1 基本工作原理
　　
　　高压发电机组与低压发电机组的基本工作原理是一样的。一般都是由柴油发动机带动同步发电机在附属装置和控制器的配合下共同工作发出电力。低压发电机组输出功率在十几到几千kVA,高压发电机组的输出功率大都在一千kVA以上。还有少量的高压发电机组采用了燃气轮机带动同步发电机。但无论采用什么类型的发动机作为驱动机械,它们的主轴转速都应该设定在1500转/min。这是为了确保三相同步发电机在它们的带动下能够发出符合国家规定的每秒钟50Hz的交流电。
　　
　　同步发电机转子上的绕组线圈通以直流电流后产生直流转子磁场,它的强弱用磁通Φ表示。当转子被发动机带动旋转时,转子的磁场在旋转中切割嵌在同步发电机定子内的绕组(导线绕一圈称为一匝。每个绕组内有N匝线圈),则绕组两端产生感应电动势E。转子磁通Φ越强,定子绕组线圈匝数N越多,则产生的电压越高。同步发电机共有三个(三相)定子绕组,每个绕组的感应电动势E的有效值为:E=4.44ΦfNK

  式中,f是同步发电机输出电压的频率50Hz,K是定子绕组内整距线圈与短距线圈的数量比,称为节距因数,通常K≤1。可见,要想让同步发电机发出更高的电压,双管齐下地增大转子磁场的磁通Φ及增加定子绕组内的线圈匝数N就可以做到。高压同步发电机就是依此技术理念制造的。随着电机制造技术的逐步提高以及新材料的不断涌现,现代高压同步发电机的技术性能已趋于完善。
　　
　　2 性能与特点
　　
　　半个多世纪以来,高压发电机组已从军工领域逐步向国民经济的其他部门普及,主要原因是它的高压同步发电机(以下简称高压发电机或发电机)以下性能特点。
　　
　　(1)输出电压高
　　
　　按照相关的国家标准,高压发电机组额定输出的线电压——实际上就是高压发电机输出的线电压10kV。低压发电机组额定输出线电压——实际上是低压发电机输出的线电压400V。高压发电机比低压发电机的输出电压高25倍。
　　
　　(2)输出电流小
　　
　　发电机的供电能力用其额定容量SH=1.73UHIH表征。它定义了额定功率因数为0.8的发电机在向负载馈送额定线电压为UH的额定线电流是IH时,可供出的额定视在功率SH。
　　
　　设低压发电机可输出的额定视在功率为SHO,另一台高压发电机可输出的额定视在功率大小同样是SHO。则有(高压发电机)1.73UHGIHG=1.73UHDIHD(低压发电机)。此时高压发电机输出的线电流IHG与低压发电机输出线电流IHD之比为

   可见,输出同样的额定视在功率,高压发电机所供出的线电流只是低压发电机的二十五分之一。电流小,电能在输电线路上的损耗就小,而且输配电线缆的横截面积就可小很多,这有利于远距离输电,还可以节省铜材。
　　
　　(3)转子磁场强
　　
　　高压发电机通过增大转子绕组线圈的匝数和输入线圈的直流电流(叫作励磁电流)可得到比低压发电机强几到几十倍的转子磁场与磁通Φ。励磁电流来自由旋转整流器、无刷励磁发电机、自动电压调节器所构成的发电机自动电压调控系统。该系统把转子磁场磁通Φ与高压发电机输出电压U以负反馈逻辑联动起来,若因负载变动引起U下降,则调控系统使Φ增强而导致U上升。反之亦然。它不仅向转子绕组提供很大的励磁电流产生强势的磁场与磁通Φ,为发电机输出高电压创造了条件,而且还自动地稳定高压发电机的输出电压。
　　
　　(4)定子绕组内线圈匝数多
　　
　　线圈的匝数越多,则在磁场做切割它的运动时产生的感应电动势就越强。这是发电机的基本原理。高压发电机电流小,定子绕组线圈所用的导线比低压发电机要细的多。这就为增加定子绕组内线圈匝数提供了便利。根据设计要求,不同额定输出功率的高压发电机定子绕组线圈的匝数及线径、每圈的大小、形状等参数不尽相同。但总的来说,高压发电机定子各绕组内线圈的匝数一般比低压发电机多几倍到十几倍。
　　
　　嵌入这些绕组的定子上的槽沟的多少、形状、长度或者是直径也都是根据高压发电机的性能要求制造出来的。通常定子上还开有通风散热的沟槽并装有温度传感器,以确保工作中定子的温升符合设计要求。
　　
　　高压发电机各定子绕组末端之间的电压达10kV。因此,线圈、绕组、定子槽沟之间的绝缘程度要求很高,以杜绝出现击穿、漏电、打火等有损发电机的严重现象。现代普遍采用介电强度高、介质损耗小并能承受温度强变的交链聚乙烯、特种亚胺薄膜、少胶云母等绝缘材料作为线圈、绕组、槽沟之间的绝缘和填充。使整个定子及绕组的绝缘等级达到F级。
　　
　　不仅如此,还在每相定子绕组的首端和末端安装上电流互感器,检测这两端之间的电流差值。电流无差值说明电流从进入绕组到流出绕组其值一样,绕组没有击穿、漏电现象,绝缘良好。否则,进、出电流不一样,电流有差值,表明绕组内有漏电或短路现象,连接着电流互感器的自动电流差值测控装置会立即报警并指令停机,以确保高压发电机的安全工作。
　　
　　(5)中线接地不一般
　　
　　10kV高压发电机通常都是对三角形连接的负荷馈送线电压,一般中线不接地。但为了保护发电机或者应对一些特殊的需求,就需要把中线通过电阻柜和接触器柜接地。这是因为任一个绕组本身或其输电线路中出现漏电、短路就会使三个绕组的电流出现不平衡而产生中线电流。电阻柜不仅可以阻止电流的激增,还可为检测控制装置提供实时变化的电压数据,测控装置研判中线电压并自动调控高压发电机在损坏曲线之外运行,虽有中线电流但不超出耐受程度。否则将指令停机,以保护高压发电机。
　　
　　(6)使用维护要求高
　　
　　高压发电机属于10kV以上的高压电气设备,它的发电机房、配电室、控制柜、馈电柜、测量柜、输配电线缆等都应符合相关的国家标准,才能为安全生产打好基础。因为高压设备的使用维护要求严格,管理或操控等岗位人员应该受过高压电气专业的培训,并且具有高压电工操作资质,如高压电工本。工作中特别是现场高压设备操控、检测时要穿好防护工装,严格按流程和规范进行。
　　
　　3 高压发电机组的应用
　　
　　高压发电机组和低压发电机组一样,也可以在数据、通信等中心的不间断供电系统中用做市电的后备电源。在市电中断时它即刻起动,并通过手动或自动切换开关接通负荷,代替市电为其供电。高压发电机组的突出特点是:大都输出10kV的高电压(有少量3.5kV和6.3kV的);输出功率大,一般都在1000kVA以上;输出电流小,只相当于同等输出功率的低压发电机组的二十五分之一。根据使用单位的实际情况和用电需求,建设一个能够充分发挥高压发电机组的特点、运行安全可靠、从长远看投资效果强于低压发电机组的不间断供电系统是可能的。
　　
　　数据、通信等中心无论是新建还是电力增容不间断供电系统时,在难以就近找到合适的大型电力设备安装空间的情况下,可考虑采用高压发电机组作为市电的备用电源。将其安装在远离办公区和居民区、通风排气顺畅且噪声不易扩散的地方。这也利用了高压发电机组输出电压高、电流小,远距离送电线路损耗小、压降低的特点。
　　
　　作为市电的备用电源,当市电中断时,高压发电机组送过来的10kV高电压,在市电网的一次配电网(10kV)高压侧还是二次配电网(400V)低压侧与市电切换?需根据用电设备、配电网、投资效益等具体情况权衡,如图1所示。
　　
　　如果10kV/400V降压变压器输入端还有并联支路直接供电给不宜断电的机房空调、10kV高压冷水机组或其它高压设备。可考虑在一次配电网10kV主路进行高压侧切换。这不仅满足了部分重要高压设备的用电需求,而且降压变压器输出端400V电压除了供给数据、通信中心的UPS不间断供电系统,还可支持其它的低压电子、电气设备工作。应该注意的是:在高压侧无论是采用自动切换设备还是手动切换装置,都必须取得供电部门的认可。
　　
　　若数据、通信中心没有10kV高压用电设备,而仍想在一次配电网10kV高压侧进行切换,这就需要估算一下高压切换设备、安装场所等的成本费用。再比较一下直接在二次配电网400V低压侧进行切换的方案,二者择优而用。如计划在二次配电网400V低压侧进行高压发电机组与市电的切换。首先要添加一台与不间断供电系统同功率容量的降压变压器,把10kV降为400V后与市电在低压侧进行切换。这也就是现代数据、通信中心常用的不间断供电系统的模式。
　　
　　作者简介
　　
　　张振毅,航天科技集团公司710所高级工程师,《UPS应用》杂志编委。
　　
　　编辑：Harris