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一 水轮发电机组简介 将水能转变为旋转机械能 从而带动发电机发出电能的一种机械 是水电站动力设备之一 水轮发电机组主要包括水轮机 发电机两大部分 水轮发电机组 同步发电机是利用电磁感应原理 将机械能转变为电能的装置 铁芯是固定不动的 称为定子 磁力线由磁极产生 磁极是转动的 称为转子 定子和转子是发电机的最基本部分 为了得到三相交流电 沿定子铁芯内圆 每相隔120 分别安放三相绕组A X B Y C Z 转子上有励磁绕组 也称转子绕组 R L 励磁系统产生的直流电通过电刷和滑环引入转子励磁绕组 产生恒稳的磁场 当转子被原动机带动旋转时 定子绕组不断切割磁力线 产生感应电动势 感应电势的方向可由右手定则来确定 由于转子产生的磁场是旋转磁场 所以定子绕组切割磁力线的方向不断变化 在其中感应的电势方向就不断变化 因而形成交变电势即交流电动势 二 同步发电机的基本知识 交流电动势的频率为f 它决定于转子的磁极对数P和机组转速n 其计算公式为 f pn 60 Hz 我国规定交流电的频率为50HZ 何为同步呢 当发电机并网带上负荷后 三相定子绕组中的定子电流 电枢电流 将合成一个旋转磁场 该磁场与转子以同速度 同方向旋转 这就叫 同步 同步发电机也由此而得名 它的特点是转速与频率之间有严格的关系 即n0为同步转速 若 p 11 则n 272 7r min 二 同步发电机的基本知识 三 发电机的类型及基本参数 按照水轮发电机组的布置方式 水轮发电机有立式装置 卧式装置和斜式装置三种 1 立式水轮发电机的分类立式 竖轴 装置的水轮发电机 按其推力轴承装设的位置不同分为悬式和伞式两大类 推力轴承位于转子上方的发电机称为悬式发电机 推力轴承位于转子下方的发电机称为伞式发电机 无上导的称为全伞式 有上导的称为半伞式 根据水轮发电机按冷却方式不同 可分为空气冷却和水冷却两种 三 发电机的类型及基本参数 2 发电机型号 三 发电机的类型及基本参数 3 发电机的基本参数 额定电流In 指一台水轮发电机正常连续运行时定子最大工作线电流 单位是A或KA 额定电压Un 指一台水轮发电机长期安全工作时定子最高三相线电压 单位是kV 额定容量Sn 指一台水轮发电机长期安全运行时定子最大允许输出视在功率 由于发电机发出的是三相交流电 所以分为视在功率 有功功率 无功功率 视在功率 Sn 3UnIn KVA MVA 有功功率 Pn 3UnIncos KW MW 无功功率 Qn 3UnInsin kvar Mvar 三 发电机的类型及基本参数 3 发电机的基本参数 额定功率因素 cos cos Pn Sn 额定转速 nn 60f P 3000 Pnn 水轮发电机额定转速 r min f 我国交流电标准频率 f 50HZ P 水轮发电机转子磁极对数 飞逸转速nf 当一台水轮发电机组在最高水头Hmax下 带满负荷又突然甩去满负荷 又逢调速系统失灵 导叶位于最大开度a0max下 机组达到最高转速 称为机组飞逸转速 水轮机转轮 发电机转子以及其它转动部件机械强度 即按飞逸转速校核 一般制造厂家设计标准保证机组在飞逸工况下允许运行2min不破坏 三 发电机的类型及基本参数 3 发电机的基本参数 转动惯量 J是指转子刚体内各质点的质量与其到旋转轴距离平方的乘积之总和 GD2 是水轮发电机转子力矩 飞轮力矩 它是水轮发电机转子部分重量与其惯性直径的乘积 不等于它的转动惯量J 但它们之间存在一定的关系 即GD2 4gJ GD2 4gJ由于它们之间只差一个常数 所以在工程中往往用水轮机飞轮力矩GD2来表示发电机的转动惯量J 又由于转子所具有飞轮力矩约占整个机组飞轮力矩90 因此 所谓水轮发电机的飞轮力矩 一般指转子的飞轮力矩 G 水轮发电机转子总重量 kgD 水轮发电机转子惯性直径 m 三 发电机的类型及基本参数 3 发电机的基本参数飞轮力矩GD2反映了水轮发电机转子惯性和机组转动部分保持原有运动状态能力 转动惯量影响水轮发电机组以及电力系统稳定性 J与额定容量Sn成正比 与额定转速平方nn2成反比 GD2越大 Sn越大 nn越小 效率 它与能量损失有关 水轮发电机损耗 电磁损耗和机械损耗其中电磁损耗又分为基本损耗和附加损耗两种 基本损耗 有铜损 铁损 励磁损耗附加损耗 附加铜损 附加铁损机械损耗 通风损耗 风摩损耗 滑环损耗 轴承损耗 三 发电机的类型及基本参数 3 发电机的基本参数水轮发电机的效率 为发电机向电网输送有功功率与输入到发电机的水轮机轴功率之比 P PS 100 P P P 100 1 P P P 100 式中P 发电机向电网输送有功功率 kWPS 输入到发电机的水轮机轴出力 kW P 水轮发电机总损耗 kW水轮发电机的效率高 说明它的内部损耗少 效率低 说明它的内部损耗多 三 发电机的类型及基本参数 3 发电机的基本参数电气参数发电机型式 三相 悬式 密闭自循环空冷 同步发电机发电机型号 SF90 22 6500额定容量Sn 100 90MVA MW额定电压Un 13 8KV额定电流In 4183 7A额定功率因数cos n 0 9 滞后 额定频率fn 50Hz额定转速nn 272 7r min 三 发电机的类型及基本参数 3 发电机的基本参数电气参数飞逸转速nf 491r min相数 3定子 转子绝缘耐热等级 F级旋转方向 俯视顺时针励磁方式 可控硅静止励磁额定励磁电压 211V额定励磁电流 1205A测速装置 残压加齿盘测速 四 发电机的结构 发电机主要部件及作用基本结构部件由定子 转子 上下机架 推力轴承 导轴承 通风冷却系统 制动系统 励磁系统等部件组成 1 定子定子是水轮发电机的固定部件之一 它主要由机座 铁芯 定子绕组 上下齿压板 端箍支架 端箍 基础板及引出线等部件组成 四 发电机的结构 1 定子1 定子机座 定子机座俗称定子外壳 它的主要作用是承受定子自重 上机架以及装置在机架上其它部件的重力 承受电磁扭矩和不平衡磁拉力 承受绕组短路时切向剪力 因此 定子机座必须具有足够的强度 防止定子变形和振动 2 定子铁芯 铁芯固定在机座上 是同步发电机的主磁通磁路的一部分 一般由导磁性能较好的0 5mm厚且冲有一定槽形的硅钢片叠压而成 定子铁芯由扇形冲片 通风槽片 上下齿压板 定位筋托板 拉紧螺杆等零部件装压而成 四 发电机的结构 定子铁芯叠片组装 定子机座 1 定子 四 发电机的结构 定子铁芯现场叠片 1 定子 四 发电机的结构 定子铁芯完成叠片 1 定子 四 发电机的结构 1 定子 3 定子绕组 三相绕组线圈嵌装在铁芯的齿槽内 当交变磁场切割绕组时 在绕组中产生交变电动势和交变电流 从而完成水能 机械能 电能的最终转换 我厂定子绕组为条形波绕组 每极每相槽数为4 4 11 线圈由2 4X7 1 2 6X7 3双涤纶玻璃丝包烧结铜扁线绕制而成 绕组主绝缘采用F级高场强绝缘系统 并进行防晕处理 具有良好的电气性能 定子绕组为2支路Y形连接 定子绕组的并头及引线连接均采用银铜焊工艺 焊接性能良好 四 发电机的结构 1 定子 定子下线 四 发电机的结构 1 定子 定子打完槽楔 四 发电机的结构 1 定子 定子安装完成 四 发电机的结构 2 转子转子是水轮发电机的旋转部件 位于定子里面 与定子之间保持一定的空气间隙 转子通过主轴与下面的水轮机连接 它的作用是产生磁场并通过与定子的相互作用 将水轮机产生的机械能转换成电能 由定子绕组输出 它由主轴 转子支架 磁轭和磁极等部分组成 四 发电机的结构 2 转子主轴主轴起中间连接作用 其下部与水轮机主轴相连 它是用来传递机械转矩 并承受转子部分的轴向力 除小型发电机外 大 中型转子的主轴均作成空心的 转轴采用优质合金钢20SiMn锻制而成 具有足够的刚度和强度 2 转子支架转子支架主要用于固定磁轭并传递转矩 是把磁轭和转轴连接成一体的中间部件 正常运行时 转子支架要承受扭矩 磁极和磁轭的重力力矩 转子自身的离心力以及热打磁轭键而产生的径向配合力 对于支架与主轴热套结构 还要承受热套引起的配合力作用 转子支架为圆盘式焊接结构 在厂内加工后整体运输到工地 四 发电机的结构 转子 2 转子 四 发电机的结构 2 转子3 磁轭它的作用是产生转动惯量和固定磁极 同时也是磁路的一部分 磁轭在运转时承受扭矩和磁极与磁轭本身离心力的作用 磁轭采用3mm厚的DER500优质高强度钢板冲制 为浮动磁轭结构 磁轭叠片四层冲片作为一个基本层 圆周6拼 由4极4拼和3极2拼片组成 每基本层错一极 之 字单返回叠法 见图GLB0220017磁轭叠片图 采用多层 之 字形叠装 在极间形成较宽的磁轭径向通风沟 使转子支架作为离心风扇 而产生的风量均匀地扩散到定子 起到较好的通风效果 转子支架与磁轭采用复合切向键联接 在磁轭的下方装有可拆卸的多块制动环 四 发电机的结构 四 发电机的结构 2 转子4 磁极当直流励磁电流通入磁极线圈后就产生发电机磁场 因此磁极是产生磁场的部件 磁极主要由磁极铁芯 励磁绕组和阻尼绕组三部分组成 磁极铁芯一般由1 5mm厚钢板冲片叠压而成 两端设有磁极压板 通过拉紧螺杆与冲片紧固成整体 磁极铁芯尾部为T形或鸽尾形 磁极铁芯尾部套入磁轭T尾槽或鸽尾槽内 借助于磁极键将磁极固定在磁轭上 磁极线圈多采用裸扁铜排或铝排绕成 匝间用环氧玻璃上胶坯布作绝缘 极身 对地 绝缘采用云母烫包结构或由环氧玻璃布板加工而成 阻尼绕组装在磁极极靴上 由阻尼铜条和两端的阻尼环组成 转子组装时 将各极之间的阻尼环用铜片制成软接头搭接成整体 形成纵横阻尼绕组 它的主要作用是当水轮发电机发生振荡时起阻尼作用 使发电机运行稳定 在不对称运行时 它能提高担负不对称负载的能力 四 发电机的结构 四 发电机的机构 3 上下机架机架是水轮发电机不可缺少的重要部件之一 按照机架所放的位置不同 一般分为装在发电机定子上部的上机架和装在定子下部的下机架 机架是立轴水轮发电机安置推力轴承 导轴承 制动器及水轮机受油器的支撑部件 是水轮发电机较为重要的结构件 机架由中心体 支臂和合缝板组成 一般采用钢板焊接结构 中心体为圆盘形式 支臂大多为工字梁形式 四 发电机的结构 3 上下机架 四 发电机的结构 上机架 3 上下机架 四 发电机的结构 上机架 3 上下机架 四 发电机的结构 下机架 4 推力轴承推力轴承是一种承受整个水轮发电机组转动部分的全部重量以及水轮发电机的轴向水推力的滑动轴承 在镜板与推力瓦之间由于镜板的旋转运动 会建立起厚度为0 1mm左右的油膜 形成良好的润滑条件 同时经推力轴承将将这些力传递给水轮发电机的荷重机架 它是水轮发电机组最重要的组成部件之一 其工作性能的好坏 将直接关系到机组的安全和稳定运行 对推力轴承的基本要求是 在机组启动过程中 能迅速建立油膜 在各种负荷工况下运行时 能保持油膜厚度 以确保润滑良好 各块推力瓦受力均匀 各块瓦温的最大温升及平均温升满足设计要求 并且各瓦之间的温差较小 循环油路畅通且气泡少 冷却效果均衡且效率高 密封装置合理且效果良好 推力瓦的变形量在允许范围内 推力轴承主要由推力头 镜板 推力瓦 轴承座 油槽及冷却装置等部件组成 四 发电机的结构 4 推力轴承推力轴承为厚瓦加弹性油箱的液压弹性支撑方式 弹性油箱采用装配式结构 并相互连通 能自动平衡各瓦块间的受力 整圆由10块扇形弹性金属塑料瓦组成 轴承支座由钢板制成 用螺钉紧固在上机架中 为防止轴电流的产生 在上导瓦和上机架间加以绝缘 当机组额定持续荷载运行时 推力瓦温度不超过55 推力轴承总负荷为620t 四 发电机的结构 4 推力轴承 四 发电机的结构 推力轴承为厚瓦加弹性油箱的液压弹性支撑方式 4 推力轴承 四 发电机的结构 镜板 4 推力轴承 四 发电机的结构 推力头及卡环 5 发电机制动系统水轮发电机制动方式机械制动 电气制动 混合制动我厂采用机械制动加电制动的方式制动 水轮发电机制动系统的组成制动装置 俗称风闸 控制元件 管路系统 机械制动的作用水轮发电机在停机后 由于惯性作用 不会立即停止转动 为避免机组停机减速过程后期时间较长 引起推力瓦的磨损 故需要快速停机 在下机架各支臂上对应于转子制动环处装有 250毫米的制动器6个 机组停机时 当转速降到20 nN 54 54rpm 时 用0 7MPa压力的压缩空气通入制动器 连续制动2min至停机 对没有配备高压油顶起装置的机组 当经历较长时间的停机之后 再次启动前 用油泵将压力油打入制动器顶起转子 使推力瓦重新建立油膜 为推力瓦创造良好的工作条