同步发电机的运行课件

1、同步发电机的运行第一节 同步发电机的结构第一节 同步发电机的结构一、概述发电机将原动机转轴上的动能通过磁场转换成为电能。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；油冷却；水冷却等。第一节 同步发电机的结构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

2、子绕组水内冷、铁心氢冷。第一节 同步发电机的结构二、同步发电机的型号1、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： (1)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。(2)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 (1)。(3)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 (1)。(4)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

3、子绕组水内冷，S转子绕组水内冷，数字解释同 (1)。(5)水氢氢冷汽轮发电机QFSN系列，如国电蚌埠发电厂机组型号QFSN-600-2，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 (1)。如国电庄河电厂机组型号QFSN-600-2YHG，意义为：QF-汽轮发电机，S定子绕组水内冷，N转子绕组氢内冷，数字解释同，YHG-优化改进型。 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： (1)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

4、示极数。 (2)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 (1)。第一节 同步发电机的结构下表为空气、氢气、油和水四种冷却介质的冷却性能。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，冷却能力是空气的50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，SN 100MW；转子氢内冷、定子氢表冷，SN 250MW；第一节 同步发电机的结构定子、转子氢内冷，SN1000MW；转子氢内冷、定子铁心氢表冷、定子绕组水内冷， SN1200MW；水

5、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。 第一

6、节 同步发电机的结构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。 第一节 同步发电机的结构同步发电机的单机容量可用下式计算： P=KABDi2nP为单机容量；六个影响单机容量的因素：K为常数，不可改变；n为额定转速，r/min，一般也不可改变；Di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械强度的限制不宜过大。为定子铁心有效长度，m

7、，因转子的长度与直径的比例不能太大，所以受转子刚度、挠度的限制不宜过大。B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60 A/mm 提高到200250 A/mm ，再提高有相当难度。第一节 同步发电机的结构四、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；下图是QFSN-300-2型和QFSN-600-2型发电机的侧面图。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

8、副励磁机。副励磁机采用永磁性转子，定子发出400500Hz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。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发电机组采用静止励磁方式（自并励励磁方式）。 庄河发电机第一节 同步发电机的结构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

9、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。 第一节 同步发电机的结构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

10、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。 第一节 同步发电机的结构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

11、， 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。 第一节 同步发电机的结构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。 第一节 同步发电机的结构通风冷却系统介绍几种典型的通风冷却系统。半轴向通

12、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。 第一节 同步发电机的结构定子铁芯

13、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

14、。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。 第一节 同步发电机的结构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。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。

15、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(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。 第一节 同步发电机的结构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；

16、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。(1)氢气由中央制氢站或储氢罐提供。(2)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。 第一节 同步发电机的结构(3)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。(4)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。(5)在发电机充

17、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。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。氢气走向正常干燥：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；第一节 同步发电机的结构监测：发电机高压区气体分析器发电机，以保持氢气纯度。二氧化碳CO2（氮气N2）的作用：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%

18、 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。下图为利港发电厂和两种600MW汽轮发电机组的供气系统图。 第一节 同步发电机的结构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

19、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5S/cm（S为西门子），最高不大于10S/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及信号器等。 第一节 同步发电机的结构供水走向：水箱水泵水冷却器滤网（45）发电机定子水箱（7580）；流量：2630t/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，水箱装设气水分离系统，通过排气管道排出；补充：补充水电磁阀S离子交换器过滤器水箱；信号：水泵停止

20、、液位过高或过低、水温过高、电导率过高、氢水压差过低等均发信号。下图为利港发电厂和其他发电厂的供水系统图。 第一节 同步发电机的结构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

21、。从运行安全上考虑，一般要求油压比氢压高0.030.08MPa。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0.40.6MPa。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。如下图是典型供油系统和利港发电厂的供油系统图。供油系统应有两个独立的油路系统。第一节 同步发电机的结构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

22、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；直流油泵：保证供油可靠性；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。第一节 同步发电机的结构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图所示。二、双流环式

23、油密封如下图所示。三、三流环式油密封如下图所示。 第二节 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。 如图是同步发电机的工作原理图。定子三相绕组A-X、B-Y、C-Z对称安装在定子铁心内。所谓对称是指三相绕组匝数相等、轴线在空间上相差120电角度（如下图所示）。励磁绕组装设在转子上，绕组中通以直流电流产生发电机主磁场，磁通如图所示。原动机带动转子旋转，在定子三相绕组上感应产生对称的三相电势，即第二节 发电机的工作原理感应电势的频率取决于发电机的极对数p和转子转

24、速n（r/min）。即 f=pn/60 （Hz）表明发电机的极对数p和转子转速n一定时，发电机电势频率就一定，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。我国规定的标准频率为50 Hz，当极对数p=1时，转子转速n=3000r/min；当极对数p=2时，转子转速n=1500r/min，以此类推。发电机三相绕组与三相对称负载接通，会产生对称三相电流，并产生一个合成的旋转磁场，其转速n = 60 f/p，即旋转磁场的转速与发电机转子相同，又称同步，同步发电机即由此得名。第二节 发电机的工作原理二、同步发电机的额定参数额定容量SN或额定功率PN发电机长期安全运行时，所能够输出的最大

25、视在功率（kVA或MVA）或有功功率（kW或MW）；额定电压UN发电机额定运行时，机端定子三相绕组的线电压（V或kV）；额定电流IN发电机正常连续运行时，定子绕组允许通过的最大线电流（A）；额定功率因数cosN同步发电机的额定功率与额定容量的比值。关系： PN= SNcosN= UNINcosN第二节 发电机的工作原理其它参数额定效率N(% )，额定频率fN(Hz)，额定转速nN(r/min)，额定励磁电压ULN(V)，额定励磁电流ILN(A)，额定温升N()等。国电蚌埠发电厂发电机的参数：额定功率：600MW； （连续最大648.322MW）额定电压：20 kV； 额定电流：19250 A；

26、额定功率因数：0.9； 额定效率：99.0%；额定频率：50 Hz； 额定转速：3000 r/min；极数：2； 冷却方式：水-氢-氢；额定氢压：0.4MPa； 绝缘等级：F负序电流承载能力： 连续： (I2/IN)10%； 短时： (I2/IN)2t10S；短路比：0. 542山东潍坊发电厂二期2670MW机组工程汽轮发电机组采用上海汽轮发电机有限公司引进西屋公司技术生产的670MW等级水氢氢汽轮发电机及其配套的自并励静止励磁系统。基本规格和参数：额定容量733MVA额定功率： 660MW（保证值）（额定氢压0.5MPa、氢冷却器进水温度35）最大连续功率：708MW（额定氢压0.5MPa、

27、氢冷却器进水温度30）最大输出功率：738MW（额定氢压0.5MPa、氢冷却器进水温度26）额定功率因数0.9（滞后）额定电压20kV定子额定电流IN 21180A 额定转速3000r/min额定频率50Hz相 数3极 数2定子线圈接法 Y Y额定氢压 0.50MPa额定效率（保证值） 98.92% 短路比（保证值）0.5 额定励磁电压UfN 441V 额定励磁电流IfN 4493 A 冷却方式 水氢氢 励磁方式 自并励静态励磁 定子线圈极限温度 79 转子线圈极限温度98 定子铁芯极限温度93 定子端部结构件允许温度120 发电机进口风温4648 发电机出口风温80 定子冷却水流量105 m

28、3/h 定子冷却水进口温度4050 定子冷却水出口温度85 定子冷却水导电率0.51.5S/cm 定子水冷却器进水温度38 定子水冷却器出水温度43 定子冷却器水流量300m3/h 氢气冷却器进水温度35 氢气冷却器出水温度40 氢气冷却器水流量900t/h 冷氢温度46 热氢温度80 额定氢压0.5MPa(g) 最高允许氢压0.52MPa(g) 轴承润滑油进口温度3545 轴承润滑油出口温度70 轴承润滑油流量930L/min 氢侧密封瓦进油温度4049 氢侧密封瓦出油温度70 氢侧密封瓦油量55L/min 空侧密封瓦进油温度4049 空侧密封瓦出油温度70 空侧密封瓦油量235L/min定

29、子铁芯内径D01316mm,外径Da2673mm 定子铁芯长度Li 6300mm 例如国电庄河发电厂QFSN-600-2YHG发电机组的参数：额定功率：600MW（最大660MW）； 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：421.8 V； 额定励磁电流：4128 A；极数：2； 额定氢压：0.4Mpa。第二节 发电机的工作原理三、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

30、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 。上述磁通势、磁通、电动势之间的关系可表示如下： 第二节 发电机的工作原理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 第二节

31、 发电机的工作原理第二节 发电机的工作原理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 同步发电机的运行特性运行特性：同步发电机带对称负载运行时，负载电流I、功率因数cos 、端电压U及励磁电流IL等物理量之间的关系。空载特性：发电机在定子绕组开路(I=0)、转速等于额定转速nN时，空载电势Eq0与励磁电流IL的关系曲线，如图所示；该特性曲线表征了发电机磁路的饱和情况，可用来求发电机的参数，还可用来判断发电机的励磁绕组匝间短路故障；短路特性：发电机在定子绕组短路、转速

32、等于额定转速nN时，定子短路电流I与励磁电流IL的关系曲线，如图所示；该特性曲线可用来求发电机的重要参数：饱和的同步电抗与短路比，还可用来判断发电机的励磁绕组匝间短路故障；第三节 同步发电机的运行特性负载特性：发电机在定子电流I为额定、转速等于额定转速nN 、功率因数cos为常数时，发电机电压U与励磁电流IL的关系曲线，如图所示；不同的cos值，可得到不同的曲线；空载特性、短路特性和负载特性可以测定发电机的基本参数。外特性：发电机在额定转速nN下，保持励磁电流IL和功率因数cos不变时，发电机电压U与负载电流I的关系曲线，如图所示；特性曲线分为感性负载、电阻负载和容性负载下的特性，其中感性负载

33、、电阻负载特性随负载电流I的增大而下降，因其电枢磁场对主磁场呈去磁作用；容性负载特性随负载电流I的增大而上升，因其电枢磁场对主磁场呈助磁作用；第三节 同步发电机的运行特性调整特性：发电机在额定转速nN下，保持电压U和功率因数cos不变时，发电机励磁电流IL与负载电流I的关系曲线，如图所示；特性曲线分为感性负载、电阻负载和容性负载下的特性，其中感性负载、电阻负载特性随负载电流I的增大而增大，这是为了保持电压U不变，必须相应地增加励磁电流，以补偿负载电流产生电枢磁场的去磁作用；容性负载特性随负载电流I的增大而下降，这是为了保持电压U不变，必须相应地减小励磁电流，以抵消负载电流产生电枢磁场的助磁作用

34、；功角特性：发电机接入电网正常运行时，发电机的电磁功率与功角（发电机空载电势与端电压之间的夹角）之间的关系曲线，如图所示。前面系统稳定性时已经讲过。第四节 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，特点：发电机的有功负荷、无功负荷、电压、电流等都在允许的范围内，是稳定、对称的工作状态；额定工作状态：有功负荷、电压、功率因数、频率、冷却介质温度均额定；发电机工作在额定工作状态时，损耗小、效率高、转矩均匀等；发电机一般运行在接近额定工作状态下运行；正常运行时，需要不断调节发电机的各项参数，但不能超出允许范围。一、发电机的安全运行极限在稳定运行条件下，发电机的安全运行极

35、限取决于以下4个条件：(1)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；(2)发电机的额定兆伏安数，即由定子发热决定的允许范围。(3)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。(4)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，E0和U之间的夹角不断增大，此时，发电机有功功率输出受到静态稳定条件的限制。 第四节 同步发电机的正常运行二、运行参数不同于额定参数时发电机的运行发电机的额定容量是按照额定冷却介质温度、额定电压、额定频率和额定功率因数等运行条件下设计的。在实际运行中，发电机的冷却介质温度、电压、频率和功率因数等都经常发生变化，

36、相应地发电机的出力也随之发生变化。冷却介质温度不等于额定值时对额定容量的影响当同步发电机的冷却介质温度不等于额定值时，一般不能在额定容量条件下运行，其允许负荷可随冷却介质温度的变化而改变。决定允许负荷的原则是定子绕组和转子绕组的温度都不超过其允许值。第四节 同步发电机的正常运行发电机定子绕组的温度主要由以下几个部分组成：冷却介质的温度；因通风摩擦损耗而引起的温升；因铁耗引起的温升；因铜耗引起的温升。发电机转子绕组的温度主要由以下几个部分组成：冷却介质的温度；因铁耗引起的温升；因通风摩擦损耗而引起的温升；因铜耗引起的温升。冷却介质温度变化时的允许出力如图所示。第四节 同步发电机的正常运行由特性可

37、以看出，当冷却介质温度高于额定值时，应降低的定子电流倍数大于应降低的转子电流倍数，故应该以限制定子电流来减小出力，此时转子绕组温度不会超出允许值；当冷却介质温度低于额定值时，应增加的转子电流倍数小于应增加的定子电流倍数，故应该以限制转子电流来增加出力，此时定子绕组温度不会超出允许值。 同时特性还表明：冷却介质温度比额定值每低1所能增加的电流倍数（取决于转子）较冷却介质温度比额定值每高1所能降低的电流倍数（取决于定子）小，这一原则一般对发电机都适用，发电机运行规程中所规定的电流允许变化范围即依据此原则确定。第四节 同步发电机的正常运行端电压不同于额定值时发电机的运行发电机正常运行时，其端电压允许

38、在额定电压5%范围内变动，而发电机本身的额定出力不变。当端电压降低5%时，定子电流可增加5%；当端电压升高5%时，定子电流可减小5%，从而保证定子绕组和转子绕组的温度都不会超过允许值。当端电压低于额定值的95%运行时，定子电流不应超过额定值的5%，此时发电机须降低出力运行，否则定子绕组的温度要超出允许值；发电机运行端电压的下限是根据运行稳定性来确定的，一般不低于其额定值的90%；当端电压高于额定值的105%运行时，发电机出力也必须降低，因电压升高使铁心磁通密度增加，铁耗增大，进而引起铁心温度和定子绕组温度升高；此外，发电机端电压升高时，若维持发电机有功输出不变，需要加大励磁电流，引起转子温度升

39、高，使转子绕组的温度要超出允许值。 第四节 同步发电机的正常运行发电机运行的最高电压应按照制造厂家的规定执行，一般不超过额定电压的10%。否则可能会因定子漏磁的大大增加，使定子机架感应巨大电流（如图），引起局部过热甚至烧毁。 第四节 同步发电机的正常运行运行频率不同时的发电机运行规程规定发电机的运行频率要在一定范围内，我国采用50Hz0.20.5Hz。运行频率比额定值高时，发电机转速升高，转子离心力增大，进而损坏某些部件，故转子机械强度是限制频率的主要因素；此外频率升高，转速增加，摩擦损耗增大，发电机效率降低。运行频率比额定值低时，发电机转速下降，冷却风进风量减少，使发电机冷却条件变坏，温度升

40、高；同时频率降低，需增加磁通以维持电压不变，进而产生局部过热；此外频率降低，还可能损坏汽轮机叶片、厂用电动机出力下降，危及电厂安全经济运行。 第四节 同步发电机的正常运行功率因数不同时发电机的运行 发电机允许在不同的功率因数下运行，但受下列条件的限制。 (1)高于额定功率因数时，定子电流不应超过允许条件的限制。 (2)低于额定功率因数时，转子电流不应超过允许值。 (3)发电机在进相运行时，功率因数应受到稳定极限的限制 第五节 同步发电机的特殊运行 一、进相运行系统电压升高，线路增长，电容电流增大，出现轻负荷时无功功率过剩，使系统枢纽变电所电压超过额定值（可达15%20%），利用发电机进相运行可

41、以消耗无功功率，进行电压调整。若调整发电机的励磁电流，使发电机电势 ,则发电机从迟相运行转为进相运行，即从发出到吸收无功功率；励磁电流越小，从系统吸收的无功越大，功角也越大，所以发电机在进相运行时，允许吸收多少无功，发出多少有功，主要取决于发电机的静态稳定的极限角。另外，发电机在进相运行时，会因发电机端部漏磁引起的涡流损失和磁滞损失而导致端部发热。因此，发电机从迟相运行转为进相运行，静态稳定储备下降，端部严重发热。第五节 同步发电机的特殊运行发电机进相运行时，限制发电机容许出力的另一个因素是发电机端部发热。端部发热是由端部漏磁引起的，发电机的端部漏磁是由定子绕组端部漏磁和转子绕组端部漏磁组成的

42、合成磁通。它的大小除与发电机的结构、型式、材料、短路比等因素有关外，还与定子电流的大小、功率因数的高低等因素有关。发电机在进相(欠励磁)运行时，其端部发热比迟相(过励磁)运行严重。原因是在相同的视在功率下，发电机随着功率因数COS由迟相向进相转移时，端部的漏磁通密度增大，引起定子端部的发热也逐步趋向严重。根据理论计算，定子端部漏磁密度Be的平方随功率因数角之间存在如图4-22所示的关系。端部合成磁通随功率因数COS变化的曲线如图5-10所示。 第五节 同步发电机的特殊运行从图4-22可以看出，当视在功率一定，发电机从迟相向进相转移时，在COS=1(即=0)附近，定子端部磁密上升很快。此后，随着

43、进相角增大，COS降低，吸收的无功功率增多，Be仍继续增大。而定子端部温升与Be成正比，因此可能在进相运行时使发电机定子端部过热，从而成为限制发电机进相运行容量的因素之一。 第五节 同步发电机的特殊运行上面讨论在视在功率一定时定子端部漏磁通与功率因数的关系，而当功率因数一定时，端部漏磁通约与发电机的视在功率S成正比，如图4-23所示。由图中可以看出，如欲保持定子端部发热为一定值，亦即端部漏磁通为一定值，随着进相程度的增大，视在功率S应相应降低。由于发电机进相运行时的端部漏磁通及温升随功率因数和输出功率而变化，所以为了在进相运行时不致使端部温升超过允许值，应作发电机进相运行时定子端部温升限额曲线

44、。根据这一温升限额曲线就可以确定在不同进相运行深度时，端部温升不超过允许值的条件下，发电机的有功功率和无功功率的限值。 第五节 同步发电机的特殊运行发电机在进相运行时，出力越大，静态稳定性越差，如图为在功率因数一定的条件下，发电机端部漏磁通与出力的关系。由图看出：欲保持一定的静态稳定储备，保持端部发热为定值，随发电机进相程度的增大，应相应降低出力。第五节 同步发电机的特殊运行下图为大型机组发电机允许出力（有功和无功）与功率因数的关系。第五节 同步发电机的特殊运行由图看出：当发电机由迟相转为进相运行时，随功率因数的下降，发电机的允许出力剧烈下降。大型发电机降低端部发热的措施：采用非磁性钢转子护环

45、；采用铜板屏蔽；开槽分割限制涡流等。二、调相运行同步发电机只发出无功或只吸收无功的运行方式称发电机的调相运行。遇下列情况发电机须调相运行：水轮发电机在低水位或枯水季节；汽轮发电机的汽轮机检修期间；汽轮发电机的技术经济指标很低。发电机调相运行分为：过励磁运行和欠励磁运行。过励磁运行：系统无功不足，负荷在电厂附近时；欠励磁运行：电厂带低负荷，且经长线路与系统相连时。第五节 同步发电机的特殊运行发电机在调相运行时，可与原动机不分离，也可与原动机分离单独运行。与原动机不分离方式的优点：运行灵活性较大，在不改动设备的情况下，既可以调相运行，又可以作为系统热备用，随时可转为正常发电方式。这种方式的缺点：须

46、带动原动机旋转，损耗较大；另外，发电机调相运行须对发电机端部、汽轮机叶片过热和散热等进行详细分析和试验；特别是水轮发电机是立式结构，一般不能与原动机分离，此时为减小损耗，须用压缩空气将水压出。与原动机分离单独运行方式的优点：可以减少有功损耗。缺点：启动需用电动机拖动至额定转速或借助异步转矩启动。第五节 同步发电机的特殊运行三、过负荷运行正常运行时，发电机定子和转子电流均不超过限定值。当系统发生短路、发电机失步运行、大批电动机自启动及强行励磁装置动作时，发电机的定子和转子都可能短时过负荷。电流超过额定值会使绕组温度超过允许值，严重时可能造成机械损坏。过负荷数值越大、持续时间越长，上述危险越严重。

47、因此发电机只允许短时过负荷。影响发电机过负荷时间的因素：发电机过负荷数值、持续时间和冷却方式； 中小型发电机组定子绕组在1.5倍额定电流下允许持续运行2min，转子励磁绕组在2倍额定电流下允许持续运行30s；而60OMW机组在同样的工况下，只能持续运行30s和l0s。过流能力随着容量的增加而显著下降，负序过电流能力I2t值对中小型机组为30左右，而60OMW机组则减小到4.0。 第五节 同步发电机的特殊运行四、异步运行发电机励磁系统故障、因误投灭磁开关使发电机失磁、短路故障使发电机失步等，都可能导致发电机异步运行。研究结果证明：发电机失去励磁后，在一定时间内能够以异步状态运行，并继续向系统输送

48、有功功率，这是提高系统安全、稳定运行的重要措施。影响发电机失磁后异步运行的允许时间和输送功率的因素：定子和转子发热限制；转子电磁不对称产生的脉冲转矩引起的机组和基础振动的限制；系统无功功率是否充足的限制；第五节 同步发电机的特殊运行发电机失磁后观察到的现象 失磁后的异步运行状态与原先的同步运行状态相比，有许多不同之处，其现象可由表计的变化看出，主要有： (1)转子电流表的指示降为零或降到接近于零； (2)定子电流表摆动且指示增大； (3)有功功率表指示减小且也发生摆动； (4)无功功率表指示负值，功率因数表指示进相，发电机母线电压表指示值下降并摆动； (5)转子各部分温度升高。 第五节 同步发

49、电机的特殊运行五、不对称运行不对称负荷、输电线路不对称以及非全相运行等都导致发电机不对称运行。发电机不对称运行，除有正序电流外，还会有负序电流。负序电流产生与转子旋转方向相反的旋转磁场，从而引起定子绕组过热、转子的附加发热及振动，对发电机造成危害。发电机不对称运行时，其允许负荷主要定于下3个条件。 (1)负荷最大相的定子电流，不应超过发电机定子的额定电流。 (2)转子最热点的温度，不应超过转子绝缘材料和金属材料的允许温度。 (3)不对称运行时出现的机械振动，不应超过允许范围，机械振动的允许值按制造厂推荐的标准确定。 对负序电流的限制措施限制负序电流的措施主要有：供电部门：尽可能保持三相平衡，避

50、免单相负荷集中于一相。电力系统：系统的零序阻抗对不对称运行的电流不对称度有直接影响，故运行中应适当减小零序阻抗，如增加变压器中性点直接接地点等。电机制造商：在设计、制造工艺上尽可能减轻负序电流的危害。如对300MW和600MW大型汽轮发电机组在转子两端装设梳齿形半阻尼系统，以在出现负序电流产生的反向旋转磁场时，在该梳齿形半阻尼系统中感应出涡流，对负序磁场起削弱作用，有利于降低转子端部及槽楔接缝处的局部发热。为了限制汽轮发电机运转中的负序电流引起的发热，对国产300MW和600MW机组提出两项指标：暂态指标和稳态指标。 暂态指标是用来限制不对称短路时间和负序电流值的。如300MW和600MW汽轮

51、发电机组应满足I22t的持续时间小于10s，其中I2为标幺值，t为短路时间（s）。I2由下式决定：式中i2为负序电流瞬时值对额定电流的比值。I22t表明不仅限制I2值，而且要限制其承受I2的时间。稳态指标是用来限制稳态负序电流的。如对300MW和600MW汽轮发电机，通常要求I2/ IN（标幺值）小于0.080.10。如黄金埠电厂和国电庄河电厂600MW汽轮发电机的I22t不超过10s，I2/ IN值不超过0.10。下表是国产300MW和600MW机组的负序电流指标。 系统运行：要注意不对称运行时，负荷最重的相电流不应超过发电机组的额定值，而且各相电流差值与额定电流之比不能超过10%，否则要降

52、低发电机的出力。 发电机运行中的监视与检查维护 发电机运行中的监视正常运行时，运行人员应对发电机进行下列项目监视：每小时记录发电机各运行工况参数，并与打印报表相对照，若有异常，应进行分析并找出原因。若发现个别温度测点异常，应根据具体情况加强该部位的监视，缩短记录时间，并向有关部门汇报处理；严格监视发电机的运行工况，及时调整使发电机的运行参数不超过规定值；按照调度下达的负荷曲线，合理经济地调整各发电机的有功负荷和无功负荷。 发电机运行中的检查正常运行时，运行人员应对发电机及其附属设备进行全面认真的检查，若发现缺陷时，应及时记录、汇报和处理。检查的项目有：发电机及其附属设备各部分的温度、温升应正常

53、；从发电机窥视孔内检查定子绕组端部不变形、无漏胶；无绝缘破坏、绑线垫块松动现象发生；在灭灯情况下观察有无电晕发生；电刷及接地电刷连接应牢固，应无过热、卡涩、破碎、跳动现象；压簧完好，引线接线良好；电刷应无冒火现象，电刷长度应不小于20mm； 空冷室照明应良好，窥视窗玻璃完好，空气冷却器无漏风、漏水、结露现象发生；整流柜应运行正常，各元件应完好；各断路器、隔离开关及其连接母线应无过热现象，支持绝缘子、电流互感器、电压互感器及穿墙套管应无电晕放电现象；油断路器油位、油色应正常，无漏油、喷油现象；SF6断路器SF6气体压力、纯度、微水量应正常；自动调节励磁装置各指示灯、表计显示应正常，各插件无松动，

54、各开关投切符合要求；机组所有保护应运行正常，连接片位置正确。 对双水内冷发电机组还应检查下列项目：发电机定子、转子冷却水压力、流量、进出口温度、温升及进出风温应正常；发电机本体的冷却水系统应无渗水、漏水现象，液位检测器工作应正常。对氢冷发电机组还应检查以下项目：轴承油温、轴瓦温度、轴承振动及其他运转部件应正常；发电机氢气系统各阀门应处于规定开、关位置；励磁机小室内应无漏油、漏水现象；对采用无刷励磁的发电机，应检查无刷励磁系统的旋转整流二极管无损坏；检查氢气压力应在规定范围内，其纯度应大于96%，微水量应符合要求；液位检测器工作应正常；发电机空、氢侧密封油系统运行应正常。 发电机运行中的维护在发

55、电机运行中应进行下列维护工作：定期进行滑环和电刷的清洁工作。包括清除电刷刷架、刷握、滑环等处的积灰和油污；定期测量滑环电刷的均流度，并消除发现的问题。在长期运行中，发电机滑环电刷因各种原因（电刷长短不一、弹簧压力不均等）使接触电阻不等进而造成滑环电刷电流不均，反映电流不均匀的程度称均流度。零电流电刷越多，其它电刷承载的电流就越大，若不及时发现和处理，会使大电流电刷严重发热甚至烧红，继而可能造成恶性循环，甚至被迫停机。 及时更换过短和不能继续使用的电刷。更换时要使用规定型号的电刷，如果使用的电刷的材质硬度和导电性能不合适，有可能加速滑环表面磨损或导致部分电刷过热，影响机组的运行。在更换电刷的过程

56、中，要防止接地，严禁同时用两手碰触励磁回路和接地部分或不同极性的带电部分，也不允许两人同时对同一机组不同极的电刷更换，以免造成励磁系统两点接地短路。更换后的电刷应在刷握内活动自如、压紧弹簧压力正常。 第六节 水氢冷600MW汽轮发电机组的水气油系统 第六节 水氢冷600MW汽轮发电机组的水气油系统 所谓水氢冷汽轮发电机的水气油系统是指发电机定子线圈内冷水系统、发电机转子内冷及铁芯冷却氢气系统和发电机的密封油系统。本节主要介绍水氢冷600MW汽轮发电机组的水气油系统。一、发电机定子冷却水系统概述本节对水氢冷600MW汽轮发电机定子线圈内冷水系统了比较详细的介绍。产品结构介绍1、水系统特点及功能定

57、子线圈冷却水系统是一个组装式的闭式循环系统，本系统的特点及功能简介如下：采用冷却水通过定子线圈空心导线，将定子线圈损耗产生的热量带出发电机。用冷却器带走冷却水从定子线圈吸取的热量。系统中设有过滤器以除去水中的杂质。用旁路式离子交换器对冷却水进行软化，控制其电导率。使用检测仪表及报警器件等设备对冷却水的电导率、流量、压力及温度等进行连续的监控。具有定子线圈反冲洗功能，提高定子线圈冲洗效果。水系统中的所有管道及与线圈冷却水接触的元器件均采用抗腐蚀材料。 第六节 水氢冷600MW汽轮发电机组的水气油系统2、发电机线圈冷却水路系统定子线圈冷却水通过外部进水管进入发电机励端定子机座内的环形总进水管，其中

58、一路通过聚四氟乙烯绝缘水管流入定子线棒中的空心导线，然后从线圈的另一端（汽端）经绝缘引水管汇入环形出水管；另一路经绝缘引水管流入定子线圈主引线，出主引线后经绝缘引水管汇入安置在出线盒的出水管，然后也经外管道汇入汽端环形出水管。双路水流最后从汽端机座上部流出发电机，经总出水管返回到水箱。 环形进水管和出水管的顶部通过一根排气管相互连接，排气管直接和水箱相通，用以排除定子线圈中的气体。该排气管还可在水系统断水时起防止虹吸的作用。总进、出水管之间装有压差表计和一系列压差开关，用于指示冷却水通过定子线圈的水流压降，并对不正常的压降发出报警信号。外部总进、出水管上各装有一个测温元件和一个温度开关，用于进

59、、出水管的监测和报警。此外，总进水管上还装有锥形过滤器，用于防止较大尺寸的杂质进入定子空心导线。总进水管上装有压力表用于指示进水压力。在总进水管和发电机定子机座之间还装有压差开关。压差开关的高压端接至定子机座内部（氢压），低压端与总进水管（水压）相连。正常运行时，发电机内的氢压应高于定子线圈进水压力。当发电机内氢压下降到仅高于进水水压35kPa时，该压差开关将动作并发出“氢水压差低”报警信号。 3、水箱水箱是闭路循环水系统中的一个储水容器。定子线圈的出水首先进入水箱，回水中如含有微量的氢气可在水箱内释放。当水箱内气压高于一定值时，可通过水箱上安全阀自动排气。水箱装有液位开关，用于自动控制补水以

60、保持箱内正常的液位水平及对过高或过低的液位发出报警。水箱上还配有液位计，用以观察水箱液位。由于少量高压氢气可渗过聚四氟乙烯绝缘引水管而进入定子水系统中，最终汇集于水箱上部。因此，在发电机运行时，水箱上部聚有氢气是正常的现象。 第六节 水氢冷600MW汽轮发电机组的水气油系统机组初运行是因机内氢气湿度可能偏高，同时定子线圈内部循环水温度又可能过低，为防止定子线圈表面结露，水箱内还装有蒸汽加热装置，以便在机组升压和投入运行之前对定子线圈内部的循环水进行加热，从而杜绝线圈表面结露现象的发生。蒸汽加热装置的蒸汽来源为电厂杂用蒸汽，压力为0.81.3MPa，温度约320左右。流量为2m3/h。 第六节