汽轮发电机原理Word下载.docx

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⑵定子电阻相对减小，定子时间常数Ta增大

一般中小型发电机Ta=0.10～0.16S，而国产600MW汽轮发电机的Ta为0.7S。

Ta的增大，使定子非周期电流的衰减变慢，从而对电力系统安全、可靠运行提出了更为严峻的挑战，并且恶化了电流互感器和断路器等元件的运行条件。

⑶机组惯性常数H降低

大容量发电机组的体积并不随其容量成比例增大，采用气体或液体直接冷却的绕组与间接冷却绕组相比，有效材料利用率高，在定子和转子的尺寸没有明显增大的情况下，汽轮发电机的单机容量急剧增大，因而导致发电机组惯性常数明显降低，机组惯性常数H是一个重要参数，当其他条件相同时，在过剩转矩作用下H愈小，角度δ改变愈快，发电机易于失去同步。

然而，H值的增大，技术上复杂且造价昂贵。

1.2现代电力系统运行对大型同步发电机的要求

对于大型同步发电机，既要制约于电机制造的技术和经济条件，又要满足电力系统的运行要求。

具体地说，在不影响发电机本身寿命和可靠的基础上，重要的是应能适应大电力系统安全、稳定运行的要求。

所谓电力系统的稳定性，就是电力系统受到一定的扰动后能否恢复正常运行的能力。

而扰动有大有小，为了研究方便将电力系统稳定问题分成小干扰的稳定性和大干扰的稳定性。

①小干扰的稳定性（静态稳定性）。

所谓静态稳定性是指正常运行的电力系统承受微小的、瞬时出现但又立即消失的扰动后，恢复到它原有运行状况的能力，或者这种扰动虽不消失，但可用原有的运行状况近似地表示可能的新运行状况。

②大干扰的稳定性（动态稳定性）。

它指的是正常运行的电力系统承受大的并经短暂持续而消失的扰动后，恢复到近似它原有运行状况的能力,或者这种扰动虽未消失，但系统可从原来的运行状况过渡到新的运行状况的能力，换言之，它是指系统在急剧扰动下的稳定性。

有时又依据在扰动后所经历的时间为8S、5min和20min分别称之为短期、中期和长期三种。

另一种分类又把短期问题称为“暂态稳定”，而把中、长期稳定这一大类称为“动态稳定”。

从现代电力系统运行需要出发，对大型同步发电机提出如下要求：

⑴应具备调峰能力

由于电网的发展及负荷性质的变化，调峰是一个愈来愈严重的问题。

全国各大电力系统峰谷差均较大，有时甚至在高峰拉闸限电的情况下，峰谷差仍占最大负荷的30％，有的达50%。

目前，除水轮发电机无例外地参加调峰外，200MW和125MW汽轮发电机组也要承担调峰任务，部分这类机组已试行两班制运行，部分600MW的汽轮发电机组也已变动负荷运行，今后将有更多的大机组参加调峰。

因而，发电机组在设计制造时应考虑到调峰的要求，在结构上采用一些适应于负荷大幅度变动和频繁起停的工况，防止老化、疲劳、变形等的技术措施。

⑵具备进相运行的能力

高电压大电网的一个主要特点是线路充电功率大，轻负荷时出现无功功率大量过剩，以致造成电压升高。

因而近年来，当电力系统有功功率低时，愈来愈多采用发电机进相运行方式，以便吸收过剩的感性无功功率，实现无功补偿分层分区就地基本平衡。

这是保持电网应有的电压水平既经济又合理的措施，世界各国均已广泛采用。

需注意的是，发电机在低励磁或进相运行时，因励磁产生的发电机电势较小（通常小于端电压），因此对应于这一电势的电磁转矩最大值远小于过励磁方式运行时的电磁转矩，与此同时，在最低负荷期间为了减少运行机组台数，以及由于大幅度地减少负荷的技术困难，通常保持每台尚在运行的发电机带较大有功负荷，结果引起运行的发电机电势相对于电网电压有很大的角位移，这时如果电力系统发生大干扰，则保证系统稳定运行将有一定困难。

另外，对发电机本身来说，可能会导致定子铁芯端部压板和边缘铁芯温度急剧升高，在设计时应采取防范措施。

⑶　应具有承受不对称运行的能力

电力系统出现负荷不对称或发生不对称短路时，发电机定子绕阻存在负序电流，使转子出现倍频电流和倍频谐振，造成局部过热甚至转子损坏。

发电机容许不平衡负荷的能力分长时和短时两种，按照国家设计制造标准规定，直接氢冷的发电机容许的最大负序电流值为８%Ie。

⑷对轴系自然扭振的要求

次同步谐振：

发电机组大轴在某些不利条件下，会发生频率低于工频的次同步谐振，造成转子的损坏。

为预防次同步谐振的发生，要求制造厂家提供机组每一段轴的自然扭振频率，以便电网在采用直流输电、串联电容补偿、电力系统稳定器时考虑防范措施。

工频和两倍工频谐振:

在某些情况下，如在电厂出线附近发生故障或并列时，在电网中会产生不平衡电流，使转子产生倍频机电谐振而损坏。

为防止故障时故障电流的非周期分量或负序电流分量（包括不平衡负荷）激发电气与机械相互作用的工频和倍频谐振损坏大机组，机组的每一段轴的自然扭振频率不应处在工频的0.9～1.1倍（45～55HZ）及1.9～2.1倍（95～105HZ）范围内。

⑸大机组应具备承受电网振荡冲击的能力

由于电网稳定破坏是运行中不可完全避免的，要求大机组在其升压变压器阻抗假定为15%,联接的系统短路容量为43000MVA（对500KV，相当于50KA）时，能承受20个振荡周期的失步运行。

⑹应具备承受误并列能力

误并列理应避免，但毕竟仍客观存在。

作为大机组的设计标椎，很多国家都已有相应规定，结合我国实际，要求大机组在升压变压器阻抗假定为15%，联接系统短路容量为43000MVA时，机组在保证寿命期间应能承受相位差80°

时误并列5次，120°

时误并列2次。

当大机组具有这一能力时，也同时可以承受电网其他各种各样的冲击，从而提高了大机组的可靠性。

⑺应具备承受高压线路单相重合闸能力

根据一般定量分析，大电厂高压线出口发生三相故障且重合闸不成功时，对大机组是最危险的故障冲击。

至于单相故障，几率较大，但即使重合闸不成功，在最不利条件下，根据电网故障时的实测和理论分析结果，轴承疲劳损耗最大值也不会超过0.1%，因而在汽轮发电机整个运行寿命期间,由于采用单相重合闸而积累的疲劳损耗大约为1%左右。

故应电力系统运行的需要，要求大机组能承受单相重合闸冲击而不影响其可靠性。

2.同步发电机的运行原理

2.1同步发电机的基本原理

我们知道，导线切割磁力线能够产生感应电势，将导线连成闭合回路，就有电流流通，同步发电机就是基于这个原理工作的。

图2-1为最简单的两极同步发电机。

定子上有AX、BY、CZ三相对称绕组，转子是直流励磁的主磁极。

当转子磁极上的激磁绕组通以直流励滋电流时，

转子形成N与S极的主磁极磁场，磁通Φ0从N极出

来，经气隙-定子铁芯-气隙，进入S极而形成回路，

如图中虚线所示。

若发电机转子由原动机拖动逆时针方向以速度

n旋转时，主极磁通Φ0切割定子绕组而感应出对称

的三相电势，其电势频率为

f=

（Hz）图2—1两极同步发电机

我国工业上应用的标准频率为50Hz，因此P=1时转速n应为3000r/min。

每相绕组电势的波形，取决于气隙磁密沿圆周的分布以及定子绕组的具体结构。

电力系统中应用的同步发电机，线电势波形都具有很好的正弦性。

但是，由于高次谐波的存在，实际线电势波形与正弦波形有一定的偏差，只要高次谐波的幅值限制在规定范围内，即可认为线电势是正弦波形。

定子每相绕组电势的有效值为:

E=4.44fΦWKw

式中Φ——每极磁通（Wb）

E——电势有效值（V）

Kw——电势绕组系数

W——每相绕组匝数

当发电机带上负载，三相定子绕组中将产生电流，三相电流又产生一个合成的旋转磁场，该磁场与转子以相同的转速和方向旋转，这就叫做“同步”。

2.2同步发电机的运行特性

⑴　同步发电机的空载特性

同步发电机被原动机拖动到同步转速，励磁绕组中通入直流励磁电流，定子绕组开路时的运行，称为空载运行，此时电机内部唯一存在的磁场就是由直流励磁电流产生的主磁场。

因为同步发电机处于空载状态，即I=0（I为电枢电流），所以又把主磁场叫做空载磁场。

在发电机的气隙磁通中，既交链转子又交链定子的磁通称为主磁通，即空载时的气隙磁通，它的磁密波是沿气隙圆周空间分布的近似正弦形。

忽略高次谐波分量，主磁通基波每极磁通量用Φ0表示。

励磁电流建立的磁通中还有一部分是仅交链励磁绕组本身，而不穿过气隙与定子绕组交链的主极漏磁通，它不参与电机的机电能量的转换。

主磁通所经磁路称为主磁路，漏磁通所经路径主要由空气和非磁性材料等组成。

两者相比，主磁路的磁阻要小得多，所以在磁极磁势的作用下，主磁通远大于漏磁通。

在原动机驱动下，转子以同步速度n旋转，主磁通切割定子绕组，感应出频率为f的三相基波电势，其有效值为：

E0=4.44fWKwΦ0

式中E0——基波电势

f——频率

W——绕组匝数

Kw——基波电势绕组系数

Φ0——基波每极磁通

由于Ｉ=0，同步发电机的电枢电压等于空载电势E0，电势Ｅ0决定于空载气隙磁通Φ0，Φ0取决于励磁绕组的励磁磁势Ff或励磁电流If。

因此，空载时的端电压或电势是励磁电流的函数，即Ｅ0=f（If），称为同步发电机的空载特性。

如图2-2所示。

图2—2同步发电机空载特性图2—3短路特性

又E0∝Φ0，Ｆf∝If，改换适当的比例尺，空载特性曲线E0=f（If）即可表示基波每极磁通Φ0和励磁磁势Ｆf的关系，即Φ0=f（Ff），这就是电机的磁化曲线。

空载特性曲线可以用试验方法测定。

同步发电机以同步转速n旋转，Ｉ=0，缓慢调节励磁电流If，使Ｅ0达1.3Ue，读取E0和If的数值，然后再逐步减小If,每次读取E0和If的数据，直到If=0，读取相应的剩磁电势，就可以绘制空载特性曲线。

由于铁磁材料具有磁滞性质,If由零增加到某一最大值，再反过来由此最大值减小到零时，E0并不为零，而是与剩磁相对应的电势值，因此，试验曲线将得到上升和下降两条不同曲线，空载持性系下降时的曲线。

空载特性曲线很有实用价值。

可以用它判断电机磁路的饱和情况，铁芯和励磁绕组是否发生短路故障等。

⑵　同步发电机的短路特性

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I与励磁电流If的关系曲线，即I=f（If）。

在做短路特性曲线时，要先将发电机定子三绕组的出线端短路，维持额定转速不变，增加励磁电流，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值为止。

在试验过程中，调节励磁电流时不要往返调整。

短路特性曲线如图2—3所示，它是一条直线。

在短路时，发电机端电压U=0，在忽略定子电阻R的情况下，发电机电势方程式可写成

E0=jIXs

这说明短路时的电势仅用来平衡稳态短路电流在同步电抗上的电压降。

因为此时发电机相当于一个具有电抗Xs的电感线圈，稳态短路电流是感性的，它所产生的电枢磁势起去磁作用，所以铁芯不饱和，因此，I=f（If）是一条直线，因Xs是常数，E∝I，又E∝If，故I∝If。

短路特性可以用来求未饱和的同步电抗和短路比，还可以利用它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，因安匝数减小，短路特性会降低。

所谓短路比，就是在对应于空载额定电压的励磁电流下，定子稳态短路电流与额定电流之比。

汽轮发电机的短路比一般在０.5～0.7之间。

⑶　同步发电机的外特性

图2—4外特性曲线图2—5调整特性曲线

外特性是反应发电机端电压随负载电流而变化的曲线，即在励磁电流、转速、功率因数为常数的条件下，变更负载（定子电流）时端电压U的变化曲线，即U=f（I）。

图２—４示出了在几个不同功率因数下的外特性曲线。

从图中可以看出，在滞后的功率因数情况下，当定子电流增加时，电压降落较大，这是因为此时电枢反应是去磁的，在超前的功率因数情况下，定子电流增大，电压反而升高，这是因为电枢反应是助磁的，在cosφ=l时电压降落较小，其降落原因是由于功率因数角φ和内功率角ψ不同，即使φ=0，而ψ仍大于零，仍有一部分去磁的电枢反应。

外特性可用来分析电机在运行中的电压波动情况，并藉此提出对自动励磁调整装置电压调节范围的要求。

一般用电压变化率来描述电压波动情况。

从电机的空载到额定负载，端电压变化的百分数（对额定电压）称为电压变化率ΔU，即

ΔU　=　

１００%

汽轮机发电机的ΔU=30～48%。

⑷　调整特性

既然端电压会随负载变化而变动，那么，要维持端电压不变，必须在负载变动时及时调整励磁电流。

所谓调整特性，是指端电压、转速、功率因数为常数的条件下，变更负载（定子电流I）时励磁电流If的变化曲线，即If=f（I）。

如图2—5示出不同功率因数下的调整特性曲线。

从图中可以看出，在滞后的功率因数下，负载增加，励磁电流也必须增加，这是因为此时去磁作用加强，要维持气隙磁通，必须增加转子磁势。

在超前的功率因数下，负载增加，励磁电流一般还要降低，这是因为电枢反应有助磁作用的缘故。

调整特性可以使运行人员了解在某一功率因数时，定子电流到多少而不使励磁电流超过制造厂的规定值，并能维持额定电压。

利用这些曲线可使电力系统的无功功率分配更趋合理。

　　⑸　功角特性曲线

（a）（b）（c）

图2—6发电机与无限大系统并联运行

（a）接线图（b）等值电路图（c）向量图

图2—6为同步发电机与无穷大容量电网并列运行的接线示意图。

当发电机与无穷大容量电网并列运行时，发电机端电压UＧ=常数，频率f=常数，假定发电机处于不饱和状态，且忽略定子电阻，可得到如图所示的电压向量图，图中感应电势Ｅq与端电压ＵG之间的夹角δ称为功率角，简称功角。

它是随负荷的不同而变化的，例如，在纯电感或纯电容负荷时，向量Ｅq与UＧ的方向相同，功角δ为零度，发电机输出有功功率为零。

功角δ还有另一个物理意义，即假定Eq＝ＵＧ时，则δ=θ,　是产生Eq的励磁绕组磁势Ｆ０与产生端电压ＵＧ的合成磁势Ｆ之间的夹角，Ｆ０与F之间的夹角又可以看成是一个空间相角，它是转子磁极中心线与合成等效磁极中心线的电角度。

在同步发电机作为发电机运行时，向量Ｆ0永远超前F，规定此超前的δ角为正值。

电机的电磁功率表示式为

Pe=mUGIcosφ

式中m——定子绕组相数

UG——定子相电压

I——定子绕组相电流

φ——功率因数角

在电压向量图中，从Eq点画一条垂直于

的线，并与之相交于A点，得到如下关系式：

IXdcosφ=Eqsinδ

将上式带入电磁功率关系式中，则得

Pe=

如果用标幺值表示UG、Eq、Pe，上式可写成：

sinδ

在UG为常数时，电机可以作为发电机运行，δ角为正值，电机向电网送出有功功率，也可以作为电动机运行，δ角为负值，电机从电网吸收有功功率。

图2—7功角特性曲线

图2—7示出了电磁功率Pe与功角δ的关系曲线，这是一条正弦函数变化的关系曲线，称为功角特性，最大功率发生在δ=90°

时，此值称为系统极限功率，表达式为

Pe.max=

下面从功角的物理意义说明发电机发出有功功率的过程。

发电机运行时，其输出功率取决于汽轮机输出到发电机轴上的机械功率，逐步增加原动机的输出功率Pm，且使输入转矩大于电磁转矩和空载转矩之和，则剩余转矩使转子加速。

合成等效磁势F的值及旋转速度，受电网电压、频率的牵制保持不变，于是励磁磁势F0就会超前于合成等效F，也即功角增大,δ角的增大引起电磁功率Pe增大，相应的电磁功率转矩增大，直到剩余转矩为零，转子转速不再升高，达到新的平衡状态。

上述的平衡过程，是逐渐增加输入功率时得到的，这种平衡是属于静态性质的，因此要调节发电机的输出功率，只需要调节原动机输入的机械功率即可。

由于电机内部自动的改变δ角，从而与电网并列运行的发电机输出功率就作相应的改变。

但是，当δ=90°

时，电磁功率已达到最大值，再继续增加输入功率Pm，则δ＞90°

，电磁功率反而减小了，就会出现更多的剩余功率，因此功率不能保持平衡，剩余功率将使转子继续加速，直至转速大于同步转速，称之为“失去同步”，同步发电机则失去了静态稳定。

在原动机输入功率维持不变，发电机在受到小的扰动后，引起δ角的变化，δ角能否自行恢复到原来的平衡状态值，也属于静态稳定问题。

当同步发电机失去静态稳定后，如果不立即减小原动机功率，则由于电磁功率的减小，剩余功率增加，使转子达到很高的转速，这时相当大的离心力作用在转子上，转子将被损坏。

另外，由于电机的电势、频率与电网不同，定子绕组中将出现数值大到足以损坏定子的电流。

因此，同步发电机在与电网并列运行时，必须保持静态稳定运行状态。

同步发电机维持静态稳定的判据是:

当δ角增大后，电磁功率Pe亦随之增大。

以微分的形式表示则为:

Pr=

>

0

式中Pr称整步功率，当Pr>

0时发电机能保持静态稳定运行，而Pr＜0时则不能维持静态稳定运行。

静稳定特性曲线图中虚线部分即为Pr=f（δ）的关系曲线。

由曲线看出，δ＞90°

时，Pr为负值，电机将失去静态稳定，在δ=90°

时，就达到稳定极限，此时对应的电磁功率为稳定极限功率。

在实际运行中，电机应在稳定极限范围内运行，且应留有足够的静态稳定储备。

发电机静稳定储备能力用静稳定储备系数来衡量，其表达式为

Kp=

×

100%

PM为发电机极限功率，P0为发电机运行点功率。

一般规定正常运行时发电机的Kp值不小于15～20%，δ值一般30°

～40°

。

3.QFSN－600—2YH型汽轮发电机的结构

本型发电机为三相交流隐极式同步发电机。

发电机由定子、转子、端盖、轴承、油密封装置、冷却器、出线盒、引出线、外罩、热工检测元件等部件组成。

发电机采用整体全密封、内部氢气循环、定子绕组水内冷、定子铁芯及端部构件氢气表面冷却、转子绕组氢内冷的冷却方式。

定转子绕组均采用F级绝缘。

3.1定子部分

定子由机座、铁芯、隔振结构、绕组和进出水汇流管等部件组成。

⑴定子机座

定子机座为整体式，由高强度优质钢板装焊而成。

机座外皮套装在机座骨架上，机座骨架由辅向隔板、端板、轴向筋板和通风管组装焊接而成，它们使机座具有足够的强度和刚度，并构成了定子的11路径向通风区。

机座的端板为80mm厚钢板，外皮为25mm厚钢板经滚制成型的圆筒拼焊构成。

机座内的辐向隔板共18块，其中装焊吊攀座的4块（靠近定子铁芯端部），定子机座铁芯本体段的12块辐向隔板同轴向通风管一起构成机座的11向风区，为保证各风区的风量，各冷风区的通风管都是由端部直接通至各自风区。

定子机座两侧共有4个可拆卸的吊攀和供装配测温引线端子板的法兰。

机座上部开设有夹紧环调节孔，下部开设有清理孔及充排氢气、二氧化碳气体的管路接口及测量风压、连接漏水探测器的接口。

发电机的定子冷却水汇流管的进出法兰设在机座上部的侧面。

汇流管的排污法兰设在机座两端的下部。

定子机座两侧的底脚将支撑整个发电机的重量和承受突然短路时产生的扭矩。

它们具有足够的强度和刚度，座脚板厚度为82mm。

在定子机座中心处，底脚上开设有轴向定位槽，以装配机座与座板间的轴向固定键。

定子机座的强度要求在3.5倍工作氢压下（1．4MPa），机座的最大应力不得超过材料的屈服极限（200MPa）。

定子机座与铁芯间的隔振结构采用WH型的立式弹簧板结构，如图３—１所示。

图3—1定子弹性支撑

这种隔振结构沿轴向共设11组切向隔振弹簧板，每组中两块弹簧板布置在夹紧环两侧，一块布置在夹紧环的底部，以保持铁芯稳定。

定子铁芯经夹紧环与弹簧板的一端相连接，弹簧板的另一端与装焊在机座隔板上的座板相连接。

采用这种隔板结构可以减少大型机组由于转子和定子铁芯之间的磁拉力在定子铁芯上产生的倍频振动、定子铁芯垂直方向自重的振动及突然短路时交变力矩扭转振动等影响。

⑵定子铁芯

定子铁芯由涂有半无机硅钢片绝缘漆的高导磁、低损耗的扇形硅钢冲片叠装而成，沿圆周10.5片冲片，硅钢片厚度为0.5mm。

定子槽数为42槽。

定子铁芯采用定位螺杆、夹紧环、绝缘穿心螺杆、端部齿压板和分块压板的紧固结构。

铁芯的轴向紧固由定位螺杆和42根高强度无磁钢绝缘穿心螺杆拉紧，穿心螺杆的紧固经液压拉伸后再紧固螺帽，使铁芯受压均匀，并减小端部不平度。

铁芯的轴向压紧力为1．37MPa（100℃时）。

铁芯的径向紧固通过把紧夹紧环来实现，以增强铁芯的刚度。

夹紧环的内外环间涂聚四氟乙烯润滑剂，减少阻力，增大夹紧力。

铁芯两端设有无磁性铸钢齿压板，在齿压板的外侧设有由硅钢冲片叠装成的磁屏蔽，磁屏蔽内圆表面为阶梯形多齿表面，由于其导磁率高，可以有效地分导定子端部轴向漏磁通，防止主铁芯过热，满足发电机进相运行的要求。

在磁屏蔽的外侧设有21块无磁性铸钢分块压板。

运行中磁屏蔽也会发热。

为了减少端部漏磁损耗，降低边段铁芯的温升，边段铁芯设计成沿径向呈阶梯形，左边段铁芯齿部开小槽，同时边段铁芯的段厚比正常铁芯段减薄，对边段铁芯进行漏磁通透入深度、温度计算，确定边段铁芯的长度为129mm，齿部开小槽的深度为64mm，边段铁芯粘接成整体。

发电机定子铁芯沿全长分为11个风区（与转子风路相匹配），第1、11风区位于定子铁芯端部，冷热风区相间隔，风区间的密封采用叠压在铁芯背部的扇形挡风板靠紧到机座隔板内圆上的结构。

定子铁芯沿轴向共有96段铁芯段，95个径向通风道。

各风区的风量分配及通风道数、铁芯段数的分配为：

┌────┬──────┬───────┬────┬───┐

│风区号│风量（m3／s）│占有通风道数│铁芯段数│备注│

├────┼──────┼───────┼────┼───┤

│1、11│8．03│13│13│出风│

│2、10│4．66│7～8│8│进风│

│3、9│5．04│8│8│出风│

│4、8│4．70│7│7│进风│

│5、7│