第一章 汽轮发电机
第一节概述
同步发电机是生产电能的基本设备 , 是电网的心脏 , 它的运行可靠性直接影响电网运行 及向用户安全、经济地供电。运行中的发电机、绕组和铁芯都要发热 , 所产生的热量和电机 的输出功率有着密切的关系。电机的输出功率越大 , 其发热量也越多 ,
当超过额定值时 , 便 会使电机的温度过高而超过绝缘允许值。反之 , 人为地提高和增大冷却的效果 , 使冷却介质 在相同时间内带走更多的热量 , 则发电机输出的功率就越大。由此可见 , 电机的冷却能力在 一定程度上影响了发电机出力的大小。
当今世界上大容量发电机组采用的冷却方式通常有三种 : ①全氢冷方式 ; ②定子绕组水
内冷 , 其余为氢冷 ( 水氢氢 ) 方式 ; ③双水内冷 ( 水水空 ) 方式。我国目前生产的 3 ∞ MW 发电机多采用后两种 , 表 3-1-l 给出了目前我国三大电机厂所生产的 3 ∞ MW 汽轮发电机的主 要额定参数。该表表明 ,QmNJ ∞ -2 型汽轮发电机都是水氢氢冷却方式 , 即定子绕组为水内 冷 , 转子绕组为氢内冷 , 定子铁芯为氢表冷的冷却方式。 QF33 ∞ -2 型汽轮发电机采用的是 双水内冷 ( 水水空 ) 方
式 , 即定子绕组、转子绕组均为水内冷 , 定子铁芯为空冷的冷却方 式。
双水内冷发电机为我国首创。水内冷技术的应用 , 为提高发电机容量开辟了一条新的 道路。由于水的冷却能力比空气大 50 倍 , 因此发电机的定子和转子采用了水内冷后 , 可以 大幅度地提高发电机的出力 但相对于全氢冷和水氢氢冷却的发电机来说 , 定、
O
转子绝缘
引水管漏水而导致的故障较多 ; 对全氢冷和水氢氢发电机来说 , 由于其转子采用氢内冷 , 不会发生因水内冷转子的绝缘引水管漏水而导致的故障 , 所以运行的可靠性较之水冷转子 为高。
因为目前新建和扩建的火电厂单机容量均采用 3 ∞ MW 及以上的发电机组 , 尤其以 3 ∞ MW 机组居多 , 所以本篇以某电机股份有限公司所设计制造的 03NJ ∞ -2-20 型三相同步 交流发电机为主 , 介绍 3 ∞ MW 汽轮发电机组的结构、原理及运行维护知识 , 对其他机型做 简要介绍。
国产300MW机组主要参数
型号 QEBN-3∞-2-20 东方电机厂 3∞MW 20kV 10190A 0.85 3αmr/m 0.3MPa 98.8 0.556 QFBN-3∞-2 哈尔滨电机厂 3∞MW 20KV 10190A 0.85 3αmr/m 0.3MPa 98.82 0.656 QEBN-3∞-2 上海电机厂 3∞MW 2OKV 10190A 0.85 3αMBr/m QEB-3∞-2 上海电机厂 页PMW 18kV 11320A 0.85 3αEDr/m QFBN-3∞-2 上海电机厂 3∞MW 2OKV 10190A 0.85 3αMBr/m 生产厂家 额定功率 额定电压 额定电流 额定功率因数 额定转速 额定氢压 效率 短路比 冷却方式 O.3IMPa 98.8 0.2MPa(水压) 98.61 O.4MPa 98.6 0.5 水氢氢 0.47 水水空 0.5 氢氢氢 水氢氢 水氢氢
第二节汽轮发电机组的基本结构和主要参数
-、同步发电机的基本结构
额定功率 :PN=3 ∞ MW( 发电机正常运行时 , 所能输出的最大有功功率 ); 额定定子电压 :UN=2OKV( 发电机额定运行时 , 机端定子三相绕组的线电压 ); 额定定子电
QmN-3 ∞ -2 20 型发电
·
机通常采取卧式轴 , 轴
系上带有三台同步发电机 , 流 :IN=10190A( 发电机连续运行时 , 定子绕组允许通过的最大线电流 ); 额定功率因数 :c ω伊
即发电机、主 N=0.85( 滞后 )( 同步发电机的额定功率和额定容量的比值 ); 额定频率 :A =5OHz; 额定转速 :nN=3 侧 r/mn;
定子绕组接线方式 : 双 Y( 并联 ); 额定励磁电压 :U 刑 =463V; 额定励磁电流 :I 倒 =2203A; 额定氢压 :0.3MPa;
定子绕组直流电阻 (15 ℃ ):0. ∞ 19170/ 相 ; 转子绕组直流电阻 (15 ℃ ):0.15610;
定子每相对地电容 :A B C 三相各为 0.2242 μ F;
、
、
励磁机、副励磁机。发电机定子绕组及其连接线、出线采用水内冷 , 转子绕组、定子铁芯及 端部采用氢冷 , 密封系统采用双环流式油密封。发电机的励磁采用同轴交流励磁机带静止硅 整流的励磁方式 ; 交流励磁机的励磁采用同轴交流励磁机静止晶闸管整流励磁方式 ; 副励磁 机为稀土钻永磁交流发电机的副励磁机、主励磁机、发电机三机同轴有刷励磁系统。
就发电机而言 , 其最基本的组成部件为定子和转子。定子主要由定子铁芯、定子绕组 ( 也叫电枢绕组 ) 、机座、端盖及挡风装置等部件组成 ; 转子
直轴同步电抗 Xd:204.7%; 横轴同步电抗 Xq:193%; 直轴暂态电抗 X'd:26.61%; 横轴暂态电抗 X'q:37%; 直轴次暂态电抗 X 飞 :16.18%; 横轴次暂态电抗 X 飞 :17.50%; 负序电抗 X2:19.74%; 零序电抗 Xo:7.37%; 短路比 SCR:0.5520 各参数之间关系 :
额定功率 PN=dUNINeos 伊 N; 额定转速 nN= ω JYp( 其中 :f 为电网频率 ,p 为同步发
主要由转子铁芯、转子绕组 ( 也 叫励磁绕组 ) 、滑环、转轴等部件组成。
定子铁芯是电机磁路的一部分 , 同时也嵌放定子绕组 ; 定子绕组是定子的电路部分 , 是 实现机电能量转换的重要部件。定子机座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。
转子铁芯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、机械强度高的合金锻成 , 并和轴锻成一个整体。转子绕组是转子的电路部
分 , 直流励磁电流一般是通过电刷和集电环引入转子绕组 , 形成转子的直流电路。 二、主要参数
发电机型号为 QFSNJ ∞ -2 20, 其中 Q 表示汽轮 ,F 表示发电机 ,S 表示定子绕组水内
·
冷 ,N 表示转子绕组氢内冷 ,3 ∞表示发电机额定有功功率为 3 ∞ MW,2 表示有 2 个磁极 ,
20 表示发电机额定端电压为 2OKV 。其主要参数有 :
额定容量 :SN=353MVA( 发电机连续运行时 , 所能输出的最大视在功率 ); 电机磁极对数 , 汽轮机磁极对数 p 为 1)
第三节发电机的工作原理及工作特性
一、同步发电机的工作原理 同步发电机的工作原理是利用电磁感应原理将机械
能转变为电能。按照电磁感应定律 , 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 , 这就是发电机的基本工作原理。
图 3 1 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。所请对称三相绕组 , 就是每相绕
、
、
组匣数 相等 , 三相绕组的轴线在空间互差 120 。电角度。汽轮发
电机转子直接与汽轮机转子连接 , 当蒸汽推动汽轮机高 速旋转时 , 发电机转子随着转动 , 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图 3 1 1 同步发电机工作原理图 场 , 它随着汽轮发电机转子旋转 , 其磁通
·
·
如图中虚线所 1 一定子铁芯 ;2 一转子 ;3 一集电环
示。磁通自转子的一个极发出来 , 经过空气隙进入转子、另一个极构成回路。发电机转子旋 转一周在定子绕组内感应的电动势正好变化一次 , 所以电动势每秒钟变化的次数恰好等于磁 极每秒钟的旋转次数。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。因此 , 三相感应电动势在时间上也互差 1200 电角度 , 发电机发出的就是对称三相交流电 , 即
eA=Emsin ω t
eB=Emsin( ω t-1200) ec=Emsin( ω t-2400)
感应电动势的频率取决于发电机磁极对数 p 和转子转速 n 。发电机转子为一对磁极时 , 转子旋转一周 , 定子绕组中的感应电动势正好交变一次 , 即一个周期 ; 假如发电机转子有 p 对磁极时 , 转子旋转一周 , 感应电动势就交变了 p 个周期。设转子的转速为 n (r/min), 则 感应电动势每秒钟交变 pn/60 次 , 即感应电动势的频率为
·
·
f=pn/60(Efz)(3 1-2)
·
式 (3 1 2) 表明 , 当同步发电机的极对数 p 、转速 n 一定时 , 则定子绕组感应电动势的
频率一定 , 即转速与频率保持不变的关系。
我国电力系统的标准频率规定为 50 施 , 因此 , 当 n =3 则 r/mn 时 , 发电机应为一对极 ;
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 ( 定子磁场 ), 定子旋转磁场的
当 n =15 ∞ r/min 时 , 发电机应为两对极 , 依次类推。
转速 nl=6OPp 。即定子磁场与转子磁场以相同 的方向、相同的速度转速旋转 , 故称为同步发电机。
二、同步发电机的工作特性
同步发电机带对称负载运行时 , 主要有负载电流 I 、功率因数 cos 伊、端电压 U, 励磁电
流 IL 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 EO 为同步发电机的运行特性。
1. 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问 , 定 子绕组开路 (I=0) 时空载电动势 E 。与励磁电流 IL 的关系曲
线 ,
如图 3 1 2 所示。
由图 3 13 可见 , 空载特性曲线与发电机磁路的磁化曲线相同。
·
· ·
图 3 13 同步发电机
·
机磁路的饱和情
的空载特性
空载特性是发电机的基本特性之一 , 它表征了发电
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 , 如励磁绕组有无匣间短路故障。如果励磁绕组有臣间短 路 , 在相同的励磁电流下 , 励磁磁通势减
小 , 曲线下降。
2. 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
IL
路时 , 定子稳态短路电流 I 与励磁电流 IL 的关系曲线 , 即 I=
·
图 3 1 3 同步发电机 f (IL), 如图 3 13 所示。
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短路特 ' 性曲线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 , 增加励磁 , 读取励磁电流及相应的定子电流值 , 直到定子电流 l 达到额定电流值时为止。在试验过程中 , 调整励磁电流时不要往返调整。
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 加励磁 , 读取励磁电流及相
应的定子电流值 , 直到 定子电流达到额定电流值时为止。在试验过程中 ,
在 ?l O 调整励磁电流时不要往返调整。
CO 叩 =08
短路试验测得的短路特性曲线 , 不但可以用来
ψ >0 求取同步发电机的重要参数 : 饱和的同步电抗与短
路比。在实际工作中 , 也常用它来判断励磁绕组有 无臣间短路等故障。显然 , 励磁绕组存在臣间短路
II 时
, 因安匣数的减少 , 短路特性曲线是会降低的。
3. 负载特性
负载特性是当转速、定子电流为额定值 , 功率
因数 c ω伊 = 常数时 , 发电机电压与励磁电流之间的曲线
, 即 U =f(IL) 。图 3-14 所示为不 同功率因数时的负载特性曲线
O
当 c ω伊值不同时 , 我们即可得到不同负荷种类的 特性曲线 O
用负载特性曲线、空载特性曲线、短路特性可以 测得发电机的基本参数 , 这是发电机设计、制造的主 要技术数据。
4. 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 U 与负载电
流 I 之间的关系曲线。图 3 1 5 所示为发电机带不同功
·
·
图 3 1 5 同步发电机的外特性曲线
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·
l 一感性负载 :2 二电阻性负载 ;3 一容性负载
率因数负载时的外特性曲线 O
曲线 1 为感性负载时的外特性曲线 , 它是随 I 增大而下降的曲线 , 这是因为 , 当感性负 载电流增加时 , 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 ∞叩 =1 时 , 负载电流 I 仍滞后于 E , 其电枢磁场也有去磁作 用 , 但去磁程度较小 ; 曲线 3 是容性负载时的外特性曲线 ,
。
它
是随 I 增大而上升的曲线 , 这是因为 , 容性负载电流增加时 , 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
3 增加而增强
, 感应电动势增大 , 所以端电压随之上升。
5. 调整特性
图 3-1-6 同步发电机的调调整特性是指同步发电机在额定转速下 , 端电压和负载功
整特性曲线率因数不变时 , 励磁电流与负载电流的关系曲线 , 图 3 14 是
·
1 一感性负载 :2二电阻性负载 : 同步发电机在不同功率因数时的调整特性曲线。
3 一容性负载图中曲线 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 应地减小励磁电流 , 因此这种情况下的调整特性是下降的 , 如曲线 3 所示。
6. 同步发电机并于无限大系统的功角特性
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
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率与功角之间的关系。所谓功角是指发电机的空载电势 E 。和端电压 U 之间的相位角 O 由图 3 1 7 所示同步发电机的相量图可得
PU
EoU -s
G=uIm 伊 = 亏了 SIns
式中 PG 一一 -发电机一相的电功率 ;
U 一一发电机的相电压 ; I 一一发电机的相电流 ; E 。一一发电机的空载电动势 ; xd 一一发电机的同步电抗 ;
伊一一功率因数角 ;
δ一一功角 o
式 (3-1 3) 表明 , 在发电机的端电压及励磁电流不变时 , 电磁功率 PG 的大小决定于 8
·
角的大小 , 所以称δ角为功角 o 电磁功率随着功角的变化 曲线 , 称为功角特性曲线 , 如图 3-1 8 所示。
·
从功角特性曲线可知 , 同步发电机的电磁功率 PG 与功 角成正弦函数关系。当功角从零逐渐增加到 90 ρ时 , 电磁功 率达到最大值 , 即 PG-m=EoU/Xd 。当功角δ从 90 ρ继续增
加到 1800 时电磁功率随功角的增加而减小 ; 当 s >1800 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 ,
δ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 8 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。
第四节同步发电机的正常运行方式和调整操作
功率、无功功率、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。在正常情况下 ,3 ∞ MW 汽轮发电机组由于热力参数高、能源消耗小 , 大部分时间都在 额定负荷运行 , 也就是按机组的铭牌值运行。此时 , 发电机具有损耗小、效率高、转矩均匀 等性能。但是 , 由于电力系统的特点是连续供电和供需平衡 , 因而不可能所有机组在所有时段全部按额定工况运行。因此 ,
当要求发电机的运行工况不符合额定要求时 , 电气运行人员
仍应保证机组的连续正常运行。运行中的发电机工况通常发生如下的变化。
1. 功率因数不在额定值运行 因为运行中发电机的有功、无功负荷是不可能始终不变的 , 所以功率因数也相应发生变 化。功率因数的大小由运行的有功和无功负荷决定 , 即
COS ￠
= 一一 = 一一一一一
'S dT+02
PP
式中 P 一一有功功率 ; 。一一无功功率 ; S 一一视在功率。
图 3 18 示出了发电机的有功功率 P 、元功功 率 Q 和功率因数 cos 伊之间的关系。
·
由图 3 18 可见 , 元功负荷越小 , 功率因数越 高。发电机的额定功率因数一般为
·
0.85( 滞后 ) 最低值不作限制 , 但最高值则取决于机组和系统
。
运行的稳定性。在 AVR 投入且情况良好的情况下 , 一般可允许升高至滞后 0.9~0.95( 在
经过高功率
λ P 因数专门试验证实且系统允许时
, 还可再适当提
高 )
。
在低功率因数运行时 , 应注意控制发电机的 定、转子电流不超过当时冷却条件下所允许的数
一、同步发电机的正常情况下的运行 同步发电机的正常运行方式属于允许长期连续的工作状态。它的特点是 : 发电机的有功
低 , 发电机的端电压及静态稳定性下
降 , 因此必须加强监视以避免发电机失步。
2. 发电机定子电流不在额定值
即使发电机运行在额定有功功率和功率因数情况下 , 由于电网电压的不断变化 , 发电机
的定子电流也要发生变化。当定子电压运行在额定值的 95%~105% 范围内时 , 只要发电机 各部位的温度不超限 , 发电机可以按额定容量运行。例如当定子电压为 95% 额定值时 , 定 子电流可升至 105% 额定值。反之 , 定子电压达额定值的 105% 时 , 定子电流应相应降为额 定