汽轮发电机结构原理讲义

QFSN 600 2 22C型汽轮发电机结构原理简介 概述 我公司发电机为东方电机股份有限公司引进日本日立公司技术 并合作生产的QFSN 600 2 22C型汽轮机直接拖动 隐极式 二极 三相同步汽轮发电机 发电机冷却方式为水 氢 氢 采用机端自并励静止励磁 水氢氢冷却方式 定子线圈 包括定子引线 直接水冷 转子线圈直接氢冷 气隙取气方式 定子铁心氢冷 发电机采用密闭循环通风冷却 机座内部的氢气由装于转子两端的轴流式风扇驱动 集电环和电刷空气冷却 两集电环间设有离心式风扇 轴承为强迫润滑 由汽机润滑油系统供油 发电机配有氢油水控制系统 以提供和控制发电机冷却用氢气 密封油和定子线圈冷却用水 发电机型号表示意义 Q 汽轮机拖动F 发电机S 定子绕组水冷N 转子绕组氢内冷600 额定容量2 两极22 电压22KVC 特征号 表示三段机座 中心高760m 三段式机座 即沿轴向将机座分为三段 中间段为机座主体 呈圆筒形用以支撑铁心 两端部分呈方盒形用以设置氢气冷却器并支撑端盖轴承 分段运输至电厂再组装成一整体 QFSN 600 2 22C型发电机额定参数 额定出力667MVA 600MW额定电压22KV额定电流17495A功率因数0 9 滞后 转速3000r min频率50Hz相数3环境温度5 40 额定氢压0 414MPa定子接线2 Y出线端子数6绝缘等级F级 温升按B级考核 基础知识 1 工作原理交流旋转电机主要分为同步电机和异步电机 同步电机主要用作发电机 而异步电机主要用作电动机 所谓同步电机即指电机的转速为同步转速 恒定值N0 60f p 而异步电机即指电机的转速不同于同步转速 非恒定值 同步发电机的工作原理图 发电机主要有定子和转子两部分 定 转子之间有气隙 原理如上图所示 定子上有AX BY CZ三相绕组 它们在空间上彼此相差120 电角度 每相绕组的匝数相等 转子磁极 主极 上装有励磁绕组 由直流励磁 其磁通方向从转子N极出来 经过气隙 定子铁芯 气隙 再进入转子S极而构成回路 如图中的虚线所示 用原动机拖动发电机沿逆时针方向旋转 则磁力线将切割定子绕组的导体 由电磁感应定律可知 在定子导体中就会感应出交变的电势 即Bm为正弦波磁密的最大值 l为磁力线切割导体的长度 v为磁力线切割导体的线速度 2 f f为电势的频率 由于发电机定子三相绕组在物理空间布置上相差120 那么转子磁场的磁力线势必将先切割A相绕组 再切割B相 最后切割C相 因此 定子三相感应电势大小相等 在相位上彼此互差120 电角度 如果某发电机有p对极 转子每分钟转数为n 则转子每秒钟旋转n 60转 那么感应电势将每秒交变 pn 60 次 即频率为 由于汽轮发电机的极对数为1 所以n 3000r min情况下 f 50Hz 2 磁场与磁势交流发电机的磁通分为两部分 一部分与定 转子绕组同时交链 称为气隙磁通 是电机进行机电能量转换的媒介 另一部分仅与定子绕组或仅与转子绕组相交链 称为漏磁通 气隙磁通的路径是 从定子磁轭经过定子齿 空气隙到转子 再经过空气隙 定子齿回到定子磁轭 形成闭合磁路 气隙磁通可由定子磁势建立 也可由转子磁势建立 当发电机中的定 转子绕组中都有电流时 则由定 转子磁势共同建立 1 同步发电机空载运行当同步发电机被原动机拖动到同步转速时 转子绕组中通入直流励磁电流而定子绕组开路时 称为空载运行 空载定子电枢电流为零 电机气隙中只有转子电流 励磁电流 If单独产生的磁势Ff和磁场 称为励磁磁势和励磁磁场 既交链转子又经过气隙交链定子的磁通称为主磁通 即空载时的气隙磁通 0 或称励磁磁通 而只交链励磁绕组而不与定子绕组相链磁通称为漏磁通 f 它不参与电机之间的能量转换过程 当转子以同步转速n1旋转时 主磁通切割定子绕组感应出频率为f pn 60 的三相基波电势 其有效值为 这样 改变励磁电流If就可以改变主磁通 0 空载电势E0值也将改变 从磁路计算公式可知 当一台电机的各段铁芯和气隙的尺寸以及铁芯的材料决定后 它的磁性特性也就确定不变了 同步发电机空载时的时 空矢量图 上图为同步发电机空载时的时 空矢量图 Ff1为励磁磁势的基波 Bf1为气隙磁通密度的基波 两者同相位 其正波幅均处于转子直轴正方向上 且与转子一起以同步转速 1 2 f 旋转 由磁通密度波Bf1与定子任一相相交链的磁通量是一时间变量 用 0表示 由 0感应于该相的电势用E0表示 相量E0滞后于 090 2 同步发电机对称负载运行当定子接上对称的负载后 这时在负载电流产生了第二个磁势 电枢磁势 电枢磁势与励磁磁势相互作用形成负载时气隙中的合成磁势并建立负载时的气隙磁场 因此 所谓对称负载时的电枢反应 即对称负载时电枢磁势的基波对主极磁场基波的影响 由对称三相绕组中流过的三相对称负载电流所产生的电枢磁势的基波是一个旋转磁势 其转速n 60f p 以f pn1 60代入则n n1 即电枢磁势基波的转速与励磁磁势的转速 电机转子转速 一定相等 且两者的转向一致 由此可见 电枢磁势基波与励磁磁势同转速 同转向 彼此在空间上始终保持相对静止的关系 正是由于这种相对静止 才使它们之间的相互关系保持不变 从而共同建立数值稳定的气隙磁场和产生平均电磁转矩 实现机 电能量转换 这种 定 转子磁势相对静止 是一切电磁感应电机能够正常运行的基本条件 发电机本体结构 1 发电机基本构成发电机结构原理图 发电机剖视图 汽轮发电机主要由定子 转子 端盖和轴承等部件组成 具体的发电机结构见上图 发电机定子发电机定子主要由机座 定子铁芯 定子绕组 端盖等部分组成 机座是用钢板焊成的壳体结构 它的作用主要是支持和固定定子铁芯和定子绕组 此外 机座可以防止氢气泄漏和承受住氢气的爆炸力 端盖是发电机密封的一个组成部分 结构如图1 13所示 为了安装 检修 拆装方便 端盖由水平分开的上下两半构成 并设有端盖轴承 在端盖的合缝面上还设有密封沟 沟内充以密封胶以保证良好的气密 发电机端盖轴承结构图 轴瓦采用椭圆式水平中分面结构 轴瓦外园的球面形状保证了轴承有自调心的作用 在转轴穿过端盖处的氢气密封是依靠油密封的油膜来保证 密封瓦为铜合金制成 内圆与轴间有间隙 装在端盖内圆处的密封座内 密封瓦分成四块 在径向和轴向均有卡紧弹簧箍紧 尽管密封瓦在径向可以随轴一起浮动 但在密封座上下均有销子可以防止它切向转动 密封油经密封座和密封瓦的油腔流入瓦和轴之间的间隙沿径向形成油膜以防止氢气外泄 在励端油密封设有双层对地绝缘以防止轴电流烧伤转轴 在机壳和定子铁芯之间的空间是发电机通风 氢气 系统的一部分 由于发电机定子采用径向通风 将机壳和铁芯背部之间的空间沿轴向分隔成若干段 每段形成一个环形小风室 各小风室相互交替分为进风区和出风区 这些小室用管子相互连通 并能交替进行通风 氢气交替地通过铁芯的外侧和内侧 再集中起来通过冷却器 从而有效地防止热应力和局部过热 机座隔振 定子弹性支撑为了减小由于转子磁通对定子铁芯的磁拉力引起的双频振动 以及短路等其它因数引起的定子铁芯振动对机座和基础的影响 在定子铁芯和机座之间采用卧式弹性隔振结构 弹性隔振结构形式如下图所示 在定位筋的背部装弹簧板 弹簧板通过垫块 用螺栓固定在定位筋的背部 弹簧板中部与机座内的隔板相连 构成弹性隔振结构 机座弹性隔振结构 定子铁芯 定子铁芯是构成发电机磁路和固定定子绕组的重要部件 为了减少铁芯的磁滞和涡流损耗 定子铁芯采用导磁率高 损耗小 厚度为0 5mm的优质冷轧硅钢片冲制而成 每层硅钢片由数张扇形片组成一个圆形 每张扇形片都涂了耐高温的无机绝缘漆 冲片上冲有嵌放线圈的下线槽及放置槽楔用的鸽尾槽 扇形冲片利用定子定位筋定位 通过球墨铸铁压圈施压 夹紧成一个刚性圆柱形铁芯 用定位筋固定在内机座上 齿部是通过压圈内侧的非磁性压指来压紧 边段铁芯涂有粘接漆 在铁芯装压后加热 使其粘接成一个牢固的整体 进一步提高铁芯的刚度为了减少端部漏磁通在压圈和边段铁芯中引起的发热以及在端部铁芯中的附加电气损耗 在压圈上装有全铜屏蔽 边端铁芯为阶梯状以增加铁芯内园与转子之间的气隙 并在齿上冲有小槽 转子绕组端部存在大量的漏磁通 另外 发电机运行时定子绕组在铁芯端部也产生大量的漏磁通 这些漏磁通主要是垂直进入端部定子铁芯 从而感应出垂直于轴向的涡流 引起铁芯端部过热 发电机在欠励条件下运行时 定子绕组会产生更多的漏磁通 使铁芯端部过热更为严重 为了减少端部漏磁通在压圈和边段铁芯中引起的发热和在端部铁芯中的附加电气损耗 东方电机公司采取了以下措施 铁芯端部设计成阶梯状铁芯孔两端逐渐放大 这可以防止转子漏磁通量过多聚集在定子铁芯端部 而且可以使部分漏磁通转变成垂直于定子轴线的径向磁通 从而减少损耗降低端部过热 在转子线圈端部采用非磁性护环通过励磁绕组护环的去磁作用 增加了漏磁通的磁阻 从而减少了转子端部漏磁通对定子铁芯的影响 在铁芯端部表面 采用一块铜防护板 既所谓的电屏蔽环 采用电屏蔽的目的是防止端部大部分轴向漏磁通穿过铁芯 因为铁芯端部采用阶梯形后 压圈处的漏磁会有所增加 利用漏磁通能在铜防护板内产生的大量涡流 此涡流的方向将阻止漏磁通穿过 而铜与用作铁芯端片的石墨铸铁相比 电阻率只有约1 5 根据磁穿透深度定律 损耗降到大约1 2 而且铜的导热系数是石墨铸铁的5倍 因而 铜防护板不会出现过热 铁芯端部压圈和铁芯端板 压指 采用高电阻率 低导磁率材料这种材料增大了铜防护板和铁芯间的磁阻 使漏磁通不易穿过铁芯 高电阻率又使该部位涡流减小 故此部件也不会过热 在铁芯端部扇形体上开槽由于在铁芯端部扇形齿部开槽隙 使得涡流流动面积减少了约1 2 于是涡流损耗减小了约3 4 冷却风系统中 加强对端部的冷却 定子绕组对于大型汽轮发电机主要采用三相双层绕组 并采用短距分布式叠绕组 双层绕组构成如下图 在每个槽内有上下两个线圈边 线圈的一个边嵌在某个槽的下层 则另一边则嵌在相隔y1槽 节距 一个线圈的有效边在定子铁芯上跨的槽数 的上层 采用双层绕组可以很方便地把绕组型式设计成短距绕组 短距绕组具有改善电势波形和节约材料的优点 注 叠绕组 各线圈的末边均返回至邻近的次一个线圈的起边 整个绕组呈环环相叠的形象 称为叠绕组分布绕组 为了散热 发电机定子绕组均匀分布在整个定子的内表面上 称为分布绕组定子绕组的端部结构由嵌入铁芯槽内的绝缘线棒在端部联结成的线圈 绕组端部为篮式结构 并且由引线环连接成固定的相带 采用连续式F级环氧粉云母绝缘系统 表面有防晕处理措施 轴向可沿支架滑销方向自由移动 减少由于负荷或工况变化而在定子绕组和支撑系统中引起的应力 满足机组调峰运行的要求 在负载运行条件下 定子绕组会产生自感应涡流损耗 为减少这种损耗 定子线棒采用了罗贝尔换位形式 所谓换位 就是在线棒编织时 让每根线棒沿轴向长度 分别处于槽内不同高度的位置 这样每根线棒的漏电抗相等 使每根导体内电流均匀 减少直线及端部的横向漏磁通在各股导体内产生的环流及附加损耗 定子线棒由矩形的空心和实心股线混合编织而成 定子绕组就是通过空心股线中的水介质来冷却的 定子线棒端部的所有股线均焊接到水电接头上 通过铜带将两根线棒水电接头焊在一起形成电气连接 构成一匝线圈 而所有空心股线中的冷却水通过水电接头的水路接至靠滑环端的汇流母管 并经绝缘引水管进入线圈 在发电机的集电环端设有一条进水母管 在汽机端部设有一条出水母管 冷却水流通道为单向型 即从集电环端流向汽机端 汇流母管是直接接地的 从线圈到汇流母管间的连接是采用单个加强型绝缘管 这种绝缘管设计上能够受发电机的运行电压 这就保证了线圈的对地绝缘 但对于这种结构 测量线圈绝缘却是不方便的 1 槽底垫料 2 主绝缘 3 实心线 4 层间垫料 5 半导体弹性波纹板 6 空心线 7 传动垫条 8 滑动楔块 9 锥形楔销 侧面有半导体弹性波纹板 径向还用带斜度的槽楔组合固定 定子绕组端部设有特殊的支撑系统 用浸胶涤玻绳绑扎固定在由玻璃钢支架和绑环组成的端部固定件上 绑扎固定后进行烘焙固化 使整个端部在径向和周向上为刚性固定 确保端部固有频率远离倍频 避免运行中发生共振 轴向可沿支架滑销方向 随负载或工况变化而自由地移动 大大减少了由于负载或工况变化在绕组和支撑系统引起的应力 提高了机组运行的可靠性及满足机组调峰运行的要求 发电机出线发电机各相和中性点出线均通过集电环端机座下部出线罩引出机座 在出线罩与定子外机座之间放置有密封垫以维持气密性 出线罩板采用非磁性材料以减少定子电流产生的涡流损耗 出线罩板下方开有排泄孔以防止引线周围积存油或水 定子出线及氢冷回路如上图所示 定子出线通过高压绝缘套管穿出机壳外 套管由整体的陶瓷和铜导电杆组成 导电杆两端镀银 过渡引线及出线套管均采用氢气内冷 套管上装有电流互感器供测量和保护用 氢气从铜导电杆上端的进风口进入导电杆内管 在底部转入双层铜管的环形空间 通过上部一特殊接头排入过渡引线 再由固定过渡引线的空心磁套管排入出线罩的夹层风道后进入内外端盖间的低压风区 测温元件和出线板热电阻 在定子绕组的每一相的最热点埋设有检温计 R T D 测量绕组的温度 而线棒温度 采用每个槽内上下层线棒间埋置的电阻检温计来测量 铁芯温度用埋置的热电偶测量 此外 在冷却器的进风区埋设有电阻检温计 以测量冷却器的进出风温 所有机内的检温计均通过机座下部的接线端子板引出 热电偶 由于发电机在欠励运行时 定子端部部件的温度会很高 这些部位均埋设热电偶以测量温度 在定子压圈 铜屏蔽和铁芯边段齿部 轭部测量部位所安装的热电偶是铜 康热电偶 其传感部件焊在测点位置 定子线圈出水温度 采用布置在出水接头上的热电偶测量 轴瓦温度采用埋置在钨金下的热电偶测量 热电偶的股线和保护套之间的间隙用陶瓷物质填充 使股线与外层空气隔绝 并可避免热电偶在空气中和高温下被腐蚀 热电偶引线 玻璃丝包股线 被引至测温端子箱的出线板上 发电机转子1 转子本体发电机转子是由一根整体合金钢锻件加工而成 在转子本体上径向地开有许多纵向槽用于安装转子绕组 同时作为磁路 转子绕组在槽内由铝合金和钢槽楔紧固以抵御离心力 这种磁性和非磁性两种槽楔的应用能够保证合理的磁通分布 这些槽楔均楔入了转子槽口处的鸽尾槽内 转子大齿上加工横向槽 即月牙槽 用于均衡大 小齿方向的刚度 以避免由于它们之间的较大差异而产生倍频振动 2 转子绕组转子绕组由高强度含银铜线制成 具有较高的抗蠕变能力 从而提高了发电机承担调峰负荷的能力 为防止由于离心力的作用 对转子绕组端部产生破坏 转子线圈放入槽内后 槽口用铝合金槽楔和钢槽楔固紧 以抵御转子高速旋转产生的离心力 非磁性槽楔和磁性槽楔的应用 保证了合理的磁通分布 采用了高强度 非磁性合金钢锻件加工而成的护环 热套在转子本体两端 采用悬挂式嵌装 一端与转子本体热套配合 另一端为悬挂式 转子绕组与护环之间采用模压的绝缘环绝缘 为了隔开和支撑端部线圈 限制它们之间由于温差和离心力引起的位移 端部绕组间隔块放置了模压的环氧玻璃布绝缘块 3 转子引线和集电环通过转子引线与集电环以及电刷装置 可以给发电机提供额定出力及强励时所需的励磁电流 转子电流通过电刷通入热套在转子外伸端的集电环 再通过与集电环相联接的径向和轴向导电螺杆传到转子绕组 导电螺杆用高强度和高导电率的铜合金制成 导电螺杆与转轴之间有密封结构以防漏氢 集电环用耐磨合金钢制成 是一对带沟槽的钢环 经绝缘后热套在转子轴上的 在集电环与转轴之间设有绝缘套筒 集电环上加工有轴向和径向通风孔 表面的螺旋沟可以改善电刷与集电环的接触状况 使电刷之间的电流分配均匀 两集电环间设有同轴离心式风扇以冷却集电环和电刷 4 护环 中心环 阻尼环因为转子旋转时 转子线圈端部受到很大的离心力的作用 为了防止对转子线圈端部的破坏 采用了非磁性 高强度合金钢 Mn18Cr18 锻件