同步发电机的运行

招电力专业人才 上电力英才网 招电力专业人才 上电力英才网 第八章第八章 同步发电机的运行同步发电机的运行 第一节第一节 同步发电机的基本结构同步发电机的基本结构 同步发电机是发电厂最主要的电气设备 它利用电磁感应原理将原动机转轴上的动能通过 磁场转换成为电能 一 同步发电机的分类和型号 同步发电机的分类 按照原动机的不同分为 水轮发电机 汽轮发电机 燃汽轮发电机 柴油发电机 按照转子的不同分为 隐极式发电机 用于汽轮发电机和燃汽轮发电机 转速高 凸极式发电机 用于水轮 发电机 转速低 按照冷却介质不同分为 空气冷却 氢气冷却 水冷却等 4 按照发电机机安装方式不同可分为 卧式 立式 5 按照冷却方式不同可分为 水 氢 氢 定子绕组水内冷 转子绕组氢内冷 铁心氢冷 水 水 空 定子 转子绕组水内冷 铁心空冷 水 水 氢 定子 转子绕组水内冷 铁心氢冷 同步发电机的型号 对于汽轮发电机 根据其冷却方式不同 分为以下几种型号 空冷汽轮发电机 QF 系列 如 QF 25 2 其型号的意义为 Q 汽轮 F 发电机 25 表 示额定功率 单位是 MW 2 表示极数 氢外冷汽轮发电机 QFQ 系列 如 QFQ 50 2 其型号的意义为 Q 汽轮 F 发电机 Q 氢冷 数字解释同 氢内冷汽轮发电机 QFN 系列 如 QFN 100 2 其型号的意义为 Q 汽轮 F 发电机 N 氢内冷 数字解释同 双水内冷汽轮发电机 QFSS 系列 如 QFSS 200 2 其型号的意义为 Q 汽轮 F 发 电机 S 定子绕组水内冷 S 转子绕组水内冷 数字解释同 水氢氢冷汽轮发电机 QFSN 系列 如 QFSN 300 2 其型号的意义为 Q 一汽轮 F 发 电机 S 定子绕组水内冷 N 转子绕组氢内冷 数字解释同 对于水轮发电机 根据推力轴承安放的位置不同 可分为以下两种型号 悬式水轮发电机 TS 系列 如 TS854 156 40 其型号的意义为 T 同步 S 水轮 854 表示定子铁芯外径 cm 156 表示铁芯长度 cm 40 表示极数 伞式水轮发电机 TSS 系列 如 TSS1260 160 48 其型号的意义为 S 水轮 T 同步 S 一双水内冷 数字解释同 二 同步发电机的冷却 发电机在运行时 由于绕组中的电流和铁芯中的交变磁通会产生热量 这种热量会使发电 机温度升高 随着发电机单机容量的增大 温升也越来越高 就发电机而言 温升受到电机铁 招电力专业人才 上电力英才网 招电力专业人才 上电力英才网 芯冲片绝缘和线圈绝缘材料允许温度的限制 因此 必须加以冷却 80 多年来 发电机冷却介质已从空气时代进展到氢气和水的时代 氢气的重量仅为空气的 1 4 导热性能比空气高六倍 其冷却效果比空气好 效率提高了 0 7 1 0 一般汽轮发电机 从空冷改为氢冷后 可提高出力 20 35 冷却方法从冷却介质接触绝缘外部的间接冷却进展到 与铜线的内部接触直接冷却 称之内冷式 大大提高了冷却效果 而采用水作为冷却介质 为 电机技术的发展开辟了一条崭新的道路 当水的流速仅为空气的百分之几时 它的冷却能力比 空气大几十倍 发电机的定子采用水内冷 转子及铁芯采用氢内冷方式 可大幅度提高其出力 下表为空气 氢气和水三种常见冷却介质的冷却性能表表 各种冷却介质的各种冷却介质的 冷却能力比较冷却能力比较 冷却介质相对比热相对密度相对流量相对吸热量针对冷却能力 空气1 01 01 01 01 0 氢气 0 414MPa 14 350 351 03 05 0 油2 098480 012 21 0 水4 1610000 01220884 0 由上表可以看出 水是最好的 其热容量是空气的 4 16 倍 密度是空气的 1000 倍 散 热能力是空气的 84 倍 此外水还有良好的绝缘性能 大型同步发电机常见的冷却有 定子 转子氢表冷 额定容量 SN 100MW 转子氢内冷 定子氢表冷 额定容量 SN 250MW 定子 转子氢内冷 额定容量 SN 1000MW 转子氢内冷 定子铁心氢表冷 定子绕组水内冷 额定容量 SN 1200MW 水氢冷发电机 的特点是 定子绕组用水冷却 转子绕组采用氢气冷却 一般水源取自汽轮机的凝结水 这种 水源比较清洁 符合冷却水质的要求 发电机铁芯也采用氢气冷却 水氢冷发电机虽然可以减少材料消耗 但是和空冷电机相比 它的结构比较复杂 维护修 理比较麻烦 同时还必须配备一套专用冷却系统 所以一般情况下 它只适用于大型电机 而 对 5 万 kW 以下的中小型电机 由于它的经济意义不大 故仍采用空冷型式为主 我国 QFSN 300 型 30 万 kW 机组和 QFSN 600 型 60 万 kW 机组 由于容量大 额定电压高 较之普遍的中小型氢冷 水冷机组 在提高电气性能和加强机械强度 确保安全运行方面 都 采取一系列特殊而有效的必要措施 三 同步发电机的额定容量 同步发电机的额定容量是电力系统发展的重要标志 下表示出了我国国产汽轮发电机单机 容量增长速度 目前同步发电机的单机容量不断增长 原因 降低造价和材料消耗 降低电厂基建安装费 降低运行费用 但是 并非是任何情况下单机容量越大越好 而是要与系统的总容量匹配 如系统容量小 于 1000MW 单机最大容量一般是系统容量的 4 6 系统容量在 1000 10000MW 单机最大 容量一般是系统容量的 6 10 系统容量在大于 10000MW 单机最大容量一般可以超过系统 容量的 10 招电力专业人才 上电力英才网 招电力专业人才 上电力英才网 表表 国产汽轮发电机单机容量增长速度国产汽轮发电机单机容量增长速度 时间1952195419571958195919601969197019741994 型 号 QF 3 2 QF 6 2 QF 12 2 QF 25 2 QF 50 2 TQN 100 2 QFS 125 2 QFQS 200 2 QFQS 200 2 QFSN 300 2 QFSN 600 2 单机容 量 MW36122550100125200300600 水氢氢冷却 方式 空冷空冷空冷空冷氢外冷氢外冷双水 内冷水内冷 水氢氢水氢氢 提高发电机单机容量 不能只靠增加电机体积 因为发电机转子锻件和护环锻件的机械性 能极限使锻件尺寸受到限制 因此随着单机容量增加 材料利用率越来越高 单位体积的发热 量也大为增加 为限制发电机温度 必须在冷却上采取强化措施 所以 发电机冷却方式可以 反映出发电机的容量等级和结构特征 同步发电机的单机容量可用下式计算 P 为单机容量 六个影响单机容量的因素 nlDKABP i 2 K 为常数 不可改变 n 为额定转速 r min 一般也不可改变 定子内径 m 因为转子中心孔所受应力与直径的 3 次方成正比 所以受转子材料的机 i D 招电力专业人才 上电力英才网 招电力专业人才 上电力英才网 械强度的限制不宜过大 为定子铁心有效长度 m 因转子的长度与直径的比例不能太大 所以受转子刚度 挠l 度的限制不宜过大 为气隙磁通密度 T 受硅钢片饱和的影响不宜过大 A 为定子线负荷 A mm 是提高单机容量的唯一途径 可以通过冷却技术来提高定子线负 荷 从 60A mm 提高到 200 250A mm 再提高有相当难度 目前正研究 超导 材料 转子绕组采用 超导 材料 定子绕组采用常导材料 因 超导 励 磁绕组可以产生高于常导励磁绕组产生的气隙磁密 无需定子和转子铁心 所以定子绕组可作 成无槽气隙绕组 其空间利用率及线负荷大大提高 单机容量可达 3600MW 上表示出了常见汽轮发电机冷却方式与容量的关系 以下 3 表分别是国产汽轮发电机单机 表表 进口进口 300MW 汽轮发电机组的技术指标汽轮发电机组的技术指标 制造国厂家美国西屋美国通电前苏联 意大利法国罗马尼亚 运行厂石槽上安 元宝山蒲城 机型 AB 350 2 300 2 THA 320 2 额定功率 MW300379300320300330 额定电压 kV202318202224 额定电流 kA10 19011 19611 32010 8689 2649 140 功率因数0 850 850 850 850 850 85 转速 r min300030003000300030003000 冷却方式全氢水氢氢水氢氢水氢氢水氢氢水氢氢 额定氢压 MPa0 4280 4140 30 320 410 35 效率 98 598 7298 898 7698 4698 87 短路比0 6090 500 630 5850 4980 5 励磁方式无刷机内励高频整流可控硅可控硅可控硅 表表 国产国产 300MW 汽轮发电机组的技术指标汽轮发电机组的技术指标 型号QFSN 300 2QFSN 300 2QFSN 300 2QFS 300 2QFN 300 2 生产厂东方电机厂哈尔滨电机厂上海电机厂上海电机厂上海电机厂 额定功率 MW300300300300300 额定电压 kV2020201820 额定电流 A1019010190101901132010190 功率因数0 850 850 850 850 85 转速 r min30003000300030003000 冷却方式水氢氢水氢氢水氢氢水水空氢氢氢 额定氢压 MPa0 30 30 310 2 水压 0 41 效率 98 898 8298 898 61 98 6 短路比0 5560 656 0 5 0 42 0 5 励磁方式三机同轴交流 静止 SCR 三机同轴交流 静止 SCR 三机同轴交流 旋转 SCR 三机同轴交流 静止 SCR 三机同轴交流 旋转 SCR 励磁电流 电压2203A 426V2642A 365V2510A 302V1844A 483V2698A 403V 招电力专业人才 上电力英才网 招电力专业人才 上电力英才网 容量增长情况 进口 300MW 600MW 机组技术经济指标和国产 300MW 600MW 机组的主要参数 表表 引进型引进型 600MW 汽轮发电机组的技术指标汽轮发电机组的技术指标 运行厂平圩发电厂北伦港电厂 1 机石洞口二厂元宝山电厂 生产厂家哈尔滨日本东芝ABB法国 A A 机型QSFN 600 2ANKS 50WT23E 600 2 T260 640 额定功率 MW600600644 4600 最大连续出力 MW 732 6747 7688 9 定子额定电压 kV20202420 功率因数0 90 90 90 9 转速 r min3000300030003000 冷却方式水氢氢水氢氢水氢氢水氢氢 频率 Hz50505050 定子绕组进水温 45 50464535 定子绕组温升 50 5460 65 励磁电流 A 电压 V 5900 480 4700 5105080 484 2963 592 转子额定氢压 MPa0 530 410 460 39 转子进氢温度 45 1 464555 效率 98 7759998 9198 94 短路比0 68990 5390 50 51 定子中性点 接地方式 经 400 100V 变压器高阻接地 经 20kV 190V 配电变压器接地 经配电变压器 高阻接地 经配电变压器 高阻接地 负序能力稳态 I20 080 080 080 10 表表 世界各国世界各国 600MW 汽轮发电机组的技术指标汽轮发电机组的技术指标 公司 型号 哈电 上电 优化 600MW 引进 WH 技术 2 105 234 BBC 50WT23E 128 HITACHI 额定容量 MW MVA600 650 667 722600 667600 667600 667 最大出力 MW MVA654 680 727 756 644 716666 740 定子额定电压 kV20202421 氢压 MPa0 40 5170 470 43 励磁方式无刷无刷静止并励静止并励 定子铁芯外 内径 mm2673 13162673 12702934 13502514 1320 转子直径 长度 mm1130 62501092 2 5892 81150 64001079 6190 励磁电流 A 电压 V 4202 429 5898 477 55100 450 5450 457 转子额定氢压 MPa0 530 410 460 39 效率 98 9498 6798 9198 87 短路比0 5420 6020 50 54 通风形式气隙取气轴向径向轴向径向气隙取气 冷却方式水氢氢水氢氢水氢氢水氢氢 招电力专业人才 上电力英才网 招电力专业人才 上电力英才网 表表 世界各国世界各国 600MW 汽轮发电机组的技术指标汽轮发电机组的技术指标 公司 型号 AESALDG THAR MITSUBICHIKWU THDD115 67 A ATOSHIBA 额定容量 MW MVA 600 667600 667600 667600 667600 667 最大出力 MW MVA 681 756 5 650 722657 730652 724657 730 定子额定电压 kV2020212020 氢压 MPa0 430 510 410 390 41 励磁方式静止并励无刷无刷无刷静止并励 定子铁芯外 内径 mm2560 12832800 12952950 1350 1340 转子直径 长度 mm1111 75701100 58001150 6400 励磁电流 A 电压 V 4760 488 5420 5004520 453 2504 4760 转子额定氢压 MPa0 430 510 410 390 41 效率 98 9098 8498 9198 9298 90 短路比0 520 550 530 510 526 通风形式气隙取气轴向径向轴向径向 气隙取气 冷却方式水氢氢水氢氢全氢水氢氢 四 同步发电机的主要部件 发电机主要有以下部件 定子 绕组及铁心 转子 绕组及铁心 机座 励磁系统 冷 却系统 油循环系统及监测系统 温度 电流等 等 招电力专业人才 上电力英才网 招电力专业人才 上电力英才网 下图是我国 QFSN 300 2 型 30 万 kW 和 QFSN 600 2 型型 60 万 kW 发电机组的侧面图 大型汽轮发电机通常采用卧式轴 实行一轴三机 即同一个轴上同时有发电机 主励磁机 和副励磁机 副励磁机采用永磁性转子 定子发出 400 500Hz 的交流经可控硅整流后给主励 磁机励磁 主励磁机则发出 100Hz 的交流经可控硅整流后给同步发电机 QFSN 300 2 型 30 万 kW 发电机组就是采用这种三机励磁方式 招电力专业人才 上电力英才网 招电力专业人才 上电力英才网 有些发电机的主励磁机采用定子励磁 三相绕组装在转子上 三相电流顺转轴引到同轴旋 转的整流装置整流送到发电机励磁绕组 采用了无刷励磁 QFSN 600 2 型 60 万 kW 发电机组多 采用静止励磁 自并励 方式或无刷励磁方式 江苏利港发电厂 60 万 kW 发电机采用自并励励 磁方式 定子 定子由定子铁芯 定子绕组 也叫电枢绕组 机座 端盖及挡风装置等部件组成 定子铁芯是电机磁路的一部分 同时也嵌放定子绕组 定子铁芯的形状呈圆筒形 在内壁 上均匀地分布着槽 为了减小铁芯损耗 定子铁芯一般采用 0 35mm 或 0 5mmn 厚的硅钢片叠 装制成 当定子铁芯外径大于 1m 时 用扇形冲片拼成一个整圆 错缝叠装 沿轴向分成若干 段 段与段之间留有 1cm 宽的风道 整个铁芯用非磁性的端压板和抱紧螺杆压紧固定于机座上 如图是 60 万 kW 发电机组的定子局部图 招电力专业人才 上电力英才网 招电力专业人才 上电力英才网 定子绕组是定子的电路部分 它是感应电动势 通过电流 实现机电能量转换的重要部件 定子绕组用铜线或铝线制成 汽轮发电机多采用双层叠绕组 为了减小集肤效应引起的附加损 耗 绕制定子绕组的导线由许多互相绝缘的多股线并绕而成 在绕组的直线部分还要换位 以 减小因漏磁通而引起各股线间的电动势差和涡流 整个绕组对地绝缘 如图是水冷定子线棒断 面图 定子机座应有足够的强度和刚度 一般机座都是用钢板焊接而成 主要用于固定定子铁芯 并和其他部件一起形成密闭的冷却系统 转子 转子由转子铁芯 转子绕组 也叫励磁绕组 滑环 转轴等部件组成 对于一对磁极的汽 轮发电机 其转速达 3000r min 因此转子要做得细一些 以减少转子圆周的线速度 避免转 子部件由于高速旋转的离心作用而损坏 所以转子形状为隐极式 它的直径小 为一细长的圆 柱体 如图为 300MW 汽轮发电机转子外形图 转子铁芯既是电机磁路的一部分 又是固定励磁绕组的部件 大型汽轮发电机的转子一般 采用导磁性能好 机械强度高的合金钢锻成 并和轴锻成一个整体 沿转子铁芯轴向 铁芯表 面三分之二的部分对称地铣有凹槽 槽的形状有两种 一种为辐射排列 一种是平行排列 如 图所示 我国生产的电机都采用辐射形槽 占转子表面 1 3 的不开槽部分形成一个大齿 大齿 的中心实际为磁极中心 招电力专业人才 上电力英才网 招电力专业人才 上电力英才网 励磁绕组由矩形的扁铜线绕成同心式绕组 嵌放在铁芯槽中 所有绕组串联组成励磁绕组 直流励磁电流一般是通过电刷和集电环引入转子励磁绕组 形成转子的直流电路 励磁 绕组各匝间相互绝缘 各匝和铁芯间也有可靠的绝缘 如图为日立 600MW 汽轮发电机双路斜流通风风路和 ABB600MW 汽轮发电机转子通风及 开口槽断面图 通风冷却系统 介绍几种典型的通风冷却系统 招电力专业人才 上电力英才网 招电力专业人才 上电力英才网 半轴向通风的冷却系统如图 定子铁芯和转子绕组都采用半轴向通风的冷却系统 此种通风系统如图所示 冷却器 5 置 于电机中部 经冷却器冷却后的冷氢 由汽端 即汽轮机侧的发电机端部 风扇 4 迫使其分成两 路 其中一路直接进入汽端铁芯 2 和转子绕组轴向冷却风道 另一路经机壳上的风道送至励端 即发电机的励磁机侧 进入铁芯和转子绕组的另一半轴向冷却风道 汽励两端进入铁芯和转子 绕组的氢气都从铁芯中段径向风道排出 排出的热氢再进入冷却器 这就完成了机内氢气的循 环冷却功效 这种发电机冷却结构在石洞口二电厂的进口机组美国 ABB 公司生产的 600MW 发电机上采用 意大利 ANSALDO 公司等厂家也采用 定子铁芯轴向通风和转子绕组半轴向通风的冷却系统 平圩电厂 600MW 水氢氢冷汽轮发电机 引进美国 WH 公司技术 采用这种冷却系统 其通风 冷却结构类似下图所示 平圩电厂发电机的两组立式氢气冷却器布置在发电机汽端两侧 风路 由转子护环 6 外汽端的五级轴流式高压头风扇 5 抽的热氢 首先进入设置在汽端的冷却器 4 冷却器出来的冷风分为两路 一路经铁芯背部流到励端水母管 2 一部分进入定子铁芯 3 的全轴 向通风道 在汽端排出 另一部分进入转子绕组 1 的端部和轴向风道 分别在转子本体端部排 气槽和转子中部径向排至气隙 另一路冷风转弯经风路隔板和汽端端盖间的风路进入汽端转子 绕组端部和轴向风道 分别在转子本体端排气槽和转子中部径向排至气隙 铁芯的轴向出风和 转子的气隙出风 热氢 都被高压头风扇抽出再进入冷却器 完成氢气的机内循环冷却功效 为防止励端风路短路 在励端铁芯端部的气隙处设有气隙隔环 定子铁芯径向通风和转子绕组气隙取气斜流通风的冷却系统 这种通风系统也称为定 转子藕合的径向多流式通风系统 招电力专业人才 上电力英才网 招电力专业人才 上电力英才网 山东邹县电厂日立公司产的 600MW 水氢氢冷汽轮发电机的通风系统如下图所示 定子铁芯 径向通风冷却 转子绕组采用气隙取气双排斜流通风 一风斗二路 冷却方式 定子铁芯和 转子绕组采用 五进六出 相对应的通风结构 即沿发电机轴向长度分为五个进风区和六个出风 区 进出风区交替布置 机座内设有四个冷却器 分别布置在励端和汽端两侧 经冷却器 冷却后出来的冷氢 由汽端和励端的风扇送到各个进风区 冷却定子铁芯和转子绕组后都经铁 芯的径向风道排向出风区 再进入冷却器 完成机内氢气循环冷却功效 优化设计的国产 QFSN 600 2YH 型水氢氢冷汽轮发电机 定 转子沿轴向有 11 个风区 为 带有气隙隔环的 五进六出 的定 转子径向藕合的多路 流 通风系统 东方电机厂生产的 招电力专业人才 上电力英才网 招电力专业人才 上电力英才网 采用 GE 技术 和北仑港电厂的 日东芝产 GE 技术 600MW 汽轮发电机 则是采用带有气隙隔环 的 六进七出 的多路通风结构 定 转子沿轴向共有 13 个风区 供气系统采用氢冷方式的汽轮发电机需要建立专用的供气系统 供气系统应保证 给发电机充以氢气和空气 进行两种气体的置换 补充漏气 自动监视 和保持氢气压力和纯度 如图为 QK3 300 1 型供气系统 各种不同型号的汽轮发电机 供气系 统基本上相同 其主要特性如下 氢气由中央制氢站或储氢罐提供 输氢管道上设置有自动氢压调节阀保持机内为额定氢压 当机内氢气溶于密封回油被带 走而使氢压下降或机内氢气纯度下降需要进行排污换气时 可通过调节阀自动补氢 设置一只氢气干燥器 以除去机内氢气中的水分 保持机内氢气干燥和纯度 设置一套气体纯度分析仪及气体纯度计 以监视氢气的纯度 有的系统中可能专设一套 换气分析仪和换气纯度计 专门用于监视换气的完成情况 在发电机充氢或置换氢气的过程中 采用二氧化碳 或氮气 作为中间介质 用间接方 法完成 以防止机内形成空气与氢气混合的易爆炸气体 下图为利港发电厂供气系统图 供气系统的组成 制氢站 供气管路 排气管路 氢气过 滤器 液位控制器 气体状态监测仪表 氢气干燥器 气体控制屏等 氢气走向 氢气干燥器 发电机低压区 发电机冷却 发电机高压区 氢气干燥器 以保 持氢气的干燥 补偿 制氢站 或储氢钢瓶 母管 氢气过滤器 发电机氢气总管 以保持氢气压力恒 定 招电力专业人才 上电力英才网 招电力专业人才 上电力英才网 监测 发电机高压区 气体分析器 发电机 以保持氢气纯度 招电力专业人才 上电力英才网 招电力专业人才 上电力英才网 利用二氧化碳 CO2 氮气 N2 进行发电机充氢或排氢的过程 江苏利港发电厂使用 CO2 充氢时 先用二氧化碳 CO2 氮气 N2 置换发电机中的空气 当中间气体纯度达到 85 CO2 或 95 N2 再换氢气 排氢时 先用二氧化碳 CO2 氮气 N2 置换发电机中的氢气 当中间气体纯度达到 95 CO2 或 97 N2 再换空气 当中间气体纯度达到 15 时 停止排气 以上是两种 600MW 汽轮发电机组的供气系统图 供水系统采用水冷方式的汽轮发电机需要建立的供水系统 主要用于定子的冷却 对大容量水氢氢冷汽轮发电机定子绕组 对供水系统要求 冷却水应有良好的介质特性 装设离子交换器和过滤器 管道运行畅通 具有高度可靠性 具有良好的密封性 特别在发电机内不允许泄漏 故应保持一定的氢 水压 供给额定的定子绕组冷却水流量 控制进入定子绕组的冷却水温度达到要求值 保持高质量的冷却水质 除盐水 又称凝结水 要求冷却水的电导率低于 5 S cm S 为西门子 最高不大于 10 S cm 25 时 否则应停机 水氢氢冷发电机定子绕组的水冷系统都大同小异 如图是典型供水系统 供水系统的组成 2 个水冷却器 2 台水泵 3 个过滤器 离子交换器 水箱和一系列指示仪表 招电力专业人才 上电力英才网 招电力专业人才 上电力英才网 及信号器等 供水走向 水箱 水泵 水冷却器 滤网 发电机定子 水箱 例如利港发电厂 600MW 汽轮发电机组进水温度 45 50 出水温度 71 供水系统的流量为 105t h 为防止水分浸入发电机导致绕组受潮 要使水压低于氢压 但氢气则可能进入水中 为此 招电力专业人才 上电力英才网 招电力专业人才 上电力英才网 水箱装设气水分离系统 通过排气管道排出 冷却水的补充 补充水 电磁阀 S 离子交换器 过滤器 水箱 供水系统的信号 水泵停止 液位过高或过低 水温过高 电导率过高 氢水压差过低等 招电力专业人才 上电力英才网 招电力专业人才 上电力英才网 均发信号 上图为利港发电厂和其他发电厂的供水系统图 密封油及供油系统 发电 机转轴与端盖之间的密封装置称轴封 它的作用是防止外界气体进入电机内部或阻止氢气从机 内漏出 以保证电机内部气体的纯度和压力不变 所有的氢冷发电机都采用 油密封 装置 为此需要一套供油系统称为密封油系统 采用油进行密封的原理是 在高速旋转的轴与静止的密封瓦之间注入一连续的油流 形成 一层油膜来封住气体 使机内的氢气不外泄 外面的空气不能侵入机内 为此 油压必须高于 氢压 才能维持连续的油膜 一般只要使密封油压比机内氢压高出 0 015MPa 就可以封住氢气 从运行安全上考虑 一般要求油压比氢压高 0 03 0 08Mpa 例如江苏利港发电厂油压比氢 压高 0 084Mpa 为了防止轴电流破坏油膜 烧伤密封瓦和减少定子漏磁通在轴封装置内产生 附加损耗 轴封装置与端盖和外部油管法兰盘接触处都需加绝缘垫片 目前应用的油密封结构 足以使机内氢压达 0 4 0 6MPa 供油系统除满足油量 油温 油压外还应满足 系统密封性好 不漏气 当供油系统破坏时 密封部件和轴应完好无损 保证密封瓦温度不超过规定的 75 防止油经过密封部件漏入发电机内 如上图是典型供油系统 供油系统应有两个独立的油路系统 下图为利港发电厂的供油系 统图 招电力专业人才 上电力英才网 招电力专业人才 上电力英才网 空 气侧油系统 油走向 主油泵 2MPa 射油器 0 8MPa 油冷却器 过滤器 压差阀 发电机密 封瓦空气侧油环 空侧回油箱 主油箱 空侧回油箱 进行空气 油分离 直流 交流油泵 保证供油可靠性 氢气侧油系统 油走向 氢侧回油箱 交流油泵 油冷却器 过滤器 分为汽端和励端两路 两个压差阀 发电机密封瓦 氢侧回油箱 氢侧回油箱 进行氢 油分离 招电力专业人才 上电力英才网 招电力专业人才 上电力英才网 直流油泵 保证供油可靠性 供油系统的组成 氢侧回油箱 空侧回油箱 4 台油冷却器 4 台油泵 射油器及滤油器 油 密封从结构上可分为盘式 径向轴封 和环式 轴向轴封 两种 600MW 机组都采用环式油密封 环式油密封主要有三种 单流环式 双流环式和三流环式 每一种又有不同的具体结构 以下 是这三种环式油密封的结构图 一 单流环式油密封如下左图所示 二 双流环式油密封如下右图所示 三 三流环式油密封如下图所示 第二节第二节 同步发电机的工作原理同步发电机的工作原理 一 工作原理 我们知道 导线切割磁力线能产生感应电动势 将导线连成闭合回路 就有电流流过 同 步发电机就是利用电磁感应原理将原动机转轴上的动能通过磁场转换成为电能的 图 7 1 所示为同步发电机的工作原理示意图 在同步发电机的定子铁芯内 对称地安放着 A X B Y C Z 三相绕组 所谓对称三相绕组 就是每相绕组匝数相等 三相绕组的轴 线在空间互差 120 电角度 在同步发电机的转子上装有励磁绕组 当直流电通过励磁绕组时 会产生主磁场 其磁通如图中虚线所示 磁极的形状决定了气隙磁密在空间基本上按正弦规律 分布 所以 当原动机带动转子旋转时 就得到一个在空间按正弦规律分布的旋转磁场 定子 三相绕组在空间互差 120 电角度 如图所示 因此 三相感应电动势在时间上也差 120 电 角度 发电机发出的就是对称三相交流电 即 7 1 240sin 120sin sin tEe tEe tEe mA mB mA 感应电动势的频率取决于发电机的磁极对数和转子转速 当转子为一对磁极时 转子pn 旋转一周 定子绕组中的感应电动势正好交变一次 即一个周期 当转子有对磁极时 转子p 旋转一周 感应电动势就交变了个周期 设转子的转速为 r min 则感应电动势每秒钟交变pn 招电力专业人才 上电力英才网 招电力专业人才 上电力英才网 次 即感应电动势的频率为 60 pn Hz 7 2 60 pn f 式 7 2 表明 当同步发电机的极对数 转速一定时 则定子绕组感应电动势的频率一pn 定 即转速与频率保持严格不变的关系 这是同步发电机的基本特点之一 我国电力系统的标准频率规定为 50Hz 因此 当 3000r min 时 发电机应为一对极 n 当 1500r min 时 发电机应为两对极 依次类推 n 当同步发电机的三相绕组与负载接通时 对称三相绕组中流过对称三相电流 并产生一个 旋转磁场 这个旋转磁场的转速 即定子旋转磁场的转速与发电机转子转速相同 pfn60 1 亦就是同步 故称为同步发电机 二 同步发电机的额定参数 1 额定容量或额定功率 N S N P 额定容量是指发电机长期安全运行时 所能输出的最大视在功率 一般以千伏安 kVA 或 兆伏安 MVA 为单位 额定功率是指发电机正常运行时 所能输出的最大有功功率 一般以千 瓦 kW 或兆瓦 MW 为单位 2 额定电压 N U 额定电压是指发电机额定运行时 定子三相绕组的线电压 单位为伏 V 或千伏 kV 3 额定电流 N I 额定电流是指发电机正常连续运行时 定子绕组允许通过的最大线电流 单位为安 A 4 额定功率因数 N cos 额定功率因数是指同步发电机的额定功率和额定容量的比值 铭牌上一般标有额定功率和 值 N cos 招电力专业人才 上电力英才网 招电力专业人才 上电力英才网 上述四个额定参数之间有如下基本关系 N P N S N cos3 N U N I N cos 另外 在同步发电机的铭牌上还常列有 额定效率 额定频率 Hz 额定转速 N N f r min 额定励磁电压 V 额定励磁电流 A 和额定温升 等 例如江苏利港 N n LN U LN I N 发电厂 QFSN 600 2 发电机组的参数 额定功率 600MW 最大 648 862MW 冷却方式 水氢氢 额定电压 20 kV 额定电流 19250 A 额定功率因数 0 90 额定效率 99 0 额定频率 50 Hz 额定转速 3000 r min 额定励磁电压 407 V 额定励磁电流 4145 A 极数 2 额定氢压 0 4Mpa 三 同步发电机的电动势方程 等值电路和相量图 1 同步发电机带负载运行时的电磁量 同步发电机负载运行时 由于定子三相绕相中有电流通过 也会形成一个磁场 该磁场也 是旋转磁场 称之为电枢磁场 电枢磁场以与转子主磁场相同的转速 相同的方向旋转 所以 同步发电机运行时 气隙中存在着两个旋转磁场 即转子旋转磁场和电枢旋转磁场 为了分析 问题简单方便 可不计磁路饱和的影响 应用叠加原理 认为一个磁动势独立产生一个磁通 并在电枢绕组中感应出相应的电动势 所以负载时定子绕组中感应电动势包括转子磁场感应的 空载电动势 电枢磁场感应的电动势和漏磁通感应的电动势 0 ESE E 上述磁通势 磁通 电动势之间的关系可表示如下 L I L F 0 0 E AI S SE BI S F CI E rSI 2 电势方程 根据基尔霍夫电压定律 参看图 7 6 所示各电磁量正方向 得出一相绕组的电动势平衡方 程式 7 3 0 ESE E UrSI 招电力专业人才 上电力英才网 招电力专业人才 上电力英才网 式中 发电机的相电压 U 电枢一相绕组的电阻压降 rSI 主磁通产生的电动势 也称空载电动势 0 E 0 电枢反应磁通感应的电动势 SE S 漏磁通感应的电动势 E 若忽略电枢绕组的电阻压降 则有 7 4 0 ESE E U 其中 漏电动势与漏磁通是成正比的 而漏磁通又与电枢电流成正比 因此漏电动势可 I 以用一个电抗压降来表示 由于漏电动势滞后漏磁通 90 所以有 7 5 Ej I X 式中 漏电抗 X 如果不计磁路饱和 则电枢反应电动势 电枢反应磁通 电枢反应磁通势和电枢电流成正 比关系 电枢反应磁通与电枢电流同相位 故滞后90 与漏电动势一样 电枢反 S ISE I 应电动势可以用电抗压降来表示 即 7 6 SE j I S X 式中 电枢反应电抗 S X 综上 电动势方程可表示为 0 Ej I S Xj I X U 或 7 7 0 E Uj I S X X Uj I d X 招电力专业人才 上电力英才网 招电力专业人才 上电力英才网 式中 同步电抗 d X 3 同步发电机的等值电路和相量图 由式 7 7 可得同步发电机的等值电路如图 7 7 所示 根据图 7 7 的等值电路可以画出如图 7 8 所示的同步发电机带感性负载时的相量图 第三节第三节 同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性 同步发电机带对称负载运行时 主要有负载电流 功率因数 端电压和励磁电 I cos U 流等几个互相影响的变量 这些物理量每两个量之间的关系 称为同步发电机的运行特性 L I 一 空载特性 同步发电机的空载特性 是指发电机转速等于额定转速 定子绕组开路 0 时空载电 N nI 动势与励磁电流的关系曲线 如图 7 9 所示 0 E L I 由图 7 9 可见 空载特性曲线与发电机磁路的磁化曲线相同 空载特性是发电机的基本 特性之一 它表征了发电机磁路的饱和情况 利用它可以求得同步发电机的参数 在实际生产 中还可利用该曲线判断发电机的一些故障情况 例如 励磁绕组有无匝间短路故障 如果励磁 绕组有匝间短路 在相同的励磁电流下 励磁磁通势减小 空载电动势减小 曲线下降 二 短路特性 所谓短路特性 是指发电机在额定转速下 定子三相绕组短路时 定子稳态短路电流与I 励磁电流的关系曲线 即 如图 7 10 L I L IfI 在做短路特性试验时 要先将发电机三相绕组的出线端短路 然后 维持转速不变 增加 招电力专业人才 上电力英才网 招电力专业人才 上电力英才网 励磁 读取励磁电流及相应的定子电流值 直到定子电流不达额定电流值时为止 在试验过程 中 调整励磁电流时不要往返调整 短路试验测得的短路特性曲线 不但可以用来求取同步发电机的重要参数 饱和的同步电 抗与短路比 在电厂中 也常用它来判断励磁绕组有无匝间短路等故障 显然 励磁绕组存在 匝间短路时 因安匝数的减少 短路特性曲线是会降低的 三 负载特性 负载特性是当转速 定子电流为额定值 功率因数 常数时 发电机电压与励磁电 cos 流之间的关系曲线 即 如图 7 11 所示为不同功率因数时的负载特性曲线 l IfU 当值不同 我们即可得到不同负荷种类的负载特性曲线 cos 用负载特性曲线 空载特性曲线 短路特性 可以测定发电机的基本参数 这是发电机设 计 制造的主要技术数据 四 外特性 同步发电机的外特性 是指发电机在额定转速下 保持励磁电流和功率因数不变时 端电 压与负载电流之间的关系曲线 图 7 12 所示为发电机带不同功率因数负载时的外特性曲UI 线 曲线 1 为感性负载时的外特性曲线 它是随增大而下降的曲线 这是因为 当感性负载I 电流增加时 由于电枢磁场对转子磁场呈去磁作用 同时漏抗压降随之增大 所以端电压随之 下降 曲线 2 是纯电阻负载时的外特性曲线 这是一条略有下降的曲线 这是因为 当 1 时 负载电流仍滞后于 其电枢磁场也有去磁作用 但去磁程度较小 曲线 cos I0 E 招电力专业人才 上电力英才网 招电力专业人才 上电力英才网 3 是容性负载时的外特性曲线 它是随增大而上升的曲线 这是因为 容性负载电流增加时 I 电枢磁场对转子磁场呈助磁作用 电枢磁场的助磁作用随电流增加而增强 感应电动势增大 所以端电压随之上升 五 调整特性 调整特性是指同步发电机在额定转速下 端电压和负载功率因数不变时 励磁电流与负载 电流的关系曲线 图 7 13 是同步发电机在不同功率因数时的调整特性曲线 图中曲线 1 和曲线 2 分别是感性负载和电阻性负载时的调整特性 可见为保持发电机端电 压不变 随着负载电流的增加 必须相应地增大励磁电流 以补偿负载电流所产生的电枢磁场 的去磁作用 因此这两种情况下的调整特性曲线都是上升的 而容性负载时 为了抵消电枢磁 场的助磁作用 保证电压不变 随负载的增加 需要相应的减小励磁电流 因此这种情况下的 调整特性是下降的 如曲线 3 所示 六 功角特性 功角特性是指同步发电机接在电网上稳态运行时 发电机的电磁功率与功角之间的关系 所谓功角是指发电机的空载电势和端电压之间的相位角 由图 7 14 所示同步发电机的相0 E U 量图可得 7 8 sincos 0 d G X UE UIP 式中 发电机一相的电磁功率 G P 发电机的相电压 U 发电机的相电流 I 发电机的空载电势 0 E 招电力专业人才 上电力英才网 招电力专业人才 上电力英才网 发电机的同步电抗 d X 功率因数角 功角 式 7 8 表明 在发电机的端电压及励磁电流不变时 电磁功率的大小决定于角的大 G P 小 所以称角为功角 电磁功率随着功角的变化曲线 称为功角特性曲线 如图 7 15 所示 从功角特性曲线可知 同步发电机的电磁功率与功角成正弦函数关系 当功角从零逐 G P 渐增加到 90 时 电磁功率随着功角的增加而增加 当 90 时 电磁功率达到最大 G P 值 即 7 9 d X UE P 0 max 当功角从 90 继续增加到 180 时 电磁功率随功角的增加而减小 当 180 时 电磁功率由正变负 说明发电机不再向电网输送有功功率 而从电网吸收有功功率 即电机从 发电机运行状态变成电动机或调相机运行状态 功角是同步发电机运行的一个重要变量 它不仅决定了发电机输出功率的大小 而且能 表明电机的运行状态 第四节第四节 同步发电机的正常运行同步发电机的正常运行 同步发电机的正常运行属于允许长期连续运行的工作状态 它的特点是 发电机的有功负 荷 无功负荷 电压 电流等都在允许范围以内 因而它是一种稳定的 对称的工作状态 其 中最常见的是额定工作状态 即有功负荷 电压 功率因数 频率 冷却介质温度都是额定值 发电机在额定工作状态运行时 具有损耗小 效率高 转矩均匀等性能 一般发电机都应尽量 在接近额定工作状态运行 在运行中 有时需要调整各种参数 例如 要根据调度制定的负荷 招电力专业人才 上电力英才网 招电力专业人才 上电力英才网 曲线来调整有功和无功负荷 用调速器调整有功功率 用励磁调节器调整无功功率 在调整过 程中 要注意各个参量不要超过允许范围 除此之外 还要注意负荷上升速度 对于汽轮机 为了防止过渡的热膨胀 负荷上升速度不能太快 从空载到满负荷 通常要几小时 水轮发电 机负荷的上升速度不受限制 只要几分钟 便可带满负荷 本节主要叙述同步发电机接入无穷大容量电力系统时 其允许运行范围和正常运行调整 一 发电机的允许运行范围和曲线QP 在稳定条件下 发电机的允许运行范围决定于下列 4 个条件 原动机输出功率极限 即原动机的额定功率 一般要稍大于或等于发电机的额定功率 发电机的额定兆伏安数 即由定子发热决定的允许范围 发电机的磁场和励磁机的最大励磁电流 通常由转子发热决定 进相运行时的稳定度 当发电机功率因数小于零而转入进相运行时 和之间的夹 0 EU 角不断增大 此时 发电机有功功率输出受到静态稳定条件的限制 在电力系统中运行的发电机 必须根据系统情况 调节有功功率和无功功率的输出 在一 定的电压和电流下 当功率因数下降时 发电机有功功率输出减小 无功功率增大 而功率因 数上升时则相反 所以运行人员必须掌握功率因数变化时 发电机的允许运行范围 发电机的 曲线 就是表示其在各种功率因数下 允许的有功功率输出和允许的无功功率输出QP P 的关系曲线 又称为发电机的安全运行极限 Q 发电机的曲线 可根据其相量图绘制 如图 7 16 所示 QP 以汽轮发电机为例 假定同步电抗为常数 即忽略饱和的影响 将电压相量图中各相 d X 量除以 即得到电流相量三角形为 OAC 其中 OA 代表 即近似等于发电机的短路比 d X d N X U 它正比于空载励磁电流 AC 代表 即定子额定电流 OC c K LO I N d dN I X XI d X E0 招电力专业人才 上电力英才网 招电力专业人才 上电力英才网 表在额定情况下定子的稳态短路电流 它正比于转子额定电流 经 A 点作一条垂直于 LN I 横坐标的线段 AE 表示发电机端电压的方向 电流和线段 AE 间的夹角 就是功率因数角 N I 电流垂直分量表示电流的有功分量 水平分量表示电流的无功分量 如以恒定电压 aI rI 乘以电流的各分量 所得的值分别表示有功功率 无功功率 根据相量UUIP a UIQ r 图 取适当比例尺 不仅可得到定子电流和转子电流的相应关系 还可通过在以 A 点为原AC 点的坐标轴上的投影来求得和 并通过直线的位置来代表的大小 上述图形还PQAC cos 可用来表示功率因数变化时发电机出力的影响和限制 cos 当冷却介质温度一定时 定子和转子绕组的允许电流为一定 即图中和为一定 ACOC 与以 A 为圆心 长度为半径和以 O 为圆心 长度为半径分别画圆弧 根据上述允许ACOC 运行范围的条件 在两个圆弧范围以内才允许运行 由图可见 在两个圆弧交点运行时 定子 和转子电流同时达到允许值 值降低 角增大 时 由于转子电流的限 cos 制 相量端点只能在弧线上移动 此时转子电流未得到充分利用 值增大 角减 CB cos 小 时 由于定子允许电流的限制 相量端点只能在弧上移动 此时转子电流未得到充分利 CD 用 过 D 点后 继续增大 由于原动机额定出力的限制 运行范围不能超过直线 图 cosRD 中长度代表额定输出功率 当功率因数角 0 时 发电机转入进相运行 和之AE N P 0 E U 招电力专业人才 上电力英才网 招电力专业人才 上电力英才网 间的夹角不断增大 此时 发电机有功功率的输出受到静态稳定的限制 垂直线是理论 OR 上静态稳定运行边界 此时 90 因为发电机有突然过负荷的可能性 必须留有余量 以便在不改变励磁的情况下 能承受突然性的过负荷 图中曲线是考虑了能承受 0 1过 GF N P 负荷能力的实际静态稳定极限 曲线的作图法如下 在理论稳定边界上先取一些点 然后 GF 保持不变 找出实际功率比理论功率低 0 1的一些新点 连接这些新点就构成了曲 d X E0 N P GF 线 根据上述安全运行的 4 个允许条件 将 B C D E F G 点连成曲线 就构成发电机 的安全运行极限 二 同步发电机的正常运行调整 同步发电机接入无穷大容量的电力系统时 其正常的运行调整包括有功功率调整 常 0 E 数 变数 和励磁调整 常数 变数 现将这两种工作状态下的调整特性分别叙PP 0 E 述如下 1 有功功率调整 增加发电机有功负荷 通常用加大汽轮机的进汽门 或水轮机的导水翼 的开度 使原动机 转矩增大 转子加速 功角因而增大 当原动机转矩与发电机转矩相互平衡时 角才能稳 定 反之 当有功负荷减小时 角也相应减小 假定发电机的电动势是常数 有功负荷变化时 其轨迹是一个以 O 为圆心 为半径 0 E 0 E 的圆弧 如图 7 17 a 所示 从图上可以看到 设 A1点为的运行点 电压相量三角形为 1 PP OCA1 OA 电压降在纵轴的投影 A1B1正比于 横轴上的投影 CB1正比于无 0 E d XIj1 1 P 功