第三节发电机.docx

1、第三节发电机第三章 同步发电机第一节同步发电机的大体原理一、同步发电机的大体原理1定子铁芯；2转子；3集电环同步发电机是利用电磁感应原理将机械能 转变成电能的一种装宣。其工作原理如图11 所示，在同步发电机的定于铁芯内，对称地安 放着A、BY、CZ三相绕组，它们彼此 相差12角，在转于铁芯上装有励磁绕组，当 通入宜流电后就产生主磁场，磁场方向如图中 虚线从N极经气气隙、圭于铁芯、气隙回到S 极组成回路，当原动机(汽轮机)带动转于旋转时，转于磁场的磁力线就被定于绕组切割。按照电磁感应定律，在定于绕组中就产生感应 电势。由于转于在不断地旋转，所以定于绕组在切割磁通的大小及方向就不断地捷变，转于 旋

2、转一周定于绕组中感应电势的方向也就改变一次，由于定于三相绕组彼此互差120。角，按 A- B- C三相顺序其电势大小为：eA=EmsincotCB=EmSin(x)t-l 20)CA=EniSin(cot-24()感应电动的频率取决于发电动机的磁极对教P和转速n。当转于为一对磁极时，转于旋 转一周，定于绕组中的感应电动势正好交变一次，即一个周期；当转子有p对磁极时，转于 旋转一周，感应电动势就交变Tp个周期。设转于的转速为n(r/min)，则感应电动势每分钟 交变pn/60次，即感应电动势的频率为：f=pn/60 (Hz)。此式表明：当发电机的极对数p、 转速n按时，则定于绕组感应电动势的频率

3、就必然，即转速与频率维持不变的关系。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，那个旋转磁场的转速m=60f/p,即定于旋转磁场的转速与发电机转于转速相同，故称 为同步发电机。我国电力系统的标准频率规泄为50Hz,因此，当n=3000r/min时，发电机应为一对极; 当n=1500r/min时，发电机应为两对极，依此类推。二、 发电机的基础知识1、 发电机的分类：按原动机的不同主要分为汽轮发电机和水轮发电机按冷却方式不同可分为空气冷却发电机、氢气冷却发电机和水内冷发电机2、 发电机的型号汽轮发电机的型一般用汉语拼音字母和数字表示，如：空气冷却发电

4、机：QF21002Q-汽轮机，F发电机，2设计序号，100-100MW额泄容呈:，2极数氢气冷却发电机：QFQ-100-2Q-汽轮机，F发电机，Q氢气，100-100MW额左容量，2极数水冷发电机：QFS1002Q-汽轮机，F发电机，S水冷，100-100MW额总容量，2极数3、 发电机的有关参数额左电流Ie：发电机正常持续运行的最大工作电流，单位：安（A）或千安（KA）额左电压Ue：发电机长期安全运行的最髙电压，指线电压，单位：伏（V）千伏（KV）额左容量S亡:发电机长期安全运行所输出的最大视在功率。单位：千伏安（KVA）或兆 伏安（MVA）额左功率Pe：发电机长期安全运行所输出的最大有功功

5、率。单位千瓦（KW）或兆瓦（MW） 额泄功率因数COSd）e：发电机额泄功率和额泄容量的比值。它们之间的关系为：Pe二SeCOS（I）e二 1. 732UeIeC0S（I）e3.同步发电机的电势方程1.同步发电机带负载运行时的电磁量同步发电机带负载运行时，由于泄子三相绕组中有电流通过，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速度，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il磁路饱和的影响。应用叠加原理，以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

6、。所以负载时左子绕组中感应电动势包括转子 磁场感应的空载电动势E。、电枢磁场感应的电动势Es和漏磁通感应的电动势E.o2.电势方程按照基尔霍夫电压泄律，参看图32所示各电磁量的方向，得岀一相绕组的电动势平 衡方程式:Eo+Es+E*. =U+Irs u发电机的相电压Its电枢一相绕组的电阻压降若忽略电枢绕组的电阻压降，则得D3-2发电机各电磁呈方向示意團用Ea=-jIXo Es=-jIXs来表示,则得E。二 U+jIXdEo-jIX,-jIXs=U整理即得发电机的电动势方程:第二节同步发电机的大体结构同步发电机主如果由泄子、转子、端盖及轴承等部件组成。一、 定子：定子由定子铁芯、泄子绕组、机座

7、和固泄这些部件的其它构件组成。1、 泄子铁芯一般是用含硅疑较高的厚0. 35mm的硅钢片迭成，每迭厚约36cm,迭与 迭之间留有lcm宽的通风槽，整个定子铁芯靠拉紧螺杆和特殊的非磁性端压板压紧 成整体，固定在机座上，机座为钢板焊接结构，其作用除支撑定子铁芯外，还起通 风作用。2、 泄子绕组是由嵌在泄子铁芯槽内的线圈按必然规律连接而成，一般采用迭绕组，即 任何两个相邻的线圈都是后一个迭在前一个上而，然后把属于同一相的相邻线圈直 接串联起来，再通过必然的连接方式组成三相绕组。二、 转子转子是由转子铁芯、励磁绕组（转子绕组）护环、中心环、滑环等组成。1、 转子铁芯是发电机最关健的部件之一，它即是发电

8、机磁路的重要组成部件，又由于 高速旋转时庞大的离心力而经受着专门大的机械应力，因此要求其具有良好的导磁 性能又要有很高的机械强度，所以一般都采用整块的高机械强度和良好导磁性能的 合金钢（其成份为貉線铝的合金）锻成。2、 励磁绕组是由扁铜线绕成的线圈，安放在转子铁芯的槽内，各线匝之间垫有绝缘。 线圈与铁芯之间采用塑性云母板压制的槽衬起绝缘作用3、 护环是一个厚壁金属圆筒，用来保护励磁绕组的端部，使英紧密地压在护环和转轴 之间，不会因离心力而甩岀。4、 中心环是用以支持护环并阻止励磁绕组端部沿轴向的移动，英材料是无磁性合金 钢。5、滑环共有一对，装在转子轴上，通过引线别离接到转子励磁绕组的两头，并

9、借电刷 装置引至励磁机的出线。三、端盖和轴承1、端盖的作用是将发电机本体的两头封盖起来，并与机座、泄子铁芯和转子一路组成 发电机内部完整的通风系统。2、发电机的轴承采用油膜液体润滑的座式轴承，由于它承担了庞大的转子重量，轴颈 的线速度较高，有较大的磨擦损耗，所以必需有髙压油循环系统以保证运行的安全。四、发电机的冷却系统1、空冷发电机因33 空冷汽轮岌电机通凤茶统示意肉图32是空气冷却汽 轮发电机的通风系统示用 意。冷风经风扇鼓风后，分 三路进入发电机，一路从护 环下进入，吹拂发电机转子 绕组端部表面后，进入左转 子之间的气隙：一路是直接 进入气隙；另一路是通过泄 子机座端部和通风管吹拂定 子线

10、圈端部和铁芯双侧的结 构部件，再流经立子铁芯的 部份通风道后也进入气隙， 这三路别离吸取了必然的热 量，在气隙混合后再一同经 左子铁芯的列一部份通风道，成为热风而排出，为确保机组的安全运行，整个空气系统是封锁的，以避免空气湿 度和尘埃进入发电机。2、 氢冷发电机氢气有较好的散热性能，借助氢气冷却发电机具有较髙的效率，氢气的相对密度约 为空气的十分之一，采用氢气来取代空气，可使发电机的通风磨擦损失减少近90%, 采用氢气冷却要考虑防爆和防漏问题。因此，要求密封要决对良好，泄子线圈一般采用 将氢气从线圈的一端进入，吸热后从另一端排出，而转子常采用两头进风在中部出风。3、 水冷发电机因凝结水不但导热

11、率低，化学性稳固，流动性好，具有优于空气和氢气的散热能力, 因此是内部冷却发电机的较为理想的冷却介质。冷水从外部水系统通过管道流至装在左 子机座上的进环，再别离经绝缘管流入各个线圈，吸热后经绝缘水管汇总到装在机座上 的岀水环，然后排入电机的外部水系统。第三节、同步发电机的运行特性一、空载特性空载特性是指发电机转子额泄转速族转，转子绕组开 路（即I二0）时，其空载电势E。与励磁电流h的关 系。因现在泄子电流i二0所以发电机的端电压U就等 于空载电势E。，即空载物性曲线也就是空载时端电压 与励磁电流的关系曲线如图3-4所示。由图中可看出 有一部份是直线，这是因为铁芯未饱和E。与h.成线 性关系，后

12、一部份曲线成弯曲的即E。与II不成线性 关系，说明铁芯已饱和。空载特性是发电机中最大体的特性之一，它表明了发电机磁路的饱和情形，利用它 可求得发电机的有关参数。同时在实际工作中还可利用它来判断转子线圈及定子铁芯有 无端障等。例如，励磁绕组若是发生匝间短路，在相同的励磁电流下，空载电动势将减小，空载特性曲线下降。二、短路特性短路特性是指左子出现三相短路（U二0）发电机转 速为额按时左子电流I与励磁 电流II的关系。短路 特性曲线为一条直线如图3-5所示。由于发电机的电 枢电阻远小于同步电抗，短路时发电机相当于一个感性 阻抗，短路电流是感性的，电磁产生的电枢反映为去磁 作用，所以铁芯不会饱和。一样

13、，利用短路特性可求动身电机的有关参数，也可利用它来判断励磁线圈有无匝间短路故障等。三、外特性勿3 发电机的外特性曲裟1感性负我；2电阻性负载3客性负载外特性是指发电机在额泄转速下维持励磁电 流和功率因数不变时，发电机端电压与负载电流 的关系。当发电机带感性负载时，电枢反映为去 磁作用，在II不变增加负载电流时端电压上升当 发电机带纯阻性负载时端电压转变较小，如图3 6所示。因此为维持发电机端电压不变，在感性和纯 阻性负载时负载电流增大要增加励磁电流，在容 性负载下应减少励磁电流。四、 调整特性调整特性是指发电机转速、电压、C0S4）在额按时，励 ,.l |磁电流与额左电流的关系。如图3-7所示

14、。在感性负 L载和阻性负载下，为维持发电机端电压不变，负载电流增加时，要响应地增加励磁电流，以补偿负载电流所产生的电枢磁场的去磁作用。而在容性负载下，为 丨3了抵消电枢磁场的助磁作用，保证电压不变，需要相 !应地减少励磁电流。 ： 一5.负载特性 图3 发电机调址特性曲线负载特性是指发电机在额定转速下，维持负载电流I 1一感性事鹫性諧阻性负载图38 发电机的负我特性曲线及COS（I）不变的条件下，励磁电流ir与 端电压I；之间的关系，如图38所示。 当 COS（1）=1 时，I=L当 COS（1）=0.8 时，（迟相）d）0, I=IS 当 COS4）=0.8 时，（进相）d）0, I=IS

15、当 COS 4）=1 时，4）=90, I=IX从图中可知，迟相状态下的电压低 于空载电压，这是由于感应负载的去磁 电枢反映造成的。进项状态则相反，带 负载式的电压反而髙于空载时的电压， 显然由于容性负载的助磁电枢反映形成 的。第四节 发电机的启动和停止一、启动前的预备发电机新安装或检修完毕，取得系统调度的命令即可将英启动，并投入运行。启动为保 证发电机的安全靠得住，必需对有关设备和系统进行一系列检查，测量和实验，只有下列项 目全数合格后方可启动思想内容组。1、 需要检査的项目：（1） 、发电机一变压器组的一二次设备安装或检修终结后，应将工作票全数收回，详细 检査各部份及其周围的淸洁情形，各有

16、关设备、仪表是不是完好，短线路和接地线是不是拆 除，防误装置是不是完整，检修人员是不是已撤离现场。（2） 、检查升压变压器和厂用变压器油位是不是正常，各散热器的蝴蝶阀、冷油器进岀 口油阀是不是全开，主断路器油位，操作机构是不是正常。（3） 、将通过过滤与干燥后的紧缩空气通入发电机，维持机座内压力达到0.3Mpa,并 在转子静止状况下，检査发电机油路、气路、水路等系统的密封性。（4）、检查发电机的滑环、整流子及电刷应淸洁完整无接地现象。电刷在刷握内压力、间 隙均符合规定。（5）、发电机火火装宜应良好。2、 启动前的预备（1）、测量发电机定、转子绕组的绝缘电阻立子绕组的绝缘用1000-2500V摇

17、表测量，其值不该低于lMQ/KVo并于前一次绝缘测 量值相较较不得低1/3,不然按绝缘不合格证处置。转子绕组的绝缘用500-1000V摇表测 量,其值不低于0.5MQ.（2） 、检査发电机PT、CT保险完整良好，回路正常装上PT、CT保险或合上小开关。（3） 、发电机启动前应进行的实验：a.机电联系信号实验良好b.发电机调速、调压系统实验良好c.发电机励磁系统实验良好d.发电机主开关拉、合正常e.励磁开关联动主开关良好二、 发电机的启动升压当汽轮发电机转速达到额肚转速后，应合上发电机的出线刀闸将发电机启动升压。1.检查发电机磁场电阻在最大位置，合上发电机励磁开关，这时发电机三相泄子电流 表指示

18、为零或接近于零。定子电压表，转子电压表有指示2.调整磁场电阻增加发电机电压，切换三相电压应平衡，同时也以此检查一次回路和 电压互感器回路有无回路。3.当发电机定子电压达到额泄值时，转子电流达到空载值时，将磁场变阻器的手轮位 置记录下来，便于以后升时参考。查对那个指示位置能够检査转子绕组是不是有匝间短路, 因为两匝间短路时，要达到定子额定电压，转子的励磁电流必需增大，这时该指示位宜就会 超过上次升压的标记位置。三、 发电机并列必需知足的条件1.待并发电机的电压与系统电压相等其允许误差5%。（1）、若两电压不相等，在开头触头产生一个电压差（；,开关合闸就产生冲击电流。 U越大则冲击电流越大，容易造

19、成发电机绕组过热，乃至造成发电机损环。2.待并发电机的频率与系统频率相等其允许相差土0.1Hz若两频率不相等，会产生有功冲击电流，造成发电机转速不稳固，容易使发电机失步。3.待并发电机电压的相位与系统电压的相位相同。若两差不相同则会产生电压最严峻的情形是相位相反，这时电压差最大其产生的 冲击电流达额定电流的20-30倍。4.待并发电机电压的相序必需与系统电压的相序相同。若相序不同，发电机并列后，在电压不同相的两相中就会出现电压差产生冲击电流。4.发电机的并列发电机并列的操作方式有两种，即准同期并列和自同期并列。（1） 、准同期并列：准同期并列有自动准同期并列和手动准同期两种操作方式。正常情形下

20、只能用自动准同 期限并列，手动准同期并列只有在自动准同期并列装置不能利用或英它特别原因时利用，这 是因为利用手动准同期并列时，若是调整不好，并列时发电机冲击电流大，乃至发生非同期 并列。（2） 、自同期并列自同期并列的方式是当待并列发电机的转速接近额左转速时，先合上发电机的主开关, 然后再自动合上励磁开关，加上励磁，使发电机自动拉入同步。他的长处是操作简单、速度 快、可避免发电机非同期并列，但他存在着并列时发电机受到较大的冲击电流，乃至使系统 中电压降低，所以对于10MW以上的机组不易采用。5.发电机的解列与停机采用单元接线的发电机，在解列前，先将厂用电倒至备用电源供电，然后再将发电机的 有无

21、功负荷转移到英他并列运行的机组上去，在机组有无功负荷降到某一数值后，停用自动 调节励磁，然后将有无功负荷降到零，待主汽门关闭后，拉开发电机主开关。在停机减负荷进程中，要注意有无功负荷，应同时进行减荷操作，避免功率因数超过 迟相的0.95,同时还要与机、炉配合好，避免造成锅炉压力升髙。发电机解列后，应将磁场电阻加至最大，拉开发电机岀线刀闸，停用电源，待发电机转 子停下后，还应对发电机定、转子绕组的绝缘进行测量，并做好记录。第五节发电机的运行一、 负荷的接带与调整1、 负荷的接带发电机并列后，即可按规程规定接带负荷，其有功负荷的增加速度决左于汽轮机。在正 常情形下发电机的左子电流可带到额左值的50

22、$,然后按规疋慢慢带至额左。对无功负荷应 维持发电机定子电压不低于额左值来接带负荷，同时还应注意励磁电流不允许超过额左值, 并与有功负荷相配合，维持功率因数COSd）在规建范围之内。在热状态或事故情形下，发电机的负荷增加速度可不受限制。2、 有功负荷的调整发电机有功负荷的调整，是通过汽轮机调速系统的调速电机进行，即调整汽轮机的进汽 量，增加有功负荷时，将进汽门开大增加进汽量，减少有功负荷时，将进汽门关小减少进汽 量，有功负荷的增加速度通常有汽轮机和锅炉的运行工况决定，增减速度不能过快。3、 无功负荷的调整发电机无功负荷的调整是通过自动调束装置进行的，若自动调束装垃知足不了调整要求 时，也能够手

23、动要求。通常无功的调整是按照功率因数或发电机端电压的大小进行调整，当 有功不变无功增加时，功率因数就下降，减少无功时，功率因数上升。一般规左无功不得低 于有功的1/3,即功率因数不能超过迟相的0.95。这是因为功率因数超过迟相0.95时，发电 机电枢合成磁场和转子磁级间的磁力线的吸引变小，使功角增大，运行的静态稳固性降低, 容易使发电机失去同步，同时也容易造成发电机左子端部构件发烧，因此在调卩无功负荷时 应注意不能使发电机进相运行。二、 发电机的允许温度和温升发电机立子和转子绕组的温度和温升，对于发电机安全运行有着决立性的意义。这是因 为温度的髙低对绝缘老化起着最主要的影响，绝缘受热温度越高，

24、其老化越快，寿命越短。 定、转子绕组的绝缘损环会造成机组烧坏。因此，在发电机运行中，要特别注意发电机的各 部温度、温升，使其不超过允许值，发保证发电机的安全运行。发电机立子绕组的温度可用埋入的导线间的检温il来测量,而左子铁芯的温度则用埋入 铁芯间的具有检温计的扇形酚醛压板测量，转子绕组的一般是按照冷热状态下的电阻的转变 测量或按照电压表通过讣算得出。发电机定子、转子绕组及定子铁芯的最高允许监视温度，为发电机在额左冷却气体温度 及额定功率因数下，带额左负荷持续运行的最髙温度，英值一般取决于所用材料的品级名称A级绝缘B级绝缘C级绝缘立子绕组允许最高温度105C120C120140aC转子绕组允许

25、最髙温度105C发电机的允许温度为最髙允许温度与额定冷却空气温度之差，现国产汽轮发电机额左冷却温度为+35C和+40 C两种。发电机进风温度与泄子电流允许值如下: 当进风温度高于额定值时发电机进风温度C进风温度每升髙1 C定子电 流较额定值降低额左进风温度35C额立进风温度40C35401.0%404540451.5%455045502.0%505550553.0%当进风温度低于额定值时，每降低lc,允许定子电流较额九值升高0.5%.在一般情形下，发电机的入口风温不得超过55C,规立发电机出口温度不超过75C。对采用氢冷和水冷的发电机应按制造厂家的规定执行。一般情形下，发电机内额泄氢压 为0.

26、 3Mpa,入口温度在3040C,最低不得低于20C,最高不超过55C,两头入口温差不 得低于5*C0水冷发电机正常进水压力为0. 15-0. 2Mpa,最大水压不超过0. 3Mpa,进水温 度控制在4050C,最低进水温度不宜低于20C,进岀水温差不该大于30-Co三、 发电机电压转变范囤发电机正常运行时电压转变的范围是在额左电压5%之内，现在发电机的额左容量可维 持不变，即当电压降低5%时，泄子电流可升高5%,当电压升高5%时，左子电流可降低5眼 发电机运行时电压转变最大不超过10%,电压太高或太低对设备将造成必然的影响。1、 发电机电压太髙时可能产生的危害：(1)、转子励磁电流增大，可能

27、造成转子绕组温度太髙，若想维持转子电流不变，则需 降出力。(2)、电压升高时，上子铁芯的磁通密度增大，因此铁损增加，造成定子铁芯和泄子绕 组温度升高。(3)、由于铁芯磁通密度增大，铁芯饱和后发电机端部漏磁也会增加，引发发电机的实 体部份和支持端部的金属零件发生过热，造成事故。2、 发电机电压太低时可能造成的危害：(1)、发电机电压太低可能使发电机工作在不饱和区，励磁电流稍有转变，电压就会转 变专门大，使发电机电压不稳固。同时由于励磁电流的减少利用权定子磁场和转子磁场 的拉力减少，易使发电机产生失步和振荡。(2)、若想在低电压下维持发电机出力不变，执必要增加转子电流，易造成左子绕组温 度太高。(

28、3)、电压太低影响厂用电动机和用户设备的正常运行。因电动机的力矩与电压平方成 正比，电压降低力矩降低，造成电动机电流增大，引发电动机故障。同时电压太低还有 可能造成电机启动困难。四、 发电机频率转变范围我国规立的额宦频率为50Hz发电机正常运行时，允许频率转变为O.2Hz最大不能超 过 O.5Hz。频率太高会使发电机转速增加，因此导至发电机离心力增大，严峻时会造成破坏。此刻 汽轮发电机组中与其同轴的汽轮机都装有超速保护装置,使汽轮发电机组的转速限制在必然 范弗I内，若转速继续升高，达到保护动作时，保护动作关闭主汽门，使汽轮发电机组停运。频率太低对发电机缘产生下列影响(1)、使发电机端部通风量减

29、少，冷却条件变坏，使绕组和铁芯的温度增高造成机组降 岀力。(2)、若是频率降低，要想维持发电机电压不变，必需提高转子电流，容易造成转子过 热不然就要减减负荷，而对转子铁芯影响不大。(3)、汽轮机在较低转速下运行，会造成叶片的过负荷，产生机组振动，影响叶片的寿 命容易造成其它事故。(4)、当频率降低时，发电机的厂用电动机转速也相应下降，如此会影响发电厂的正常 生产。如循坏水量不足，凝结水抽出较慢，吏汽轮机真空下降，锅炉给水压力不足，影 响锅炉上水，从而又影响锅炉的汽压降低，使水位不稳固等。所有这些会影响到发电机 的岀力，又转而促使频率下降，如此循环下去，会造成电力系统频率崩溃。五、 功率因数转变

30、范围功率因数COSd）也称力率，它的大小表示发电机向系统输送无功情形，这种无功负荷一 般为感性的。一般情形下中小型发电机的额左功率因数为0.8,大型发电机的功率因数为 0. 85乃至有的为0. 9.发电机的功率因数一般不超过迟相（指定子电流相位掉队于端电压0.95,这是因为发 电机的功率因数越高，输送的无功功率就越少。当COS时，发电机送出的无功功率为零, 而无功功率是通过调节转子绕组的励磁电流而取得的，无功功率越小，励磁电流也就越低。 使发电机左子和转子磁极间的引力就减小而功角增大，使发电机运行的稳固性降低。固然，功率因数也不能太低，因为当功率因数降低时，为维持发电机的电压不变，慢需 要增加

31、转子电流，当功率因数低于额泄值时，则转子电流必需超过额卫值，使转子绕组的温 度超过允许值。不然就要降低定子电流，即降低发电机出力。带有自动励磁调整器，必要时能够在功率因数为1的情形下运行，并允许短时刻功率因 数在进相0. 951的范围内运行。6.运行中的监视对运行中的发电机，应监视其运行情形，以便及时发觉不正常现象，及早消除。发电机 定子绕组、铁芯和进岀风的温度，必需每小时检查一次，每两小时记录一次，每班应对励磁 回路的绝缘计算一次。另外对发电机运行中的检査项目还有：对发电机及励磁机电刷的检査。电刷应完整，不卡塞，不猛烈振动，不太短，无火花, 刷架淸洁无尘埃，电刷及连线完好，无过热现象。发电机无异音、无异味、无振动，各部温度在规左之内。从窥视孔观察无异状，端部绕组无火花。励磁开关室内设备运行正常、淸洁，部接触良好不过热。发电机空气冷却室的门应关周密，无漏风现象。灭火装置应有正常水压。第六节发电机的特殊运行一、发电机负荷不平衡及过负荷1.发电机正常运行是