【正文】 第八章 同步發(fā)電機的運行第一節(jié) 同步發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu)同步發(fā)電機是發(fā)電廠最主要的電氣設(shè)備，它利用電磁感應(yīng)原理將原動機轉(zhuǎn)軸上的動能通過磁場轉(zhuǎn)換成為電能。一、同步發(fā)電機的分類和型號㈠同步發(fā)電機的分類⒈按照原動機的不同分為：⑴水輪發(fā)電機；⑵汽輪發(fā)電機；⑶燃汽輪發(fā)電機；⑷柴油發(fā)電機。⒉按照轉(zhuǎn)子的不同分為：⑴隱極式發(fā)電機：用于汽輪發(fā)電機和燃汽輪發(fā)電機，轉(zhuǎn)速高；⑵凸極式發(fā)電機：用于水輪發(fā)電機，轉(zhuǎn)速低。⒊按照冷卻介質(zhì)不同分為：⑴空氣冷卻；⑵氫氣冷卻；⑶水冷卻等。按照發(fā)電機機安裝方式不同可分為：⑴臥式；⑵立式；按照冷卻方式不同可分為：⑴水氫氫：定子繞組水內(nèi)冷、轉(zhuǎn)子繞組氫內(nèi)冷、鐵心氫冷；⑵水水空：定子、轉(zhuǎn)子繞組水內(nèi)冷、鐵心空冷；⑶水水氫：定子、轉(zhuǎn)子繞組水內(nèi)冷、鐵心氫冷。㈡同步發(fā)電機的型號對于汽輪發(fā)電機，根據(jù)其冷卻方式不同，分為以下幾種型號：⑴空冷汽輪發(fā)電機QF系列，如QF252，其型號的意義為：Q－汽輪，F(xiàn)－發(fā)電機，25表示額定功率 (單位是MW)，2表示極數(shù)。 ⑵氫外冷汽輪發(fā)電機QFQ系列，如QFQ502，其型號的意義為： Q－汽輪，F(xiàn)－發(fā)電機，Q－氫冷，數(shù)字解釋同⑴。⑶氫內(nèi)冷汽輪發(fā)電機QFN系列，如QFN1002，其型號的意義為： Q－汽輪，F(xiàn)－發(fā)電機，N－氫內(nèi)冷，數(shù)字解釋同⑴。⑷雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機QFSS系列，如QFSS2002，其型號的意義為：Q－汽輪，F(xiàn)－發(fā)電機，S－定子繞組水內(nèi)冷，S－轉(zhuǎn)子繞組水內(nèi)冷，數(shù)字解釋同⑴。⑸水氫氫冷汽輪發(fā)電機QFSN系列，如QFSN3002，其型號的意義為：Q一汽輪，F(xiàn)－發(fā)電機，S－定子繞組水內(nèi)冷，N－轉(zhuǎn)子繞組氫內(nèi)冷，數(shù)字解釋同⑴。對于水輪發(fā)電機，根據(jù)推力軸承安放的位置不同，可分為以下兩種型號：⑴懸式水輪發(fā)電機TS系列，如TS854/15640，其型號的意義為：T－同步，S－水輪，854表示定子鐵芯外徑(cm),156表示鐵芯長度(cm).40表示極數(shù)。⑵傘式水輪發(fā)電機TSS系列，如TSS1260/16048，其型號的意義為：S－水輪，T－同步，S一雙水內(nèi)冷，數(shù)字解釋同⑴。二、同步發(fā)電機的冷卻發(fā)電機在運行時，由于繞組中的電流和鐵芯中的交變磁通會產(chǎn)生熱量，這種熱量會使發(fā)電機溫度升高，隨著發(fā)電機單機容量的增大，溫升也越來越高。就發(fā)電機而言，溫升受到電機鐵芯沖片絕緣和線圈絕緣材料允許溫度的限制，因此，必須加以冷卻。80多年來，發(fā)電機冷卻介質(zhì)已從空氣時代進展到氫氣和水的時代，氫氣的重量僅為空氣的1/4，導(dǎo)熱性能比空氣高六倍，其冷卻效果比空氣好，%。一般汽輪發(fā)電機從空冷改為氫冷后，可提高出力2035%，冷卻方法從冷卻介質(zhì)接觸絕緣外部的間接冷卻進展到與銅線的內(nèi)部接觸直接冷卻，稱之內(nèi)冷式，大大提高了冷卻效果。而采用水作為冷卻介質(zhì)，為電機技術(shù)的發(fā)展開辟了一條嶄新的道路，當水的流速僅為空氣的百分之幾時，它的冷卻能力比空氣大幾十倍。發(fā)電機的定子采用水內(nèi)冷，轉(zhuǎn)子及鐵芯采用氫內(nèi)冷方式，可大幅度提高其出力。下表為空氣、氫氣和水三種常見冷卻介質(zhì)的冷卻性能表 各種冷卻介質(zhì)的冷卻能力比較冷卻介質(zhì)相對比熱相對密度相對流量相對吸熱量針對冷卻能力空氣氫氣（）油848水1000208由上表可以看出：水是最好的，密度是空氣的1000倍，散熱能力是空氣的84倍，此外水還有良好的絕緣性能。大型同步發(fā)電機常見的冷卻有：定子、轉(zhuǎn)子氫表冷，額定容量SN≤100MW；轉(zhuǎn)子氫內(nèi)冷、定子氫表冷，額定容量SN≤250MW；定子、轉(zhuǎn)子氫內(nèi)冷，額定容量SN≤1000MW；轉(zhuǎn)子氫內(nèi)冷、定子鐵心氫表冷、定子繞組水內(nèi)冷，額定容量SN≤1200MW；水氫冷發(fā)電機的特點是，定子繞組用水冷卻，轉(zhuǎn)子繞組采用氫氣冷卻，一般水源取自汽輪機的凝結(jié)水，這種水源比較清潔，符合冷卻水質(zhì)的要求。發(fā)電機鐵芯也采用氫氣冷卻。水氫冷發(fā)電機雖然可以減少材料消耗，但是和空冷電機相比，它的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，維護修理比較麻煩，同時還必須配備一套專用冷卻系統(tǒng)，所以一般情況下，它只適用于大型電機，而對5萬kW以下的中小型電機，由于它的經(jīng)濟意義不大，故仍采用空冷型式為主。我國QFSN300型30萬kW機組和QFSN600型60萬kW機組，由于容量大、額定電壓高，較之普遍的中小型氫冷、水冷機組，在提高電氣性能和加強機械強度、確保安全運行方面，都采取一系列特殊而有效的必要措施。三、同步發(fā)電機的額定容量同步發(fā)電機的額定容量是電力系統(tǒng)發(fā)展的重要標志。下表示出了我國國產(chǎn)汽輪發(fā)電機單機容量增長速度。目前同步發(fā)電機的單機容量不斷增長，原因：⒈降低造價和材料消耗；⒉降低電廠基建安裝費；⒊降低運行費用。但是，并非是任何情況下單機容量越大越好，而是要與系統(tǒng)的總?cè)萘科ヅ?。如系統(tǒng)容量小于1000MW，單機最大容量一般是系統(tǒng)容量的4~6%；系統(tǒng)容量在1000~10000MW，單機最大容量一般是系統(tǒng)容量的6~10%；系統(tǒng)容量在大于10000MW，單機最大容量一般可以超過系統(tǒng)容量的10%。表 國產(chǎn)汽輪發(fā)電機單機容量增長速度時間1952195419571958195919601969197019741994型號QF32QF62QF122QF252QF502TQN1002QFS1252QFQS2002QFQS2002QFSN3002QFSN6002單機容量MW36122550100125200300600冷卻方式空冷空冷空冷空冷氫外冷氫外冷雙水內(nèi)冷水氫氫水氫氫水氫氫水內(nèi)冷提高發(fā)電機單機容量，不能只靠增加電機體積，因為發(fā)電機轉(zhuǎn)子鍛件和護環(huán)鍛件的機械性能極限使鍛件尺寸受到限制，因此隨著單機容量增加，材料利用率越來越高，單位體積的發(fā)熱量也大為增加，為限制發(fā)電機溫度，必須在冷卻上采取強化措施。所以，發(fā)電機冷卻方式可以反映出發(fā)電機的容量等級和結(jié)構(gòu)特征。同步發(fā)電機的單機容量可用下式計算：P為單機容量；六個影響單機容量的因素：K為常數(shù)，不可改變；n為額定轉(zhuǎn)速，r/min，一般也不可改變；定子內(nèi)徑，m，因為轉(zhuǎn)子中心孔所受應(yīng)力與直徑的3次方成正比，所以受轉(zhuǎn)子材料的機械強度的限制不宜過大。為定子鐵心有效長度，m，因轉(zhuǎn)子的長度與直徑的比例不能太大，所以受轉(zhuǎn)子剛度、撓度的限制不宜過大。Ｂδ為氣隙磁通密度，T，受硅鋼片飽和的影響不宜過大。A為定子線負荷，A/mm，是提高單機容量的唯一途徑，可以通過冷卻技術(shù)來提高定子線負荷，從60A/mm提高到200～250A/mm，再提高有相當難度。目前正研究“超導(dǎo)”材料，轉(zhuǎn)子繞組采用“超導(dǎo)”材料，定子繞組采用常導(dǎo)材料，因“超導(dǎo)”勵磁繞組可以產(chǎn)生高于常導(dǎo)勵磁繞組產(chǎn)生的氣隙磁密，無需定子和轉(zhuǎn)子鐵心，所以定子繞組可作成無槽氣隙繞組，其空間利用率及線負荷大大提高，單機容量可達3600MW；上表示出了常見汽輪發(fā)電機冷卻方式與容量的關(guān)系。以下3表分別是國產(chǎn)汽輪發(fā)電機單機表 進口300MW汽輪發(fā)電機組的技術(shù)指標制造國廠家美國西屋美國通電前蘇聯(lián)эС意大利法國羅馬尼亞運行廠石槽上安元寶山蒲城機型AB3502ТББ3002THA3202額定功率MW300379300320300330額定電壓kV202318202224額定電流kA功率因數(shù)轉(zhuǎn)速r/min300030003000300030003000冷卻方式全氫水氫氫水氫氫水氫氫水氫氫水氫氫額定氫壓MPa效率%短路比勵磁方式無刷機內(nèi)勵高頻整流可控硅可控硅可控硅表 國產(chǎn)300MW汽輪發(fā)電機組的技術(shù)指標型號QFSN3002QFSN3002QFSN3002QFS3002QFN3002生產(chǎn)廠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MW300300300300300額定電壓kV2020201820額定電流A1019010190101901132010190功率因數(shù)轉(zhuǎn)速r/min30003000300030003000冷卻方式水氫氫水氫氫水氫氫水水空氫氫氫額定氫壓MPa(水壓)效率%短路比勵磁方式三機同軸交流靜止SCR三機同軸交流靜止SCR三機同軸交流旋轉(zhuǎn)SCR三機同軸交流靜止SCR三機同軸交流旋轉(zhuǎn)SCR勵磁電流/電壓2203A/426V2642A/365V2510A/302V1844A/483V2698A/403V容量增長情況、進口300MW、600MW機組技術(shù)經(jīng)濟指標和國產(chǎn)300MW、600MW機組的主要參數(shù)。表 引進型600MW汽輪發(fā)電機組的技術(shù)指標運行廠平圩發(fā)電廠北倫港電廠1機石洞口二廠元寶山電廠生產(chǎn)廠家哈爾濱日本東芝ABB法國AA機型QSFN6002ANKS50WT23E6002T260640額定功率MW600600600最大連續(xù)出力MW定子額定電壓kV20202420功率因數(shù)轉(zhuǎn)速r/min3000300030003000冷卻方式水氫氫水氫氫水氫氫水氫氫頻率Hz50505050定子繞組進水溫℃45~50464535定子繞組溫升℃50546065勵磁電流A/電壓V5900/4804700/5105080/4842963/592轉(zhuǎn)子額定氫壓MPa轉(zhuǎn)子進氫溫度℃45177。1464555效率%99短路比定子中性點接地方式經(jīng)400/100V變壓器高阻接地經(jīng)20kV/190V配電變壓器接地經(jīng)配電變壓器高阻接地經(jīng)配電變壓器高阻接地負序能力穩(wěn)態(tài)I2表 世界各國600MW汽輪發(fā)電機組的技術(shù)指標㈠公司型號哈電、上電優(yōu)化600MW引進WH技術(shù)2105234BBC50WT23E128HITACHI額定容量MW/MVA600,650/667,722600/667600/667600/667最大出力MW/MVA654,680/727,756 644/716666/740定子額定電壓kV20202421氫壓MPa勵磁方式無刷無刷靜止并勵靜止并勵定子鐵芯外/內(nèi)徑mm2673/13162673/12702934/13502514/1320轉(zhuǎn)子直徑/長度mm1130/62501150/64001079/6190勵磁電流A/電壓V4202/4295898/5100/4505450/457轉(zhuǎn)子額定氫壓MPa效率%短路比通風形式氣隙取氣軸向徑向軸向徑向氣隙取氣冷卻方式水氫氫水氫氫水氫氫水氫氫表 世界各國600MW汽輪發(fā)電機組的技術(shù)指標㈡公司型號AESALDGTHARMITSUBICHIKWUTHDD115/67AATOSHIBA額定容量MW/MVA600/667600/667600/667600/667600/667最大出力MW/MVA681/ 650/722657/730652/724657/730定子額定電壓kV2020212020氫壓MPa勵磁方式靜止并勵無刷無刷無刷靜止并勵定子鐵芯外/內(nèi)徑mm2560/12832800/12952950/1350/1340轉(zhuǎn)子直徑/長度mm1111/75701100/58001150/6400勵磁電流A/電壓V4760/4885420/5004520/4532504/4760/轉(zhuǎn)子額定氫壓MPa效率%短路比