1000MW机组电气培训教材第一章DOC.docx

1、1000MW机组电气培训教材第一章DOC第一篇 一次设备第一章 1000MW汽轮发电机第一节 概 述自从1888年第一台旋转电枢交流发电机（4800r/min）问世来，由于理论分析、实验研究的进步和新材料的发展，发电机单机容量越来越大，目前单机容量已达1333MVA（3000r/min）和1650MVA（1800r/min）,且正在研制2000-2500MVA两极或四极的发电机组。大容量、高参数是提高火电机组经济型最为有效的措施。同时，由于世界一次能源中煤的储量远远超过石油和天然气、环境保护对减少排放污染提出要求，京都协议书为控制地球温室效应确定减少CO2排放目标等原因，高效洁净燃煤发电技术将

2、成为今后世界电力工业的主要发展方向之一。1993年应用新一代600oC贴素体高温材料的首台温度593oC的700MW机组在日本投运，标志着世界汽轮机技术的发展进入了一个新的“超超临界参数”发展阶段。相对热力学的超临界概念，超超临界参数是一种商业性称谓，以表示汽轮机组具有更高的压力和温度，有的公司也将超超临界机组称为高效超临界机组。目前世界各公司对超超临界参数没有统一的定义。国外发达国家，百万级火电技术已有较成熟经验，高技术含量的l0OOMW级单轴全速火电机组国际上有十几台运行业绩，各方面性能及经济效益很好，因此l0OOMW级火电受到了国内用户的欢迎，得到了全面发展的机遇和空间。SIEMENS

3、lOOOMW级发电机具有非常好的技术和运行经验，已有8台3000r/min1000MW级发电机在国际上投人运行，处于国际领先水平。上海汽轮发电机有限公司依托SIEMENS公司1000MW级发电机的先迸技术，从2001年分包制造THDFl25/67型发电机，到2003年全面引进，经过长期的研究、消化、吸收和国产化工作，已完全拥有该l0OOMW级发电机的先迸技术以及生产制造能力，成为国内首家拥有国际先进水平的单轴全速10OOMW级发电机技术及生产制造能力的厂家。THDF l25/67发电机采用德国SIEMENS集团的最新技术，性能优良，为具有国际先进水平的成熟产品，发电机出力裕度大。THDF l2

4、5/67发电机的原设计容量为115OMVA，功率因数0.85，定子电压27kV，氢压0.5MPa。SIEMENS公司在2001年针对该型发电机进行了l15O MVA的型式试验。该发电机为水氢氢冷却方式，即：定子绕组水内冷，转子绕组和定子主出线氢内冷，铁心轴向氢冷。作为攻关项目依托工程的我国第一个超超临界电厂华能玉环电厂4*1000MW项目于2003年11月正式启动，标志着我国电力工业进入了一个以环保、高效为中心的发展新阶段。第二节 发电机基本工作原理及技术参数一、发电机工作原理以同步发电机为例，如图1-2-1所示。主要结构由定子和转子两部分组成，定子、转子之间有气隙。定子上有AX、BY、CZ三

5、相绕组，相绕组由多匝串联的绕组元件(见图1-2-1（b）)连接而成，每相绕组的匝数相等，在空间上彼此相差120电角度。转子磁极上装有励磁绕组，由直流励磁电流通过产生磁场，其磁通由转子N极出来，经过气隙、定子铁心、气隙，进入转子s极而构成回路，如图1-2-1中虚线所示。 图 1-2-1同步发电机工作原理图1-2-2 同步发电机电势示意图如果原动机拖动发电机沿反时针方向恒速旋转，则磁极的磁力线将切割定子绕组的导体。由电磁感应定理可知，在定子导体中就会感应出交变电势。设磁极磁场的气隙磁密沿圆周按正弦规律分布，则导体的电势也随时间按正弦规律变化。由于三相绕组在空间上彼此互差120电角度，在图示转向下，

6、磁力线将先切割A相绕组、在切割B相绕组、最后切割C相绕组。因此，定子三相电势大小相等，相位彼此互差120，如图1-2-2。二、发电机的额定值发电机制造厂按照相应标准、根据电机的设计和试数据而规定的每台电机的正常运行状态和条件，称为发电机的额定运行情况。表征电机额定运行情况的各种数值如电压、电流、功率和转速等称为发电机的额定值。额定值一般标记在发电机的铭牌上或产品说明书上。发电机的额定值一般有以下几项：（1） 额定容量，单位为W；（2） 额定电压，单位为V；（3） 额定电流，单位为A；（4） 额定转速，单位为r/min。还有一些额定值如额定效率，额定转矩和额定温升等，不一定标在铭牌上。三、 玉环

7、电厂发电机组技术参数及特点玉环电厂发电机型号为： THDF125/67其中：T：三相汽轮发电机H：氢冷（发电机腔）D：转子绕组直接轴向气体冷却F：定子绕组直接水冷125：转子本体的直径为125cm67：定子铁芯的长度670cm以下分别做一介绍。1、 发电机参数如下：表1-2-1 THDF 125/67发电机主要技术数据名称单位设计值发电机型号THDF 125/67额定容量 SnMVA1056额定功率 PnMW950最大连续输出功率（TMCR）MW1000最大输出功率（VWO）PmaxMW1050额定功率因数 Cosn0.9定子额定电压 UnkV27定子额定电流 InA22571额定频率 fnH

8、z50额定转速Nnr/min3000额定励磁电压UfnV418额定励磁电流IfnA5653定子线圈接线方式YY冷却方式水氢氢励磁方式无刷励磁表1-2-2 THDF 125/67发电机主要设计技术数据设计工况工况1工况2容量/MVA11121150定子电压/Kv2727定子电流/A2377824591功率因数0.90.85频率/Hz5050极数22额定氢表压/Mpa0.50.5效率（设计值）/%98.9798.87励磁电压/A58876397励磁电压/V437486同步电抗Xd(不饱和值)/%261.4270.4直轴暂态电抗Xd（饱和值）/%23.824.6直轴次暂态电抗Xd（饱和值）/%18.

9、218.9直轴瞬变短时间常数Td/s0.840.84直轴超瞬变短时间常数Td/s0.030.03直轴瞬变开路时间常数Tdo/s8.868.86冷却氢气流量/m3s-13333冷却氢气温升/K3434表1-2-3 典型容量下的温度数据设计工况1112MVA1000MWcos=0.91222MVA1100MWcos=0.91150MVA型式试验数据cos限值定子绕组出水温度/70（进水48）70（进水43）67（进水48）85定子线圈水量/th-1120120132-转子绕组温度（电阻法）79（进风43）84（进风40）85（进风40）110定子铁心温度/9499941202、 THDF125/6

10、7型汽轮发电机主要技术数据：表 1-2-4 发电机主要技术数据项目发电机编号#5号机#6号机发电机型号THDF125/67主励磁机ELR70/90-30/6-20副励磁机ELP50/42-30/16生产年份20012002定子系列号M 10159M 10160转子系列号M 10159M 10160轴标识号ID 141励磁机转子系列号1015910160励磁机轴标识号E99202转矩、临界转速等转矩和转速单位线间单相短路时定子的最大短路转矩24023kNm发电机转子轴的惯性矩17188Kgm2临界转速（计算值）12S-135S-121S-1额定数据发电机主励磁机副励磁机视在功率100MVA-65

11、kVA有功功率1000MW4500kW-电流21.383kA7.5kA195A电压27kV5%600V220V10%转速3000rpm频率50Hz-400Hz功率因素0.9-0.62、发电机特点该发电机完全能够满足额定功率1000MW和MCR工况的要求，并有一定裕度，同时还有以下显著特点：（1）效率高当采用无刷励磁时，在1000MVA、cos为0.9工况时，发电机效率的工厂试验值为99.01%；在1112MVA、cos为0.9工况时的设计值为98.97%。（2）励磁电流和励磁容量小在1112MVA、cos=0.9时的励磁电流、励磁电压分别只有5887A和437V，提高了效率，降低了转子绕组温升

12、。无刷励磁机的强励电压为820V，强励顶值电压不小于1.8倍。采用静态励磁时，轴系较短，强励顶值电压不小于2倍。（3）定子电压高，定子电流和电磁力小该发电机定子电压高（27kV），与其他同类型发电机相比，定子电流和电磁力小，发电机出水温升水。第三节 发电机本体发电机本体主要是由一个不动的定子（包括机座、端盖、定子铁芯、端部结构和隔振装置等）和一个可以转动的转子（包括转子铁芯、绕组等主要部件）构成的，以下作简单介绍。一、机座和端盖汽轮发电机的机座和端盖既是机械上的主要支撑，又是风路系统的主要组成部分，其构件也是整个发电机所有部件中尺寸最大的，机座要通过端盖支承转子质量。氢冷发电机的机座又要能承受

13、氢气爆炸时的压力，要能满足强度和振动的要求。机座是由钢板焊接而成，机壳和铁芯背部空间是发电机通风系统的一部分，它的结构和气流方向是按通风系统要求设计的。氢冷发电机的氢气冷却器直放或卧放在机座内。整个机座既要满足防爆和密封的要求，还要满足振动的要求。机座的固有振动频率随基础支承刚度的不同而变化。对机座进行设计时，要减少垂直方向的振动、定子铁芯双频振动引起的共振和突然短路时扭矩的影响。按其振动频率，机座可分为刚性机座和柔性机座两种，前者的第一阶固有频率高于运行频率，后者则相反。由于机座和端盖本身是极为复杂的焊接结构件，人为因素多，边界条件也不很明确，因而不同部位的强度和刚度有明显的差异，也就是说不

14、同部位的固有频率有明显差别，如果处理不当会成为振动的主要来源。玉环电厂定子机座与定子铁心制造并行进行。在嵌线之前，铁心通过弹簧板装到定子机座上。定子外机座为气密、耐压的焊接构件，放置定子铁心、定子绕组和氢冷却器，氢冷却器垂直布置于汽端的冷却器端罩内。外机座内侧的周向和轴向筋笼确保壳体刚度。含轴密封和轴承部件的端盖栓接到定子机座上。内定子和外机座的连接结构示意图如图1-3-1所示。图1-3-1 定子嵌线及与外机座的连接二、定子铁芯、端部结构和隔振装置1定子铁芯一般大型发电机定子铁芯质量为电机总质量的30%，铁耗为总损耗的15%左右。所以发电机铁芯要求由导磁率高、损耗小的优质冷轧硅钢片叠压而成。单

15、张硅钢片冲成扇形，内圆冲有嵌放线圈的槽，沿轴向方向分段叠压。为了满足通风冷却的要求，轴向分成若干档，构成通风孔，在发电机通风系统中构成通路。叠装的铁芯两端由两个整体铸造的反磁性压圈加上定位筋螺杆，与穿心螺杆压装成一整体。整体的铁芯要满足一定强度和刚度的要求。此外，为了降低铁芯损耗，要着重考虑减少绕组端部漏磁和铁芯轭部漏磁在构件中产生的环流。环流不仅增加损耗，有时还会由此导致局部过热进而使材质劣化。若不采取措施，600MW以上发电机定位筋电流可达1500A的数量级，切向筋可达3500A的数量级，对发电机本体将会产生重大损害，所以要有可靠的绝缘措施。以平圩电厂600MW机组铁芯装配为例：机组定子铁

16、芯由三部分组成：主体铁芯、端部阶梯段和磁屏蔽部分。整个铁芯采用高导磁率、低损耗的0.45mm厚的扇形硅钢冲片叠装而成，冲片上涂有耐高温的磷酸铝无机绝缘漆，该漆在高于发电机运行温度几倍时仍能保持良好的绝缘性能。定子铁芯的轴向坚固由定位螺杆9及42根高强度无磁钢绝缘穿心螺杆8以及齿压板7和分块铁芯压板1来实现。穿心螺杆的紧固，经液压拉伸器拉伸后再紧定螺帽，使铁芯受压均匀，铁芯轴向压力为0.137MPa。铁芯的径向紧固通过机座内的夹紧环与整体铁芯上的定位螺杆焊接达到（夹紧环用于加强铁芯的刚度），然后与机座的隔振构件相连。在齿压板外侧设有硅钢片叠成的磁屏蔽10，其内圆表面为阶梯形多齿表面，可以有效地分

17、导定子端部漏磁通，在磁屏蔽外侧有无磁性钢分块压板，以使端部轴向漏磁通改变为径向磁通，从而大部分进入磁屏蔽而不进入主铁芯。定子铁芯结构如图1-3-3所示。图1-3-3 定子铁芯结构（平圩电厂）1分块铁芯压板；2线圈支架安装面；3齿部；4通风道；5定子铁芯冲片；6线圈槽；7齿压板；8穿心螺杆；9定位螺杆；10端部磁屏蔽玉环电厂1000MW发电机铁心由低损耗绝缘硅钢片叠压而成，通过齿压板和非磁性的绝缘穿心螺杆将铁心压紧，并通过燕尾形支持筋装到支撑环上，定子铁心支持筋有绝缘，进一步减少了定子铁心短路的可能性。定子铁心端部采用齿压板和压圈压紧，在齿压板和压圈处都设计有风道，使冷风能够进入，有良好的通风效

18、果。在压圈的外侧设有由硅钢片叠装成的磁屏蔽，磁屏蔽上也有多道径向通风道以使冷风通过进行冷却，且内圆表面呈阶梯形，形成定子端部的有效屏蔽，使发电机端部附加损耗小，温度低，进相运行能力高。2、定子端部结构 端部的发热和损耗在大型发电机中是制约发电机出力的重要因素。当发电机的单机容量提高时，线负荷提高。转子磁场或定、转子合成磁场在端部的漏磁将取道磁阻最小路径，即通过定子压圈、压指和端部最边段铁芯。这个轴向的磁通会在压圈上产生较大的涡流，导致发热。因此对漏磁场必须加以限制，并使端部发热得到充分的冷却。压板采用无磁性铸钢，在定子铁芯设计有效长度以外，仍然用导磁性能较好的硅钢片粘结压制成阶梯形，有意将大部

19、分轴向磁通转变为径向磁通，并分散在整个阶梯段上，这就是磁屏蔽。做成阶梯的目的是扩大端部铁芯内径，增加定转子气隙，加强端部铁芯的冷却，从而减少损耗。1000MW机组都将采取以上类似措施。3、隔振装置整体的发电机铁芯与机座的连接，既要固定支撑铁芯，又要将电磁力矩(包括事故状态，即突然短路及非同期合闸产生的冲击力矩)传递到机座并有效地隔离铁芯的径向磁振，使得最终传到机座或基础的铁芯振动小于某一规定值，因而也必须具有隔振装置的功能。不同制造厂采用了各种不同的隔振装置，一般把铁芯、机座及基础当成通过弹簧板和底脚连接起来的具有刚度和阻尼的隔振装置，用得最多的是立式和卧式两种。从理论上说，立式弹簧板式隔振装

20、置的效果最为理想，其支撑点设在4/3倍中性半径处，在理论上隔振弹簧不受任何振动应力。现今公认最简单的隔振型式乃是卧式结构的，如华东石洞口第二电厂的机组属此类结构（图1-3-4）。发电机组上定子扇形硅钢片通过燕尾定位筋导向叠装，轴向分段压紧，由1有预应力的穿心螺杆通过无磁性压圈把铁芯锁紧形成一个整体铁芯；燕尾定位筋是由螺栓6固定到铝键3上，铝键与机壳腹板焊接固定，由柔性的铝键吸收振动，降低了传递到机座和基础的振动、噪声。考虑到不让感应电流形成回路，铝键和壳体齐平并与压圈绝缘。这种卧式的隔振装置结构简单，运行效果好。图1-3-4 石洞口二厂发电机铁芯装配方式1穿心螺杆；2铁芯；3铝键；4燕尾定位筋

21、；5斜楔；6螺栓；7机壳腹板；CC铁芯与铝键固定断面图三、定子绕组结构定子绕组是由条形线棒构成的分数极距双层式绕组条形线棒嵌装在沿整个定子铁芯圆周均匀分布的矩形槽中。一根线棒分为直线部分和两个端接部分，直线部分放在槽内，它是切割磁力线感应电动势的有效边，端线按绕组接线型式有规律地连接起来。大型发电机由于电流大、电压高，在电机结构上都采取了一些措施，以防止槽放电。现今线棒绝缘都是采用“热固性”环氧云母结构，在热态下膨胀系数也很小。由于线棒和槽壁之间有气隙，使涂有防晕层的线棒和槽壁间不能紧密接触，两者之间电位差增大，当场强超过某一数值，就会形成防晕层与槽壁之间的高能量电容性放电，产生高热。空气电离

22、产生的臭氧O，和氮及氮的化合物（N2O、NO、N2O4，等）与气隙内水分起化学作用对绝缘材料形成热、机械、化学损伤。而长期被腐蚀的线棒起晕电压逐渐降低，造成恶性循环，最后绝缘表面被腐蚀，导致绝缘降低，严重时会在运行中发生绝缘击穿事故。为了防止槽放电，首先线棒要有合理的防晕结构，其次线棒在槽内的固定要采取特别措施，线棒在槽内除了由气隙造成的电容性放电外，运行中的线棒还由于受到每秒钟交变100次的径向电磁力作用而发生振动，若上、下层线棒没有压紧，由此发生振动将会引起防晕层磨损，致使线棒表面和槽壁之间失去接触从而加剧槽放电现象。所以线棒在槽内径向方向要压紧，线棒侧面与槽壁要紧密接触减少电位差。为此大

23、型发电机槽内结构也采取各种相应措施，玉环电厂发电机采用的主要措施有：发电机定子线圈由一定比例的不锈钢空心股线和铜实心股线混编而成，见图1-3-5。图1-3-5 发电机定子线圈及嵌线示意发电机定子线圈端部水电连接示意图见图1-3-6。特点是不锈钢空心股线与水盒为焊接结构，采用专用设备和工艺进行焊接。上下层线圈的电气连接为机械结构。线棒采用非常可靠的真空压力浸渍(VPI)绝缘系统。在这绝缘系统中，铜线换位线棒与主绝缘间采取有效措施均匀电场。云母带内含一高强度的薄衬片材料，云母通过少量的环氧树脂与之粘结，包扎云母带之后;线棒烘干，并用环氧树脂真空浸渍。环氧树脂因为粘度低具有很好的渗透性，之后线棒由高

24、压氮气来完成此VPI工艺。浸渍后的线棒通过模压成形并在烘箱中进行高温处理。这确保真正的元隙高压绝缘，具有优良的电、机械和热性能，并且还能防水、防油。线棒的糟内部分最后施加半导体漆来减小绝缘与槽壁间的电晕放电。另外线棒具有端部防晕，来控制线棒从槽内部分到端部过渡处的电场，防止电弧。图1-3-6 发电机定子线圈端部水电连接示意图四、定子绕组端部固定随着发电机容量的增大，作用在定子绕组端部的电磁力也急剧增强。因此，定子绕组端部固定的强度问题，在突然短路的强大过渡电磁力下和在正常运行时较小的交变电磁振动下都显得更为突出。端部的固定在径向、切向既要具有承受突然短路时电磁力的足够强度，也要防止倍频振动引起

25、共振造成的绝缘磨损。另外，考虑到铁芯和线棒热膨胀系数不一样，所以在轴向要有伸缩的弹性固定结构。大容量发电机绕组端部热胀冷缩之差可达0.51.5mm，如果端头固定死，就会产生4.0012.00MPa的压应力。近年来，在大容量发电机端部绕组固定措施中，主要倾向是尽可能将垫料及紧固件均由高强度绝缘材料压制而成，以避免使用金属材料。早期的发电机端部采用刚性结构，现已发展到用刚柔相结合的结构。玉环电厂发电机定子端部线圈固定采用西门子公司成熟的刚一柔固定结构(见图1-3-7)，该结构在径向、切向的刚度很大，而在轴向能自由伸缩。当运行温度变化，铜铁膨胀不同时，绕组端部可轴向自由伸缩，有效减缓绕组绝缘中产生的

26、机械应力。端部固定特点如下:（1）定子线圈端部固定采用大锥环、弧形压板结构，整个端部线圈间浇垫成整体；（2）定子端部线圈渐伸线采用变节距设计，增大线圈隔相距离；（3）径向采用具有目锁弹性自调整支紧结构，轴向用定位件支撑加以轴向定位，整个定子线圈端部在运行时能伸缩；（5） 定子线圈端部外包保护层，便于今后维修。图1-3-7 发电机定子端部线圈固定示意五、发电机转子结构1、转子铁芯大型高速汽轮发电机由于旋转应力，其转子直径受到限制，所以一般是细而长，转子铁芯采用高强度合金钢整体锻制而成，具有良好的导磁性能和机械性能。通常沿整体锻件钻一中心孔，有时中心孔内装置中心轴，中心轴沿径向分为两半，其间由弹簧

27、撑住，既便于装配，又可使中心轴贴紧在转轴中心孔表面，中心轴在汽端由法兰固定。钻中心孔目的有二：一是由于中心部分易沉积杂质，故将此部分有规则的钻掉；二是便于对大轴的金属探伤。一般转子嵌线槽为平行槽，大部分槽分度是等距的，但有时电厂为了减少损耗和改善电压波形，靠近磁极两侧的两个嵌线槽按不等距分布，并且采用梯形槽平行齿设计。为了平衡转轴刚度，在磁极面沿大齿长度加工出等距横向圆弧槽，目的是降低倍频振动。近年来发现这种结构型式在定子发生不对称运行出现负序电流时，这些横向圆弧槽末端由于涡流集中在横切口两侧而导致发热，个别情况最高温度将达到ll000C，可导致材料屈服和随后的断裂。所以近期有些厂家采用一种改

28、善转子稳定性办法，即在大齿表面开长槽，槽内填人磁性钢块或用高导电性能槽楔跨过横向圆弧，从而防护切口易损坏部分。2、转子绕组汽轮发电机转子绕组多为同心式，每极有若干套线圈，每个槽内有若干匝导线。氢内冷转子绕组由高导电率、高强度的含银铜精拉成形或特种形状截面的导线组成。匝间绝缘为带状三聚氰胺玻璃层压板，单面打毛以达到增强粘结强度，粘结剂是橡胶性改性酚醛漆，其粘结力强、在冷热循环作用下弹性好、耐磨损（西屋公司用）。对地绝缘的槽衬是环氧布（丝）板模压成型，中间夹有聚酰亚胺薄膜与聚芳纤维纸复合材料。有的发电机组为适应调峰要求，在转子槽楔下、铜线上、槽衬内壁和外侧两端、护环下绝缘筒都覆盖一层摩擦系数小的滑

29、移层材料，可使转子绕组自由伸缩，绝缘和铜排互不磨损。第四节 1000MW发电机定子结构及各部件介绍1000MW发电机的定子主要由定子机座、定子铁芯和定子绕组构成。其中，定子机座可与定子铁芯和绕组分开制造。在安装绕组前采用扁簧将铁芯连接到定子机座上。汽轮发电机的机座和端盖既是机械上的主要支撑，又是风路系统的主要组成部分，其构件也是整个发电机所有部件中尺寸最大的，机座要通过端盖支承转子质量。氢冷发电机的机座既要能承受氢气爆炸时的压力，还要能满足强度和振动的要求。一、定子机座定子机座又分为外机座和内机座。机座是由钢板焊接而成，机壳和铁芯背部空间是发电机通风系统的一部分，它的结构和气流方向是按通风系统

30、要求设计的。氢冷发电机的氢气冷却器直放或卧放在机座内。整个机座既要满足防爆和密封的要求，还要满足振动的要求。机座的固有振动频率随基础支承刚度的不同而变化。对机座进行设计时，要减少垂直方向的振动、定子铁芯双频振动引起的共振和突然短路时扭矩的影响。按其振动频率，机座可分为刚性机座和柔性机座两种，前者的第一阶固有频率高于运行频率，后者则相反。由于机座和端盖本身是极为复杂的焊接结构件，人为因素多，边界条件也不很明确，因而不同部位的强度和刚度有明显的差异，也就是说不同部位的固有频率有明显差别，如果处理不当会成为振动的主要来源。(一) 外机座定子机座为具有气密性且耐压的焊接结构，用于安置定子铁芯、定子绕组以及氢冷却器，氢冷却器垂直布置在汽轮机端单独的冷却联箱中。为保证壳体的刚度，外机座内部设计成圆形和轴向加强肋笼式结构。带有轴封和轴承部件的端盖通过螺栓固定在定子机座上。密封槽中注有高粘度的密封剂，以保证法兰联接部分的气密性。定子机座的铁芯部分被分成几个间隔，其中安装有用于悬挂定子铁芯的弹簧。用于冷却定子铁芯和励磁机端转子绕组的冷气体在焊接于壳体内表面上的风道中流动。定子机座上焊有底座以支撑嵌入基础中的钢梁上的定子、定子通过穿过底座的地脚螺栓牢固地锚定在钢梁上。（二） 内机座定子内