热电厂发电机结构工作原理,事故处理及案例分析

本课程主要学习内容发电厂电气专业技术培训四川化工职业技术学院同步发电机第一讲基本教学要求1.理解同步电机的基本工作原理；2.掌握基本结构各部件的特点和作用；3.了解冷却方式、掌握同步发电机的铭牌；4.知道同步发电机的励磁方式及励磁系统的作用与要求。本章重点和难点重点：1.同步发电机的主要结构和基本工作原理；2.主要结构部件特点和作用；3.励磁系统的作用与要求。难点：1.同步发电机的基本工作原理；2.励同步发电机的磁系统。第一讲：同步发电机的基本工作原理和结构

同步电机是交流旋转电机的一种,因其转速恒等于同步速时而得名。现代发电厂中所发出的交流电能几乎都是同步发电机的。对于有恒速要求的生产机械，可采用同步电动机作为动力，同步电机也可作为调相机用，向电力系统发出感性或容性无功功率，用于改善电力系统的功率因数及调整电网电压。同步电机无论作发电机、电动机或调相机，其基本原理及结构是相同的，只是运行方式不同而已。本章基本要求：⒈同步发电机的基本工作原理；⒉同步发电机的基本结构；⒊同步发电机的铭牌数据。第一讲：同步发电机的基本工作原理和结构第一节同步发电机的基本工作原理定子转子滑环

同步发电机基本原理工作是根据电磁感应现象，即导体切割磁力线产生感应电动势工作的。因此，同步发电机应有产生磁力线的磁场和切割该磁场的导体。一、基本结构模型，如图所示:气隙

图中给出了最常用的转场式同步发电机的结构模型，其定子铁心的内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌放着按一定规律排列的三相对称交流绕组。这种同步电机的定子又称为电枢，定子铁心和绕组又称为电枢铁心和电枢绕组。1.定子2.转子

转子铁心上装有制成一定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组，当通过电刷和滑环通以直流电流时，将会在电机的气隙中形成极性相间的分布磁场，称为励磁磁场(也称主磁场、转子磁场)。主磁场由N极出来经过气隙、定子铁芯，再经过气隙进入S极而构成主磁路。如图中虚线所示(图中p=1)。3.气隙

气隙处于电枢内圆和转子磁极之间，气隙层的厚度和形状对电机内部磁场的分布和同步电机的性能有重大影响。

除了转场式同步电机外,还有转枢式同步电机，其磁极安装于定子上，而交流绕组分布于转子表面的槽内，这种同步电机的转子充当了电枢。二、同步发电机的工作原理

如图所示，外部直流电源通过滑环向转子提供直流励磁电流，并产生磁场；原动机拖动发电机转子以转速n按图示方向作恒向旋转。

定子中三相绕组的导体依次切割磁力线，三相绕组便感应产生各相大小相等、相位彼此相差1200的交流电动势。若气隙磁通密度按正弦波分布，则三相绕组感应电动势波形如图所示，且相序为A→B→C。1.交变感应电动势的产生每相感应电势有效值:2.感应电势的频率

交流电动势的频率f可这样确定:当转子为1对极时，转子旋转一周，定子绕组中感应电动势变化一个周期；当同步发电机具有p对极时，转子旋转一周，感应电动势就交变p个周期；当转子的转速为每分钟n转时，则交变电动势的频率为:转子的转速(r/min)

由上式可知:同步发电机定子绕组感应电动势的频率取决于它的极对数p和转子的转速n。转子转速越高，定子绕组感应电势E0的频率越高。即n↑→f↑。可见，同步发电机极对数p一定时，转速n与电枢电动势的频率f之间具有严格不变的关系。说明:

如果发电机作为电源单独给负载供电，对电源频率的要求并不十分严格，对原动机的转速要求也不很严格。3.同步转速

现代的发电机，绝大多数都是向大电网并网供电，这就对同步发电机的频率要求严格了，我国电网频率为50HZ，所以发电机发出的电动势频率也必须为50HZ，如果发电机的频率与电网频率不等将会造成严重事故。同步转速从供电品质考虑，由众多同步发电机并联构成的交流电网的频率应该是一个不变的值，这就要求发电机的频率应该和电网的频率一致。我国电网的频率为50Hz，故有：要使得发电机供给电网50Hz的工频电能，发电机的转速必须为某些固定值，这些固定值称为同步转速。例如2极电机的同步转速为3000r/min，4极电机的同步转速为1500r/min，依次类推。只有运行于同步转速，同步电机才能正常运行，这也是同步电机名称的由来。同步电机的特点4.电磁过程

转子冲转到额定转速,汽轮发电3000r/min

→转子绕组加励磁电流(直流)→产生旋转磁场→定子绕组切割磁力线产生三相对称感应电势→发电机出线端三相对称电压。

5.电势的调节

根据E0=4.44fNkw1Φ0

和If→Φ0可知，调节励磁电流If，可改变磁通Φ0，从而改变定子绕组感应电势E0。即If↑→E0↑；If↓→E0↓。6.相序

相序决定于转子的转向。从励磁端看，汽轮发电机的转向为逆时针方向。

同步发电机原理小结:外部直流电源通过滑环向转子提供直流励磁电流，并产生磁场；原动机拖动转子旋转，转子磁极磁场切割三相定子绕组，感应三相交流电。第二节同步发电机的基本结构一、同步电机分类：旋转电枢式：电枢旋转，磁极固定，因电枢功率不易由滑动部分送出，只适于较小容量发电机，实用少。旋转磁极式：磁极旋转，电枢固定，电枢功率由静止部分送出，可传送较大功率，实用广，是同步发电机的基本结构型式。同步电机旋转磁极式隐极式转子：不计齿槽时气隙均匀；机械强度高，适用于高转速；一般用于汽轮发电机；外形细长。凸极式转子：气隙不均匀，极弧下较小，极间较大；机械强度比隐极机低，适用于低转速；一般用于水轮发电机，外形扁盘形。二、隐极同步发电机（只有卧式支撑）的基本结构汽轮发电机与直流励磁机配套而成的汽轮发电机组结构图1-定子机座2-定子铁芯3-外壳4-吊起定子设备5-防水导水管6-定子绕组7-定子压紧环8-外护板10-通风壁11-导风屏12-电刷架9-里护板13、14-电刷15-轴承座16-轴承衬17-油封口18-汽轮机的油封口19-基础板20-转子21-端线22-励磁机一对极隐极式转子示意图1.隐极式转子结构：主要由铁芯、励磁绕组、阻尼绕组、紧固件和风扇组成。它是汽轮发电机的重要部件，如图所示。(1)转子铁芯

隐极式转子铁芯应具有良好的导磁性能，并能承受很大的离心力作用。隐极式转子铁芯通常与转轴锻造成一体，一般所用材料是具有高强度和导磁性能良好的含铬、镍和钼的合金钢。汽轮发电机的转子铁芯横剖面如图示:(a)辐射形排列(b)平形排列

隐极式转子上没有凸出的磁极，沿转子铁芯外圆表面铣出许多槽，槽中嵌放励磁绕组。在转子表面约1/3部分没有开槽，构成所谓大齿，是磁极的中心区即主磁极。励磁绕组通入励磁电流后，沿转子圆周也会出现N极和S极。汽轮发电机的转子槽分类图示:(2)励磁绕组

励磁绕组是由矩形的绝缘扁铜线绕成同心线圈，两线圈边分别放置在大齿两侧所开出的槽内，所有线圈串联组成励磁绕组，构成转子的直流电路。励磁绕组引出的两个线端接在滑环上，并通过电刷与外电路直流电源相连接。注意:励磁绕组的各线匝间需垫有绝缘材料，同时，线圈和铁芯之间也需有可靠的“对地绝缘”。励磁绕组放置在槽内后，需用非导磁材料、高强度的硬铝或铝青铜制成的槽楔来压紧，如图所示。转子槽部剖面图槽楔楔下垫条匝间绝缘扁铜线槽绝缘(3)阻尼绕组

某些大型汽轮发电机转子上装有阻尼绕组，它是一种短路绕组，由放在槽楔下的铜条和转子两端的铜环焊接成闭合回路。阻尼绕组的主要作用是:在同步发电机短路或不对称运行时，利用其感应电流来削弱负序旋转磁场的作用，以及同步发电机发生振荡时起阻尼的作用，使振荡衰减。嵌装完励磁绕组后的转子励磁绕组连接图(4)紧固件

转子紧固件包括护环和中心环。由于汽轮发电机转速高，绕组端部受到很大的离心力，所以必须采用护环和中心环来可靠地固定，如图所示。护环把转子励磁绕组的端部套紧，以防绕组端部甩出。中心环用来支持护环和防止转子绕组端部的轴向位移。为了减少端部漏磁场，护环采用非导磁合金钢材料。作用：保护转子绕组端部(5)滑环

直流电流通过截止的正负极性的电刷、两互相绝缘且套在转轴上随转子转动的滑环引入转子励磁绕组。(6)风扇

汽轮发电机的转子细长，通风冷却比较困难，故转子的两端一般装有轴流式或离心式风扇，用以改善冷却条件。隐极式转子特点：在大容量高转速汽轮发电机中，转子圆周线速度极高，最大可达170米/秒。为了减小转子本体及转子上的各部件所承受的巨大离心力，大型汽轮发电机都做成细长的隐极式圆柱体转子。考虑到转子冷却和强度方面的要求，隐极式转子的结构和加工工艺较为复杂。转子长度/直径=2.0～6.5，且容量愈大比值愈大。滑环风扇2.隐极式定子结构：定子又称为电枢，主要由定子铁芯、定子绕组、机座、端盖等部件组成。它是同步发电机用以产生三相交流电能，实现机械能与电能转换的重要部件，如图所示。(1)定子铁芯

定子铁芯是主磁路的一部分,嵌放定子绕组。一般由厚0.5mm或0.35mm的硅钢片叠成，沿轴向叠成多段形式，每段叠片厚为30-60mm。各段叠片之间留有宽约10mm的通风槽，以改善定子铁芯的散热条件，如图所示。

为减少漏磁防止涡流引起过热，在定子铁芯的两端用非磁性材料制成的压板将其夹紧，整个铁芯固定在定子机座上，如图所示。沿定子铁芯内圆表面的槽内放置三相定子绕组。定子铁芯压紧(a)无磁性压板(b)定子铁芯剖面(2)定子绕组

汽轮发电机的定子绕组一般采用三相双层短距叠绕组，Y连接或YY连接，构成定子三相交流电路。作用：产生感应电势。(1)定子绕组(2)端部连接线(4)通风孔(3)机壳(5)机座

由于定子电流较大，每槽一般只嵌放两个有效导体(线棒)，为减少涡流损耗，同时也为了减少绕组导体中集肤效应引起的附加损耗，每根导体常由许多相互绝缘的15mm2以下的扁铜线并联多股线组成，在槽内线圈的直线部分还应进行编织换位，如图所示。

三相定子绕组对铁芯绝缘强度的要求，取决于电机额定电压的高低。为了防止电晕，6.3kV及以上的定子绕组经绝缘处理后还要涂以半导体漆。定子的每一槽内放置上、下两线圈边，并垫以层间绝缘，线圈放入槽中，采用槽楔固定，如图所示。剖面示意图

为了能承受住突然短路等过渡过程产生的巨大的电磁力而引起的端部变形，以及正常运行时不致于产生较大的振动，定子绕组端接部分需用线绳绑紧或压板夹紧在非磁性钢做成的端箍上，如图所示。定子绕组端部加工中的定子绕组水电接头定子绕组水电接头

(3)机座

机座是用来支撑和固定定子铁芯和端盖的，应有足够的强度和刚度，机座与定子铁芯之间需要留有适当的通风道，以利于电机的冷却，如图所示。定位筋

端盖

(1)立式水轮发电机(2)卧式水轮发电机三、凸极同步发电机的基本结构

凸极同步电机通常分立式和卧式结构两类，大中型容量的水轮发电机一般采用立式结构，如图所示。

由于水轮机的转速很低，为了得到额定频率，发电机的极数就需要相应的增加，发电机的转子直径则需加大。在容量一定的情况下，发电机的总长度便可缩短，故水轮发电机的转子长度L和定子内径D之比为的0.125-0.07，如图所示。

立式水轮发电机的结构又分为悬式和伞式两种，如图所示。悬式伞式悬式的推力轴承是安装在转子的上部，整个转子悬吊在机架上，这种结构运行时稳定性较好，只适用于转速较高的发电机(150r/min以上)。伞式的推力轴承是安装转子下部，整个转子形同被撑开的雨伞，这种结构运行时稳定性较差，只适用于转速较低的发电机(125r/min以下)，如图所示。推力轴承1.定子

水轮发电机主要是由转子、定子和机架和推力轴承等部件组成。由机座、定子铁芯和定子绕组等主要部件组成。(1)机座

机座用来支撑定子铁芯、轴承和端盖等，并构成冷却风路。直径大于4m的机座可分成若干瓣，安装时再拼接成一体。例:三峡左岸电站定子机座由定子铁芯支撑环、20个垂直的斜元件、垂直筋板以及机座外壁等组成。机座分6瓣，现场组装，如图所示。(2)定子铁芯

定子铁芯的基本结构与汽轮机相同，大容量的水轮发电机定子铁芯由扇形硅钢片叠成，留有通风沟。沿铁芯内圆表面的槽内放置三相定子绕组，并用槽楔压紧。例:三峡左岸电站定子铁芯由硅钢片、齿压板、压指、压紧螺栓等组成。硅钢片厚度为0.5mm，两面均涂有F级绝缘漆，叠成总高度为3130mm，共46段叠片堆，47个通风槽；铁芯拉紧螺栓位于铁芯叠片中部，用绝缘套管与铁芯叠片绝缘，与传统的位于铁芯叠片尾部相比拉紧效果好，有利于防止叠片翘曲变形和运行过程中松动，如图所示。(3)定子绕组

大中型水轮发电机的极数较多，定子绕组多采用双层波绕组，可节省极间接线，并多采用分数槽绕组以便改善电动势的波形。例:三峡左岸电站定子绕组设计为三相双层波形绕组，每相5支路并联，共1080根罗贝尔线棒组成。绕组轮换数为1—8—14，每极每相槽数为9/4，节距为13，如图所示。由中心导体、水冷部件、主绝缘、电晕保护层等组成

罗贝尔线棒

两种发电机采用的是罗贝尔360度换位线棒，线棒由中心导体、水冷部件、主绝缘、电晕保护层等组成。线棒结构简介(1)ALSTOM发电机线棒中心导体部分由42根铜股线，单根铜股线表面喷有绝缘漆，层与层之间有一预浸渍环氧漆的垫条作为一层额外绝缘，以防层间短路。铜股线换位后留下的空隙用环氧云母胶填充，外面再加一层内部半导体防电晕保护层；

VGS发电机线棒中心导体部分由24根铜股线，线棒的股间绝缘采用玻璃纤维和优质云母材料。(2)ALSTOM发电机水冷部件由6根不锈钢空心导管和2个水箱组成；VGS发电机水冷部件由6根铜空心导管，作为中心导体的一部分。(3)ALSTOM发电机线棒的主绝缘采用的是MICADURF级绝缘系统，它是由真空浸渍的合成树脂绝缘带和在无溶剂环氧树脂中浸渍的高品质云母玻璃纤维带组成。整根线棒由19层此绝缘带连续半叠绕构成，形成后的线棒直线段主绝缘厚度为4.6mm，斜线段主绝缘厚度为3.7mm。VGS发电机线棒的主绝缘也采用的是MICADURF级绝缘系统，由优质云母和混合环氧树脂组成主绝缘厚度为4.6mm。(4)ALSTOM发电机防电晕保护层分两部分，线棒直线段是浸有半导体漆LL17的聚胺脂带子缠绕，厚度约为0.15mm，表面接触电阻变化范围为0.8-8千欧/平方毫米，线棒端部弯曲段采用高阻防晕层，厚度约为0.9mm。ALSTOM发电机线棒结构

线棒直线段截面图

线棒弯曲段截面图2.转子由转轴、转子支架、磁轭和磁极等主要部件组成。

转轴一般采用高强度钢锻造而成。大中型转子的转轴是空心的，在用钢量相同的情况下，强度可相应增加。(1)转轴(2)磁极

磁极采用1-1.5mm厚的钢板冲片叠成，在磁极的两端面加上磁极压板，用铆钉铆成整体。(3)励磁绕组

励磁绕组多采用绝缘扁铜线绕制而成，而后经浸胶热处理，套在磁极上，如图所示。(4)阻尼绕组

在水轮发电机中，极靴部位一般装有阻尼绕组，用以减少并联运行时转子振荡的振幅。整个阻尼绕组由插入极靴阻尼孔中的铜条和端部铜环焊接而成。某些中小型容量凸极同步发电机，磁极铁芯是整体的，一般不另装阻尼绕组。高品质云母玻璃纤维绝缘框极绕组支撑压板T形尾磁极压板极绕组端部极绕组(5)磁轭与转子支架

磁轭由高强度经钝化处理的冷轧薄钢板组装成的坚实结构，它是磁路的一部分，磁极固定在其圆柱表面。磁轭和转子之间用转子支架支撑着。转子支架固定在转轴上，转子支架为圆盘式结构，在工地进行组装焊接，且设有足够数量的孔洞，以满足发电机通风的要求和具有良好的导风性能。停机时，为了避免长时间低速损坏轴瓦，一般在磁轭底部装有制动环。10MW水轮机转子三峡左岸电站24MW发电机转子在吊装3.

轴承

水轮机发电机组的轴承有导轴承和推力轴承两种。导轴承的作用是约束轴线位移和防止轴摆动，主要承受径向力。推力轴承承受水轮发电机转动部分(包括电机转子和水轮)的全部重量及轴向水推力，是水轮发电机组关键部件。三、同步发电机的冷却问题简介

同步发电机在运行中产生各种损耗，这些损耗变为热能使有关部件的温度升高。温升太高将加速电机绝缘材料老化，从而缩短电机的使用寿命，甚至危及电机的运行安全。所以改善发电机的冷却条件，对提高发电机的输出功率起着关键性的作用。

水轮发电机由于直径大，轴向长度短，体积大，冷却问题不突出。中小型汽轮发电机单位体积的发热量较小，冷却方式多采用风冷。

在中、小型电机中，都采用空气作为冷却介质。当电机的容量很大时，电机内部的损耗及发热量迅速增加，冷却问题显得格外重要，此时必须加强通风或采用其他的冷却方式。

对于大型汽轮发电机，发热和冷却问题就比较突出了。汽轮发电机直径小、长度长，中部的热量不易散出，需要采取提高冷却效果的措施。

此外，纯净的水不但电导率低，化学性能稳定，流动性好，而且具有较高的导热特性。目前，在更大容量的大型汽轮发电机广泛采用转子氢冷，定子水内冷，也有采用定、转子水内冷的冷却方式。双水内冷电机的定、转子的导线是空心的，起到导线内部直接冷却的作用。例如采用空心导体（如图），冷却介质直接在导体中流通而把热量带走，这样能更有效地降低电机的温升，所采用的冷却介质一般有氢气及水等。

在大型汽轮发电机中，为了提高其冷却效率，例50MW以上的汽轮发电机，冷却介质用氢气代替空气。由于氢气的导热率较空气大7倍，比重仅为空气的1/14，故氢冷发电机损耗较小，冷却效果较好。但氢气与氧气不能混合，若混合成一定比例时有爆炸的危险。因此，必须有一套控制设备来保证外界空气不会渗入到电机内部，同时防止氢气外泄和保持氢气纯度，就要采取密封措施，两个轴伸端应有特殊的油封系统。除了热源容量大以外，大型汽轮发电机的散热比较困难是其另一个不利因素。电机容量大，必然体积也大。体积大增大了散热表面是有利的，但同时带来了散热途径增长的缺点，使电机内部温度不均匀，容易发生局部过热而烧坏电机。大型电机绕组电压高，相应地定子组绝缘也就厚，绝缘材料的热阻很大，又增加了散热的困难。电机散热一般主要靠对流作用，汽轮发电机轴向长度很长，空气对流所受阻力大，空气和转子摩擦还要引起损耗，这些均增加r散热的困难。为此，同步发电机特别是大容量汽轮发电机，必须有有效的冷却系统，才能保证它正常运行。冷却系统(1)同步发电机的冷却介质有空气、氢气和水三种，按散热方式主要分为外冷（表面冷却）和内冷（直接冷却发热体），也有两种兼用的方式。

(1)空气冷却空气由转子两侧的风扇吸人，通过所设计的风道后，排出机外，将热量带走。热空气经机外的空气冷却器冷却后再送入机内重复利用。这样的空气封闭系统可以防止水分和灰尘等随空气进入机内，引起绝缘性能下降、风道堵塞等弊病。如图所示为一机内通风系统的示意图。冷却系统(2)机内通风情况示意图

1一进风区2一出风区3一绕组端接4一风扇5一转子6—定子铁心7一端盖空冷方式结构简单，运行维护都方便。但空气的传热系数相对较小，冷却效果不理想。此外，加大通风量来提高散热作用，又会增大转子风扇的鼓风损耗和空气和转子间的风摩擦损耗。因此，空冷汽轮发电机的容景最大不超过50MW。冷却系统(3)(2)氢气冷却以氢气代替空气作为冷却介质。其系统基本与空冷相同，但氢气的导热系数比空气大6～7倍。用同样体积氢气和空气，前者可带走的热量远大于后者。氢气比重较空气轻十多倍，又可以大大减少通风和风摩擦损耗。此外，氢冷可防止绝缘材料氧化；氢气不助燃，当机内发生短路故障时，不会引起火灾。采取氢冷必须保持机内为正压力，机内氢气表压力应为1.05×106Pa，以防止空气渗入机内。因为氢气和空气混合是危险的，达到一定比例时可能发生爆炸。氢冷汽轮发电机容量可达50～150MW左右。(3)内冷上述为表面冷却，而内冷是使冷却介质直接接触绕组导体，使导体的热量不用再穿过绝缘层，就直接被介质带走。这就大大提高了冷却效果，改善了电机中最怕高温的绝缘材料的工作条件。内冷的冷却介质可以是氢气，亦可以是水。现有电机所应用的冷却介质中，以水的冷却能力最强，约为空气的50倍。内冷用氢气作为介质时，可在绕组导体间夹置几个内部通氢气的管子。转子氢内冷时，转子绕组和槽楔上钻有与槽底通风槽相通的小孔，氢气自槽底通风槽进入，冷却转子导体后再由小孔径向流入空气隙。氢气的流动性好，容易吹过细孔是其一大优点。当内冷用水作介质时，绕组采用空心导体，冷却水沿着导体内孔流通，直接将导体热量带走。冷却系统(4)定子绕组是静止的，所以冷却水系统比较简单。绕组是带电体，冷却水必须通过一段绝缘水管才能引到绕组导体孔中去。下图表示定子冷却水进出的示意图，冷却水进入环形总进水管，经过绝缘水管和水电接头分配到管形导体中去。流过绕组，冷却水变热后，同样须经过水电接头，绝缘水管汇集到环形总出水管，再从机内排出到机外冷却器中，冷却后再重复利用。冷却系统(5)水内冷进出水原理图及水电接头图

a）单边进出水b）双边进出水c）二种水电接头

1一空心导体2一水电接头3一绝缘水管4一总出水管5一总进水管转子绕组随着转子高速旋转，它用水内冷就比较复杂。常用的进出水结构为中心孔进水、表面出水的方式。冷却水经外部管道通过转轴中心孔进入位于转子上的环状进水箱。冷却水经水箱轴向孔洞、绝缘水管分配到转子绕组的空心导体。冷却导体后，冷却水经同样的绝缘水管进入出水箱，最后由离心力作用由水箱辐向孔汇集到出水支座排出机外。图转子进水结构的示意图。转子进水装置1一转子线圈2一护环3一中心环4一绝缘水管和进水管接头5一木垫块6—进水箱7—绝缘引水管8一转轴9一小护环冷却系统(6)定子铁心如要采用水内冷，则可在铁心叠片间设置几处冷却水管通以冷却水以降低铁心温升。对冷却水的水质有一定要求，一般未经处理的水，电导率较大含有杂质，不能作冷却水用，否则将引起导体电解腐蚀；堵塞导体内孔，引起局部过热等严重问题。在火电厂中汽轮机的凝结水水质较好，一般就用它作冷却水。定、转子均采用水内冷，称为“双水内汽”也称为“水、水、空”冷却方式，这种方式是我国于1958年首先研制成功的，其容量已制成125MW，200MW，300MW。有时为了避免转子水内冷结构的复杂性，也采用定子绕组水内冷、转子绕组氢内冷、机内用氢气作介质进行表面冷却的方式，称为“水、氢、氢”冷却方式，其容量可达300MW、600MW。水轮发电机由于直径大，轴向长度短，冷却条件较好，大都采用空气表面冷却方式。冷却系统(7)定子水路

用冷凝水通入导线的内孔直接冷却导线，较之空气或氢气冷却的效果要好的多，导线的电流密度可大为提高。例如50MW空气冷却的汽轮发电机与100MW双水内冷的汽轮发电机所用材料相近。转子风斗第三节同步发电机的铭牌数据

在同步发电机的醒目部位装有铭牌。电机的额定值标在铭牌上，主要有如下几种。1.额定容量SN或额定功率PN

额定容量SN是指发电机在额定运行时出线端的额定视在功率，一般用kW（kVA）或MW（MVA）为单位；而额定功率PN是指发电机在额定运行时输出的额定有功功率，一般用kW或MW为单位。对于同步调相机，则用出线端的额定无功功率来表示其容量，以kW（kvar）或MW（Mvar）为单位。2.额定电流IN

额定电流IN是指发电机在额定运行时流过三相定子绕组的线电流，单位为A或kA。3.额定电压UN

额定电压UN是指发电机在额定运行时三相定子绕组的线电压，单位为V或kV。一、额定值4.额定功率因数cosψN

额定功率因数cosψN是指发电机在额定运行时的功率因数，即额定有功功率与额定视在功率之比，cosψN=PN/SN。电机铭牌上通常标有PN和cosψN或SN和cosψN。5.额定效率ηN额定效率ηN是指发电机额定运行时的效率。同步发电机额定值之间关系为：

铭牌上还标明同步发电机的型号和类型，下面介绍几种同步发电机的型号。二、型号和类型1.氢冷汽轮发电机2.空冷水轮发电机例1：一台汽轮发电机的型号为QFSN-300-2QF——汽轮发电机；SN——水内冷，表示发电机的冷却方式为水氢氢；300——发电机输出的额定有功功率，单位为MW；2——发电机的磁极个数。T——同步；S——水轮发电机，900定子铁心外径，单位为cm；135——定子铁心长度，单位为cm；56——磁极个数。例2：一台水轮发电机的型号为:TS—900/135—56例3:东方电机厂的QFSN-300-2型电机PN=300MW，UN=20kV，IN=10190A，cosφN=0.85，nN=3000r/min，fN=50HZ。3.同步电机的分类①按运行方式和功转换方向：同步发电机同步电动机同步调相机②按结构分 旋转磁极式旋转电枢式(小容量)③按磁极的形状分： 隐极机凸极机④按原动机的类别分：汽轮发电机水轮发电机柴油发电机燃汽轮发电机风力发电机汽轮发电机——转速高、离心力大(p=1,p=2)——隐极式水轮发电机——转速低、极数多——凸极式同步发电机的基本知识及结构思考题1、同步电机同所有旋转电机一样，其运行是可逆的，它即可作

，又可作

，还可作

，答:发电机运行

电动机运行

调相机运行2、同步发电机三相电动势的相序由

决定，当磁极对数一定时，其感应电动势的频率由

决定。答:转子的转向

转子转速3、同步发电机主磁极的极对数一定时，其

与

之间有着严格不变的关系。答:感应电动势的频率

电机的转速4、一台同步发电机的电动势频率为50Hz，转速为600r/min，其极对数为

。

（A）

2；

（B）

5；（C）

10；（D）

20；答:（B）5、同步发电机定子旋转磁场具有的特点为

。（A）其磁极数和转速与转子同，但转向不同；（B）其磁极数和转向与转子同，但转速不同；（C）其转速和转向与转子同，而磁极对数也同。答:（C）6、什么叫同步电机？它的频率、极数和同步速之间有什么关系？答：同步电机是指转子的转速与定子旋转磁场转速相同的电机，即满足以下关系

。7、如果将同步发电机的电枢置于转子,而磁极固定不动,在原理上是否可以,为什么?答:从原理上可以,因为

=

。

由电磁感应原理知,只有电枢置于与磁极之间有相对运动(导体切割磁力线)便可在绕组(导体)中感应电动势,它与电枢置于定子还是转子和磁极置于转子还是定子无关。一般大容量同步发电机均做成旋转磁极式的，既把电枢置于定子，这便于电枢绕组引出高压电压大电流即大功率。8、如果将励磁绕组所连接的集电环极性互换，即将原来接直电流的正极该为负极，是否会影响定子三相交流电动势的相序？答:三相交流电动势的相序由转子转向决定（与相序一致），而与其他因素无关，故集电环极性互换，不影响三相电动势相序。思考题为什么同步电机不能有任意的转速？如何从外形上区分汽轮发电机和水轮发电机？定子电枢绕组安排的基本要求——各相绕组感应电势对称。同步发电机的基本工作原理和结构小结(1)同步发电机是根据电磁感应定律这一基本原理工作的，在电力系统运行的同步发动机的转速n和电力系统频率f之间有严格不变的关系，即当电力系统频率f一定时，同步发电机的转速n=60f/p为一恒值。同步发动机的转速n与极对数p成反比，这是引起水轮发动机和汽轮发动机极对数差异的根源。(2)同步发电机的发展方向是：单机容量不断增大，冷却方式、冷却介质和电机所用材料也不断得到改善。(3)凸极同步发电机与隐极同步发电机，由于原动机的转数不同，极数差异也较大，因而结构上有各自的特点，如凸极同步发电机D/L值较大，隐极同步发电机D/L值较小。作业布置教材P162:

第一题、第二题、第三题发电机在运行过程中，由于外界、内部及误操作原因，可能引起发电机各种故障或不正常状态，常见的故障有以下几种:(1)定子故障:绕组相间短路、匝间短路、单相接地等。

(2)转子绕组故障:转子两点接地、转子失去励磁功能等。(3)异常故障（指发电机发生失磁、过电压、过励磁、过负荷、失步、频率变化等事故中的任何一种造成保护装置动作跳闸的故障）。(4)外部故障（指外部单相接地、两相接地、两相短路、三相短路、接地等故障）。注：外部故障范围：指差动保护范围内、发电机变压器组差动保护范围内的断路器、电流互感器、电压互感器、隔离开关、外部引线（封闭母线）等。其他方面的故障:发电机着火、发电机变成电动机运行、发电机漏水漏氢、发电机发生振荡或失去同期、发电机非同期并列等。这些故障的发生导致发电机退出系统，更甚者烧毁某些设备，所以在日常运行维护时要特别小心，以免事故发生。第三讲：发电机事故类型及故障处理理论故障现实运行中出现的问题

近年来我国电力工业发展非常迅速,一些在老电厂已基本解决了的问题,在新厂中却频繁迭出;一些故障修复后不久又再次发生;分析历年的发电机事故示例,同一台机不同时间、同样事故的情况时有出现。上述现象说明在第一次分析故障原因时不彻底不完全,只解决了表面问题,没有找到故障形成的关键因素。可见,系统地研究发电机故障分析方法对保证机组安全运行、减少资源重复浪费是非常必要的。说明发电机组和辅助系统检修存在问题发电机组和辅助系统检修的传统方法是采用定期检查、维修的方式。虽然对降低设备故障率、保证系统的安全运行有一定作用,但因维修存在一定的盲目性而造成很大的浪费。盲目的根本原因:一是缺乏良好的工况监视,二是缺乏对设备进行系统而有效的诊断技术。鉴于此,国内的大部分电力公司和电厂正逐步由采用传统的预防性维修过渡到状态检修,然收效不大。第三讲：发电机的故障原因及事故处理第三讲：发电机的故障原因及事故处理为了使我们对发电机的诊断系统化、科学化,弥补在线监测判据的不足。众所周知,发电机系统是一个非常重要而复杂的系统。为了确保该系统的安全、稳定、经济运行,世界各国都在积极开展发电机在线监测的研究。如发电机局部放电在线监测,发电机漏水在线监测,发电机过热在线监测等等。研究故障分析的主要目的这些监测方法的研究虽取得了一定的成果,但至今仍未形成有效的诊断判据。其原因约有以下几个方面。

发电机故障的复杂性发电机是一个复杂的系统。一些发电机的故障或故障趋势是不可能简单用盘表或监测仪器是否指示正常来反映,还需要专家的综合分析。例如,发电机水冷系统渗水、漏水对水冷发电机的影响是非常大的,而现有监视仪表和监测装置还不能完全检测出这种状况,不能判断出是否真需要立即停机。解决这一问题需综合经验和知识,需靠专家通过分析水中含氢量的变化情况以及氢中含水量的变化与运行工况之间的关系才能有效解决。第三讲：发电机的故障原因及事故处理2发电机故障分析第三讲：发电机的故障原因及事故处理主要部件所用材料故障模式故障机理1转子端部线圈冷拉铜钱或铜银合金直流电阻大2发电机过热匝间短路导线接触不良;3通风不良;转子水冷机组水流不畅;4制造工艺不良;负荷变化大;5频繁启动;有异物转子槽部线圈同上过热匝间短路6风道堵塞;铜导线毛刺刺破绝缘;铜线与匝间绝缘的7热膨胀系数不同,无滑移层频繁启动造成故障转子槽楔铜、铝合金负序电流灼伤槽楔的搭接部位接触不良,负序电流流经转子本体表面转子绝缘环氧玻璃丝层压板接88地匝间短路转子绕组对地绝缘或匝间绝缘损坏发电机转子护环Mn、Cr合金护环表面出现裂纹、搭接面烧伤，机内湿度大及应力腐蚀,负序电流流经搭接面护环下扇形瓦环氧树脂绝缘材料扇形瓦烧损两层扇形瓦的接缝处重叠,扇形瓦下有异物,磨损导电螺钉硅铜漏氢或者漏水。9过热烧损接地密封垫老化;检修工艺不良;接触不良;氢气湿度大,在导电螺钉处积水,或密封垫绝缘损坏形成放电通路。第三讲：发电机的故障原因及事故处理2发电机故障分析10(水冷)转子内冷水流不畅造成转子绝缘过热,导致接地或匝间短路;11转子槽内主绝缘有缺陷;12油污在护环下或槽口形成短路桥;13设计不当,通风不良,端部线圈变形;14层间垫条位移堵塞风道;15使用铜材料不当,经不住热变形;16转子风道堵塞,绝缘过热;17转子频繁启动,导线和绝缘的膨胀程度不在槽口造成匝间短路或接地,或在端部线圈之间短路或接地;18有异物磨损绝缘形成接地或短路(槽内或护环下面);19护环下绝缘扇形瓦有缺陷;20频繁启动使线匝疲劳断裂,线圈过热,烧损绝缘;21铜导线上有毛刺,刺破绝缘形成短路或接地;22因碳粉油污堆积,集电环接地;23励磁回路故障(主要是指机外励磁系统)2发电机故障分析第三讲：发电机的故障原因及事故处理2发电机故障分析第三讲：发电机的故障原因及事故处理

事故处理案例1

一起负序电流引起的发电机故障处理1．故障经过一台3MW全冷凝式余热汽轮发电机组(发电机电压等级为6kV)在一次上级35kV变配电站外部架空供电线路断线故障后，相间电压降到5.5kV以下，Ubc和Uac较Uab更低，三相电流出现明显不平衡，电压和电流不停波动。通过调整不起作用。随后发现，发电机轴承压盖上的油气孔有油烟冒出，发电机周围有烧焦气味，立即实施破真空紧急停机，线路故障期间，机组并网运行时间约为13s。汽轮机惰走期间，机组转速在2000～1200dmin曾出现一段较强振动，表明发电机转子在转子平衡或机械传动方面出现问题。检查发现发电机前后轴瓦的瓦面已烧伤和拖伤，发电机支撑轴颈表面出现划伤痕迹。更换轴瓦并用百分表测量转子中心轴A点的瓢偏度为0.06mm，大于标准值，判定转子中心轴已出现一定变形弯曲。对发电机转子进行抽芯检查，发现发电机转子两端的护环(靠转子接线端)表面有分散的因高温.第三讲：发电机的故障原因及事故处理3事故处理案例一起负序电流引起的发电机故障处理

故障分析电力系统发生三相不对称短路或负荷三相不对称时，在发电机定子绕组中就流过负序电流，负序电流感应出的倍频电流会造成转子端部、护环、槽锲等部位局部灼伤，损坏发电机。综合分析、判断发电机烧伤原因是受外线断线故障影响，出现三相负荷严重不对称运行，导致负序电流产生并过负荷，在此状态下，机组运行时间长达13s左右，最终造成发电机转子烧伤第三讲：发电机的故障原因及事故处理

事故处理案例1一起负序电流引起的发电机故障处理

故障分析电力系统发生三相不对称短路或负荷三相不对称时，在发电机定子绕组中就流过负序电流，负序电流感应出的倍频电流会造成转子端部、护环、槽锲等部位局部灼伤，损坏发电机。综合分析、判断发电机烧伤原因是受外线断线故障影响，出现三相负荷严重不对称运行，导致负序电流产生并过负荷，在此状态下，机组运行时间长达13s左右，最终造成发电机转子烧伤第三讲：发电机的故障原因及事故处理3事故处理案例一起负序电流引起的发电机故障处理

处理措施(1)修复发电机转子。重新焊接绕组两端接线，包扎绝缘。处理转子中心轴偏离时，首先进行中心再定位，再加工前支撑轴面的轴颈(轴径最终尺寸比原直径减小lmm)。对发电机联轴器的端面和外圆进行适当车加工，以满足联轴器中心对接安装的要求。该发电机转子最终通过了动平衡等各项试验测试。第三讲：发电机的故障原因及事故处理事故处理案例2韶关电厂一起直流励磁机换向火花形成的原因分析及处理过程1．故障经过韶关电厂#4发电机直流励磁机（型号：ZL-170，功率：170KW，电流：530A，激磁方式：自并激）运行中电刷和换向器之间出现换向火花，电刷滑入边火舌拖出较长，并伴有火星飞越现象，运行人员采用更换过短电刷，调整弹簧压力等方法进行处理，但火花程度并未见减轻，被迫将#4电机励磁系统转由备用励磁机运行，后经多次分析、试验、处理，才使问题得到了彻底解决。事故分析：发电机直流电机换向不好，在电刷和换向器之间引起火花，火花超过一定限度，将加速电刷和换向片的损坏，影响电机的正常工作。第三讲：发电机的故障原因及事故处理

事故处理案例2直流电机换向火花形成的原因：直流电机运行时电刷和换向片间引起火花是换向不良的外征表象，引起火花的原因很多，大致可以分为电磁方面、机械方面、电化学方面三类原因。（1）.电磁原因：这是引起火花的重要原因，由于换向不良引起局部电刷电流密度过大，发生过热现象，并引起火花，前已述及，延迟换向或超越换向均会产生火花。（2）.机械原因：当电机换向片偏心，某些换向片间的绝缘突出，电刷上的压力不适当，电刷与换向器接触不良而产生火花，各个刷握在换向器上分布不均都可能产生换向火花。（3）.电化学原因：电机正常工作时，由于电刷和换向器表面的水汽和氧在电流作用下电解在换向器表面形成一层氧化亚铜薄膜，这层薄膜的电阻很大，可以抑制换向电流，有利于换向，如电刷压力过大，周围缺乏水汽和氧都会使换向器表面的氧化膜遭到破坏或不能形成，就容易产生火花。韶关电厂一起直流励磁机换向火花形成的原因分析及处理过程第三讲：发电机的故障原因及事故处理

事故处理案例2区分直流励磁机换向火花产生的原因前已提及，引起直流电机换向不良的原因是多方面的，但不同换向不良的因素却在电机运行时表现出同相的故障征象，所以直流电机换向火花的处理是一项很复杂的工作，如果不首先找出换向火花形成的主要原因，不找出故障问题之所在，各种原因混淆不清，就会浪费时间和人力，不能使故障得到及时排除。首先对#4发电机直流励磁机换向器表面进行了仔细检查，换向器表面没有生成条痕烧痕和槽痕，表面氧化膜呈灰色，色调均匀，这说明换向器表面状态是正常的，因此就排除了电化学原因产生换向火花。由于火花产生的电磁原因中电抗电势er与换向电势ek起决定作用，而er主要跟电机主极磁场、电枢绕组的制造尺寸和电机转速有关，而ek主要跟电机的换向极磁通有关，以上各量一般情况下是固定不变的，因此由电磁原因引起的换向火花当电机的工作条件和负载条件改变时，火花的大小和亮度也随着有明显的改变，而由机械原因引起的换向火花在电机工作状态和负载条件改变时，火花反应不敏感。根据以上分析，即可区分#4发电机直流励磁机是由电磁原因还是由机械原因造成的换向火花。当#4发电机直流励磁机带一定负载工作时，我们对负载电流在允许范围内进行了大幅度的增加和减少的调整，并同时观察换向火花的变化情况，结果是火花基本保持原样不变，并具有一定的稳定性，由此可判断换向火花是由机械性原因引起的。韶关电厂#4发电机直流励磁机换向火花形成的原因分析及处理过程第三讲：发电机的故障原因及事故处理

事故处理案例2换向火花的处理过程①#4发电机组第一次停运时的检查处理工作a.更换全部刷握。检查发现部分刷握有生锈及飞弧引起的损坏现象，压力弹簧也有部分变形，导致了施加于电刷上的压力下降或加压不均，影响了电刷与换向器的滑动接触，因此对全部刷握进行了更换。b.更换全部电刷。选用比电阻较大的电刷，可以增加换向回路的总电阻，从而改善换向性能，因此将全部电刷由D172型更换为比电阻较大的D202型石墨电刷。c.等分调整电刷刷距。用软皮尺沿换向器表面对刷距重新进行测量等分，并根据测量结果对四组电刷刷杆进行仔细调整，使各组电刷等距分布。韶关电厂#4发电机直流励磁机换向火花形成的原因分析及处理过程第三讲：发电机的故障原因及事故处理

事故处理案例2换向火花的处理过程d.确定电刷几何中性线位置。确定电刷几何中性线位置方法如图5所示。图5确定电刷几何中性线提起全部电刷，并把刷架附近的换向片标上记号，并在电机主极上加一励磁电源，用一开关瞬时合上和切断励磁电源，同时用毫伏表依次测量相隔一个极距的两换向片，当毫伏表读数为最小时，这一位置即为电刷中性线位置，并将四组电刷顺电机转向整体调整至已确定的电刷中性线位置。韶关电厂#4发电机直流励磁机换向火花形成的原因分析及处理过程经上述处理后，#4发电机开机时直流励磁机空载和正常负载时电刷均未出现火花，负载时对电流进行大幅调整，也未出现火花。故障处理完毕电厂电气系统控制系统（ECS）第7讲发电厂电气自动化构成发电厂电气自动化系统或产品可以分成以下几个主要部分：

1发变组保护：含发电机保护、变压器（含主变、高厂变、高备变）保护，在大中型机组中，通常以发电机－变压器组保护或发电机－变压器－线路组保护的形式出现。

2发电机励磁调节系统（AVR）：含励磁调节装置、功率单元、机端变等.

3发电厂升压站网络监控系统（NCS）：含高压线路保护、母线保护、低压线路保护测控装置、后台监控系统、“五防”、RTU等。

4发电厂厂用电气自动化系统（ECS）：含厂用中压6KV/10KV和低压400V系统的保护测控装置、安全自动装置、网络通信及后台监控应用系统。电厂电气系统控制系统（ECS）ECS的概念：电气监控管理系统（ElectricControlSystem），是将原来的DCS系统中的电气部分独立出来进行专业管理，实现厂用电中低压电气系统的保护、测量、控制、分析等综合功能。协调发电厂热控与电气自动化的同步发展，全面提高发电厂的自动化水平和厂用控制管理水平，保证发电厂运行的安全性和可靠性，增强发电厂在当前电力市场经济运行的优势和竞争能力。作为DCS的一个子集，为SIS（厂级监控系统）和MIS（电厂管理信息系统）提供更为丰富的信息。ECS是应电力系统自动化水平的进一步提高而提出的。

ECS是发电厂自动化领域近年来兴起的一个新的热点。发电厂分散控制系统（DCS）侧重于热工系统的监控，ECS侧重于发电厂电气系统的监控；与发电厂网络监控系统（NCS）侧重于发电厂接入电网部分的电气监控相对比，ECS侧重于发电厂内部，实现厂用电中低压电气系统的保护、测量、计量、控制、分析等综合功能。。与DCSNCS的差别电厂电气系统控制系统（ECS）发展的趋势传统DCS技术应用于厂用电气自动化系统时，存在着以下的障碍：

①

在电气自动化系统中，电气系统的电流电压等早已实现了直接交流采样，精度高、速度快、数字化；而DCS对电压电流等需要通过变送器转换后接入DCS，二次接线复杂，造价高，抗干扰性能差；

②

电气暂态过程快，继电保护、厂用电快速切换等通常要求处理的时间为毫秒级，而DCS的反应时间通常为秒级。

③

DCS是论“点”收费的，对一个信息“点”，如温度、压力或电流量，一方面需要提供一路专用电缆芯，上万个点就要上万路芯线，既耗费大量控制电缆，又浪费大量空间、施工时间；另一方面，在DCS设备中，设备卡件也是按“点”收费。而电气自动化系统中，一根通信电缆可以传送成百上千个“点”。