发电机

第三章发电机及励磁系统3.1 同步发电机的基本工作原理同步发电机主要由定子和转子两部分组成，定子和转子之间有气隙，定子上有AX、BY 、CZ三相绕组，相绕组上有多匝串联的绕组元件连接而成。

每相绕组的匝数相同，在空间上彼此相差120°电角度。

转子磁极上装有励磁绕组，由直流励磁电流IF通过产生磁场，其磁通由转子N极出来，经过气隙、定子铁芯、气隙，进入转子S极而构成回路，如下图中虚线所示。

如果用原动机拖动转子沿反时针方向以恒定转速n旋转，则磁极的磁力线将切割定子绕组的导体l，在定子导体中感应出交变电动势。

设磁极磁场的气隙磁通密度沿极面按正弦规律分布，则导体电动势也随时间t按正弦规律变化。

即e=BL lv=Bmlvsinωt＝Emsinωt式中，EM——导体电动势的最大值；BL——导体所在处的磁通密度；BM——正弦波磁通密度的最大值； L——磁力线切割导体的有效长度； V——磁力线切割导体的线速度；ω——电动势的角频率。

3.2 我厂350MW发电机技术参数3.2.2 我厂发电机型号及意义发电机型号：QFSN-350-2所代表的意义是：QF一一代表汽轮发电机，S 一一代表水内冷，N 一一代表氢内冷，350一一代表兆瓦额定容量，2一一代表二极，3.2.2 发电机基本技术数据视在功率： 388MVA额定功率： 330MW最大连续输出功率： 350MW额定功率因数： 0.85（滞后）额定定子电压： 20kV额定定子电流： 11207A励磁电压（计算值）： 356V励磁电流（计算值）： 2756A效率（计算值）： 98.87°％频率： 50Hz额定转速： 3000r/min 相数： 3极数： 2短路比：≥0.59负序电流承载能力：连续 I2/IN≥10%短时（I2/IN）2t≥10额定氢压（表压力） 0.3 MPa发电机进水温度为： 40－50 C励磁性能顶值电压≥2倍额定励磁电压电压响应比≥2倍额定励磁电压/秒强励持续时间≥20s。

定子绕组连接方式： YY定子绕组绝缘等级： F转子绕组绝缘等级： F定子铁芯绝缘等级： F注：当定子绕组出水温度读数相差大于8K，要对定子水路进行检查分析，温差达到12K或定子绕组出水温度高于85℃时，应停止运行。

3.2.3 发电机技术参数表进相运行能力cosφ=0.95(超前)3.2.4 励磁系统技术数据表3.3 我厂330MW发电机技术性能3.3.1 我厂发电机总体技术性能1)发电机在额定频率、额定电压、额定功率因数、额定氢压和额定冷却介质条件下，发电机最大连续输出有功功率为350MW。

2)发电机的最大连续输出功率与汽轮机最大连续出力工况（T-MCR）的输出功率相匹配，且其功率因数和氢压等均与额定值相同。

长期连续运行时各部分温升，不超过IEC中有关规定的数值。

3)发电机定子额定电压为20千伏。

额定功率因数为0.85（滞后）；额定转速为3000r/min，频率为50Hz。

4)发电机具有一定的失磁异步运行、进相运行、调峰运行和不对称运行的能力。

5)水内冷线圈不允许有漏水或渗水，发电机漏氢量在额定氢压下一昼夜（24小时）内小于10Nm3（折算为标准气压下）。

6)发电机的年运行小时数不小于7500小时，年利用小时数为6500小时。

大修间隔不少于五年，小修间隔为每年一次。

发电机的可用率不低于99%，强迫停用率小于0.5%。

7)发电机使用寿命不少于30年。

8)当汽轮发电机孤立运行时和与其他发电机组并列运行时，都能平稳地、有控制地向系统供电。

3.3.4 发电机电压和频率范围1)电机在额定功率因数、电压变化范围为±5%和频率变化范围±2%时，能连续输出额定功率，如果频率偏离额定值－5%至+3%范围内，发电机输出的功率、温注：（1）电压升高同时频率降低工况可导致发电机和变压器过磁通量并导致转子绕组过热；电压降低同时频率升高工况可导致发电机旋转部件的机械应力增大。

这些因素将引起发电机寿命的缩短，因此要限制这种工况运行。

（2）当偏离额定频率运行时，必须考虑发电机以外的影响因素。

如汽轮机制造厂将提出的频率变化范围及其相应的允许时间；辅机工作能力等。

3.3.5 发电机异常运行能力1)进相运行能力：发电机进相运行的容许范围主要受发电机静态稳定和定子铁芯端部结构件发热两个因素的限制。

这在设计参数和结构上都已充分给予考虑过。

发电机能在超前功率因数为0.95的情况下长期连续运行，各部件温度和温升不超过最高值。

2)调峰运行能力：每年启、停机允许330次，即在整个发电机寿命期限内，机组启停次数不超过10000次；发电机负荷增减率，每分钟为额定负荷的（3～5）％。

3)定子绕组具有一定的短时过负荷能力，而不发生有害变形及接头开焊等情况。

4)转子绕组具有一定的短时过电压运行能力。

这种运行工况，每年不超过2次，时间间隔不少于30min。

5)发电机具备失磁异步运行的能力。

在未进行应有的试验，并将试验结果与制造厂家商定之前，不规定发电机异步运行能力，但是在事故条件下，发电机允许短时失磁异步运行。

当励磁系统故障后，在电网条件允许时，失磁运行的持续时间不得超过15min，这时的允许负荷应在额定值的40%以内。

发生失磁时，在60s内将负荷减至额定值的60%；在90s内减至额定值的40%。

6)发电机能承受一定的稳态和暂态负序电流的能力。

当三相负载不对称，且每相电流应不超过额定定子电流（IN ），其负序电流分量（I2）与额定电流IN之比大于10%。

当发生不对称故障时，故障运行的（I2/IN）2t大于10。

1)自并励静止可控硅励磁这种励磁方式原理接线如下图所示。

发电机的励磁电源取自于发电机机端，通过励磁变压器降压后供给可控硅整流装置，可控硅整流变成直流后，再通过灭磁开关引入至发电机的磁场绕组，整个励磁装置没有转动部件，属于全静态励磁系统。

这种励磁方式是目前国内外普遍采用的一种励磁方式，其具有以下特点：（1）与常规励磁及无刷励磁相比，由于取消了励磁机这一中间机械环节，大大a减少了维护工作量，增大了运行可靠性，同时，发电机整个轴系缩短，减少了轴系数量，提高了轴系的稳定性，改善了轴系振动，提高了机组的安全运行水平。

机组总长减小，厂房长度相应减小，节省了电站建设的一次性投资。

（2）励磁回路接线简单，设备较少，且均属静止装置，运行维护方便，提高了励磁系统的可靠性。

（3）励磁调节速度快，属于快速励磁系统，可控硅元件的开关时间为微秒级，励磁调节装置由全电子元件构成，时间常数很小，反应迅速，能充分发挥数字式微机调节器的功能，这对反应发电机负荷变化及远方短路的强励能力都有很大的好处。

（4）发电机磁场回路装设了灭磁开关及非线性电阻，再配以可控硅装置的逆变灭磁，使发电机的灭磁迅速，可靠，避免了事故的扩大，对发电机的保护有利。

（5）励磁调节器直接控制可控硅，调节器按模块化结构设计，采用工控机及新型电子元器件，辅助功能全，冗余度高，更换方便，提高了整个装置的可靠性。

自并励系统，其励磁能源取自于机端。

人们担心，当电力系统发生短路故障时，是否会影响电力系统的动态稳定？并且由于短路电流迅速衰减使带时限的继电保护拒动，是否会引起失磁？对此国内外曾做了大量的工作。

试验研究结果表明：自并励的发电机在外部突然短路情况下，由于发电机转子回路电磁惯性的存在，短路在一定的时限内切除时，发电机能够保持和迅速恢复励磁。

对于中等容量的机组，主变高压侧三相短路时，短路临界切除时间可在4～7S以上。

一般来说，机组容量愈大、转子时间常数愈大，这一切除时限就愈长。

动态模拟试验及计算分析表明：若发电机主变高压侧发生单相短路或不对称短路，短路瞬间发电机的端电压可达0.6～0.8PU，或者更高。

对具有相当顶值的它励可控硅和自并励系统来说，从短路切除到电压恢复至接近额定值，自并励与它励相差不大。

以国产300MW汽轮发电机为例，假设近端发生三相短路，分别计算它励可控硅系统、常规旋转励磁系统以及自并励系统的强励作用。

计算表明：它励可控硅系统在0.1秒时，电压调节器能够使与励磁电流成正比的电势增长2.84%，而常规旋转励磁系统只能使该电势增长0.227%，自并励系统则增长2.75%。

自并励系统比它励可控硅系统仅低3.3%，但比常规旋转励磁系统高11倍之多。

总的说来，由于发电机转子电磁惯性较大，依靠强励，在主保护动作以前这段时间内，不管是什么励磁方式，都很难使励磁电流有显著的增长。

只有当短路切除后，尽快地恢复定子电压至额定值才显得十分重要。

就这点而言，自并励系统与常规它励励磁系统相比，更显示出它的优势。

自并励系统应用于300MW、600MW的大型机组上，国内可追溯到早期的大港320MW火电机组，后来的白山300MW及龙羊峡320MW等水电机组。

据有关资料报导，国外如瑞士、瑞典、德国、加拿大、美国等，绝大多数的水火电机组均采用自并励方式。

以加拿大来说，大不列颠哥伦比亚省电力系统，容量约7246MW，其中采用自并励的容量占1/3，而且全部都在大型主力电厂中；魁北克省电力系统装机容量16000MW（82年），其中采用自并励系统的容量占71.5%。

安大略省电力部门，早在1968年就明文规定：“将静态励磁（即自并励）作为发电机（包括水轮、汽轮及原子能发电机）的基本励磁方式”,因而在运行维护方面积累了丰富的经验。

他们对已运行的33台汽轮发电机励磁系统进行了统计，结果表明自并励系统的可靠性明显优于旋转励磁系统：事故后恢复正常运行所需时间为旋转励磁的1/4；自并励系统的事故强迫停机率仅为0.04%，为旋转励磁的1/3。

随着技术水平的不断进步，自并励系统的可靠性还在不断提高。

随着我国西部大开发和西电东送战略方针的逐步推进，贵州省承担了向沿海省市输送电能，解决因电能不足影响经济发展问题的重任。

如此远距离输电，对系统在抑制低频振荡方面的能力提出了更高要求。

对于无刷励磁系统，其反应速度较慢，励磁控制系统滞后特性较大，有利于在一些范围内产生正的阻尼力矩。

但系统自身所有的这种特性还远不能满足系统抑制低频振荡的要求。

自并激励磁方式，电压响应速度很快，不管采用何种调节方式来控制发电机励磁，这个控制量引起的发电机电磁力矩很容易达到产生负阻尼力矩的条件，但如在调节中加入PSS的控制信号，使发电机产生阻尼低频振荡的附加力矩，就能纠正因为快速励磁所产生的电力系统的阻尼特性变坏而造成的动态不稳定。

国内实验证明，对330MW机组，无PSS时，励磁控制系统滞后特性，在0.2Hz~2Hz范围内，自并激励磁约-40°～-90°，无刷励磁约-40°～-150°；当加入PSS时，其有补偿频率特性二者均能达到-80°～-140°，且自并激励磁PSS的增益裕量和相角裕量比无刷励磁大得多，在负载电压给定阶跃响应下，自并激励磁的阻尼比是无刷励磁的3倍。