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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)電動勢這一基本原理工作的。因此，同步發(fā)電機(jī)應(yīng)具有產(chǎn)生磁力線的磁場和切割該磁場的導(dǎo)體。通常前者是轉(zhuǎn)動的，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，它們在空間是互差1200電角度對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極出來經(jīng)過氣隙、定子鐵芯，再經(jīng)過氣隙進(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)子由原動機(jī)驅(qū)動，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，于是，三相繞組便感應(yīng)出各相大小相等、相位彼此相差120的交流電動勢。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)電動勢波形如圖7-2所示，相序?yàn)锳BC。交流電動勢的頻率f可這樣確定：當(dāng)轉(zhuǎn)子為1對極時(shí)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，定子繞組中感應(yīng)電動勢變化一個(gè)周期；當(dāng)同步發(fā)電機(jī)具有p對極時(shí)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，感應(yīng)電動勢就交變p個(gè)周期；當(dāng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為每分n轉(zhuǎn)時(shí)，則交變電動勢的頻率為 （71） 式中n轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，r/m

3、in。 第一節(jié) 同步發(fā)電機(jī)概述60pnf 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)電動勢的頻率取決于它的極對數(shù)p和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n?？梢姡桨l(fā)電機(jī)極對數(shù)p一定時(shí)，轉(zhuǎn)速n與電樞電動勢的頻率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)。我國標(biāo)準(zhǔn)工頻為50Hz。因此同步發(fā)電機(jī)的極對數(shù)和轉(zhuǎn)速成反比，即。汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，極對數(shù)較少，如轉(zhuǎn)速n3000r/min，則極對數(shù)p=1。水輪發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)速較低，極對數(shù)較多，如轉(zhuǎn)速n125r/min，則極對數(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

4、勢波形 如果同步發(fā)電機(jī)作電動機(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。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)磁場的帶動下，沿定子磁場的方向以相同的轉(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)無論是作為發(fā)電機(jī)使用，還是作為電動機(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，電樞磁動勢為一同步旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁動勢，它與轉(zhuǎn)子同速同方向旋轉(zhuǎn)，定子和轉(zhuǎn)子磁動勢之間保持相對靜止并產(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60 /n f p 二、同步發(fā)電機(jī)的

5、類型w 同步發(fā)電機(jī)因用途不同，結(jié)構(gòu)也相差甚大，一般可按其原動機(jī)的類別、本體結(jié)構(gòu)和安裝方式等進(jìn)行分類。w （1）按原動機(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。w （2）按冷卻介質(zhì)，可分為空氣冷卻、氫氣冷卻和水冷卻等。w （3）按主軸安裝方式，可分為臥式安裝和立式安裝等。w （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。w 同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)，主要是由原動機(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）故其極對數(shù)多，轉(zhuǎn)子采用凸極式，立式安裝。第一節(jié) 同步發(fā)

6、電機(jī)概述 三、同步發(fā)電機(jī)的主要技術(shù)數(shù)據(jù)w 為使發(fā)電機(jī)按設(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)。w這些額定技術(shù)數(shù)據(jù)主要有：w （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。w （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。w （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。w （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 w（

7、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)）表示。我國生產(chǎn)的汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速均3000r/min。w（6）額定頻率。我國電網(wǎng)的額定頻率為50Hz（即每秒50周）。w（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。w（8）額定勵(lì)磁電流。指發(fā)電機(jī)在額定出力時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組通過的勵(lì)磁電流，用A或kA表示。w（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（）。w（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

8、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，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 w 無論電機(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。w 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)。w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

9、為提高發(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)的轉(zhuǎn)子直徑必須縮小，在容量一定的情況下，電機(jī)的長度就要加長，故一般汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子長度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w 1定子w 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。w （1）定子鐵芯。w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

10、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過熱，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）無磁性壓板；（b）定子鐵芯剖面 w （2）定子繞組。w 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。w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

11、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，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，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 w （3）機(jī)座。w機(jī)座是用來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。w此外

12、，還有端蓋、軸承、通風(fēng)隔板等。w 2轉(zhuǎn)子w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w（1）轉(zhuǎn)子鐵芯。w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。w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。w轉(zhuǎn)子表面約占圓周長的三分之一不開槽，稱大齒，即主磁極。 w（2）勵(lì)磁繞組。w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

13、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，并通過電刷與外電路直流電源相連接。w勵(lì)磁繞組的各線匝間墊有絕緣，線圈和鐵芯之間也有可靠的“對地絕緣”。w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 w 3）阻尼繞組。w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

14、成閉合回路。阻尼繞組的主要作用是，在同步發(fā)電機(jī)短路或不對稱運(yùn)行時(shí)，利用其感應(yīng)電流來削弱負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場的作用，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。w （4）緊固件。w 轉(zhuǎn)子緊固件包括護(hù)環(huán)和中心環(huán)。w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，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) w （5）集電環(huán)。w 直流電流

15、通過靜止的正負(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)動的集電環(huán)引入轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組。w （6）風(fēng)扇。w 汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子細(xì)長，通風(fēng)冷卻比較困難，故轉(zhuǎn)子的兩端一般裝有軸流式或離心式風(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 w二、300MW水氫氫冷卻發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)w 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產(chǎn)生熱量，這種熱量會使發(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。w 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

16、限制，因此隨著單機(jī)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(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)的容量等級和結(jié)構(gòu)特征。第二節(jié) 同步發(fā)電機(jī)的基本構(gòu)造 w 80多年來，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，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

17、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。w 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 w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5萬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。w我國QFSN-300型30萬kW機(jī)組，由于容量大、額定電壓高，較

18、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。w以下對東方電機(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)w 1發(fā)電機(jī)本體主要參數(shù)及有關(guān)說明w 發(fā)電機(jī)型號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10190

19、A，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)針方向。 （二）同步發(fā)電機(jī)總體結(jié)構(gòu)w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)行方式以及不對稱運(yùn)行方式等，現(xiàn)簡 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，可以長期連

20、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w發(fā)電機(jī)的定子電壓、頻率、功率因數(shù)等異于額定運(yùn)行方式時(shí)，未經(jīng)試驗(yàn)和明確前，規(guī)定如下。w 1發(fā)電機(jī)電壓的規(guī)定w 在發(fā)電機(jī)各部分溫度沒有超過限額的情況下，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)

21、的運(yùn)行方式 第三節(jié) 汽輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行方式w 2發(fā)電機(jī)過負(fù)荷的規(guī)定w 發(fā)電機(jī)不允許在長期過負(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)允許事故過負(fù)荷。過負(fù)荷數(shù)值最高為額定電流的115，時(shí)間不超過15min，且應(yīng)監(jiān)視定子冷卻水出水溫度不得超過85。w 3發(fā)電機(jī)不平衡電流的規(guī)定w 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。

22、w 4發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)對頻率的規(guī)定w 發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)頻率應(yīng)保持在50Hz，其變動范圍為49.550.5Hzow 在發(fā)電機(jī)各部分溫度未超過限額和轉(zhuǎn)子電流不超過限額的情況下，發(fā)電機(jī)頻率變動時(shí)，額定容量不變。w 5發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)對功率因數(shù)的規(guī)定w 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)超過遲相0.95運(yùn)行。在自動勵(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 w 6對絕緣電阻的規(guī)定w 發(fā)電機(jī)經(jīng)電氣檢修后及每次起動前、停機(jī)后，立即用搖表測量定子、轉(zhuǎn)子、100Hz主勵(lì)磁機(jī)、350Hz副勵(lì)

23、磁機(jī)的絕緣電阻。w對定子及一次回路，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。測得的電阻值不作規(guī)定，但應(yīng)與歷次測得的絕緣電阻進(jìn)行比較，如較前次降低2/3以上，應(yīng)查明原因并消除。如不能用此法測量，可用萬用表測量廠絕緣電阻值不應(yīng)小于5k，應(yīng)確認(rèn)無金屬性接地。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w 汽輪發(fā)電機(jī)既發(fā)出有功功率，也提供感性無功功率，以滿足負(fù)荷的需求。通常規(guī)定，發(fā)電機(jī)發(fā)出感性無功功率為正，吸收感性無功功率為負(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

24、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，它從系統(tǒng)中吸收感性無功功率和發(fā)出有功功率。w 隨著電力系統(tǒng)不斷發(fā)展，輸電線路電壓等級越來越高，輸電距離越來越長，線間及線對地的電容在增大，從而導(dǎo)致了電力系統(tǒng)電容電流以及容性無功功率的增長，也相當(dāng)于發(fā)出的感性無功功率增多了。尤其在節(jié)假日、午夜等低谷負(fù)荷期間，線路所發(fā)生的無功功率過剩，使得電力系統(tǒng)電壓上升，以致超過容許范圍。第三節(jié) 汽輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行方式 w若采用并聯(lián)電抗器或向步調(diào)相機(jī)來吸收這部分剩余無功功率，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，用以吸收過剩的無功功率，進(jìn)行調(diào)壓，使電壓保持

25、在容許的范圍內(nèi)。近十多年來，我國也廣泛開展了發(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，無需增加額外設(shè)備投資而收到同樣效果。w圖7-10（a）表示發(fā)電機(jī)G直接接于無限大容量系統(tǒng)S的情況。設(shè)系統(tǒng)端電壓 恒定，并設(shè)發(fā)電機(jī)電動勢為 ，負(fù)荷電流為 ，功率因數(shù)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。U第三節(jié) 汽輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行方式 0EI fi 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)電動勢 減小，功率因數(shù)角 就變?yōu)槌?/p>

26、前的，發(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。制造廠無規(guī)定的應(yīng)通過試驗(yàn)來確定。第三節(jié) 汽輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行方式0E I fi 0EI 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)行；(b)進(jìn)相運(yùn)行 w 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。w如已知發(fā)電機(jī)空載電動勢為同步電抗為，無限大容量系統(tǒng)端電壓為，則w （

27、73）w 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)電動勢隨之減小，功角就會增大，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 w 式（73）是相應(yīng)于發(fā)電機(jī)直接接在無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)外部電抗后并入無限大容量系統(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)入無限大容量系統(tǒng)的有功功率P與發(fā)電機(jī)電動勢和系統(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w （74）w 由式（7-4）可以看

28、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，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 w 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，還與定子電流的大小、功率因數(shù)的高低等因素有關(guān)。w 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

29、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 w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)定子端部過熱，成為限制發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行容量的因素之一。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 w 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

30、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 w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)，端部溫升不超過允許值條件下，發(fā)電機(jī)輸出的有功功率和無功功率的限值。w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)通過試驗(yàn)來確定。w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)無功功率的

31、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)，某些大型廠用電動機(jī)，例如給水泵電動機(jī)，自啟動會發(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)的不對稱運(yùn)行方式w對于汽輪發(fā)電機(jī)而言，有時(shí)可能在不對稱狀態(tài)下運(yùn)行，這時(shí)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)生不對稱運(yùn)行：w（1）負(fù)荷不對稱。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。w（2）各種類型的不對稱短路。通常依賴?yán)^電保護(hù)在短暫時(shí)間內(nèi)將它切除。w（3）輸電線路的不對

32、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 w不對稱狀態(tài)下的運(yùn)行有許多危害：對于同步發(fā)電機(jī)，其危害反應(yīng)在負(fù)序電流會使發(fā)電機(jī)定子產(chǎn)生100Hz的振動并在轉(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)子表面引起局部過熱。不平衡電流會使電力變壓器各相繞組發(fā)熱不一致，當(dāng)個(gè)別相繞組已經(jīng)過熱而其他相負(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)生局部過熱現(xiàn)象。由于系統(tǒng)三相電壓不對稱，使電能質(zhì)量變壞，異步電動機(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)，電動機(jī)出力降低10%15%，負(fù)序電壓達(dá)7%時(shí)，

33、則出力將降低20%25%。對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 w盡管不對稱運(yùn)行有很多危害，但短時(shí)間的不對稱運(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

34、統(tǒng)和發(fā)電機(jī)采取不對稱運(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w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有通路，因此，不對稱運(yùn)行狀態(tài)對同步發(fā)電機(jī)的危害來自負(fù)序電流。負(fù)序電流一方面與正序電流疊加，使定子繞組相電流可能超過額定值，導(dǎo)致該相繞組發(fā)熱超過容許值，另一方面還會引起轉(zhuǎn)子的附加發(fā)熱和機(jī)械振動。后者有時(shí)更為嚴(yán)重，現(xiàn)作簡單分析。w 當(dāng)定子三相繞組流過負(fù)序電流時(shí)，在發(fā)電機(jī)定子內(nèi)出現(xiàn)負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場，該磁場以同步速度按與轉(zhuǎn)子相反的方向轉(zhuǎn)動，在勵(lì)磁繞組、阻尼繞組及轉(zhuǎn)子本

35、體中感應(yīng)出兩倍工頻的電流，從而引起這些部位的附加損耗與發(fā)熱。由于這個(gè)電流頻率較高（100Hz），集膚效應(yīng)較大，故不易穿入轉(zhuǎn)子深處，只在轉(zhuǎn)子表面的薄層中流過。 w 對于汽輪發(fā)電機(jī)，通常齒部穿透深度為幾毫米，槽楔約為11.7cm。因此感應(yīng)電流A、B、C、D在轉(zhuǎn)子各部分產(chǎn)生的附加發(fā)熱集中于表面層，如圖7-13所示，這些電流不僅流過本體1（A），還流過護(hù)環(huán)2（B、C和D）及中心環(huán)（D）。這些電流流過轉(zhuǎn)子的槽楔與齒，并流經(jīng)槽和齒與護(hù)環(huán)的許多接觸面，這些地方電阻較高，發(fā)熱嚴(yán)重，可能出現(xiàn)局部高溫，破壞轉(zhuǎn)子部件的機(jī)械強(qiáng)度和繞組絕緣，尤其以護(hù)環(huán)在轉(zhuǎn)子本體上的嵌裝處特別危險(xiǎn)，因?yàn)樽o(hù)環(huán)是應(yīng)力最大的部件，其機(jī)械強(qiáng)度稍

36、微削弱，就可能引起極嚴(yán)重的后果。第三節(jié) 汽輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行方式圖7-13 轉(zhuǎn)子表面渦流分布1一轉(zhuǎn)子本體；2一護(hù)環(huán)；3一中心環(huán)； A、B、C、D一均為感應(yīng)電流 第三節(jié) 汽輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行方式w負(fù)序電流除產(chǎn)生附加發(fā)熱外，還會引起機(jī)械振動。因?yàn)檎虼艌鰧D(zhuǎn)子是相對靜止的，其轉(zhuǎn)矩作用方向總是與汽輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向相反，即為阻力矩，而負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場相對轉(zhuǎn)子卻是以兩倍同步速度相對轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的，與轉(zhuǎn)子磁場相互作用，產(chǎn)生100Hz的交變電磁力矩，該交變電磁力矩同時(shí)作用在轉(zhuǎn)子軸和定子機(jī)座上，使機(jī)組產(chǎn)生頻率為100周/s的振動和噪聲，使發(fā)電機(jī)的各個(gè)部件產(chǎn)生附加的機(jī)械負(fù)荷。w負(fù)序電流產(chǎn)生的附加發(fā)熱和振動對發(fā)電機(jī)的危害程度與發(fā)電機(jī)

37、的類型和結(jié)構(gòu)有關(guān)。汽輪發(fā)電機(jī)的磁極與軸是一個(gè)整體，繞組置于槽內(nèi)，散熱條件不好，所以負(fù)序電流產(chǎn)生的附加發(fā)熱要嚴(yán)重些，而水輪發(fā)電機(jī)則要輕一些。 第三節(jié) 汽輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行方式w為了減輕由不對稱運(yùn)行狀態(tài)引起的危害，必須對同步發(fā)電機(jī)和電力系統(tǒng)的負(fù)序電流加以限制，其方法如下：w（1）用戶應(yīng)盡可能保持負(fù)荷三相平衡，如沿電氣化鐵道的各牽引變電站中的變壓器接入110kV系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)注意輪流換相，以避免單相負(fù)荷集中在某一相。w（2）電力系統(tǒng)的零序阻抗對不對稱運(yùn)行狀態(tài)的電流不對稱度有直接影響，因而運(yùn)行中應(yīng)適當(dāng)?shù)販p小零序阻抗，如增加系統(tǒng)中變壓器的直接接地點(diǎn)。w（3）不對稱運(yùn)行時(shí)，負(fù)荷最重的相電流不應(yīng)超過汽輪發(fā)電機(jī)的額定值。各相電流與額定電流之比 也不能超過10%，否則應(yīng)降低發(fā)電機(jī)的出力。