300MW汽轮发电机

第一章 300MW汽轮发电机第一节概述同步发电机是生产电能的基本设备，是电网的心脏，它的运行可靠性直接影响电网运行及向用户安全、经济地供电。

运行中的发电机，绕组和铁芯都要发热，所产生的热量和电机的输出功率有着密切的关系。

电机的输出功率越大，其发热量也越多，当超过额定值时，便会使电机的温度过高而超过绝缘允许值。

反之，人为地提高和增大冷却的效果，使冷却剂在相同时间内带走更多的热量，则发电机输出的功率就越大。

由此可见，电机的冷却能力在一定程度上影响了发电机出力的大小。

当今世界上大容量发电机组采用的冷却方式通常有三种：全氢冷方式、定子线圈水冷其余为氢冷（水氢氢）方式、双水内冷（水水空）方式。

我国目前生产的300MW发电机多采用后两种；表3-1-1给出了目前我国三大电机厂所生产的300MW汽轮发电机的主要额定参数。

该表表明，ＱFSN-300-2型汽轮发电机都是水氢氢冷却方式，即定子绕组为水内冷，转子绕组为氢内冷，定子铁芯为氢表冷的冷却方式。

ＱFS-300-2型汽轮发电机采用的是双水内冷（水水空）方式，即定子绕组、转子绕组均为水内冷，定子铁芯为空冷的冷却方式。

双水内冷发电机，为我国首创。

水内冷技术的应用，为提高发电机容量开辟了一条新的道路。

由于水的冷却能力比空气大50倍，因此发电机的定子和转子采用了水内冷后，可以大幅度地提高发电机的出力。

但相对于全氢冷和水氢氢冷却的发电机来说，定、转子绝缘引水管漏水而导致的故障较多；对全氢冷和水氢氢发电机来说，由于其转子采用氢内冷，不会发生因水内冷转子的绝缘引水管漏水而导致的故障，所以运行的可靠性较之水冷转子为高。

因为目前新建和扩建的火电厂单机容量均采用300MW及以上的发电机组、尤其以300MW机组居多，所以，本篇以东方电机股份有限公司所设计制造的ＱFSN-300-2-20型三相同步交流发电机为主，介绍300MW汽轮发电机组的结构、原理及运行维护知识，对其它机型做简要介绍。

第二节 300MW汽轮发电机组的基本结构和主要参数一、同步发电机的基本结构ＱFSN-300-2-20型发电机通常采取卧式轴，轴系上带有三台同步发电机：发电机、主励磁机、副励磁机。

发电机定子线圈及其连接线、出线采用水内冷，转子绕组、定子铁芯及端部采用氢冷，密封系统采用双环流式油密封。

发电机的励磁采用同轴交流励磁机带静止硅整流的励磁方式；交流励磁机的励磁采用同轴交流励磁机静止可控硅整流励磁方式；副励磁机为稀土钴永磁交流发电机的副励磁机、主励磁机、发电机三机同轴有刷励磁系统。

就发电机而言，其最基本的组成部件为定子和转子。

定子主要由定子铁芯、定子绕组（也叫电枢绕组）、机座、端盖及挡风装置等部件组成；转子主要由转子铁芯、转子绕组（也叫励磁绕组）、滑环、转轴等部件组成。

定子铁芯是电机磁路的一部分，同时也嵌放定子绕组；定子绕组是定子的电路部分，是实现机电能量转换的重要部件。

定子机座主要用于固定定子铁芯，并和其它部件一起形成密闭的冷却系统。

转子铁芯是电机磁路的一部分，又是固定励磁绕组的部件，大型汽轮发电机的转子一般采用导磁性能好、机械强度高的合金锻成，并和轴锻成一个整体。

转子绕组是转子的电路部分，直流励磁电流一般是通过电刷和集电环引入转子绕组，形成转子的直流电路。

二、主要参数发电机型号为ＱFSN-300-2-20，其中Ｑ表示汽轮，F表示发电机，S表示定子绕组水内冷，N表示转子绕组氢内冷，300表示发电机额定有功功率为300MW，2表示有2个磁极，20表示发电机额定端电压为20KV。

其主要参数有：额定容量： S N=353MVA （发电机连续运行时，所能输出的最大视在功率）额定功率：P n=300MW （发电机正常运行时，所能输出的最大有功功率）额定定子电压：U n=20KV （发电机额定运行时，机端定子三相绕组的线电压）额定定子电流： I n=10190A （发电机连续运行时，定子绕组允许通过的最大线电流）额定功率因数：cosΦn=0.85(滞后) （同步发电机的额定功率和额定容量的比值）额定频率：f n=50H z额定转速：N n=3000r/min定子线圈接线方式：双Y（并联）额定励磁电压：U fN=463V额定励磁电流：I fN=2203A额定氢压：0.3MP a定子绕组直流电阻（15℃）：0.001917Ω/相转子绕组直流电阻（15℃）：0.1561Ω定子每相对地电容A、B、C三相各为：0.2242μF直轴同步电抗X d: 204.7%横轴同步电抗X q：193％直轴瞬变电抗X′d：26.61％横轴瞬变电抗X′q：37％直轴超瞬变电抗X″d：16.18％横轴超瞬变电抗X″q：17.50％负序电抗X2: 19.74%零序电抗X0：7.37％短路比SCR 0.552各参数之间关系：额定功率P N=1.732U N I N cosΦN；额定转递：n N=60f/p （其中：f为电网频率，p为同步发电机磁极对数，本机磁极对数P为1）第三节发电机的工作原理及工作特性一、同步发电机的工作原理、同步发电机的工作原理是利用电磁感应原理将机械能转变为电能。

按照电磁感应定律，导线切割磁力线能产生感应电动势，将导线连成闭合回路，就有电流流过，这就是发电机的基本工作原理。

图3-1-1所示为同步发电机的工作原理示意图。

在同步发电机的定子铁芯内，对称地安放着A—X、B—Y、C—Z三相绕组。

所谓对称三相绕组，就是每相绕组匝数相等，三相绕组的轴线在空间互差120O电角度。

汽轮发电机转子直接与汽轮机转子连接，当蒸汽推动汽轮机高速旋转时，发电机转子随着转动，在同步发电机的转子上装有励磁绕组，当直流电通过励磁绕组时会产生主磁场，它随着汽轮发电机转子旋转，其磁通如图中虚线所示。

自转子的一个极发出来，经过空气隙进入转子、另一个极（S极）构成回路。

发电机转子旋转一周在定图3-1-1 同步发电机工作原理图 1—定子铁芯；2—转子；3—集电环 子绕组内感应的电动势正好变化一次，所以电动势每秒钟变化的次数恰好等于磁极每秒钟的旋转次数。

所以，当原动机带动转子旋转时，就得到一个在空间按正弦规律分布的旋转磁场。

定子三相绕组在空间互差120O 电角度。

因此，三相感应电动势在时间上也互差120O 电角度，发电机发出的就是对称三相交流电，即：e A =E m sin ωte B =E m sin(ωt-120O ) （3-1-1）e C =E m sin(ωt-240O )感应电动势的频率取决于发电机磁极对数p 和转子转速n 。

发电机转子为一对磁极时，转子旋转一周，定子绕组中的感应电动势正好交变一次，即一个周期；假如发电机转子有p 对磁极时，转子旋转一周，感应电动势就交变了p 个周期。

设转子的转速为n （r/min ）则感应电动势每秒钟交变pn/60次，即感应电动势的频率为f=pn/60 (Hz) （3-1-2）式（3-1-2）表明，当同步发电机的极对数p 、转速n 一定时，则定子绕组感应电动势的频率一定，即转速与频率保持不变的关系。

我国电力系统的标准频率规定为50Hz ，因此，当n=3000r/min 时，发电机应为一对极；当n=1500r/min 时，发电机应为两对极，依次类推。

当同步发电机的三相绕组与负载接通时，对称三相绕组中流过对称三相电流，并产生一个旋转磁场（定子磁场），定子旋转磁场的转速n 1=60f/p 。

即定子磁场与转子磁场以相同的方向、相同的速度转速旋转，故称为同步发电机。

二、同步发电机的工作特性同步发电机带对称负载运行时，主要有负载电流I 、功率因数cos φ、端电压Ú励磁电流I L 等几个互相影响的变量，这些物理量每两个量之间的关系，称为同步发电机的运行特性。

1、 空载特性同步发电机的空载特性，是指发电机转速等于额定转速n N ，定子绕组开路（I =0）时空载电动势E 0与励磁电流I L 的关系曲线，如图3-1-2示。

由图3-1-2可见，空载特性曲线与发电机磁路的磁化曲线相同。

空载特性是发电机的基本特性之一，它表征了发电机磁路的饱和情况，利用它可以求得同步发电机的参数，在实际生产中还可利用该曲线判断发电机的一些故障情况。

例如，励磁绕组有无匝间短路故障情况。

例如，励磁绕组有无匝间短路故障，如果励磁绕组有匝间 短路，在相同的励磁电流下，励磁磁通势减小，曲线下降。

2、短路特性 所谓短路特性，是指发电机在额定转速下，定子三相绕组短路时，定子稳态短路电流I 与励磁电流I L 的关系曲线，即I=f(I L )如图3-1-3。

在做短路特性试验时，要先将发电机三相绕组的出线端短路。

然后，维持转速不变，增加励磁，读取励磁电流及相应的定子电流值，直到定子电流I 达到额定电流值时为止，在试验过程中，调整励磁电流时不要往返调整。

在做短路特性试验时，要先将发电机三相绕组的出线端短路。

然后，维持转速不变，增加励磁，读取励磁电流及相应的定子电流值，直到定子电流达到额定电流值时为止，在试验过程中，调整励磁电流时不要往返调整。

短路试验测得的短路特性曲线，不但可以用来求取同步发电机的重要参数：饱和的同步电抗与短路比。

在实际工作中，也常用它来判断励磁绕组有无匝间短路等故障。

显然，励磁绕组存在匝间短路时，因安匝数的减少，短路特性曲线是会降低的。

3、负载特性负载特性是当转速、定子电流为额定值，功率因数cos φ=常数时，发电机电压与励磁电流之间的曲线，即L当cos φ值不同，我们即可得到不同负荷种类的特性曲线。

用负载特性曲线、空载特性曲线、短路特性，可以测得发电机的基本参数，这是发电机设计、制造的主要技术数据。

4、外特性同步发电机的外特性，是指发电机在额定转速下，保持励磁 电流和功率因数不变时，端电压U 与负载电流I 之间的关系曲线。

图3-1-5所示为发电机带不同功率因数负载时的外特性曲线。

曲线1为感性负载时的外特性曲线，它是随I 增大而下降的曲线，这是因为，当感性负载电流增加时，由于电枢磁场对转子 磁场呈去磁作用，同时漏抗压降随之增大，所以端电压随之下降；曲线2是纯电阻负载时的外特性曲线，这是一条略有下降的曲线，这是因为， 当cos φ=1时，负载电流I 仍滞后于E 0，其电枢磁 场也有去磁作用，但去磁程度较小；曲线3是容性负载时的外特 性曲线，它是随I增大而上升的曲线，这是因为，容性负载电流 增加时，电枢磁场对转子磁场呈助磁作用，电枢磁场的助磁作用随电流增加而增强，感应电动势增大，所以端电压随之上升。

5、调整特性 调整特性是指同步发电机在额定转速下，端电压和负载功率因数不变时，励磁电流与负载电流的关系曲线，图3-1-6是同步发电机在不同功率因数时的调整特性曲线。

图中曲线1和曲线2分别是感性负载和电阻性负载时的调整特性，可见为保持发电机端电压不变，随着负载电流的增加，必须相应地增大励磁电流，以补偿负载电流所产生的电枢磁场的去磁作用。