1、第七章 發(fā)電機(jī)第一節(jié) 同步發(fā)電機(jī)概述一、同步發(fā)電機(jī)的基本工作原理 同步發(fā)電機(jī)是根據(jù)導(dǎo)體切割磁力線感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)這一基本原理工作的。因此，同步發(fā)電機(jī)應(yīng)具有產(chǎn)生磁力線的磁場(chǎng)和切割該磁場(chǎng)的導(dǎo)體。通常前者是轉(zhuǎn)動(dòng)的，稱為轉(zhuǎn)子，后者是固定的，稱為定子（或稱電樞），定、轉(zhuǎn)子之間有氣隙，如圖7-1所示。定子上有AX、BY、CZ三相定子繞組，它們?cè)诳臻g是互差1200電角度對(duì)稱分布放置在定子鐵芯槽中，每相的結(jié)構(gòu)參數(shù)都完全相同。轉(zhuǎn)子具有p對(duì)磁極，上面裝有直流勵(lì)磁的轉(zhuǎn)子繞組，當(dāng)直流電流通過(guò)電刷和集電環(huán)流入轉(zhuǎn)子繞組后，產(chǎn)生的主磁通由N極出來(lái)經(jīng)過(guò)氣隙、定子鐵芯，再經(jīng)過(guò)氣隙進(jìn)入S極構(gòu)成主磁路，如圖7-1中虛線所示（圖中p1）。

2、第一節(jié) 同步發(fā)電機(jī)概述圖7-1同步電機(jī)的工作原理圖1一定子；2轉(zhuǎn)子；3一滑環(huán) 當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子由原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，以轉(zhuǎn)速n按圖示方向作恒速旋轉(zhuǎn)時(shí)，定子中三相繞組的導(dǎo)體依次切割氣隙磁場(chǎng)，于是，三相繞組便感應(yīng)出各相大小相等、相位彼此相差120的交流電動(dòng)勢(shì)。據(jù)圖7-1所示轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向，若氣隙磁通密度按正弦波分布，則三相繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形如圖7-2所示，相序?yàn)锳BC。交流電動(dòng)勢(shì)的頻率f可這樣確定：當(dāng)轉(zhuǎn)子為1對(duì)極時(shí)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，定子繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)變化一個(gè)周期；當(dāng)同步發(fā)電機(jī)具有p對(duì)極時(shí)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)就交變p個(gè)周期；當(dāng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為每分n轉(zhuǎn)時(shí)，則交變電動(dòng)勢(shì)的頻率為 （71） 式中n轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，r/min

3、。 第一節(jié) 同步發(fā)電機(jī)概述第一節(jié) 同步發(fā)電機(jī)概述 由上式（71）可知：同步發(fā)電機(jī)定子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率取決于它的極對(duì)數(shù)p和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n?？梢姡桨l(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù)p一定時(shí)，轉(zhuǎn)速n與電樞電動(dòng)勢(shì)的頻率f之間具有嚴(yán)格不變的關(guān)系。亦即當(dāng)電力系統(tǒng)頻率f一定時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速亦為恒值，這就是同步電機(jī)的主要特點(diǎn)。我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)工頻為50Hz。因此同步發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù)和轉(zhuǎn)速成反比，即。汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，極對(duì)數(shù)較少，如轉(zhuǎn)速n3000r/min，則極對(duì)數(shù)p=1。水輪發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)速較低，極對(duì)數(shù)較多，如轉(zhuǎn)速n125r/min，則極對(duì)數(shù)p24。習(xí)慣上稱此轉(zhuǎn)速n為同步轉(zhuǎn)速。第一節(jié) 同步發(fā)電機(jī)概述圖7-2 定子三相電動(dòng)勢(shì)波形 如果同步發(fā)

4、電機(jī)作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，必須在定子繞組加以三相交流電源，電機(jī)內(nèi)部便產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。這時(shí)轉(zhuǎn)子繞組加直流勵(lì)磁，則轉(zhuǎn)子將在定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的帶動(dòng)下，沿定子磁場(chǎng)的方向以相同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速仍由式（7-1）決定，即 （72） 由上兩式可見，同步電機(jī)無(wú)論是作為發(fā)電機(jī)使用，還是作為電動(dòng)機(jī)使用，其轉(zhuǎn)速和交流電頻率之間都將保持嚴(yán)格不變的關(guān)系，也就是說(shuō)，電樞磁動(dòng)勢(shì)為一同步旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，它與轉(zhuǎn)子同速同方向旋轉(zhuǎn)，定子和轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)之間保持相對(duì)靜止并產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。同步電機(jī)在恒定頻率下的轉(zhuǎn)速恒為同步速度，是同步電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)的基本區(qū)別之一。第一節(jié) 同步發(fā)電機(jī)概述二、同步發(fā)電機(jī)的類型 同步發(fā)電機(jī)因用途不同，結(jié)構(gòu)也相差

5、甚大，一般可按其原動(dòng)機(jī)的類別、本體結(jié)構(gòu)和安裝方式等進(jìn)行分類。 （1）按原動(dòng)機(jī)的類別，同步發(fā)電機(jī)可分為汽輪發(fā)電機(jī)、水輪發(fā)電機(jī)、燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)及柴油發(fā)電機(jī)等。 （2）按冷卻介質(zhì)，可分為空氣冷卻、氫氣冷卻和水冷卻等。 （3）按主軸安裝方式，可分為臥式安裝和立式安裝等。 （4）按本體結(jié)構(gòu)，可分為旋轉(zhuǎn)電樞式和旋轉(zhuǎn)磁極式等。 同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)，主要是由原動(dòng)機(jī)的特性決定的。如汽輪發(fā)電機(jī)，由于轉(zhuǎn)速高達(dá)3000r/nun，故極對(duì)數(shù)少，轉(zhuǎn)子采用一隱極式，臥式安裝；水輪發(fā)電機(jī)由于轉(zhuǎn)速低（一般在500r/min以下）故其極對(duì)數(shù)多，轉(zhuǎn)子采用凸極式，立式安裝。第一節(jié) 同步發(fā)電機(jī)概述三、同步發(fā)電機(jī)的主要技術(shù)數(shù)據(jù) 為使發(fā)電機(jī)按

6、設(shè)計(jì)技術(shù)條件運(yùn)行，在發(fā)電機(jī)出廠時(shí)都在其銘牌上標(biāo)注出額定技術(shù)數(shù)據(jù)。這些額定技術(shù)數(shù)據(jù)主要有： （1）額定容量（或額定功率）。額定容量是指發(fā)電機(jī)在設(shè)計(jì)技術(shù)條件下運(yùn)行時(shí)輸出的視在功率，用kVA或MVA表示；額定功率是指發(fā)電機(jī)輸出的有功功率，用kW或MW表示。 （2）額定定子電壓。指發(fā)電機(jī)在設(shè)計(jì)技術(shù)條件下運(yùn)行時(shí)，定子繞組出線端的線電壓，用kV表示。 （3）額定定子電流。指發(fā)電機(jī)定子繞組出線的額定線電流，單位為A。 （4）額定功率因數(shù)。指發(fā)電機(jī)在額定功率下運(yùn)行時(shí)，定子電壓和定子電流之間允許的相角差的余弦值，即值。 第一節(jié) 同步發(fā)電機(jī)概述（5）額定轉(zhuǎn)速。指正常運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，用r/min（每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)）表

7、示。我國(guó)生產(chǎn)的汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速均3000r/min。（6）額定頻率。我國(guó)電網(wǎng)的額定頻率為50Hz（即每秒50周）。（7）額定勵(lì)磁電壓。指發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流達(dá)到額定值時(shí)，額定出力運(yùn)行在穩(wěn)定溫度時(shí)的勵(lì)磁電壓。（8）額定勵(lì)磁電流。指發(fā)電機(jī)在額定出力時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組通過(guò)的勵(lì)磁電流，用A或kA表示。（9）額定溫度。指發(fā)電機(jī)在額定功率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的最高允許溫度（）。（10）效率。指發(fā)電機(jī)輸出與輸入能量之比百分值，一般額定效率在93%98之間。第一節(jié) 同步發(fā)電機(jī)概述第二節(jié) 同步發(fā)電機(jī)的基本構(gòu)造一、同步發(fā)電機(jī)的基本構(gòu)造 同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)采用旋轉(zhuǎn)磁極式，按轉(zhuǎn)子磁極的形狀可分為隱極式和凸極式兩種。一般隱極式結(jié)構(gòu)在汽輪發(fā)電機(jī)中采用

8、，而凸極式結(jié)構(gòu)則通常在水輪發(fā)電機(jī)中采用，如圖7-3所示。從圖中可見，隱極式的氣隙是均勻的，轉(zhuǎn)子呈圓柱形。凸極式的氣隙是不均勻的，極弧底下氣隙較小，極間部分較大。第二節(jié) 同步發(fā)電機(jī)的基本構(gòu)造圖7-3 同步發(fā)電機(jī)的類型（a）隱極式；（b）凸極式1一定子；2一隱極式轉(zhuǎn)子；3一凸極式轉(zhuǎn)子 無(wú)論電機(jī)是隱極式或凸極式，其基本結(jié)構(gòu)均包括定子和轉(zhuǎn)子兩大部分。 汽輪發(fā)電機(jī)一般制成隱極式，而水輪發(fā)電機(jī)則制成凸極式，下面介紹隱極式的汽輪發(fā)電機(jī)基本結(jié)構(gòu)。隱極式同步發(fā)電機(jī)多用于汽輪發(fā)電機(jī)，一般制成兩極，轉(zhuǎn)速為3000r/min，因?yàn)樘岣甙l(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可提高汽輪機(jī)的運(yùn)行效率，縮小機(jī)組的體積和降低造價(jià)。由于轉(zhuǎn)速高，汽輪發(fā)電機(jī)

9、的轉(zhuǎn)子直徑必須縮小，在容量一定的情況下，電機(jī)的長(zhǎng)度就要加長(zhǎng)，故一般汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度L和定子內(nèi)徑D之比為26.5。第二節(jié) 同步發(fā)電機(jī)的基本構(gòu)造第二節(jié) 同步發(fā)電機(jī)的基本構(gòu)造 1定子 定子又稱為電樞，主要由定子鐵芯、定子繞組、機(jī)座、端蓋等部件組成。，它是同步發(fā)電機(jī)用以產(chǎn)生三相交流電能，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能轉(zhuǎn)換的重要部件。 （1）定子鐵芯。定子鐵芯一般由厚0.5mm或0 . 35rnm兩面涂有絕緣漆膜的硅鋼片疊成，沿軸向疊成多段形式，每段疊片厚為3060rnm。各段疊片之間留有寬約l0mm的通風(fēng)槽，以改善定子鐵芯的散熱條件。當(dāng)屋子鐵芯外圓直徑大于lm時(shí)，用扇形硅鋼片拼成一個(gè)整圓。為減少漏磁防止渦流引起

10、過(guò)熱，在定子鐵芯的兩端用非磁性材料制成的壓板將其夾緊，整個(gè)鐵芯固定在定子機(jī)座上，如圖7-4所示。沿定子鐵芯內(nèi)圓表面的槽內(nèi)放置三相定子繞組。第二節(jié) 同步發(fā)電機(jī)的基本構(gòu)造圖7-4定子鐵芯壓緊（a）無(wú)磁性壓板；（b）定子鐵芯剖面 （2）定子繞組。 汽輪發(fā)電機(jī)的定子繞組一般采用三相雙層疊繞組，構(gòu)成定子三相交流電路。為了減少繞組導(dǎo)體中集膚效應(yīng)引起的附加損耗，導(dǎo)線由許多相互絕緣的并聯(lián)多股線組成，在槽內(nèi)線圈的直線部分還應(yīng)進(jìn)行換位。三相定子繞組對(duì)鐵芯絕緣強(qiáng)度的要求，取決于電機(jī)額定電壓的高低。為了防止電暈，6.3kV及以上的定子繞組經(jīng)絕緣處理后還要涂以半導(dǎo)體漆。定子的每一槽內(nèi)放置上、下兩線圈邊，并墊以層間絕緣，

11、線圈放入槽中，采用槽楔固定。為了能承受住因突然短路產(chǎn)生的巨大電磁力而引起的端部變形，以及正常運(yùn)行時(shí)不致產(chǎn)生較大的振動(dòng)，定子繞組端接部分需用線繩綁緊或壓板夾緊在非磁性鋼做成的端箍上，如圖7-5所示。第二節(jié) 同步發(fā)電機(jī)的基本構(gòu)造第二節(jié) 同步發(fā)電機(jī)的基本構(gòu)造圖7-5汽輪發(fā)電機(jī)的定子繞組部分1一定子繞組；2-端部連接線；3一機(jī)殼；4一通風(fēng)孔；5一機(jī)座 （3）機(jī)座。機(jī)座是用來(lái)支撐和固定定子鐵芯和端蓋的，應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛度，機(jī)座與定子鐵芯之間需要留有適當(dāng)?shù)耐L(fēng)道，以利電機(jī)的冷卻。此外，還有端蓋、軸承、通風(fēng)隔板等。2轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)子鐵芯、勵(lì)磁繞組、阻尼繞組、緊固件和風(fēng)扇等。它也是汽輪發(fā)電機(jī)的重要部件。 第

12、二節(jié) 同步發(fā)電機(jī)的基本構(gòu)造第二節(jié) 同步發(fā)電機(jī)的基本構(gòu)造（1）轉(zhuǎn)子鐵芯。轉(zhuǎn)子鐵芯應(yīng)具有良好的導(dǎo)磁性能，并能承受很大的離心力作用。隱極式的轉(zhuǎn)子鐵芯與轉(zhuǎn)軸鍛造成一體，一般所用材料是具有高強(qiáng)度和導(dǎo)磁性能良好的含鉻、鎳和鉬的合金鋼。汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵芯橫剖面如圖7-6所示。沿轉(zhuǎn)子鐵芯外圓表面銑出槽，槽內(nèi)放置直流勵(lì)磁繞組。轉(zhuǎn)子表面約占圓周長(zhǎng)的三分之一不開槽，稱大齒，即主磁極。（2）勵(lì)磁繞組。勵(lì)磁繞組由矩形的絕緣扁銅線繞成同心式線圈，兩線圈邊分別放置在大齒兩側(cè)所開出的槽內(nèi)，所有線圈串聯(lián)組成勵(lì)磁繞組，構(gòu)成轉(zhuǎn)子的直流電路。勵(lì)磁繞組引出的兩個(gè)線端接在集電環(huán)上，并通過(guò)電刷與外電路直流電源相連接。勵(lì)磁繞組的各線匝間墊

13、有絕緣，線圈和鐵芯之間也有可靠的“對(duì)地絕緣”。勵(lì)磁繞組放置在槽內(nèi)后，需用非導(dǎo)磁高強(qiáng)度的硬鋁或鋁青銅制成的槽楔來(lái)壓緊。如圖7-7所示。第二節(jié) 同步發(fā)電機(jī)的基本構(gòu)造第二節(jié) 同步發(fā)電機(jī)的基本構(gòu)造圖7-6汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子槽 圖7-7轉(zhuǎn)子槽部剖面圖 （a）輻射形排列：（b）平行排列 1一槽楔；2一楔下墊條；3一扁銅線； 4-槽絕緣；5一匝間絕緣3）阻尼繞組。某些大型汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上裝有阻尼繞組，它是一種短路繞組，由放在槽楔下的銅條和轉(zhuǎn)子兩端的銅環(huán)焊接成閉合回路。阻尼繞組的主要作用是，在同步發(fā)電機(jī)短路或不對(duì)稱運(yùn)行時(shí)，利用其感應(yīng)電流來(lái)削弱負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用，以及同步發(fā)電機(jī)發(fā)生振蕩時(shí)起阻尼的作用，使振蕩衰減。

14、 （4）緊固件。 轉(zhuǎn)子緊固件包括護(hù)環(huán)和中心環(huán)。由于汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速高，繞組端部受到很大的離心力，所以必須采用護(hù)環(huán)和中心環(huán)來(lái)可靠地固定，如圖7-8所示。護(hù)環(huán)把轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組的端部套緊，以防繞組端部甩出。中心環(huán)用來(lái)支持護(hù)環(huán)和防止轉(zhuǎn)子繞組端部的軸向位移。為了減少端部漏磁場(chǎng)，護(hù)環(huán)采用非導(dǎo)磁合金鋼材料。第二節(jié) 同步發(fā)電機(jī)的基本構(gòu)造第二節(jié) 同步發(fā)電機(jī)的基本構(gòu)造圖7-8護(hù)環(huán)1一轉(zhuǎn)子本體；2-護(hù)環(huán)；3繞組端部，4一中心環(huán) （5）集電環(huán)。 直流電流通過(guò)靜止的正負(fù)極性的電刷和兩個(gè)互相絕緣且套在轉(zhuǎn)軸上隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的集電環(huán)引入轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組。 （6）風(fēng)扇。 汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子細(xì)長(zhǎng)，通風(fēng)冷卻比較困難，故轉(zhuǎn)子的兩端一般裝有軸流式或

15、離心式風(fēng)扇，用以改善冷卻條件。第二節(jié) 同步發(fā)電機(jī)的基本構(gòu)造二、300MW水氫氫冷卻發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 發(fā)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)，由于繞組中的電流和鐵芯中的交變磁通會(huì)產(chǎn)生熱量，這種熱量會(huì)使發(fā)電機(jī)溫度升高，隨著發(fā)電機(jī)單機(jī)容量的增大，溫升也越來(lái)越高。就發(fā)電機(jī)而言，溫升受到電機(jī)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。 提高發(fā)電機(jī)單機(jī)容量，不能只靠增加電機(jī)體積，因?yàn)榘l(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件和護(hù)環(huán)鍛件的機(jī)械性能極限使鍛件尺寸受到限制，因此隨著單機(jī)容量增加，材料利用率越來(lái)越高，單位體積的發(fā)熱量也大為增加，為限制發(fā)電機(jī)溫度，必須在冷卻上采取強(qiáng)化措施。所以，發(fā)電機(jī)冷卻方式可以反映出發(fā)電機(jī)的容量等級(jí)和結(jié)構(gòu)特征。第二

16、節(jié) 同步發(fā)電機(jī)的基本構(gòu)造 80多年來(lái)，發(fā)電機(jī)冷卻介質(zhì)已從空氣時(shí)代進(jìn)展到氫氣和水的時(shí)代，氫氣的重量?jī)H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，效率提高了0.71.0。一般汽輪發(fā)電機(jī)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(jìn)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(jī)技術(shù)的發(fā)展開辟了一條嶄新的道路，當(dāng)水的流速僅為空氣的百分之幾時(shí)，它的冷卻能力比空氣大幾十倍。發(fā)電機(jī)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。 水氫冷發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)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

17、自汽輪機(jī)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(jī)鐵芯也采用氫氣冷卻。第二節(jié) 同步發(fā)電機(jī)的基本構(gòu)造水氫冷發(fā)電機(jī)雖然可以減少材料消耗，但是和空冷電機(jī)相比，它的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，維護(hù)修理比較麻煩，同時(shí)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(jī)，而對(duì)5萬(wàn)kW以下的中小型電機(jī)，由于它的經(jīng)濟(jì)意義不大，故仍采用空冷型式為主。我國(guó)QFSN-300型30萬(wàn)kW機(jī)組，由于容量大、額定電壓高，較之普遍的中小型氫冷水冷機(jī)組，在提高電氣性能和加強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度、確保安全運(yùn)行方面，都采取一系列特殊而有效的必要措施。以下對(duì)東方電機(jī)廠制造的QFSN-300-2-20型汽輪同步發(fā)電機(jī)主要參數(shù)及總體做一介

18、紹。第二節(jié) 同步發(fā)電機(jī)的基本構(gòu)造第二節(jié) 同步發(fā)電機(jī)的基本構(gòu)造（一）主要參數(shù)1發(fā)電機(jī)本體主要參數(shù)及有關(guān)說(shuō)明 發(fā)電機(jī)型號(hào)QFSN-300-2-20,其中Q表示“汽”輪機(jī)，F(xiàn)表示“發(fā)”電機(jī)，S表示“水”冷，N表示“內(nèi)”部冷卻，300代表發(fā)電機(jī)額定有功功率為300MW，2代表發(fā)電機(jī)有兩個(gè)磁極，20代表發(fā)電機(jī)額定端電壓20kV。發(fā)電機(jī)額定容量為353MVA，額定功率因數(shù)為085。定子額定電流為10190A，額定頻率為50Hz,額定轉(zhuǎn)速為3000r/m。定子繞組接線方式為雙Y（并聯(lián)），額定勵(lì)磁電壓為463V，額定勵(lì)磁電流為2203A，冷卻方式為水氫氫，勵(lì)磁方式為三機(jī)同軸有刷勵(lì)磁系統(tǒng)（同軸永磁機(jī)給主勵(lì)磁機(jī)提

19、供勵(lì)磁），旋轉(zhuǎn)方向?yàn)閺钠啓C(jī)向發(fā)電機(jī)端看為順時(shí)針?lè)较?。（二）同步發(fā)電機(jī)總體結(jié)構(gòu)同步發(fā)電機(jī)組外形見圖7-9。第二節(jié) 同步發(fā)電機(jī)的基本構(gòu)造圖7-9 同步發(fā)電機(jī)組外形圖第三節(jié) 汽輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行方式 汽輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行方式包括正常運(yùn)行方式，進(jìn)相運(yùn)行方式以及不對(duì)稱運(yùn)行方式等，現(xiàn)簡(jiǎn) 單敘述如下。一、額定情況下的運(yùn)行方式 發(fā)電機(jī)按照制造廠銘牌規(guī)定數(shù)據(jù)運(yùn)行的方式，稱為額定運(yùn)行方式。在此方式下，可以長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行。發(fā)電機(jī)的額定數(shù)據(jù)，如轉(zhuǎn)速、定子電壓、定子和轉(zhuǎn)子溫度、振動(dòng)幅度等，是制造廠的設(shè)計(jì)依據(jù)，只有嚴(yán)格控制其在允許值范圍內(nèi)，才能保障發(fā)電機(jī)安全而高效地運(yùn)行。二、發(fā)電機(jī)的允許運(yùn)行方式發(fā)電機(jī)的定子電壓、頻率、功率因數(shù)等

20、異于額定運(yùn)行方式時(shí)，未經(jīng)試驗(yàn)和明確前，規(guī)定如下。 1發(fā)電機(jī)電壓的規(guī)定 在發(fā)電機(jī)各部分溫度沒(méi)有超過(guò)限額的情況下，定子電壓在額定值的5%范圍內(nèi)變化時(shí)，其額定容量不變，但當(dāng)發(fā)電機(jī)定子電壓低于額定電壓95%運(yùn)行時(shí)，其定子最大電流不允許超過(guò)銘牌定子電流的105%。發(fā)電機(jī)定子電壓最高不得大于額定電壓的110%，最低值應(yīng)根據(jù)穩(wěn)定運(yùn)行的要求來(lái)確定，一般不應(yīng)低于額定值的90%。第三節(jié) 汽輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行方式第三節(jié) 汽輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行方式2發(fā)電機(jī)過(guò)負(fù)荷的規(guī)定 發(fā)電機(jī)不允許在長(zhǎng)期過(guò)負(fù)荷情況下運(yùn)行，但在系統(tǒng)發(fā)生事故時(shí)，發(fā)電機(jī)允許事故過(guò)負(fù)荷。過(guò)負(fù)荷數(shù)值最高為額定電流的115，時(shí)間不超過(guò)15min，且應(yīng)監(jiān)視定子冷卻水出水溫度

21、不得超過(guò)85。 3發(fā)電機(jī)不平衡電流的規(guī)定 發(fā)電機(jī)允許在三相不平衡負(fù)荷條件下運(yùn)行，但定子各相之間不平衡電流之差不得超過(guò)額定電流的10，同時(shí)，最大一相定子電流不應(yīng)大于額定電流。如運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)超出上述規(guī)定，應(yīng)立即降低定子電流，使其不超出上述規(guī)定，同時(shí)并應(yīng)加強(qiáng)對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度的監(jiān)視。 不平衡電流，可分為正序、負(fù)序及零序三個(gè)分量，負(fù)序電流與發(fā)電機(jī)額定值之比不得大于0.08。 4發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)對(duì)頻率的規(guī)定 發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)頻率應(yīng)保持在50Hz，其變動(dòng)范圍為49.550.5Hzo 在發(fā)電機(jī)各部分溫度未超過(guò)限額和轉(zhuǎn)子電流不超過(guò)限額的情況下，發(fā)電機(jī)頻率變動(dòng)時(shí)，額定容量不變。 5發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)對(duì)功率因數(shù)的規(guī)定

22、300MW發(fā)電機(jī)的最高運(yùn)行功率因數(shù)，決定于發(fā)電機(jī)及電網(wǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，一般不應(yīng)超過(guò)遲相0.95運(yùn)行。在自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置投入運(yùn)行的情況下，必要時(shí)可短時(shí)間在功率因數(shù)為1的條件下運(yùn)行，但一般不允許進(jìn)相運(yùn)行。第三節(jié) 汽輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行方式 6對(duì)絕緣電阻的規(guī)定 發(fā)電機(jī)經(jīng)電氣檢修后及每次起動(dòng)前、停機(jī)后，立即用搖表測(cè)量定子、轉(zhuǎn)子、100Hz主勵(lì)磁機(jī)、350Hz副勵(lì)磁機(jī)的絕緣電阻。對(duì)定子及一次回路，應(yīng)將集水環(huán)到外接水管法蘭的跨接線拆開，并將兩端集水環(huán)連接起來(lái)接到1000V搖表的屏蔽端（定子應(yīng)通有合格的冷卻水），然后側(cè)量。測(cè)得的電阻值不作規(guī)定，但應(yīng)與歷次測(cè)得的絕緣電阻進(jìn)行比較，如較前次降低2/3以上，應(yīng)查明原因并消

23、除。如不能用此法測(cè)量，可用萬(wàn)用表測(cè)量廠絕緣電阻值不應(yīng)小于5k，應(yīng)確認(rèn)無(wú)金屬性接地。當(dāng)分析確定發(fā)電機(jī)受潮時(shí)，則應(yīng)進(jìn)行烘燥第三節(jié) 汽輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行方式三、發(fā)電機(jī)的進(jìn)相運(yùn)行方式 汽輪發(fā)電機(jī)既發(fā)出有功功率，也提供感性無(wú)功功率，以滿足負(fù)荷的需求。通常規(guī)定，發(fā)電機(jī)發(fā)出感性無(wú)功功率為正，吸收感性無(wú)功功率為負(fù)。汽輪發(fā)電機(jī)的進(jìn)相運(yùn)行方式是指欠勵(lì)運(yùn)行。發(fā)電機(jī)在這種方式下運(yùn)行時(shí)，它的功率因數(shù)是超前的，也就是說(shuō)，它從系統(tǒng)中吸收感性無(wú)功功率和發(fā)出有功功率。 隨著電力系統(tǒng)不斷發(fā)展，輸電線路電壓等級(jí)越來(lái)越高，輸電距離越來(lái)越長(zhǎng)，線間及線對(duì)地的電容在增大，從而導(dǎo)致了電力系統(tǒng)電容電流以及容性無(wú)功功率的增長(zhǎng)，也相當(dāng)于發(fā)出的感性無(wú)功

24、功率增多了。尤其在節(jié)假日、午夜等低谷負(fù)荷期間，線路所發(fā)生的無(wú)功功率過(guò)剩，使得電力系統(tǒng)電壓上升，以致超過(guò)容許范圍。第三節(jié) 汽輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行方式若采用并聯(lián)電抗器或向步調(diào)相機(jī)來(lái)吸收這部分剩余無(wú)功功率，不但有一定限度，且增加了設(shè)備投資。早在20世紀(jì)50年代，國(guó)外就開始試驗(yàn)研究大容量發(fā)電機(jī)的進(jìn)相運(yùn)行，用以吸收過(guò)剩的無(wú)功功率，進(jìn)行調(diào)壓，使電壓保持在容許的范圍內(nèi)。近十多年來(lái)，我國(guó)也廣泛開展了發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行的試驗(yàn)研究。實(shí)踐證明，這是一項(xiàng)切實(shí)可行的措施，無(wú)需增加額外設(shè)備投資而收到同樣效果。圖7-10（a）表示發(fā)電機(jī)G直接接于無(wú)限大容量系統(tǒng)S的情況。設(shè)系統(tǒng)端電壓 恒定，并設(shè)發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢(shì)為 ，負(fù)荷電流為 ，功率因數(shù)

25、角為 。這時(shí)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流 。隨之變化，功率因數(shù)角 也在變化。第三節(jié) 汽輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行方式 如增加勵(lì)磁電流， 變大，此時(shí)負(fù)荷電流 產(chǎn)生去磁電樞反應(yīng)，功率因數(shù)角 是滯后的，發(fā)電機(jī)向系統(tǒng)輸送有功功率和無(wú)功功率，這種運(yùn)行狀態(tài)稱為遲相運(yùn)行。反之，如圖7一10（b）所示，減少勵(lì)磁電流 ，使發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢(shì) 減小，功率因數(shù)角 就變?yōu)槌暗模l(fā)電機(jī)負(fù)荷電流 產(chǎn)生助磁電樞反應(yīng)，發(fā)電機(jī)向系統(tǒng)輸送有功功率，但吸收無(wú)功功率，這種運(yùn)行狀態(tài)稱為進(jìn)相運(yùn)行。發(fā)電機(jī)是否能進(jìn)相運(yùn)行應(yīng)遵守制造廠的規(guī)定。制造廠無(wú)規(guī)定的應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定。第三節(jié) 汽輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行方式第三節(jié) 汽輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行方式圖7一10 發(fā)電機(jī)的遲相與進(jìn)相運(yùn)行（a）遲相運(yùn)

26、行；(b)進(jìn)相運(yùn)行 同步發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行，從理論上講是可行的，但由于發(fā)電機(jī)的類型、結(jié)構(gòu)、冷卻方式及容量等不同，容許輸送多少有功功率和吸收多少無(wú)功功率，與下述因素有關(guān)：一是靜態(tài)穩(wěn)定極限；二是定子端部容許發(fā)熱。分別討論如下。如已知發(fā)電機(jī)空載電動(dòng)勢(shì)為同步電抗為，無(wú)限大容量系統(tǒng)端電壓為，則 （73） 進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，在輸出功率尸恒定的前提下，隨著勵(lì)磁電流的減少，發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢(shì)隨之減小，功角就會(huì)增大，從而使靜態(tài)穩(wěn)定性降低。第三節(jié) 汽輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行方式 式（73）是相應(yīng)于發(fā)電機(jī)直接接在無(wú)限大容量母線上的情況，實(shí)際上，發(fā)電機(jī)總是要經(jīng)變壓器、輸電線路才接到系統(tǒng)上的，所以需要計(jì)及這些元件的電抗。如發(fā)電機(jī)經(jīng)外部電抗后并入

27、無(wú)限大容量系統(tǒng)，為變壓器與輸電線路的電抗之和（略去電阻損耗）。此時(shí)，發(fā)電機(jī)經(jīng)外部電抗進(jìn)入無(wú)限大容量系統(tǒng)的有功功率P與發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢(shì)和系統(tǒng)電壓之間的相量夾角之間的關(guān)系，仍可與像發(fā)電機(jī)直接與無(wú)限大容量系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的電壓相量關(guān)系分析相似，可直接寫出 （74） 由式（7-4）可以看出，靜態(tài)穩(wěn)定極限輸出功率隨外部電抗的增大而減小，也就是說(shuō)，靜態(tài)穩(wěn)定性還要進(jìn)一步降低。第三節(jié) 汽輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行方式 發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，限制發(fā)電機(jī)容許出力的另一個(gè)因素是發(fā)電機(jī)定子端部漏磁引起的發(fā)熱。端部漏磁是由定子繞組端部漏磁和轉(zhuǎn)子繞組端部漏磁組成的合成磁通。它的大小除與發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)、型式、材料、短路比等因素有關(guān)外，還與定子電流

28、的大小、功率因數(shù)的高低等因素有關(guān)。 發(fā)電機(jī)在進(jìn)相（欠勵(lì)磁）運(yùn)行時(shí)，其端部發(fā)熱比遲相（過(guò)勵(lì)磁）運(yùn)行嚴(yán)重。原因是在相同的視在功率下，發(fā)電機(jī)隨著功率因數(shù)cos由遲相向進(jìn)相轉(zhuǎn)移時(shí)，端部的漏磁通密度增大，引起定子端部的發(fā)熱也逐漸趨向嚴(yán)重。根據(jù)理論計(jì)算，定子端部漏磁密度的平方隨功率因數(shù)角之間存在如圖7-11所示的關(guān)系。第三節(jié) 汽輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行方式從圖7-11可以看出，當(dāng)視在功率一定，發(fā)電機(jī)從遲相向進(jìn)相轉(zhuǎn)移時(shí)，在cos1（即）附近，定子端部磁通密度上升很快。此后，隨著進(jìn)相角度增大，cos降低，吸收的無(wú)功功率增多，仍繼續(xù)增大。發(fā)電機(jī)定子端部溫度升與成正比，使發(fā)電機(jī)定子端部過(guò)熱，成為限制發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行容量的因素

29、之一。第三節(jié) 汽輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行方式圖7-11 和角的關(guān)系曲線 上述討論是在視在功率一定時(shí)定子端部漏磁通與功率因數(shù)的關(guān)系，而當(dāng)功率因數(shù)一定時(shí)，端部漏磁通大約與發(fā)電機(jī)的視在功率S成正比，如圖7-12所示。由圖7-12可以看出，如欲保持定子端部發(fā)熱為一定值，亦即端部漏磁通為一定值，隨著進(jìn)相深度的增大，視在功率S應(yīng)相應(yīng)降低第三節(jié) 汽輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行方式圖7-12 發(fā)電機(jī)端部漏磁通與視在功率的關(guān)系由于發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)的端部漏磁通及溫升隨著功率因數(shù)和輸出功率而變化，為了在進(jìn)相運(yùn)行時(shí)不致使端部溫升超過(guò)允許值，應(yīng)作出發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)定子端部溫升限額曲線。根據(jù)溫升限額曲線就可以確定在不同進(jìn)相運(yùn)行深度時(shí)，端部溫升不

30、超過(guò)允許值條件下，發(fā)電機(jī)輸出的有功功率和無(wú)功功率的限值。由于各種發(fā)電機(jī)的參數(shù)、結(jié)構(gòu)、端部材料以及連接的系統(tǒng)參數(shù)等不相同，故各種發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)的限額曲線（容許限值）亦不相同，一般應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定。進(jìn)相運(yùn)行時(shí)，隨著發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的降低，發(fā)電機(jī)無(wú)功功率的倒流，發(fā)電機(jī)出口處的廠用電電壓也要降低，因廠用電通常引自發(fā)電機(jī)出口或發(fā)電機(jī)電壓母線。正常情況下，進(jìn)相運(yùn)行的發(fā)電機(jī)端電壓還不致降低到額定電壓的95%。但在廠用電支路發(fā)生短路故障后恢復(fù)供電時(shí)，某些大型廠用電動(dòng)機(jī)，例如給水泵電動(dòng)機(jī)，自啟動(dòng)會(huì)發(fā)生困難。第三節(jié) 汽輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行方式四、發(fā)電機(jī)的不對(duì)稱運(yùn)行方式對(duì)于汽輪發(fā)電機(jī)而言，有時(shí)可能在不對(duì)稱狀態(tài)下運(yùn)行，這時(shí)

31、其三相電流和電壓大小不相等，相位差也可能不是120。下列情況可能發(fā)生不對(duì)稱運(yùn)行：（1）負(fù)荷不對(duì)稱。如冶金企業(yè)用的電弧爐、電氣鐵道上的電氣機(jī)車均為單相負(fù)荷。（2）各種類型的不對(duì)稱短路。通常依賴?yán)^電保護(hù)在短暫時(shí)間內(nèi)將它切除。（3）輸電線路的不對(duì)稱。例如一相輸電線（或變壓器）被切除后，仍維持繼續(xù)運(yùn)行。第三節(jié) 汽輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行方式不對(duì)稱狀態(tài)下的運(yùn)行有許多危害：對(duì)于同步發(fā)電機(jī)，其危害反應(yīng)在負(fù)序電流會(huì)使發(fā)電機(jī)定子產(chǎn)生100Hz的振動(dòng)并在轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁繞組、阻尼繞組以及轉(zhuǎn)子本體中感應(yīng)出兩倍工頻的電流，引起附加損耗而降低發(fā)電機(jī)效率，和在轉(zhuǎn)子表面引起局部過(guò)熱。不平衡電流會(huì)使電力變壓器各相繞組發(fā)熱不一致，當(dāng)個(gè)別相繞組

32、已經(jīng)過(guò)熱而其他相負(fù)荷還不大時(shí)，使變壓器的容量得不到充分利用，也可能發(fā)生局部過(guò)熱現(xiàn)象。由于系統(tǒng)三相電壓不對(duì)稱，使電能質(zhì)量變壞，異步電動(dòng)機(jī)出力下降，使用壽命降低。例如負(fù)序電壓達(dá)額定電壓的5%時(shí)，電動(dòng)機(jī)出力降低10%15%，負(fù)序電壓達(dá)7%時(shí)，則出力將降低20%25%。對(duì)通信線路的危害主要是零序電流，在與輸電線路平行的通信線路上可能感應(yīng)出危險(xiǎn)的對(duì)地電壓，危及通信設(shè)備和人身的安全，降低通信質(zhì)量。第三節(jié) 汽輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行方式盡管不對(duì)稱運(yùn)行有很多危害，但短時(shí)間的不對(duì)稱運(yùn)行方式卻具有實(shí)用價(jià)值。例如中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)中，當(dāng)線路、變壓器的一相發(fā)生故障時(shí)，可以只切除故障相，使之短時(shí)間兩相運(yùn)行，然后單相重合閘動(dòng)作，可以提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性；在發(fā)生單相永久性故障時(shí)，在某些條件下，可以讓故障相暫時(shí)停電檢修，其余兩相繼續(xù)供電，或者采取短時(shí)的兩相運(yùn)行，待電源、負(fù)荷轉(zhuǎn)移妥當(dāng)之后，系統(tǒng)具備安全可靠條件下，再斷開這兩相，為連續(xù)供電贏得時(shí)間。電力系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)采取不對(duì)稱運(yùn)行方式，作為一項(xiàng)應(yīng)急措施，是有意義的，但事先應(yīng)作全面而周密的分析和計(jì)算，以確保設(shè)備的安全。第三節(jié) 汽輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行方式第三節(jié) 汽輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行方式同步發(fā)電機(jī)通常采取中性點(diǎn)不接地或經(jīng)高阻抗接地的方式，其零序電流基本上沒(méi)有通路，因此，不對(duì)稱運(yùn)