来停车信号，发电机即会自动停止。 注意：运转中的发电机，因故障（过速度，高水温，低油压，等）而发生自动停机时，于排除故障后须将故障复归钮压下才能准备重新起动。

运转前检查

一、 外观检查：
引擎外部是否有损，缺件，螺丝是否松动，发电机输出线或控制线是否损伤松动。
二、 燃料系统：
１、燃油量是否足够，配线配管是否有没有漏油或管件松动(等)，排除燃油系统中的空气。
２、润滑系统：引擎润滑油是否足够？新引擎或大修后重装的引擎在最初运转 50 小时 必须实施下列各项保养：
　　A、引擎润滑油更换。
　　B、引擎滑油滤清器更换。
　　C、引擎柴油滤清器更换。
　　D、气门阀间隙的检查调整。
　　E、引擎外部螺丝的检查。
三、 冷却系统：冷却散热器的水量是否足够？添加防锈剂。
四、 蓄电池：蓄电池的电解液是否在正常液面？电压是否正确?接头有无松动？
五、 充电机是否正常运作？
六、 排气系统：消音器有无破损、排气管按装是否牢固。
七、 机组四周不可存放易燃物及杂物。
八、 发电机室之通风是否良好。
九、 闲杂人等勿随意进入机房。 　

运转中请注意以下几点

１.   AC电流表：表针指示是否正常，切换电流切换开关，量测各相序间之相电流值，各相序间相差最好不要超过10%。
２. AC电压表：表针指示的电压是否正常。
３. 油压表指示的油压是否在正常范围。
４. 充电表：指针是否在（＋）的方向。
５. 水温表指示的水温是否在正常65℃ ~ 93℃范围。
６. 转速表：引擎的转数是否适当。（ 60Hz 为 1800 rpm）　
７. 发电机引擎有无异常的声音或振动。

UPS系统与发电机组的兼容性
北京诚高科技发展有限公司　踪　声

　　随着Internet的发展，数据中心对大功率UPS和发电机的需求迅猛增长，由此也产生了一些新问题。本文就UPS输入端功率因数和输入滤波器对发电机的影响，进行理论分析和实际案例的说明，以阐明问题产生的原因，进而找出解决的方法。

１　发电机组和UPS之间的配合问题
　　不间断电源系统的制造商和用户很早就已经注意到发电机组和UPS之间的配合问题，特别是由整流器产生的电流谐波对供电系统如发电机组的电压调节器、UPS的同步电路产生的不良影响非常明显。因此，UPS系统工程师们设计了输入滤波器并把其应用到UPS中，成功地在UPS应用中控制了电流谐波。这些滤波器对UPS与发电机组的兼容性起到了关键作用。
　　事实上所有的输入滤波器都使用电容器和电感来吸收UPS输入端最具破坏性的电流谐波。输入滤波器的设计考虑了UPS电路固有的和在满载情况下的最大可能的全部谐波畸变的百分比。大多数滤波器的另一个益处是提高带载UPS的输入功率因数。然而输入滤波器的应用带来的另一个后果是使UPS整体效率降低。绝大多数滤波器消耗１％左右的UPS功率。输入滤波器的设计一直在有利和不利因素之间寻求平衡。
　　为了尽可能提高UPS系统的效率，近期UPS工程师在输入滤波器的功耗方面做了改进。滤波器效率的提高，从很大程度上取决于将IGBT（绝缘门级晶体管）技术应用到UPS设计中。IGBT逆变器的高效率导致了对UPS的重新设计。输入滤波器可以吸收某些电流谐波，同时吸收很小一部分有功功率。总之，滤波器中感性因素对容性因素的比率降低了，UPS的体积变小了，效率提高了。在UPS领域的事情好像得以解决了，然而新问题��与发电机的兼容性又出现了，替代了老问题。 　

２　功率因数的问题
　　通常，人们把注意力放在UPS满载或接近满载情况下的工作状态。绝大多数工程师都能表述满载情况下的UPS工作特性，特别是输入滤波器的特性，然而很少有人对滤波器在空载或接近空载时的状况感兴趣。毕竟UPS及其电气系统在轻载状态下的电流谐波影响很小。然而，UPS空载时的工作参数，特别是输入功率因数对于UPS与发电机的兼容性相当重要。
　　最新设计的输入滤波器，在减少电流谐波及提高满载情况下的功率因数方面有了较好的效果。但是在空载或很小负载情况下却衍生出一个电容性超前的极低的功率因数，特别是那些为了满足5％最大电流失真度的滤波器。一般情况下，当负载低于25％时大多数UPS系统的输入滤波器会导致明显的功率因数降低。尽管如此，输入功率因数却很少会低于30％，有些新的系统甚至已达到空载功率因数低于2％，接近于理想的容性负载。
　　这种情况不影响UPS输出和关键负载，市电变压器和输配电系统也不受影响。但发电机就不同了，有经验的发电机工程师知道：发电机带大容性负载时工作会不正常，当接入较低功率因数负载，典型的低于15％～20％容性时，由于系统失调，可能导致发电机停机。在市电停电后出现这种停机应急发电机系统带动UPS系统负载将造成灾难性事故。由于下述两种原因停机给关键负载带来危险：第一，发电机需要手动重启，并且必须在UPS电池放电结束前；第二，在停机前发电机可能引起系统的"过压"，它可能损坏电话设备、火警系统、监控网络甚至UPS模块。更糟糕的是，在事故发生后，很难区分责任，找出问题所在并予以纠正。UPS厂商说UPS系统测试完好，并指出其它地方相同的设备没有发生类似问题。发电机厂商说是负载的问题，无法调整发电机来解决问题。同时，用户工程师则说明他的规格要求，希望两个厂商相互兼容。要了解为何会发生事故及如何避免（或如何在关键应用中找出解决方案），首先需要了解发电机与负载的工作关系。

　　２.1　发电机与负载
　　发电机依靠电压调节器控制输出电压。电压调节器检测三相输出电压，以其平均值与要求的电压值相比较。调节器从发电机内部的辅助电源取得能量，通常是与主发电机同轴的小发电机，传送ＤC电源给发电机转子的磁场激励线圈。线圈电流上升或下降，控制发电机定子线圈的旋转磁场或称为电动势EＭＦ的大小。定子线圈的磁通量决定发电机的输出电压。
　　发电机定子线圈的内阻以Z表示，包括感性和阻性部分；由转子励磁线圈控制的发电机电动势用交流电压源以E表示。假设负载是纯感性的，在向量图中电流I滞后电压U正好90°电相位角。如果负载是纯阻性的，U和I的矢量将重合或同相。实际上多数负载介于纯阻性和纯感性之间。电流通过定子线圈引起的电压降用电压矢量I×Z表示。它实际上是两个较小的电压矢量之和，与I同相的电阻压降和超前90°的电感压降。在本例中，它恰好与U同相。因为电动势必须等于发电机内阻的电压降和输出电压之和，即矢量E＝U和I×Z的矢量和。电压调节器改变E可以有效地控制电压U。
　　现在考虑用纯容性负载代替纯感性负载时，发电机的内部情况会发生什么变化。这时的电流和感性负载时正好相反。电流I现在超前电压矢量U，内阻电压降矢量I×Z，也正好反相。则U和I×Z的矢量和小于U。
　　由于和感性负载时相同的电动势E在容性负载时产生了较高的发电机输出电压Ｕ，所以电压调节器必须明显地减小旋转磁场。实际上，电压调节器可能没有足够的范围来完全调节输出电压。所有发电机的转子在一个方向连续励磁含有永久磁场，即使电压调节器全关，转子仍有足够的磁场对电容负载充电并产生电压，这种现象称为"自激"。自激的结果是过压或者是电压调节器关机，发电机的监控系统则认为是电压调节器故障（即"失励"）。这任一种情况都会引起发电机停机。发电机输出端所接的负载，可能是独立的，也可能是并联的，决定于自动切换柜工作的定时和设置。在某些应用中，停电时UPS系统是发电机接入的第一个负载。在其它情况下，UPS和机械负载同时接入。机械负载通常有启动接触器，停电后重新闭合需要一定时间，补偿UPS输入滤波电容器的感性电动机负载要有延时。UPS本身有一段时间称为"软启动"周期，将负载从电池转向发电机，使其输入功率因数提高。然而，UPS的输入滤波器并不参与软启动过程，他们连接在UPS的输入端是UPS的一部分，因此，在某些情况下，停电时首先接到发电机输出端的主要负载是UPS的输入滤波器，它们是高容性的（有时是纯容性的）。
　　解决这一问题的方法很明显要用功率因数校正。这有多种方法可以实现，大致如下：
　　安装自动切换柜，使电动机负载先于UPS接入。某些切换柜可能不能实现这种方法。另外，在维护时，工厂工程师可能需要单独调试UPS和发电机。
　　增加一个永久性反应电抗来补偿容性负载，通常使用并联缠绕电抗器，接在E-G或发电机输出并联板上。这是很容易实现的，而且成本较低。但是无论在高负载还是在低负载的情况下，电抗器总是在吸收电流并影响负载功率因数。而且不论UPS的数量多少，电抗器的数量总是固定的。
　　在每一台UPS中加装感性电抗器，正好补偿UPS的容抗。在低负载情况下由接触器（选件）控制电抗器的投入。此方法电抗器较精确，但数量较大且安装和控制的成本高。
　　在滤波电容前安装接触器，在低负载时断开。由于接触器的时间必须精确，控制比较复杂，只能在工厂安装。
　　哪一种方法是最佳的，要根据现场的情况和设备的性能来确定。
　　
　　2.2　共振问题
　　电容自激问题可能被其他电气状态所加重或掩盖，如串联共振。当发电机的感抗的欧姆值和输入滤波器容抗的欧姆值相互拉近，并且系统的电阻值较小时将产生振荡，电压可能超出电力系统的额定值。新近设计的UPS系统实质上为100％的电容性输入阻抗。一台500kVA的UPS可能有150kvar的电容和接近于0的功率因数。并联电感、串联扼流圈和输入隔离变压器是UPS的常规部件，这些部件都是感性的。事实上他们和滤波器的电容一起使UPS总体表现为容性，可能在UPS内部已经存在一些振荡。加上连到UPS的输电线的电容特性，整个系统的复杂性大为提高，超出了一般工程师所能分析的范围。
　　近来在关键应用中两个附加因素使得这些问题更普遍。首先，根据用户高可靠数据处理的要求，计算机设备厂商在其设备中更多地提供冗余电源输入。现在典型的计算机柜都带有两个或更多电源线。其次，设备经理要求系统支持在线维护，他们希望在UPS关机维护时关键负载也有保护。这两个因素使得典型数据中心UPS的安装数量增加，每台UPS的负载容量减少。但是发电机的增加没有与UPS保持一致。在设备经理的眼中发电机通常是备用的，容易安排维护。另外在一些大的项目中资金压力限制昂贵的大功率发电机组的数量。结果是每台发电机带更多的UPS，这是一个令UPS厂商高兴发电机厂商烦恼的趋势。
　　对自激和振荡的最佳防卫是物理学的基本知识。工程师应仔细地确定UPS系统在所有负载条件下的功率因数特性。UPS设备安装后，业主应坚持全面的测试，在调试验收时仔细测量整个系统的工作参数。当发现问题时，最佳的方案是成立由厂商、工程师、承包商和业主组成的项目小组，对系统进行完全测试并找出解决办法。　

３　典型案例
　　以下是一个UPS和发电机兼容性问题的案例，一个在线服务供应商的新建数据中心在调试运行时发生的。它表明厂商、工程师和用户如何发现并解决问题的。
　　现场装有3套MGE UPS 3000kVA系统，每一套由4台75 kVA IGBT调宽调频模块组成，可扩展到6台。模块的设计负载率是65％，UPS模块配有输入隔离变压器和最大5％输入电流谐波滤波器。所有的模块分别连到两组发电机并联总线，每组总线有3台1600 kW的发电机，可以扩展到6台。每台发电机都配有电子调压器。每条并联总线的电源转换计划是，在第一批负载接入前，等待两台发电机并联。第一批负载包含每套系统中的一台UPS和部分空调负载。随着后续发电机的并入，与第一批相同的负载随后加入。在故障模式测试中操作员发现，带第一批负载的两台发电机中有一台故障时，另一台将出现过压报警并于2s后关机。但是第一批负载远低于一台发电机的容量，因为此时UPS的负载很轻。随即安排了进一步的测试，以确定UPS对单台发电机的影响。因为首先怀疑的是UPS的输入环节对调压器的干扰，因此测试的UPS不带负载，或UPS的逆变器关闭。测试装置包括直流电压和电流表，直接监测场激励线圈，因为这些参数由调压器控制，可以立即反映出调压器的动作。同时用发电机本身的仪表监测负载的功率（Ｗ）、电流电压（VA）、乏（var）。
　　首先用纯阻性负载进行测试以建立基准。它表明随着负载增加励磁电流和电压上升，如我们所预期。较大的负载电流在发电机内阻Z上产生较大的压降I×Z，必须克服它以保持输出电压U稳定。接着测试UPS对发电机的影响，每次增加一台。UPS不带负载，观察UPS整流器软启动过程。测试结果很明显调压器的动作和纯阻性负载时相反。接入两台UPS后，调压器已接近允许范围的边缘，再加一台使得发电机2s后进入过载状态。
　　请注意单台750kVA UPS对应的负载值。它造成发电机关机实质上却没有真实负载，每台UPS接近230kvar的容抗使得功率因数为０。
　　由工程师、业主、承包商、供货商和厂商组成的项目小组，在考虑了所有的可能性后，选择了在每个容性负载上安装反应电抗器的方案。根据前面测试的数据，厂商为每台UPS设计了200kvar并联电抗器，并由接触器控制，承包商在现场将其与UPS的输入滤波器并联安装，工程师设计了外部控制电路，它测发电机的负载，仅当UPS由发电机供电且发电机的总kW负载低于一个（可调）设定值时，才允许电抗器接入。项目小组用修改后的UPS接入一台发电机重新测试。
　　这时电容的影响依然存在，电抗器只能平衡部分而不是全部电容。因此，随着UPS的增加，励磁电流慢慢减少，然而这并不会造成问题。因为６台UPS已超出一台发电机的容量，而调压器依然正常并控制着输出电压。

发电机励磁系统的演变

同步发电机是把机械能转换为交流电能的转换设备。自备电站过去的油机发电机组同步发电机的励磁，广泛采用直流发电机提供励磁电流来发电的。这种励磁方式，由于应用直流发电机，存在交流电变为直流电通过整流子进行变换，而励磁电流又通过同步发电机的铜环和炭刷向励磁绕组提供，因此，对维护和保证安全运行方面都带来了很多问题。为了改进这种励磁方式。60年代主要发展了带静止硅整流器的自励恒压的同步发电机，这种发电机依然存在炭刷和滑环，仍需要经常维护，而且产生无线电磁干扰。为了从根本解决存在的问题，现代的同步发电机，通过改进和发展，广泛采用同轴交流无刷励磁机和旋转整流器的无刷同步发电机。

高层建筑中电气间的设置

　　随着现代科学技术的迅猛发展以及智能建筑时代的到来，不仅有大量的敷设在电缆桥架内的电缆、金属管道内的电缆、封闭式母线槽等强电线路垂直穿越高层建筑的楼板，还有大量的敷设在金属管内的弱电线路（如火灾自动报警及联动系统线路、综合布线系统线路、通讯网络系统线路、信息网络系统线路、建筑设备监控系统线路、有线电视系统线路、有线广播系统线路以及扩声系统线路等）垂直穿越高层建筑的楼板。为了较好地解决强、弱电线路垂直穿越高层建筑楼板的问题，真正达到使用安全、操作方便、易于维护的目的，必须严格按照有关规范的要求设置专用的、使用面积较为合理的电气间。

　　电气间是配电间及弱电间的总称。配电间的位置宜靠近配电分区负荷中心，应尽量减少干线电缆长度，并应避免临近热力管道、烟道、煤气管道以及潮湿（如卫生间、淋浴间）场所。电梯井及管道井不得穿越电气间，当条件允许时宜避免与电梯井及楼梯间相邻。弱电间的设置应满足《全国民用建筑工程设计技术措施》第２１章机房工程２１．２条弱电间设计条文提出的要求。

　　配电间及弱电间宜分别设置。如不具备此条件需合设时，应分别敷设在电气间两侧或采取隔离措施，以防止强电对弱电的干扰。配电间内的设备布置，如电缆桥架、照明箱、封闭式母线槽之间净距应不小于１００ｍｍ。配电间内高压、低压或应急电源的电气线路相互之间应保持≥３００ｍｍ的间距，或采取隔离措施，并且高压线应设有明显标志。同时，进人电气间应设有照明、火灾探测器等设施，不进人电气间应设有火灾探测器等设施。

　　配电间的数量按楼层面积大小和建筑体形及防火分区等综合考虑。一般每建筑面积８００ｍ２左右设置一个配电间较为合理。弱电间的数量按建筑面积、系统出线数量、路径等因素综合考虑。

　　电气间的设置分两种类型：
　　１　进人电气间
　　在通常情况下，一面墙敷设竖向管线（槽）或安装设备时，配电间进深的净距Ｄ１＝１２００～１５００ｍｍ；弱电间进深的净距Ｄ２＝１１００～１４００ｍｍ较为合理。配电间及弱电间的长度Ｌ１及Ｌ２可根据电气间内设置电气设备及管线（槽）的多少来确定。
　　《民用建筑电气设计规范》提出"竖井大小除满足布线间隔及端子箱、配电箱布置所必须尺寸外，还宜在箱体前留有不小于０．８ｍ操作、维护距离"的要求。设置在弱电间中的弱电设备，操作及维护距离虽然在《民用建筑电气设计规范》条文中未做规定，但也不宜小于０．８ｍ。
　　２　不进人的电气间
　　在通常情况下，配电间进深的净距Ｄ３＝６００～８００ｍｍ；弱电间进深的净距Ｄ４＝５００～７００ｍｍ。配电间及弱电间的长度Ｌ３及Ｌ４可根据电气间内设置电气设备及管线（槽）的多少来确定。
　　进人电气间的门为单扇检修门，不进人电气间的检修门的数量可根据电气间内设置电气设备及管线（槽）的多少来确定，可设置单扇检修门、双扇检修门或多扇检修门。上述门的高度宜与同层其它门的高度一致，宽度不宜小于０．８ｍ。电气间的检修门宜采用乙级防火门，并外开向公共通道。为防止水流进电气间内，电气间的检修门应设置３００ｍｍ高的门坎或高出本层３００ｍｍ。
　　电气间的设置完成后，还需向结构专业提供电气间内楼板开洞的洞口尺寸。在通常情况下，配电间内楼板开洞的洞口宽度为３００ｍｍ。弱电间内楼板开洞的洞口宽度为２５０ｍｍ。为统一起见，配电间及弱电间内楼板开洞的洞口宽度均为３００ｍｍ亦可。配电间及弱电间内开洞的洞口长度与配电间及弱电间内净距的长度相同。为便于固定模板，电气间内楼板开洞的洞口应离墙５０ｍｍ。
　　电气间内垂直敷设在洞口中的电缆桥架，封闭式母线槽及金属线槽待施工完后，预留的洞口均应逐层用无机防火材料封堵。下面推荐一种封堵电气间内洞口的方法。具体步骤如下：
　　（１）将洞口四周打毛；
　　（２）在洞口下部采用金属膨胀螺栓固定木模板；
　　（３）在洞口内浇灌５０ｍｍ混凝土；
　　（４）在洞口内填充防火棉，防火棉填充厚度视楼板厚度而定，假如楼板厚度为１４０ｍｍ，防火棉的填充厚度为６０ｍｍ；
　　（５）在洞口上部再浇灌３０ｍｍ混凝土。混凝土养护一天后即可拆模。封堵洞口材料的厚度与楼板的厚度相同工程施工完成后，往往物业管理部门根据用房功能变化还需增加强、弱电线路，或若干年后需更换部分强、弱电线路，采用上述封堵洞口的方法，便于打开洞口，真正达到易于维护，易于更改强、弱电线路的目的。
　　电缆穿钢管布线时，应在楼板预留钢管，布线完成后应添塞防火堵料。

发电机负荷过低时，排气管有时为什么会滴油？

由于发动机内有多处采用压力密封的形式，如汽缸套—活塞—活塞环间，增压器—增压器转子轴间，这种密封一般在发动机有约1/3负荷时，才充分发挥作用，而负荷小时便有可能出现轻微的渗漏现象。因此国外发动机制造商在其使用手册中普遍给予了强调。

若机组在小负荷下运行，随着运行时间的延续，会出现以下故障：
1.活塞—汽缸套密封不好，机油上窜，进入燃烧室燃烧，排气冒蓝烟。
2.对于增压式柴油机，由于低载、空载，增压压力低。容易导致增压器油封（非接触式）的密封效果下降，机油窜入增压室，随同进气进入汽缸。
3.上窜至汽缸的一部分机油参与燃烧，一部分机油不能完全燃烧，在气门、进气道、活塞顶、活塞环等处形成积炭，还有一部分则随排气排出。这样，汽缸套排气道内就会逐步积聚机油，也会形成积炭。
4.增压器的增压室内机油积聚到一定程度，就会从增压器的结合面处渗漏出。
5.长期小负荷运行，将会更严重的导致运动部件磨损加剧，发动机燃烧环境恶化等导致大修期提前的后果。

因此，国外柴油机制造厂商无论对自然吸气型还是增压机型的使用都强调应尽量减少低载/空载运行时间，并规定最小负荷不能低于机组额定功率的25%—30%。

压力单位对照表

功率单位对照表