1.2 内燃发电机组的技术条件与性能
1.2.1 内燃发电机组的主要电气性能指标
内燃发电机组作为供电设备，应该向用电设备提供符合要求的电能。其电气性能指标不仅是衡量机组供电质量的标准，也是正确使用和维修机组的主要依据。因此，对于使用和维修人员来说，必须熟悉机组的主要电气性能指标。内燃发电机组的主要电气性能指标包括稳态指标和动态指标两类。
1.2.1.1 稳态指标
发电机组在一定负载下稳定运行时的电气性能指标称作稳态指标。
（1）额定值
对发电机组而言，额定值就是指机组铭牌上所标示的数据。
①相数（phase）：发电机组的输出电压有单相和三相两种。
②额定频率（rated frequency）：内燃发电机组以额定转速运行时的电压频率，叫额定频率。在我国，一般用电设备要求的额定频率为50Hz，特殊用电设备要求的额定频率为400Hz或800Hz（中频），普通发电机组只能发出一种频率的交流电；特殊发电机组可同时产生两种不同频率的交流电。
③额定转速（rated speed）：目前，中小型内燃发电机组的额定转速一般为1500r/min或3000r/min。随着内燃机结构的改进和制造工艺水平的不断提高，机组的额定转速会逐步提高。但值得注意的是，在其他条件相同的情况下，发动机的转速越高，其工作时产生的噪声也越大，因此不能盲目地提高发动机的转速。
④额定电压（rated voltage）：内燃发电机组以额定转速运行时的空载电压称为其额定电压。通常，单相内燃发电机组的额定电压为空载230V（加载220V），三相内燃发电机组的额定电压为空载400V（加载380V）。
⑤额定电流（rated current）：发电机组输出额定电压和额定功率（或额定容量）时的输出电流称为额定电流。单位为安培（A）。
⑥额定容量/额定功率（rated capacity/rated output）：内燃发电机组的额定电压和额定电流之积称为机组的额定容量。单位为伏·安（V·A）或千伏·安（kV·A）。发电机组铭牌上通常标出的是额定功率，额定功率等于额定容量与额定功率因数之积，或者等于额定电压、额定电流和额定功率因数三者之积，单位是瓦（W）或千瓦（kW）。
⑦最大输出容量/最大输出功率（max capacity/max output）：允许发电机组短时间超载运行时的输出容量（输出功率），一般为额定输出容量（输出功率）的110%。
⑧额定功率因数（rated factor）：机组的额定输出功率（有功功率）与额定容量（视在功率）之比称为机组的额定功率因数。当机组容量一定时，其功率因数越高，则其输出的有功功率就越多，机组的利用率也越高。一般情况下，机组的功率因数不允许低于0.8。
（2）空载电压调整范围uz
机组稳定运行时，其空载电压应能在一定范围内调整，这是由于机组与用电设备之间有一定的电缆电压降，机组应保证在一定的负载下，输出电缆末端仍具有正常的工作电压。一般情况下，空载电压调整范围为额定电压的95%～105%。例如：一台机组的额定电压为400V时，其空载电压调整范围为380～420V。空载电压调整范围的计算公式为
式中 u——额定电压，V；
umax（umin）——电压整定装置确定的最高（最低）电压，V。
（3）电压热偏移
当环境温度和发电机组本身的温度升高时，发电机铁芯的磁导率下降，绕组的直流电阻增加，电路元件参数会发生变化，从而引起发电机组输出电压的变化，这种现象叫作电压热偏移。通常，用温度升高所引起的机组电压变化量占额定电压的百分数来表示机组的电压热偏移，一般不允许超过2%。
（4）电压波形畸变率
发电机组输出电压的理想波形应为正弦波，但其实际波形不是真正的正弦波，它既含有基波，又含有三次及三次以上的高次谐波，三次谐波励磁的发电机组尤为严重。各次谐波有效值的均方根值与基波有效值的百分比叫作电压波形畸变率。一般情况下，发电机组空载额定电压波形畸变率应小于10%。电压波形畸变率过大，会使发电机发热严重，温度升高而损坏发电机的绝缘，影响发电机组的正常工作性能。
（5）稳态电压调整率δu
稳态电压调整率是指机组在负载变化后的稳定电压相对机组在空载时额定电压的偏差程度，用百分比来表示。即：机组输出电压与额定电压之差与额定电压之比的百分数。其数学表达式如下：
式中 u1——发电机组在负载渐变后，稳定电压的最大值（最小值），V；
u——发电机组的（空载）额定电压，V。
稳态电压调整率是衡量发电机组端电压稳定性的重要指标，稳态电压调整率越小，说明负载的变化对机组端电压的影响越小，机组端电压的稳定性越高。
稳态电压调整率在不同负载情况下各不相同。在感性负载时，负载变化后的稳定电压低于空载额定电压；在容性负载时，负载变化后的稳定电压高于空载额定电压。而这种相对于空载额定电压的偏差大小取决于励磁调节器的调节能力，调节能力愈强则其偏差值愈小，稳态电压调整率也越小，机组的端电压越稳定。
（6）稳态频率调整率δf
稳态频率调整率是指负载变化前后，机组稳定频率的差值与额定频率之比的百分数，其数学表达式如下：
式中 f1——负载渐变后稳定频率的最大值（最小值），Hz；
f2——负载为额定值时的稳态频率，Hz；
f——额定频率，Hz。
稳态频率调整率越小，说明负载变化时频率越稳定。稳态频率调整率与发动机的调速性能有关，调速器的调节能力越强，则负载变化时频率越稳定。
（7）电压波动率δuB
在负载不变时，由于发电机励磁系统不稳定和发动机转速的波动，使机组的输出电压也要产生波动。因此，相应地提高发电机励磁调节器和发动机调速器的调节性能，可以减小机组电压的波动。电压波动率计算公式：
式中，uBmax和uBmin为同一次观测时间内，电压的最大值和最小值，V。
（8）频率波动率δfB
在负载不变时，由于机组内部原因，机组的频率也要产生波动。机组频率的波动主要是由发动机调速器的不稳定和发动机曲轴的不均匀旋转造成。因此，相应提高发动机的性能及其调速器的调节性能，可以减小机组频率的波动。频率波动率计算公式：
式中，fBmax和fBmin为同一次观测时间内，频率的最大值和最小值，Hz。
（9）三相负载不平衡度δuL
三相不对称负载在机组运行中有可能会出现，特别是负载中有较多的单相负载时，由于接线不合理，也会造成三相负载不对称。不对称负载将导致发电机三相绕组所供给的电流不平衡，使发电机线电压间产生偏差，同时使发电机发热和振动，对用电设备也是不利的，例如对三相异步电动机，将产生对转子起制动作用的反向旋转磁场。因此规定机组在一定的三相对称负载下，在其中任一相上再加25%标定相功率的电阻性负载，但该相的总负载电流不超过额定值时，应能正常工作；线电压的最大（或最小）值与三相线电压平均值之差应不超过三相线电压平均值的5%。线电压不平衡度计算公式：
式中 uL——在不对称负载下，线电压中的最大值或最小值，V；
uLave——在不对称负载下，三个线电压的平均值，V。
1.2.1.2 动态指标
（1）电压和频率稳定时间
机组负载突变时，其电压和频率会产生突然下降或升高的现象，从负载突变时起至电压或频率开始稳定所需要的时间为电压或频率稳定时间，以秒（s）为单位计算。电压和频率稳定时间通常用示波器测量。
电压的稳定时间与自动调压系统的性能有关。频率的稳定时间与发动机的调速器的调速性能有关，一般情况下，电压稳定时间应小于3s。频率稳定时间应小于7s。
（2）瞬态电压调整率δus和瞬态频率调整率δfs
机组在负载突变时，发动机端电压和频率都会出现瞬间变化。当突加或突减负载时，由于受内燃机输入功率的突增（减）及发电机电枢反应等因素的影响，发动机端电压和频率会产生突然下降或升高的现象。电压（频率）的瞬态变化值与负载突变前的数值之差与额定值的百分比，称为机组的瞬态电压（频率）调整率。瞬态电压调整率计算公式：
式中 us——负载突变时瞬时电压的最大值或最小值，V；
u3——负载突变前的稳定电压，V；
u——额定电压，V。
瞬态频率调整率计算公式：
式中 fs——负载突变时的瞬时频率的最大值或最小值，Hz；
f3——负载突变前的稳定频率，Hz；
f——额定频率，Hz。
（3）直接启动空载异步电动机的能力
机组直接启动异步电动机时，由于启动电流很大以及异步电动机低功率因数的影响，使机组输出电压显著下降，这时发电机的励磁系统必须进行强励磁，才能补偿机组输出电压的下降。异步电动机容量愈大，强励程度就愈高。同时，因为启动电流很大，有可能损伤绕组的绝缘。内燃发电机组因其特性上的差别，启动空载异步电动机的容量不得超过其额定容量的70%；而启动有载异步电动机时，异步电动机的容量不得超过其额定容量的35%，当异步电动机启动后，由机组输出的剩余功率还可供其他电气设备使用。
（4）机组的并车性能
具有并机功能的机组，型号规格相同和容量比不大于3∶1的机组在20%～100%额定功率范围内应能稳定地并联运行，且可平稳转移负载的有功功率和无功功率，其有功功率和无功功率的分配差度应不大于表1-1的规定；容量比大于3∶1的机组并联，各机组承担的有功功率和无功功率分配差度按产品技术条件的规定。
表1-1 有功功率和无功功率的分配差度
说明：当使用该容差时，并联运行发电机组的有功标定负载或无功标定负载的总额按容差值减小。
（5）无线电干扰允许值
根据YD/T502—2007《通信用柴油发电机组》，用于通信电源的柴油发电机组对无线电干扰有要求时，机组应具有抑制无线电干扰的措施，其干扰允许值应不大于表1-2和表1-3中规定的限值。
表1-2 传导干扰限值
表1-3 辐射干扰限值
1.2.2 内燃发电机组的工作条件
机组的工作条件是指在规定的使用环境条件下能输出额定功率，并能可靠连续地进行工作。国家标准规定的电站（机组）工作条件，主要按海拔高度、环境温度、相对湿度、有无霉菌、盐雾以及放置的倾斜度等情况来确定的。
确定机组的额定功率应采用标准的工作环境条件。由于组成发电机组的内燃机、交流同步发电机和控制装置在国家标准中都有各自的规定和标准，所以在选择确定发电机组的工作环境条件时，应综合考虑这些因素，重点应以发动机的标准环境条件为基础。
根据GB/T2819—1995《移动电站通用技术条件》的规定，电站输出额定功率的环境条件应为下述两种规定中的一种，并在产品技术条件中明确。
①海拔高度0m，环境温度20℃，空气相对湿度60%。
②海拔高度1000m，环境温度40℃，空气相对湿度60%。
机组在下列条件下应能输出规定的功率（允许修正）并可靠地工作。
①海拔高度：不超过4000m。
②环境温度：上限值为40℃、45℃、50℃；
下限值为-40℃、-25℃、-10℃（对汽油发电机组而言），5℃。
③相对湿度、凝露和霉菌。
a.综合因素：应按表1-4的规定。
b.长霉：机组电气零部件经长霉试验后，表面长霉等级应不超过GB/T2423.16—2008《电工电子产品环境试验》中规定的2级。
④倾斜度：对柴油电站而言，电站纵向前、后水平倾斜度不大于10°或15°；对汽油电站而言，电站纵向前、后水平倾斜度不大于5°或10°。
机组运行的现场条件应由用户明确确定，且应对任何特殊的危险条件，如爆炸大气环境和易燃气体加以说明。
表1-4 发电机组工作条件的综合因素
①指该月的平均最低温度为25℃，月平均最低温度是指该月每天最低温度的月平均值。
②指该月的平均最高温度为40℃，月平均最高温度是指该月每天最高温度的月平均值。
1.2.3 内燃发电机组的功率标定与修正
（1）内燃发电机组的标定功率
发电机组的标定功率是指在标准环境（大气压力、相对湿度、环境温度）状况下连续运转12h的输出功率（其中允许超负荷10%运转1h）。机组超过12h以上连续使用时，其输出功率应修正为内燃发动机标定功率90%的电功率。
内燃发电机组的功率类别是综合考虑配套件的功率类别，并结合实际使用情况规定出来的。国家标准GB/T2820.1—2009《往复式内燃机驱动的交流发电机组》第一部分：用途、定额和性能中的第13条对内燃发电机组的功率定额作了如下规定。
①持续功率（COP） 持续功率是指在商定的运行条件下并按制造商规定的维修间隔和方法实施维护保养，发电机组每年运行时间不受限制地为恒定负载持续供电的最大功率。
②基本功率（PRP） 基本功率是指在商定的运行条件下并按制造商规定的维修间隔和方法实施维护保养，发电机组能每年运行时间不受限制地为可变负载持续供电的最大功率。
③限时运行功率（LTP） 限时运行功率是指在商定的运行条件下并按制造商规定的维修间隔和方法实施维护保养，发电机组每年供电达500h的最大功率[注：按100%限时运行功率（LTP）每年运行时间最多不超过500h]。
④应急备用功率（ESP） 应急备用功率是指在商定的运行条件下并按制造商规定的维修间隔和方法实施维护保养，当公共电网出现故障或在试验条件下，发电机组每年运行达200h的某一可变功率系列中的最大功率。在24h的运行周期内允许的平均输出功率（Ppp）应不大于ESP的70%，除非往复式内燃（RIC）机制造商另有规定。
对于同一台内燃发电机组，额定功率的类别不同，其数值大小是不一样的。所以国家标准（GB/T2820.5—2009《往复式内燃机驱动的交流发电机组》第5部分：发电机组）规定制造商在产品铭牌上额定功率前必须标明功率类别，即加词头：COP、PRP、LTP或ESP。这样表示，既能反映发电机组的实际情况，又便于用户使用。同样，用户在选购机组时，也务请注意发电机组铭牌上标注的功率类别。
（2）内燃发电机组的功率修正
当机组在非标准环境状况的环境条件下使用时，用户应按内燃机功率的换算方法进行修正。换算公式为
PH=η（K1K2Pe-NP）（kW）
式中 PH——机组的输出功率，kW；
Pe——内燃机在标准环境状况下的标定功率，kW；
K1——内燃机功率修正系数，当内燃机长期运行时，K1=0.9，当内燃机连续工作时间<12h时，K1=1；
K2——环境条件修正系数，见表1-5和表1-6；
NP——内燃机风扇及其他辅助件消耗的功率，kW；
η——发电机的效率。
表1-5 环境条件修正系数K2（相对湿度φ=50%）
表1-6 环境条件修正系数K2（相对湿度φ=100%）
通常把内燃机的标定功率Pe（kW）与机组（同步交流发电机）的输出功率PH（kW）之比，称为匹配比。用K表示，即
K=Pe/PH
K的大小受当地大气压力、相对湿度和环境温度等多种因素的影响。对于在平原上使用的一般机组，K通常取1.35～1.6；对使用要求较高的机组，K应取2左右。
1.2.4 内燃机与发电机的功率匹配
一般情况下，与发电机配套的内燃机选用12h功率或持续功率作为标定功率。当选用12h功率表示标定功率时，说明内燃机在标定功率下（标准环境状况时）连续运行时间为12h，其中包括超过10%标定功率情况下连续运行1h；当选用持续功率作为标定功率时，表示内燃机允许长期连续运行，其中包括可超过10%标定功率运行1h。通常持续功率为12h功率的90%。
内燃机铭牌标示的标定功率是按规定的标准环境状况下确定的，当环境条件与标准规定不同时，其功率应按前述方法进行修正。在配套时，内燃机应有足够的功率以保证发电机在标定运行的条件下输出标定功率。当发电机输出标定功率时，实际所需的内燃机最小输出功率可按下式计算：
式中 Nf——内燃机最小输出功率，kW；
PH——机组的输出功率，kW；
Pe——内燃机在标准环境状况下的标定功率，kW；
K1——内燃机功率修正系数，当内燃机长期运行时，K1=0.9，当内燃机连续工作时间<12h时，K1=1；
η——发电机的效率。
上式计算所得的内燃机输出功率应调整到标准规定的值或工厂技术说明书规定的功率等级。按经验，内燃机功率与发电机功率之比，对于平原固定发电机组取1.35∶1，对于移动发电机组取1.6∶1。表1-7为各类内燃发电机组的配套特点。
表1-7 各类内燃发电机组的配套特点
续表
