汽轮发电机结构及原理.docx

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汽轮发电机结构及原理

第四节汽轮发电机

汽轮发电机是同步发电机的一种，它是由汽轮机作原动机拖动转子旋转，利用电磁感应原理把机械能转换成电能的设备。

汽轮发电机包括发电机本体、励磁系统及其冷却系统等。

一、汽轮发电机的工作原理

按照电磁感应定律，导线切割磁力线感应出电动势，这是发电机的基本工作原理。

汽轮发电机转子与汽轮机转子高速旋转时，发电机转子随着转动。

发电机转子绕组通入直流电流后，便建立一个磁场，这个磁场称主磁极，它随着汽轮发电机转子旋转。

其磁通自转子的一个极出来，经过空气隙、定子铁芯、空气隙、进入转子另一个极构成回路。

根据电磁感应定律，发电机磁极旋转一，主磁极的磁力线北装在定子铁芯的U、V、W三相绕组（导线）依次切割，在定子绕组感应的电动势正好变化一次，亦即感应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。

汽轮发电机转子具有一对磁极（即1个N极、一个S极），转子旋转一，定子绕组中的感应电动势正好交变一次（假如发电机转子为P对磁极时，转子旋转一，定子绕组中感应电动势交变P次）。

当汽轮机以每分钟3000转旋转时，发电机转子每秒钟要旋转50，磁极也要变化50次，那么在发电机定子绕组感应电动势也变化50次，这样发电机转子以每秒钟50的恒速旋转，在定子三相绕组感应出相位不同的三相交变电动势，即频率为50Hz的三相交变电动势。

这时若将发电机定子三相绕组引出线的末端（即中性点）连在一起。

绕组的首端引出线与用电设备连接，就会有电流流过，这个过程即为汽轮机转子输入的机械能转换为电能的过程。

二、汽轮发电机的结构

火力发电厂的汽轮机发电机皆采用二极、转速为3000r/min的卧式结构。

发电机与汽轮机、励磁机等配套组成同轴运转的汽轮发电机组。

发电机最基本的组成部件是定子和转子。

为监视发电机定子绕组、铁芯、轴承及冷却器等各重要部位的运行温度，在这些部位埋置了多只测温元件，通过导线连接到温度巡检装置，在运行中进行监控，并通过微机进行显示和打印。

在发电机本体醒目的位置装设有铭牌，标出发电机的主要技术参数，作为发电机运行的技术指标。

（一）定子

发电机的定子由定子铁芯、定子绕组、机座、端盖及轴承等部件组成。

1.定子铁芯

定子铁芯是构成磁路并固定定子绕组的重要部件，通常由0.5mm或0.35mm厚，导磁性能良好的冷轧硅钢片叠装而成。

大型汽轮发电机的定子铁芯尺寸很大，硅钢片冲成扇形，再用多片拼装成圆形。

2.定子绕组

定子绕组嵌放在定子铁芯圆的定子槽中，分三相布置，互成120°电角度，以保证转子旋转时在三相定子绕组中产生互成120°相位差的电动势。

每个槽放有上下两组绝缘导体（亦称线棒），每个线棒分为直线部分（置于铁芯槽）和两个端接部分。

直线部分是切割磁力线并产生感应电动势的有效边，端接部分起连接作用，把各线棒按一定的规律连接起来，构成发电机的定子绕组。

中、小型发电机的定子线棒均为实心线棒。

大型发电机由于散热的需要，采用部冷却的线棒，即由若干实心线棒和可通水的空心线棒并联组成。

3.机座及端盖

机座的作用是支撑和固定发电机定子。

机座一般用钢板焊接而成，应有足够的强度和刚度，并能满足通风散热的要求。

端盖的作用是将发电机本体的两端封盖起来，并与机座、定子铁芯和转子一起构成电机部完整的通风系统。

（二）转子

发电机的转子主要由转子铁芯、励磁绕组（转子线圈）、护环和风扇等组成，是汽轮发电机最重要的部件之一。

由于汽轮发电机转速高，转子受到离心力很大，所以转子都呈细长形，且制成隐极式的，以便更好地固定励磁机组。

1.转子铁芯

发电机转子采用高强度、导磁性能良好的合金钢加工而成。

沿转子铁芯表面铣有用于放置励磁绕组的凹槽。

槽的排列式一般为辐射式，槽与槽之间的部分为齿。

未加工的部分通称大齿，余称小齿。

大齿作为磁极的极身，是主要磁通回路。

在大齿表面沿横向铣出若干个圆弧形月牙槽，使大齿区域和小齿区域两个向的刚度相同。

2.励磁绕组

励磁绕组为若干个线圈组成的同心式绕组。

线圈用矩形扁铜线绕制而成。

励磁绕组放在槽后，绕组的直线部分用槽楔压紧，端部径向固定采用护环，轴向固定采用云母块和中心环。

励磁绕组的引出线经导电杆接到集电环（滑环）上再经电刷引出。

3.护环和中心环

汽轮发电机转速很高，励磁绕组端部承受很大的离心力，所以要用护环和中心环来紧固。

护环把励磁绕组端部套紧，使绕组端部不发生径向位移和变形；中心环用以支持护环并防止端部的轴向移动。

4.集电环

集电环分为正、负两个环，由坚硬耐磨的合金锻钢制成，装于发电机的励磁机端外侧。

两个集电环分别通过引线接到励磁绕组的两端，并借电刷装置引至直流电源。

5.风扇

风扇装于发电机转子的两端，用以加快氢气在定子铁芯和转子部分的循环，提高冷却效果。

三、发电机的出线

容量为200MW及以上的发电机出线至主变压器、厂用变压器之间，多采用全连式分相封闭母线进行连接。

封闭母线应满足正常最大工作电压和最大持续电流、最高环境温度等要求。

封闭母线可采用自然冷却或机械通风冷却。

中小型发电机的引出线常采用矩形或槽形铝排连接，只有当发电机和变压器距离较远时，才采用多根铝导线进行连接。

对于发电机中性点的连接式，当发电机容量较大、电压回路电容电流超过规定值时，需经消弧线圈或接地变压器接地，而且当发电机发生单相接地故障时，由保护装置动作，发出操作命令或报警信号。

由于小容量发电机电压回路电容电流较小，中性点可不接地。

四、发电机的励磁系统

励磁系统的主要作用是：

①发电机正常运转时，按主机负荷情况供给和自动调节励磁电流，以维持一定的端电压和无功功率的输出，。

②发电机并列运行时，使无功功率分配合理。

③当系统发生突然短路故障，能对发电机进行强励，以提高系统运行的稳定性。

短路故障切除后，使电压迅速恢复正常。

④当发电机负荷突减时，能进行强行减磁，以防止电压过分升高。

⑤发电机发生部故障，如匝间短路或转子发生两点接地故障掉闸后以及正常停机能对发电机自动消磁。

（一）直流励磁机励磁

直流励磁机励磁是中小型同步发电机采用的一种励磁式。

这种式的特点是同步发电机的转子绕组由专用的直流励磁机供电，直流励磁机与同步发电机同轴，通过调节直流励磁机的电枢电势从而调节送入发电机转子绕组的励磁电流，达到调节发电机机端电压和输出无功功率的目的。

随着机组容量的不断增大，直流励磁机励磁式表现出了明显的缺陷，一是受换向器所限制其制造容量不可能大；二是整流子、碳刷及滑轮磨损，污染环境，运行维护麻烦；三是励磁调节速度慢，可靠性低。

同轴直流励磁机已无法适应大容量汽轮发电机的需要。

（二）交流励磁机带静止整流器励磁

同步发电机转子绕组的励磁电流由静止半导体整流器供给，与同步发电机同轴的交流主励磁机是整流器的交流电源。

主励磁机的励磁电流由与其同轴的一台交流副励磁机经三相可控硅整流供给，交流副励磁机做成永磁式。

随着发电机运行参数的变化，励磁调节器AVR（调节电路）自动地改变主励磁机励磁回路可控整流装置的控制角，以改变其励磁电流，从而改变主励磁机的输出电压，也就调节了发电机的励磁电流。

交流励磁机的频率一般采用100Hz,交流副励磁机多采用永磁式中频同步发电机，其频率一般为400～500Hz,以减少励磁绕组的电感及时间常数。

交流励磁机静止整流器励磁系统通常称为三机励磁式。

发电机、主励磁机和副励磁机三台交流同步发电机同轴旋转，励磁机不需换向器，而整流装置和励磁调节器是静止的，所以励磁容量不会受到限制。

（三）交流励磁机带旋转整流器励磁

这种励磁系统将交流励磁机制成旋转电枢式，旋转电枢输出的多相交流电流经装在同轴的硅整流器整流后，直接送给同步发电机的转子绕组，这样就无需通过电刷及集电环装置，所以又称为无刷励磁系统。

同静止整流器励磁系统相比，由于旋转整流器励磁系统中没有集电环及电刷等装置，从而避免了大型汽轮发电机集电环及电刷易发生故障的难题，是最有前途的励磁式。

在国产300MW的机组中，目前旋转整流器励磁系统配套使用于全氢冷及水氢氢冷机组上。

（四）无励磁机的静止晶闸管励磁

无励磁机的静止晶闸管励磁系统，即自并励励磁系统，其晶闸管整流装置的电源，一种是采用发电机端的整流变压器供电，另一种是由厂用母线引出的整流变压器供电。

用整流变压器作为励磁电源具有简单可靠、容量不受限制、设备费用低、缩短了机组的长度、整流设备安装地点不受限制、不需要经常监视和维护等优点，因而在大容量机组上（特别是大型水轮发电机）得到广泛的应用。

五、汽轮发电机冷却式简介

发电机运行时，其部产生的各种损耗化为热能，会引起电机发热。

尤其是大型汽轮发电机，因其结构细长，中部热量不易散发，发热问题更显得重。

如果电机温度过高，会直接影响发电机的使用寿命，因此冷却问题对大型发电机是非常重要的问题，下面介绍几种典型的冷却式：

1.空气冷却发电机

空气冷却的发电机是通过发电机的通风系统，由空气的循环使电机得以冷却。

空气冷却式的冷却能力小，摩擦损耗大。

当电机容量时，各种损耗产生的热量增多，需要的冷却空气量也增大，空冷发电机尺寸也要做得比较大。

因此，这种冷却式一般用于中小型发电机。

2.氢气冷却发电机

为了提高冷却效率，用氢气代替空气冷却，其效果要好得多。

因为氢气比空气轻十多倍，导热性比空气高六倍多，流动性比空气好，故采用氢冷时，风阻损耗大为减小，冷却效果明显加强，所以可提高单机的容量。

但是，如果氢气不纯净，会引起爆炸，所以要注意防爆和防漏问题。

汽轮发电机采用氢气冷却的式，可分为氢冷和氢外冷。

用氢气吹拂导体绝缘表面带走热量的式为氢表面冷却，即氢外冷。

氢外冷发电机冷却系统的构成与空气冷却系统基本相同，只是将氢外冷却器装在发电机壳，以减少氢气的用量；冷却介质氢直接接触绕组导体的冷却式称为氢冷。

这种冷却式可使绝缘导体表面的热量直接由冷却介质带走，可大大提高冷却效果。

3.水冷发电机

将经过处理的水，直接通入空芯导体的部，带走热量的冷却式叫水冷。

由于水的流动性好，其散热能力远远大于空气和氢气，所以水冷是一种较理想的冷却式。

把经过处理的洁净水同时通入定子绕组和转子励磁绕组的空心导体进行冷却，则称为双水冷，定子绕组端头由特殊的水管接头，通过一段塑料管接至进水、出水总管。

高速旋转的转子绕组由进水装置，冷却水于励磁机侧的轴端由静子的进水支座流入转轴的中心，然后沿几个径向流到集水箱，再等分地分别流经装在集水箱上的进水绝缘管，沿轴向流入各路线圈。

冷水吸热后再经过各支路的出水绝缘水管，汇总到出水箱，通过出水箱外圆上的排水喷到出水支座，最后由出水总管引出。

4.冷却式的应用情况

汽轮发电机的容量不同，采用的冷却式也不一样。

50MW以下的汽轮发电机，一般采用空气冷却；50～100mw的汽轮发电机一般采用氢外冷；100-150MW的汽轮发电机，一般采用定子绕组氢外冷，转子绕组氢冷，铁芯氢冷；200MW以上的大型汽轮发电机。

广泛采用定子绕组水冷，转子绕组氢冷，定子和转子铁芯氢冷，简称水氢氢冷却式；还有定、转子绕组都采用水冷，称为双水冷的发电机，其容量可提高到300MW以上。

六、同步发电机的主要技术数据

为使发电机按设计技术条件运行，一般在发电机出厂时都在铭牌上标注出额定参数，并在说明书中加以说明。

这些额定参数主要有：

（1）额定容量（或额定功率）。

额定容量是指发电机在设计技术条件下运行输出的视在功率，用kVA或MVA表示；额定功率是指发电机输出的有功功率，用kW或MW表示。

（2）额定定子电压。

是指发电机在设计技术条件下运行时，定子绕组出线端的线电压，用kV表示。

我国生产的300MW和600MW发电机组额定定子电压均定为20Kv.

（3）额定定子电流。

指发电机定子绕组出线的额定线电流，单位为A.

（4）额定功率因数。

指发电机在额定功率下运行时，定子电压和定子电流之间允的相角差的余弦值。

300MW机组的额定功率因数为0.85，600MW机组的额定功率因数为0.9.

（5）额定转速。

指正常运行时发电机的转速，用r/min表示。

我国生产的汽轮发电机转速均为3000r/min。

（6）额定功率。

我国电网的额定功率为50HZ（即每秒50）

（7）额定励磁电流。

指发电机在额定出力时，转子绕组通过的励磁电流，单位为A或KA。

（8）额定励磁电压。

指发电机励磁电流达到额定值时，额定出力运行在稳定温度时的励磁电压。

（9）额定温度。

指发电机在额定功率运转时的最高运行温度。

（10）效率。

指发电机输出与输入能量之百分比，一般额定效率在93%-98%之间，300MW和600MW大型机组在98%以上。

七、厂用电系统

（一）厂用电和厂用电负荷

在发电厂生产过程中，有大量的机械设备需用电动机拖动，以保证发电厂的主要设备和辅助设备的正常运行。

这些电动机及全厂的照明、修试等用电设备的用电，称为发电厂的厂用电或自用电。

发电厂的厂用电负荷按其重要性分为以下四类。

1.事故保安负荷：

在事故停机过程中及停机后的一段时间，仍应保证供电，否则可能引起主要设备损坏、自动控制失灵以及危及人身安全的负荷。

2.I类负荷：

短时停电会造成设备损坏、危及人身安全、主机停运或出力重下降的厂用电负荷。

3.II类负荷：

允短时停电，但经过运行人员及时操作重新取得电源后不至于造成生产混乱的厂用电负荷。

4.III类负荷：

较长时间停电不直接影响生产的厂用电负荷。

如修配车间、实验室、油处理室等的厂用电负荷。

（二）厂用电电压等级的确定

（1）大中型火力发电厂厂用电一般选用高压和低压两级。

高压采用6kv,当发电机额定电压为6.3kv时，可省掉高压厂用变压器，通过电抗器向厂用系统供电，以限制短路电流；当发电机额定电压为10.5kv或更高时，需设置一台高压厂用变压器。

低压厂用电压等级一般采用380/220三相四线制，或380V和380/220V，且动力和照明分开。

（2）小型火力发电厂厂用电只设置380/220V一种电压，少量高压电动机直接接于发电机电压母线上。

（3）水力发电厂的厂用电动机容量均不大，通常也只设置380/220v一种电压等级。

但厂外的水力枢纽装设的大型机械需由6kv或10kv电压供电。

（三）厂用电源的取得式

为了满足厂用系统各种工作状态的要求，除有正常工作电源外，应设有备用电源。

对单机容量在200MW及以上的发电厂，还应设置启动电源和事故保安电源。

1.工作电源

厂用高压工作电源一般都由发电机电压回路引接；厂用低压工作电源，由厂用高压母线上通过厂用低压变压器取得。

小容量发电厂也可以从发电机电压母线或发电机出口经厂用低压变压器取得。

由主发电机引接厂用工作电源的式决定于发电厂电器主接线的接线式。

（1）当有发电机电压母线时，一般由各段母线引接厂用高压工作电源

（2）当发电机与主变压器采用单元接线时，由主变压器低压侧引接。

（3）当发电机与主变压器采用扩大单元接线时，可由发电机出口或主变压器低压侧引接

2.厂用备用电源

厂用备用电源，分为明备用和暗备用两种式。

明备用是专门设置备用变压器，其容量应等于最大一台工作变压器的容量。

暗备用是不设专用的备用变压器，而是将每台厂用工作变压器的容量增大。

正常工作时每台变压器都投入但不满载运行；当任一台厂用变压器退出工作时，由另一台厂用变压器供电。

在大型发电厂特别是大型火电厂中一般采用明备用式，这样可减小厂用变压器的容量。

中小型水电厂多采用暗备用式。

为了做到对厂用电不间断供电，还应装设备用电源自动投入装置。

当厂用工作电源故障切除时，此装置能自动地、有选择地将备用电源迅速投入到停电的那段母线上。

3.启动电源

在厂用工作电源完全消失的情况下，为保证机组快速启动时相必需的辅助设备供电的电源称为启动电源。

启动电源实质上是一个可靠性要求更高的备用电源，故可兼作备用电源或事故保安电源。

目前我国仅在200MW及以上机组的发电厂中设置启动电源。

5.事故保安电源

为确保在事故状态下能安全停机，事故消除后又能及时恢复供电，应设置事故保安电源，并能自动投入。

事故保安电源多采用柴油发电机组、蓄电池组或可靠的独立外部电源。

（四）厂用母线的接线式

厂用高压和低压母线均采用单母线接线，并且按炉分段。

即将厂用电母线按照锅炉台数分成若干独立段，凡属同一台锅炉的厂用电动机，都接在同一段母线上，与锅炉同组的汽轮机的厂用电动机，一般也接在该段母线上；全厂公用性负荷，根据负荷功率及可靠性要求，尽可能均匀地分配在不同的母线段上。

厂用电母线按炉分段的优点是：

当一段母线故障时，仅影响一台锅炉的运行；各段母线分开运行，可限制厂用电系统发生短路故障时的短路电流，有利于厂用电气设备的选择；锅炉的辅助设备可与锅炉同时检修，便于运行管理。