水轮发电机基本知识介绍

1、水轮发电机基本知识介绍一. 关丁发电机电磁设计水轮发电机电磁设计的任务是按给定的容量、电压、相数、频率、功率因数、转速等 额定值和其他技术要求来确定发电机的有效部分尺寸、电磁负荷、绕组数据及性能参数等。水轮发电机电气参数的选择，主要依据电力系统对电站电气参数和主接线的要求，同 时根据水轮发电机基本技术条件、导体和电器设备选择设计技术规定等相关规范来 选择，当然也要根据具体电站的要求。在电磁设计过程中考核的几个主要参数：磁密，定、转子线圈温升，短路比，主要电 抗，效率，飞轮力矩。二. 电磁设计需要输入的基本技术数据（一）额定容量、有功功率、无功功率和功率因数的关系.L ' i.= I I

2、. H _-发电机输出电流在时间相位上滞后丁电压的相位角额定容量 S=r3Un In = P2 Q2有功功率 P=V3Un In cos' =S - cos'无功功率 Q=V3Un I n sin 4 =S - sin（|）人 Pcos 4 =S（二）发电机的电磁计算需要具备以下基本的额定数据：功率/容量，功率因数，电压，转速（极数），频率，相数，飞轮力矩（转运惯量）1. 额定容量（视在功率）或者额定功率（有功功率）S=（kVA / MVA）cos 4P-水轮机额定出力x发电机效率（kW / MW）发电机的容量大小更直接反映发电机的发电能力。有功功率结合功率因数才能完 整反映发

3、电机的输出功率能力。2. 额定功率因数cos'发电机有功功率一定时，cos'的减小，可以提高电力系统稳定运行的功率极限， 提高发电机的稳定运行水平；同时由丁增大了发电机的容量，发电机造价也增加。 相反，提高额定功率因数，可以提高发电机有效材料的利用率，并可提高发电机的 效率。近年来由丁电力系统容量的增加，系统装设同步调相机和电力电容器来改善 其功率因数，以及远距离超高压输电系统使线路对地电容增大，发电机采用快速励 磁系统提高稳定性，使发电机额定功率因数有可能提高。取值：0.8, 0.85, 0.875, 0.9,国内大容量多取 0.850.9,国外发达国家多取 0.90.95。

4、灯泡式水轮发电机由丁受结构尺寸限制，功率因数较一般水轮发电机的取值 高，以减小气隙长度，提高通风冷却效果。（1）一般水轮发电机GB/T7894-2009水轮发电机基本技术条件：5.3额定功率因数#a)b) £) d)水轮发电机的额&祓以下者,不低于085（滞后）；瘫不超过250 MVA者,不低于0敏5（滞居）；定容量为10；额定容量大于7额定容量大于250踵额定容量大于550 MV胃匕水电站机电设计手册-电气一次：表4'6机组容曩与额定功率因1R关系妻机地容敲（MVA）鬻定功字因改10700.8i700.8，J 10 3000.S75（2）灯泡贯流式发电机JB/T70

5、71-2005灯泡式水轮发电机基本技术条件:3.2灯泡式水轮发粗机的额定功率因数为，a)b)c)d)额定容量小于，等于5MVA者不低于0.85（滞后）定容鱼大于5MVA.但不超过10MVA者不低于0.9（滞后）. 额定容壁大于10MVA,但不超过25MVA者不低于0.92（滞后）. 额定容量大于25MVA者不低于0.95（滞后）.3.额定电压Un额定电压的选取需综合考虑对发电机的技术经济指标,对发电机断路器开断容量,对母线、变压器低压线圈，对近区负荷的供电电压及其输配电设备的投资运行费等因 素的影响。对发电机而言，一般来说，额定电压选得低，电机消耗的绝缘材料和有效 材料（硅钢片、铜）可相应减少

6、；但并非越低越好。、表额定容量片麒定电压的美系额 定 容 里 &(kVA)'.商定电压US）20000以下及以下20仲俱。010.5700001500&Q13.8130000"*30000015.75t部0。阪上f18及以上图IT彘佳电压范围与容置的关系灯泡式水轮发电机安装在水下流道内，因密封不良或停机检修时，线圈绝缘容易 受潮而引起绝缘性能下降。为安全可靠运行，发电机额定电压选择比一般水轮发电机 低。同时由丁灯泡式水轮发电机外径受到限制，比一般水轮发电机外径小得多，提高 端电压会使铁心加长，造成发电机制造、通风等方面的困难。灯泡式发电机额定电压与额定容量的关

7、系可参考下表选择。耦定春晨5正kVAlino（iu5<2oo（）y融I定电压110.43- 157】0, 5 4. 额定转速nN5. 额定频率f =50Hz多数美洲国家采用60Hz6. 发电机极数2p=丑X 2 nN三. 发电机主要性能参数1. 短路比是指同步发电机在空载额定电压所对应的励磁电流I f0下三相稳态短路时的短路电流Ik0与额定电流In之比。也等丁产生空载额定电压和额定短路电流所需的励磁电流之 比。Kc=Ik01 N短路比小，负载变化时发电机的电压变化较大， 并联运行时发电机的稳定度较差。 增大气隙可减小同步电抗 Xd,使短路比增大，电机性能变好，但励磁电动势和转子用 铜量增

8、大，造价增高。随着单机容量的增大，为提高材料利用率，希望短路比有所降 低。短路比是根据电站输电距离、负荷变化情况等因素提出的。短路比大，可提高发电机 在系统运行的静态稳定，发电机的充电容量也相应增大。水轮发电机的短路比一般为 0.91.3。对丁要求电压变化率很小或充电容量较大的电机，可采用较高数值。2. 电抗及时间常数进行稳态分析时需要的参数：定子绕组漏抗 X b,直轴电枢反应电抗Xad,交轴电 枢反应电抗Xaq,直轴同步电抗Xd,交轴同步电抗Xq等；进行瞬变状态分析时需要的参数：直轴瞬变电抗 Xd'，直轴超瞬变电抗Xd”，交轴 超瞬变电抗Xq”，定子绕组开路时励磁绕组的时间常数 Td

9、0，定子绕组短路时励磁绕组 的时间常数Td'，定子绕组及励磁绕组短路时直轴阻尼绕组的时间常数Td”，励磁绕组短路时定子绕组的时间常数 Ta等；进行不对称负载运行状态分析时需要的参数：负序电抗X2,零序电抗X0等。(1) Xd-反应发电机静态稳定运行的能力，影响发电机的过载能力，Xd小，静过载系数(发电机可能输出的最大电磁功率与额定电磁功率之比)。计算发电机滞后运行情况(常规工况)时，采用饱和值；在调相运行和充电运行时采用不饱和值。(2) X d'-发电机发生三相短路后,在自动电压调节器的调节下能够稳定运行的能力,影响暂态稳定。发电机额定运行或小波动运行时，为不饱和值，三相短路时

10、为饱和值。（3）X d”-发电机端口的三相短路电流周期分量与 Xd”成反比。对电抗、短路比及时间常数的具体取值，标准中未见有规定。在 GB/T7894-2009中只提到：交、直轴超瞬态电抗（不饱和值）之比（ Xq”/Xd”）一般为0.981.25。水电站机电设计手册-电气一次：降低暂态电抗了；对动态稳定虽然有利，但不如降低同步电抗对静态稳定的影响那样显 著，因为的数值较小，在系统总电抗中所占比重要较所占比重小得多，旦由于暂态电 抗，主要决定于定子漏抗和转子漏抗的大小，所以减小更为困难，因此.除个 别稳定问题严虞的情况外，-般不从稳定观点提出降低的要求&此外，当发电机的线发电机主要电抗参

11、数及其影响见下表:#敷同步电tftXj形嘛鼻敷 的主要因素 由所要求的短路比疏定 存电敏负荷已定条符下，其值主裹决定于 气醮长度慎.检,蛆藤比雄大，同步电 抗越小彝敬席近行状旭的彩响ir 决定电机的最大精出功率或静毒整定援 骸.X越小其值增大，春恋趋堆悝袖有 Xd螭小，电压文化率超小* 械路充电容量翠大时要求X.超小算变电抗fc卜：.-L 在电眼负祠已定条件下箕僮主具庞定于庵 子愤照和切|取点蛆的IS抗的大小, 对寻体度援冷却的大睿亲意电机，虫于电负荷诚大大x;壅大*为逑彘X#过大, 设计,应号棒魅定子抗，如采用浅，降 叫st槌*旗惫：.j 对电机的动委段定极限有辕大北城1, XX 建小，功毒

12、fit定根限够大 影响突然加负荷时的瞬花电压降及租压变 '北第我：-I1.- b .L.+"*. ； L - .、蛆瞬壁电痢X9. X；其值快定于姑尼貌蛹的幼构垂式及定于堤一沮 决定突然晅略电溢的冲击崛俱及味振电磴 转矩幅值c Xd谨小'冲击电流越大广同时作 用素免组端部及整勘输猊上的力和聘电赭大 "X；越小阳尼作用越强蒙担不平 燃负荷的前力越大 比也XWX*大,不对驻短Wf时曲过E& 压超大水轮发电机主要参数的典型值（不饱和值）：参敏有酣尼貌俎无 阻 尼 堀X0.9510.95r.MX'0.540 .祁.0.710.54 0.23.* 0.

13、31.2HXjD.2I0.150.35Jl；L3 '0.2'0.4 . Ji -i .+ -<1 1.1)X 务!龙,. >B，. .-L.' 7Pn+B 1、 *(225)X>/X,藉_ *0.150,30微055Xooao _0.0610.17oao TC.0S1021皿6.11.7710-51.7710*51.80.543*7L8'0.54私7岫部一。017了0.1。_ 0.Q5 _0.0”7 0.10T.，J. j0*。.。80.3自。姬0.15 L55_ . 一注1 .横绶下方为数值蔻囹，上方为平捌' ' 2.时间常戒

14、以秒祚.电捻为标么值.3. 飞轮力矩GD2直接影响到发电机在甩负荷时的速度上升率和系统负荷突变时发电机的运行稳定 性，因此它对电力系统的暂态过程和动态稳定也有很大影响。当水轮发电机组的部分 负荷被切除时，水轮机的驱动转矩与发电机的电磁转矩一时失去平衡，机组的转速上 升，此时GD2越大，机组转速变化率越小，电力系统运行的稳定性就越高。但是GD2过大，使发电机重量增加，导致成本的提高。GD2由水轮机的调节保证计算确定。4. 机械（或惯性）时间常数表示在发电机额定转矩作用下，把转子从静止状态加速到额定转速所需要的时问。与飞轮力矩成正比。储能时间常数H:国外一些厂家习惯用储能常数（或能量系数）表示发电

15、机转子储存的能量，其表达式为：H=（5.479/1000）*J*（N_NA2）/P_NH:单位为 s , kW.s/kVAJ:转动惯量 tmA2 , =1/4*GDA2N_N转速rpmP_N：容量 kVA5. 调相容量及充电容量（1）发电机的运行状态当电网或原动机偶然发生微小扰动时，若在扰动消失后发电机能自行回复到原 运行状态稳定运行，则称发电机是静态稳定的；反之，就是不稳定的。当发电机带感性负载时，电枢反应具有去磁作用，这时为了维持发电机端电压 包定，就必须增大励磁电流，以补偿电枢反应的影响。因此，无功功率的调节依赖 丁励磁电流的变化。在原动机输入功率不变，即发电机输出功率P包定时，改变励磁

16、电流将引起同步电机定子电流大小和相位的变化。将cos' =1时的励磁电流定义为“正常励磁”值（点），此时发电机输出纯有功功率，定子电流最小，且与端电压同相位。发电机“过励”状态：从“正常励磁”点开始，励磁电流增大，cos'减小，定子电流增大，并滞后丁端电压，发电机输出滞后无功功率（感性无功）；发电机“欠励”状态：从“正常励磁”点逐步减小励磁电流， cos'减小，定子 电流变大，并超前丁端电压，发电机向电网输出超前的无功功率（容性无功），或者 说吸收滞后的无功功率。滞（迟）相运行：发电机在过励状态下，既向系统输送有功功率乂输送感性无功功 率。这是发电机的工作常态。进相运行

17、：发电机在欠励状态下，向系统输送容性的无功功率和部分有功功率。由丁发电机进相运行时处丁欠励状态，为保证进相运行的安全，机组的千伏安出力应经试验分析确定。SL321-2005:进相深度为0.95时应能长期运行（即cos, =0.95 超前）。充电运行：发电机投入空载高压长距离输电系统运行，即不发出有功功率，只 向系统输出容性无功功率，是进相运行的一种方式。调相运行：发电机工作在电动机状态，不发出有功功率，只向系统输出感性无 功功率，发电机处丁过励状态。(2) 调相容量水轮发电机作调相运行时的容量按转子励磁绕组的允许温升确定，通常范围为(0.60.75) SN。(3) 充电容量发电机端电压为额定电

18、压时，发电机带电容性负载运行最大可能吸收的系统无 功功率的容量。6. 效率 1fu ih - _I i?wOi _04»fflt-56敢率与容餐的近皿关系四. 发电机结构型式1. 立式：(1) 立轴悬式：推力轴承位丁转子上部，适用丁中高速机组。优点：机组径向机械稳定性好，轴承损耗较小，维护检修方便。(2) 立轴伞式：推力轴承位丁转子下部，全伞，半伞，中低速大容量采用。优点：结构紧凑，机组总高度比悬式低；可减轻定子和负重机架重量，从而可 减轻发电机总重量，缺点：推力轴承直径较大，轴承损耗比悬:式大。2. 卧式：两轴承，三轴承3. 灯泡贯流式4. 轴伸贯流式五. 通风系统1. 开启式自通风：1000kVA及以下2. 管道式通风：10004000kVA3. 密闭自循环通风冷却4. 密闭强迫循环通风冷却