不同发电机产生的电力是如何同步的,以便能够合并起来为同一电网供电?

这个答案来自位于俄亥俄州哥伦布市的美国电力公司(American Electric Power Co.)的Richard P. Schulz和Navin B. Bhatt。美国电力公司是一家投资者所有的公用事业公司。

同步发电机之间的相位差与电磁场直接相关,传统的交流电系统利用电磁场来产生、传输和分配电能。一个简单的类比可以说明这一点:

想象一下两块静止的强力条形磁铁,它们通过磁力耦合,分别位于一块薄玻璃的两侧。如果磁铁和玻璃之间没有摩擦力,磁铁会因为彼此都贡献并连接到对方的磁场而对齐。它们会排列成使其共同磁场的路径最小;换句话说,它们的对齐将最大限度地减少磁场中的失真和能量。

如果在一块磁铁在玻璃上移动且没有摩擦力,另一块磁铁会跟随并再次对齐自身。如果一块磁铁被固定住,而另一块磁铁被移动,那么一块磁铁上的力将完全是另一块磁铁上力的镜像。移动或固定磁铁所需的能量(取决于所需的力和涉及的距离)会增加磁场能量。因此,如果一块磁铁绕垂直于玻璃的轴线扭转,那么所涉及的力将是扭矩,而位移将是角度。


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发电厂中的发电机也依赖于相同的原理。流经发电机轴上线圈(称为励磁绕组)的直流电产生部分磁场。另一部分磁场由流经发电机固定部分(称为电枢绕组)上线圈的电流产生。这两个线圈的构造使得,当发电机不转动时,一个线圈中的电流产生的磁场轴向穿过另一个线圈。

来自励磁绕组的磁场随发电机转子一起转动。当励磁绕组以一定速度旋转时,其磁场扫过(静止的)电枢绕组,从而在电枢上感应出电压。如果发电机“开路”——意味着没有连接到电枢绕组——那么感应电压将出现在发电机的端子上。

定子中的三相交流电也会产生一个磁场,该磁场以对应于电流频率的速度绕发电机的轴线旋转。在正常情况下,当发电机连接到输电网络时,这些电流贡献的磁场与励磁绕组产生的磁场同步旋转。当发电机轴不旋转时,两个磁场将完全对齐——类似于无摩擦玻璃上的两块条形磁铁的情况。但是,随着功率的施加,轴及其磁场会超前于合成磁场。因此,轴及其励磁绕组“拉动”磁通量和电枢中的感应电压。

北美电力分配

图片来源:美国电力公司

这种“拉动”作用使转子超前于电枢电流约 40 到 75 度。这种相位超前很像一块条形磁铁转动玻璃另一侧的另一块磁铁时发生的情况。能量就是通过这种方式从轴及其磁场传递到电枢并进入输电系统的。

来自发电机的电力通过变压器和输电线路输送到用户。由于大型变压器和高压输电线路的设计目的是为了产生极低的损耗,因此它们对流经它们的电流具有低电阻。流经输电线路和变压器的功率电流会在线路中的导线和变压器绕组周围产生磁场。这些磁场会对电流的流动产生阻抗。

在高压输电线路(大约超过 100 千伏的线路)中,这种感性阻抗至少比电阻的影响大 10 倍,更有可能大 20 倍。流经输电线路和变压器的感性阻抗的功率电流会导致相位延迟。也就是说,接收端电压滞后于发送端电压。

在输电线路和变压器中,功率传输从根本上与电压从一端到另一端的相移有关。开关站——发电机、变压器、线路和用户连接到电力系统的地方——包括称为“母线”的大型导电结构。在这里进行电压和电压相角等测量。为了使电力在网络或电网上流动,每个母线都必须与其他母线有一定的相位差。这类似于在天气系统中,空气要从一个位置流到另一个位置,两个位置之间必须存在压力差这一事实。

北美有四个大型电力网络以同步输电系统运行,频率为每秒 60 周期。其中三个同步网络(如图)是许多公用事业公司的互联网络;第四个网络,魁北克,仅连接到魁北克水电公司。阿拉斯加、夏威夷、墨西哥、波多黎各和其他地方也存在其他较小的网络。

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