【正文】 第一章 汽輪發(fā)電機 第一節(jié)概述 同步發(fā)電機是生產(chǎn)電能的基本設(shè)備 , 是電網(wǎng)的心臟 , 它的運行可靠性直接影響電網(wǎng)運行 及向用戶安全、經(jīng)濟地供電。運行中的發(fā)電機、繞組和鐵芯都要發(fā)熱 , 所產(chǎn)生的熱量和電機 的輸出功率有著密切的關(guān)系。電機的輸出功率越大 , 其發(fā)熱量也越多 , 當超過額定值時 , 便 會使電機的溫度過高而超過絕緣允許值。反之 , 人為地提高和增大冷卻的效果 , 使冷卻介質(zhì) 在相同時間內(nèi)帶走更多的熱量 , 則發(fā)電機輸出的功率就越大。由此可見 , 電機的冷卻能力在 一定程度上影響了發(fā)電機出力的大 小。 當今世界上大容量發(fā)電機組采用的冷卻方式通常有三種 : ①全氫冷方式 。 ②定子繞組水 內(nèi)冷 , 其余為氫冷 ( 水氫氫 ) 方式 。 ③雙水內(nèi)冷 ( 水水空 ) 方式。我國目前生產(chǎn)的 3 ∞ MW 發(fā)電機多采用后兩種 , 表 31l 給出了目前我國三大電機廠所生產(chǎn)的 3 ∞ MW 汽輪發(fā)電機的主 要額定參數(shù)。該表表明 ,QmNJ ∞ 2 型汽輪發(fā)電機都是水氫氫冷卻方式 , 即定子繞組為水內(nèi) 冷 , 轉(zhuǎn)子繞組為氫內(nèi)冷 , 定子鐵芯為氫表冷的冷卻方式。 QF33 ∞ 2 型汽輪發(fā)電機采用的是 雙水 內(nèi)冷 ( 水水空 ) 方式 , 即定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組均為水內(nèi)冷 , 定子鐵芯為空冷的冷卻方 式。 雙水內(nèi)冷發(fā)電機為我國首創(chuàng)。水內(nèi)冷技術(shù)的應(yīng)用 , 為提高發(fā)電機容量開辟了一條新的 道路。由于水的冷卻能力比空氣大 50 倍 , 因此發(fā)電機的定子和轉(zhuǎn)子采用了水內(nèi)冷后 , 可以 大幅度地提高發(fā)電機的出力 O 但相對于全氫冷和水氫氫冷卻的發(fā)電機來說 , 定、轉(zhuǎn)子絕緣 引水管漏水而導(dǎo)致的故障較多 。 對全氫冷和水氫氫發(fā)電機來說 , 由于其轉(zhuǎn)子采用氫內(nèi)冷 , 不會發(fā)生因水內(nèi)冷轉(zhuǎn)子的絕緣引水管漏水而導(dǎo)致的故障 , 所以運行 的可靠性較之水冷轉(zhuǎn)子 為高。 因為目前新建和擴建的火電廠單機容量均采用 3 ∞ MW 及以上的發(fā)電機組 , 尤其以 3 ∞ MW 機組居多 , 所以本篇以某電機股份有限公司所設(shè)計制造的 03NJ ∞ 220 型三相同步 交流發(fā)電機為主 , 介紹 3 ∞ MW 汽輪發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)、原理及運行維護知識 , 對其他機型做 簡要介紹。 國產(chǎn) 300MW機組主要參數(shù) 型號 QEBN3∞ 220 QFBN3∞ 2 QEBN3∞ 2 QEB3∞ 2 QFBN3∞ 2 生產(chǎn)廠家 東方電機廠 哈爾濱電機廠 上海電機廠 上海電機廠 上海電機廠 額定功率 3∞ MW 3∞ MW 3∞ MW 頁 PMW 3∞ MW 額定電壓 20kV 20KV 2OKV 18kV 2OKV 額定電流 10190A 10190A 10190A 11320A 10190A 額定功率因數(shù) 額定轉(zhuǎn)速 3α mr/m 3α mr/m 3α MBr/m 3α EDr/m 3α MBr/m 額定氫壓 (水壓 ) 效率 短路比 冷卻方式 水氫氫 水氫氫 水氫氫 水水空 氫氫氫 第二節(jié)汽輪發(fā)電機組的基本結(jié)構(gòu)和主要參數(shù) 、同步發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu) QmN3 ∞ 2 20 型發(fā)電機通常采取臥式軸 , 軸系上帶有三臺同步發(fā)電機 , 即發(fā)電機、主 勵磁機、副勵磁機。發(fā)電機定子繞組及其連接線、出線采用水內(nèi)冷 , 轉(zhuǎn)子繞組、定子鐵芯及 端部采用氫冷 , 密封系統(tǒng)采用雙環(huán)流式油密封。發(fā)電機的勵磁采用同軸交流 勵磁機帶靜止硅 整流的勵磁方式 。 交流勵磁機的勵磁采用同軸交流勵磁機靜止晶閘管整流勵磁方式 。 副勵磁 機為稀土鉆永磁交流發(fā)電機的副勵磁機、主勵磁機、發(fā)電機三機同軸有刷勵磁系統(tǒng)。 就發(fā)電機而言 , 其最基本的組成部件為定子和轉(zhuǎn)子。定子主要由定子鐵芯、定子繞組 ( 也叫電樞繞組 ) 、機座、端蓋及擋風(fēng)裝置等部件組成 。 轉(zhuǎn)子主要由轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)子繞組 ( 也 叫勵磁繞組 ) 、滑環(huán)、轉(zhuǎn)軸等部件組成。 定子鐵芯是電機磁路的一部分 , 同時也嵌放定子繞組 。 定子繞組是定子的電路部分 , 是 實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的重 要部件。定子機座主要用于固定定子鐵芯 , 并和其他部件一起形成密 閉的冷卻系統(tǒng)。 轉(zhuǎn)子鐵芯是電機磁路的一部分 , 又是固定勵磁繞組的部件 , 大型汽輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子一般 采用導(dǎo)磁性能好、機械強度高的合金鍛成 , 并和軸鍛成一個整體。轉(zhuǎn)子繞組是轉(zhuǎn)子的電路部 分 , 直流勵磁電流一般是通過電刷和集電環(huán)引入轉(zhuǎn)子繞組 , 形成轉(zhuǎn)子的直流電路。 二、主要參數(shù) 發(fā)電機型號為 QFSNJ ∞ 2 20, 其中 Q 表示汽輪 ,F 表示發(fā)電機 ,S 表示定子繞組水內(nèi) 冷 ,N 表示轉(zhuǎn)子繞組氫內(nèi)冷 ,3 ∞表示發(fā)電機額 定有功功率為 3 ∞ MW,2 表示有 2 個磁極 , 20 表示發(fā)電機額定端電壓為 2OKV 。其主要參數(shù)有 : 額定容量 :SN=353MVA( 發(fā)電機連續(xù)運行時 , 所能輸出的最大視在功率 )。 電機磁極對數(shù) , 汽輪機磁極對數(shù) p 為 1) 第三節(jié)發(fā)電機的工作原理及工作特性 一、同步發(fā)電機的工作 原理 同步發(fā)電機的工作原理是利用電磁感應(yīng)原理將機械 能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋０凑针姶鸥袘?yīng)定律 , 導(dǎo)線切割磁力線能 產(chǎn)生感應(yīng)電動勢 , 將導(dǎo)線連成閉合回路 , 就有電流流 過 , 這就是發(fā)電機的基本工作原理。 圖 3 1 1 所示為同步發(fā)電機的工作原理示意圖。在 + 同步發(fā)電機的定子鐵芯內(nèi) , 對稱地安放著 AX 、 BY 、 CZ 三相繞組。所請對稱三相繞組 , 就是每相繞組匣數(shù) 相等 , 三相繞組的軸線在空間互差 120 。電角度。汽輪發(fā) 額定功率 :PN=3 ∞ MW( 發(fā)電機正常運行時 , 所能輸出的最大有功功率 )。 額定定子電壓 :UN=2OKV( 發(fā)電機額定運行時 , 機端定子三相繞組的線電壓 )。 額定定子電流 :IN=10190A( 發(fā)電機連續(xù)運行時 , 定子繞組允許通過的最大線電流 )。 額定功率因數(shù) :c ω伊 N=( 滯后 )( 同步發(fā)電機的額定功率和額定容量的比值 )。 額定頻率 :A =5OHz。 額定轉(zhuǎn)速 :nN=3 側(cè) r/mn。 定子繞組接線方式 : 雙 Y( 并聯(lián) )。 額定勵磁電壓 :U 刑 =463V。 額定勵磁電流 :I 倒 =2203A。 額定氫壓 :。 定子繞組直流電阻 (15 ℃ ):0. ∞ 19170/ 相 。 轉(zhuǎn)子繞組直流電阻 (15 ℃ ):。 定子每相對地電容 :A 、 B 、 C 三相各為 μ F。 直軸同步電抗 Xd:%。 橫軸同 步電抗 Xq:193%。 直軸暫態(tài)電抗 X39。d:%。 橫軸暫態(tài)電抗 X39。q:37%。 直軸次暫態(tài)電抗 X 飛 :%。 橫軸次暫態(tài)電抗 X 飛 :%。 負序電抗 X2:%。 零序電抗 Xo:%。 短路比 SCR: 各參數(shù)之間關(guān)系 : 額定功率 PN=dUNINeos 伊 N。 額定轉(zhuǎn)速 nN= ω JYp( 其中 :f 為電網(wǎng)頻率 ,p 為同步發(fā) 電機轉(zhuǎn)子直接與汽輪機轉(zhuǎn)子連接 , 當蒸汽推動汽輪機高 速旋轉(zhuǎn) 時 , 發(fā)電機轉(zhuǎn)子隨著轉(zhuǎn)動 , 在同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子 上裝有勵磁繞組 , 當直流電通過勵磁繞組時會產(chǎn)生主磁圖 3 1 1 同步發(fā)電機工作原理圖 場 , 它隨著汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn) , 其磁通如圖中虛線所 1 一定子鐵芯 。2 一轉(zhuǎn)子 。3 一集電環(huán) 示。磁通自轉(zhuǎn)子的一個極發(fā)出來 , 經(jīng)過空氣隙進入轉(zhuǎn)子、另一個極構(gòu)成回路。發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋 轉(zhuǎn)一周在定子繞組內(nèi)感應(yīng)的電動勢正好變化一次 , 所以電動勢每秒鐘變化的次數(shù)恰好等于磁 極每秒鐘的旋轉(zhuǎn)次數(shù)。所以 , 當原動機帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時 , 就得到一個在空間按正弦規(guī)律 分布 的旋轉(zhuǎn)磁場。定子三相繞組在空間互差 120 。電角度。因此 , 三相感應(yīng)電動勢在時間上也互差 1200 電角度 , 發(fā)電機發(fā)出的就是對稱三相交流電 , 即 eA=Emsin ω t eB=Emsin( ω t1200) ec=Emsin( ω t2400) 感應(yīng)電動勢的頻率取決于發(fā)電機磁極對數(shù) p 和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n 。發(fā)電機轉(zhuǎn)子為一對磁極時 , 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周 , 定子繞組中的感應(yīng)電動勢正好交變一次 , 即一個周期 。 假如發(fā)電機轉(zhuǎn)子有 p 對磁極時 , 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周 , 感應(yīng)電動勢就交變了 p 個周期。設(shè)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為 n (r/min), 則 感應(yīng)電動勢每秒鐘交變 pn/60 次 , 即感應(yīng)電動勢的頻率為 f=pn/60(Efz)(3 12) 式 (3 1 2) 表明 , 當同步發(fā)電機的極對數(shù) p 、轉(zhuǎn)速 n 一定時 , 則定子繞組感應(yīng)電動勢的 頻率一定 , 即轉(zhuǎn)速與頻率保持不變的關(guān)系。 我國電力系統(tǒng)的標準頻率規(guī)定為 50 施 , 因此 , 當 n =3 則 r/mn 時 , 發(fā)電機應(yīng)為一對極 。 當 n =15 ∞ r/min 時 , 發(fā)電機應(yīng)為兩 對極 , 依次類推。 當同步發(fā)電機的三相繞組與負載接通時 , 對稱三相繞組中流過對稱三相電流 , 并產(chǎn)生一 個旋轉(zhuǎn)磁場 ( 定子磁場 ), 定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速 nl=6OPp 。即定子磁場與轉(zhuǎn)子磁場以相同 的方向、相同的速度轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn) , 故稱為同步發(fā)電機。 二、同步發(fā)電機的工作特性 同步發(fā)電機帶對稱負載運行時 , 主要有負載電流 I 、功率因數(shù) cos 伊、端電壓 U, 勵磁電 流 IL 等幾個互相影響的變量 , 這些物理量每兩個量之間的關(guān)系 , 稱 EO 為同步發(fā)電機的運行特性。 1. 空載特性 同步發(fā)電機的空載特性 , 是指發(fā)電機轉(zhuǎn)速等于額定轉(zhuǎn)速問 , 定 子繞組開路 (I=0) 時空載電動勢 E 。與勵磁電流 IL 的關(guān)系曲線 , 如圖 3 1 2 所示。 圖 3 13 同步發(fā)電機 由圖 3 13 可見 , 空載特性曲線與發(fā)電機磁路的磁化曲線相同。 的空載特性 空載特性是發(fā)電機的基本特性之一 , 它表征了發(fā)電機磁路的飽和情 況 , 利用它可以求得同步發(fā)電機的參數(shù) , 在實際生產(chǎn)中還可利用該曲線判斷發(fā)電機的一些故 障情況 , 如勵磁繞組有無匣間短路故障。如果勵磁繞組有臣間短 路 , 在相同的勵磁電流下 , 勵磁磁通勢減小 , 曲線下降。 2. 短路特性 所謂短路特性 , 是指發(fā)電機在額定轉(zhuǎn)速下 , 定子三相繞組短 IL 路時 , 定子穩(wěn)態(tài)短路電流 I 與勵磁電流 IL 的關(guān)系曲線 , 即 I= 圖 3 1 3 同步發(fā)電機 f (IL), 如圖 3 13 所示。 短路特 39。 性曲線在做短路特性試驗時 , 要先將發(fā)電機三相繞組的出線端短 路。然后 , 維持轉(zhuǎn)速不變 , 增加勵磁 , 讀取勵磁電流及相應(yīng)的定子電流值 , 直到定子電流 l 達到額定電流值時為止。在試驗過 程中 , 調(diào)整勵磁電流時不要往返調(diào)整。 在做短路特性試驗時 , 要先將發(fā)電機三相繞組的出線端短路。然后 , 維持轉(zhuǎn)速不變 , 增 加勵磁 , 讀取勵磁電流及相應(yīng)的定子電流值 , 直到 定子電流達到額定電流值時為止。在試驗過程中 , 在 ?l O 調(diào)整勵磁電流時不要往返調(diào)整。 CO 叩 =08 短路試驗測得的短路特性曲線 , 不但可以用來 ψ 0 求取同步發(fā)電機的重要參數(shù) : 飽和的同步電抗與短 路比。在實際工作中 , 也常用它來判斷勵磁繞組有 無臣間短路等故障。顯然 , 勵磁繞組存在臣間短路 II 時 , 因安匣數(shù)的減少 , 短路特性曲線是會降低的。 3. 負載特性 負載特性是當轉(zhuǎn)速、定子電流為額定值 , 功率 因數(shù) c ω伊 = 常數(shù)時 , 發(fā)電機電壓與勵磁電流之間的曲線 , 即 U =f(IL) 。圖 314 所示為不 同功率因數(shù)時的負載特性曲線 O 當 c ω伊值不同時 , 我們即可得到不同負荷種類的 特性曲線 O 用負載特性曲線、空載特性曲線、短路特性可以 測得發(fā)電機的基本參數(shù) , 這是發(fā)電機設(shè)計、制造的主 要技術(shù)數(shù)據(jù)。 4. 外特性 同步發(fā)電機的外特性 , 是指發(fā)電機在額定轉(zhuǎn)速下 , 保持勵磁電流和功率因數(shù)不變時 , 端電壓 U 與負載電 圖 3 1 5 同步發(fā)電機的外特性曲線 流 I 之間的關(guān)系曲線。圖 3 1 5 所示為發(fā)電機帶不同功 l 一感性負載 :2 二電阻性負載 。3 一容性負載 率因數(shù)負載時的外特性曲線 O 曲線 1 為感性負載時的外特性曲線 , 它是隨 I