第三章发电机

第三章同步发电机第一节同步发电机的基本原理一、同步发电机的基本原理同步发电机是利用电磁感应原理将机械能转变为电能的一种装置。其工作原理如图1—1所示，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，它们彼此相差120º角，在转子铁芯上装有励磁绕组，当通入直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、定子铁芯、气隙回到S极构成回路，当原动机（汽轮机）带动转子旋转时，转子磁场的磁力线就被定子绕组切割。根据电磁感应定律，在定子绕组中就产生感应电势。由于转子在不断地旋转，所以定子绕组在切割磁通的大小及方向就不断地变化，转子旋转一周定子绕组中感应电势的方向也就改变一次，由于定子三相绕组彼此互差120º角，按A→B→C三相顺序其电势大小为：eA=EmsinωteB=Emsin(ωt-120º)eA=Emsin(ωt-240º)感应电动的频率取决于发电动机的磁极对数P和转速n。当转子为一对磁极时，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；当转子有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一定时，则定子绕组感应电动势的频率就一定，即转速与频率保持不变的关系。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，这个旋转磁场的转速n1=60f/p，即定子旋转磁场的转速与发电机转子转速相同，故称为同步发电机。我国电力系统的标准频率规定为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：空气冷却发电机：QF2—100—2Q—汽轮机，F—发电机，2—设计序号，100—100MW额定容量，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额定容量，2—极数水冷发电机：QFS—100—2Q—汽轮机，F—发电机，S—水冷，100—100MW额定容量，2—极数3、发电机的有关参数额定电流Ie：发电机正常连续运行的最大工作电流，单位：安（A）或千安（KA）额定电压Ue：发电机长期安全运行的最高电压，指线电压，单位：伏（V）千伏（KV）额定容量Se: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）额定功率Pe：发电机长期安全运行所输出的最大有功功率。单位千瓦（KW）或兆瓦（MW）额定功率因数COSфe:发电机额定功率和额定容量的比值。它们之间的关系为：Pe=SeCOSфe=1.732UeIeCOSфe三．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，由于定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，可不计磁路饱和的影响。应用叠加原理，认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。所以负载时定子绕组中感应电动势包括转子磁场感应的空载电动势E0、电枢磁场感应的电动势Es和漏磁通感应的电动势Eδ。2．电势方程根据基尔霍夫电压定律，参看图3—2所示各电磁量的方向，得出一相绕组的电动势平衡方程式：E0+Es+Eδ=U+IrsU—发电机的相电压Irs—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E0+Es+Eδ=U用Eδ=-jIXδ，ES=-jIXs来表示，则得E0-jIXδ-jIXs=U整理即得发电机的电动势方程：E0=U+jIXd第二节同步发电机的基本结构同步发电机主要是由定子、转子、端盖及轴承等部件组成。一、定子：定子由定子铁芯、定子绕组、机座以及固定这些部件的其它构件组成。1、定子铁芯一般是用含硅量较高的厚0.35mm的硅钢片迭成，每迭厚约3—6cm，迭与迭之间留有1cm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，其作用除了支撑定子铁芯外，还起通风作用。2、定子绕组是由嵌在定子铁芯槽内的线圈按一定规律连接而成，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面，然后把属于同一相的相邻线圈直接串联起来，再通过一定的连接方式构成三相绕组。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，它即是发电机磁路的重要组成部件，又由于高速旋转时巨大的离心力而承受着很大的机械应力，因而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（其成分为铬镍钼的合金）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，使其紧密地压在护环和转轴之间，不会因离心力而甩出。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，其材料是无磁性合金钢。5、滑环共有一对，装在转子轴上，通过引线分别接到转子励磁绕组的两端，并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端封盖起来，并与机座、定子铁芯和转子一起构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，由于它承担了巨大的转子重量，轴颈的线速度较高，有较大的磨擦损耗，所以必须有高压油循环系统以保证运行的安全。四、发电机的冷却系统1、空冷发电机图3—2是空气冷却汽轮发电机的通风系统示意图。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，进入定转子之间的气隙；一路是直接进入气隙；另一路是经过定子机座端部和通风管吹拂定子线圈端部和铁芯两侧的结构部件，再流经定子铁芯的部分通风道后也进入气隙，这三路分别吸取了一定的热量，在气隙混合后再一同经定子铁芯的另一部分通风道，成为热风而排出，为确保机组的安全运行，整个空气系统是封闭的，以避免空气湿度和灰尘进入发电机。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高的效率，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，定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，而转子常采用两端进风在中部出风。3、水冷发电机因凝结水不但导热率低，化学性稳定，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定子机座上的进环，再分别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出水环，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定转速旋转，转子绕组开路（即I=0）时，其空载电势E。与励磁电流IL的关系。因此时定子电流ｉ=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分是直线，这是因为铁芯未饱和E。与IL成线性关系，后一部分曲线成弯曲的即E。与IL不成线性关系，说明铁芯已饱和。空载特性是发电机中最基本的特性之一，它表明了发电机磁路的饱和情况，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故障等。例如，励磁绕组如果发生匝间短路，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定子出现三相短路（U=0）发电机转速为额定时定子电流I与励磁电流IL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，电磁产生的电枢反应为去磁作用，所以铁芯不会饱和。同样，利用短路特性可求出发电机的有关参数，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，发电机端电压与负载电流的关系。当发电机带感性负载时，电枢反应为去磁作用，在IL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变化较小，如图3—6所示。因此为保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、COSф在额定时，励磁电流与额定电流的关系。如图3—7所示。在感性负载和阻性负载下，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。五．负载特性负载特性是指发电机在额定转速下，保持负载电流I及COSф不变的条件下，励磁电流iF与端电压U之间的关系，如图3—8所示。当COSф=1时，ф=0，I=IN当COSф=0.8时，（迟相）ф＞0，I=IN当COSф=0.8时，（进相）ф＜0，I=IN当COSф=1时，ф=900，I=IN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高于空载时的电压，显然由于容性负载的助磁电枢反应形成的。第四节发电机的启动和停止一、启动前的准备发电机新安装或检修完毕，得到系统调度的命令即可将其启动，并投入运行。启动为保证发电机的安全可靠，必须对有关设备和系统进行一系列检查，测量和试验，只有下列项目全部合格后方可启动思想内容组。1、需要检查的项目：(1)、发电机—变压器组的一二次设备安装或检修终结后，应将工作票全部收回，详细检查各部分及其周围的清洁情况，各有关设备、仪表是否完好，短路线和接地线是否拆除，防误装置是否完整，检修人员是否已撤离现场。（2）、检查升压变压器和厂用变压器油位是否正常，各散热器的蝴蝶阀、冷油器进出口油阀是否全开，主断路器油位，操作机构是否正常。（3）、将经过过滤与干燥后的压缩空气通入发电机，保持机座内压力达到0.3Mpa，并在转子静止状况下，检查发电机油路、气路、水路等系统的密封性。（4）、检查发电机的滑环、整流子及电刷应清洁完整无接地现象。电刷在刷握内压力、间隙均符合规定。（5）、发电机灭火装置应良好。2、启动前的准备（1）、测量发电机定、转子绕组的绝缘电阻定子绕组的绝缘用1000—2500V摇表测量，其值不应低于1MΩ/KV。并于前一次绝缘测量值相比较不得低1/3，否则按绝缘不合格证处理。转子绕组的绝缘用500—1000V摇表测量，其值不低于0.5MΩ.（2）、检查发电机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试验：a.机电联系信号试验良好b.发电机调速、调压系统试验良好c.发电机励磁系统试验良好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定转速后，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，这时发电机三相定子电流表指示为零或接近于零。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定值时，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。核对这个指示位置可以检查转子绕组是否有匝间短路，因为两匝间短路时，要达到定子额定电压，转子