600MW 汽轮发电机结构及其冷却系统

第一章 600MW汽轮发电机的结构及其冷却系统（P003）转轴上的机械能→同步发电机→定子绕组中电能●同步发电机① 汽轮发电机 — 以汽轮机为原动机(高速原动机)，转子采用隐极式结构；② 水轮发电机 — 以水轮机为原动机(低速原动机)，转子采用凸极式结构磁极旋转式(a) 隐极式；(b) 凸极式●隐极式同步发电机大型火力发电厂都采用二极隐极式汽轮发电机，转速为3000r/min。

●凸极式同步发电机● 增大单机容量的优点随着电网容量不断增大，电网中单机容量也迅速增大。

单机容量PP=K A BδD i2n l式中：K — 常数A — 定子线负荷，A/mmBδ — 气隙磁密，TD i — 定子内径，mn — 额定转速，r/minl — 定子铁心有效长度，m提高单单机容量需解决许多技术问题。

在电网内发展大容量机组，其建设速度、经济效益都比发展小容量机组优越。

对于二极隐极汽轮发电机而言，发展大容量机组在制造、基建和运行的经济性方面具有下列优点：（1）可降低电机造价和材料消耗。

如一台800MW机组比一台500MW机组单位成本降低17%，一台1200MW机组比一台800MW机组单位成本降低15%。

材料消耗率随单机容量的增大而降低。

（2）可降低电厂基建安装费用。

一个电厂单位造价随着单机容量的增大而降低。

（3）可降低运行费用，减少煤耗及单位千瓦运行人员和厂用电率。

（4）可减少电厂布点，有益于环境保护，减少污染。

● 提高单机容量的途径（1）增加电机尺寸问题：增加电机尺寸可以提高发电机单机容量，但由于两极汽轮发电机转速很高，转子上受到很大的离心力，尤其轴中心孔受的应力最大，其力的大小与转子直径的二次方成正比，因此加大直径受到转子材料的机械强度限制。

目前转子本体最大直径为1.25m，增加转子长度也有一定限度，转子的长度和直径的比例不能太大，否则刚度不够，挠度太大。

（2）提高电磁负荷（关键在于冷却技术的发展）问题：提高电磁负荷使温升增高，绝缘材料的允许温升又成了限制提高单机容量的一个因素，为此必须发展冷却技术来解决电机温升问题。

近年来由于采用了冷却性能好的冷却介质，并发展了对转子和定子直接冷却的技术从而造出了百万千瓦级的巨型汽轮发电机。

通过冷却技术的发展来提高单机容量有较大潜力● 应用最广的冷却介质空气、氢气、水、油。

书P4表1一1列出了空气、氢气和水三种介质的冷却性能。

表中均以空气的各项指标为1，其他介质所列为相对值。

其中从冷却角度看，水的冷却性能最好，水的热容量比空气大4.16倍，密度较空气大1000倍，散热能力比空气大84倍。

此外，水还有良好的绝缘性能，得到电阻系数为200×103Ω·cm的凝结水是没有困难的。

● 冷却方法表冷（间接冷却），空气和氢气多用于表冷。

内冷（直接冷却），氢气和水多用于内冷。

● 冷却组合现代大功率汽轮发电机的冷却介质和冷却方法多为组合式，其中主要有以下五种：（1）定子绕组氢外冷，转子绕组氢内冷，铁心氢（表）冷。

（2）定子绕组氢内冷，转子绕组氢内冷，铁心氢（表）冷。

（3）定子绕组水内冷，转子绕组氢内冷，铁心氢（表）冷。

简称水氢氢冷却该方式应用最多，广泛应用于200～1000MW左右的机组上。

（目前，单机容量极限为1200MW）（4）定子绕组水内冷，转子绕组水内冷，铁心氢（表）冷。

（5）定子绕组水内冷，转子绕组水内冷，铁心空（表）冷。

同步发电机的冷却介质与冷却方式的不断改进，已使发电机的线负荷由60 A/mm左右提高250 A/mm左右。

若要再进一步提高，在现有冷却方式下遇到极大的困难。

● 超导化定子绕组仍采用常导材料，转子绕组刚采用超导材料。

由于绕组在超导状态时电阻完全消失，从而彻底解决了巨型电机绕组的发热、温升问题。

同时由于绕组基本损耗的消除，大大提高了电机的效率。

超导励磁绕组中的电流密度可提高为常规绕组的几十倍，这样电机中的磁密可以取的很高，大大超过了铁磁材料的饱和点，使传统电机中导磁的铁心可以省掉。

则电机绕组可做成无槽气隙绕组形式，去掉了铁心，空间利用率及线负荷都大大提高，可将单机极限容量提高3倍左右，即达到3600MW §1-1 600MW汽轮发电机的主要部件和技术参数（P004）●目前，我国600MW汽轮发电机主要有引进型、优化设计型、进口型等。

●600MW汽轮发电机的额定电压多在20～24kV；额定功率因数为0.9；效率在98.7%以上；短路比都不小于0.5；定子绕组联结法都为YY结构；冷却方式都为水氢氢（即定子绕组水内冷、转子绕组氢内冷、定子铁心氢冷。

）●短路比短路比是指同步发电机在能产生空载电压等于额定值的励磁电流作 用下，发电机处于三相稳态短路时的短路电流I k0与额定电流I N之比。

由于短路特性是一直线，由下图利用空载特性和短路特性确定短路比 可得()()N K N I I fK U U f N K C I I I I k ====00式中，I f 0 — 对应空载电压等于额定电压值时的励磁电流；I f k — 对应稳态短路电流等于额定电流值时的励磁电流。

设I’f 0为不饱和 ( 即运行在气隙线上 ) 时产生空载额定电压所需的励磁电流，并定义()()N N U U f U U f I I k ==′=00μ式中，k μ — 空载额定电压时主磁路的饱和系数，通常取k μ = 1.1 ～1.25 。

于是，短路比的计算式又可写成()()()()()()()不饱和不饱和d d N N I I N I I fk U U f U U f U U f c x k x I U k E U k I I I I k fK f N k N N N ∗=======′=′×′=1 0000μμμ短路比是表征电机性能的一个参数。

通常k c= 0.5 ～ 1.3 。

其中，对于汽轮发电机，k c= 0.5 ～0.7 ；对于水轮发电机，k c = 0.8 ～ 1.3 。

短路比大，意味着x d*小，电机的过载能力就大。

§1-2 发电机的定子结构（P007）本节内容主要针对德州发电厂5号的660MW机组定子结构特点加以介绍。

●机壳和两侧端盖：◆均属于气密性焊接结构，◆对固定电枢绕组和铁心、旋转的励磁构件和气体冷却器形成支撑和封闭。

●主要的冷却介质：◆氢气，氢气在机座中并在旋转的励磁构件每端安装的风扇的作用下进行循环。

◆电枢绕组有其单独的液体（水）冷却系统。

●运行设计：◆发电机被设计为连续运行◆为在规定的范围内能够承受异常的运行条件，例如突发性甩负荷或三相短路。

●励磁供电、氢气系统的控制和监测以及定子液体冷却系统均装有单独的辅助设备。

定子机座是一个焊接钢板结构的外壳。

作用：① 放置并支撑定子铁心、绕组和旋转的励磁构件② 为冷却氢气贯穿发电机提供多个导引路径。

另外，带有圆周孔环的内部隔板可为铁心提供刚性支撑并避免共振。

二、机座机座隔振—弹簧板图1-2二极、氢冷汽轮发电机的弹性安装组 图1-3二极、氢冷汽轮发电机中安装在弹性支撑上的电枢铁心组件的局部剖视图◆由轴向弹簧板组成；◆弹簧板使定子外壳在径向上和切线方向上与定子铁心的磁振动隔离。

三、定子铁心◆用退火后涂有绝缘漆的扇形片叠装而成；扇形片的绝缘漆是一种含Samtocel（一种无机材料）的热固性油漆，即使遭受异常加热，也能够保持其绝缘电阻值。

◆该扇形片是用晶粒取向硅钢板冲成。

四、铜制磁屏蔽◆铜制碟形法兰组装在定子铁心每一端的非磁性钢紧固法兰上；◆其目的在于减少从定子铁心端部到励磁构件护环的漏磁，漏磁会穿过定子绕组的端匝，从而减少定子绕组端匝中的损失。

◆闭环冷却系统使用氢气作为冷却介质，对所有发电机部件进行冷却，除了定子绕组之外。

◆氢气在发电机每端的一个单级轴流风扇的作用下进行循环，风扇安装在发电机转子上并由转子驱动。

六、气体冷却器◆有2个双工气体冷却器水平放置在定子铁心上方的送气室中，与电机的轴向中心线成直角。

◆每个双工冷却器包括两部分，每一部分均有各自的水联箱。

◆冷却器安装在机座上，这样即便在发电机带负荷的情况下，任何一部分都可以退出运行。

七、端盖及轴承◆端盖被设计为能够承受转子的重量以及在最大压力下存放氢气而不会过度变形。

◆发电机转子轴承、氢气轴封和向这些部件供油的油路均包含在外端盖中并由其支撑。

八、下部机座延伸段和高压套管◆依靠瓷绝缘高压套管，将主动力导线从下部机座延伸段引出，以利于采购方的接线。

◆为了保证发电机主机座的尺寸在铁路装运尺寸限制范围内，下部机座延伸段分开运输。

图1-4 氢冷汽轮发电机，用在大导体冷却发电机上的发电机端子布置1—螺栓；2—高压套管；3—下部机座延伸段；4—疏水接头；5—垫片九、定子绕组对三相交流绕组的要求有：电磁方面① 在绕组中通过三相对称电流时，气隙中有旋转磁场；② 气隙中有旋转磁场时，绕组中感应产生对称的三相电势；③ 交流绕组的电势和磁势应为按正弦规律变化的时间波和空间波，即其谐波分量尽可能小；结构方面④ 三相交流绕组在空间作对称分布（即其轴线互差2π/3电角度）；⑤ 各相绕组的匝数应相相同。

◆600MW发电机定子绕组具有共同点，都采用三相双层短距分布绕组，目的：是为了改善电动势波形，即消除绕组的高次谐波电动势，以获得近似正弦波电动势。

（一）利用绕组的短距可以有效地削弱谐波电势，使之接近正弦波。

上图表示采用短距消除5次谐波电动势的方法。

图中实线表 示整距情况，这时5次谐波磁场在线圈两个有效边内感应电势的瞬时值大小相等、方向相反，沿回路内正好相加。

如果把节距y1缩短1/5τ，如图中虚线所示，则两个有效边内的5次谐波电势也大小相等，且方向相同，沿回路内正好互相抵消，故5次谐波合成电势等于零。

一般说来，节距缩短ν次谐波的一个极距（即缩短τ/ν），就能消除ν次谐波电势。

实际上，由于三相绕组采用星形和三角形连接，线电压 中已消除了3次及3的倍数次谐波。

所以选择绕组节距时主要考虑同时削弱5、7次谐波电势。

通常采用y 1≈(5/6)τ，这时5次和7次谐波电势差不多都削弱到只有原来的1/4。

（二）利用绕组的分布排列可有效地削弱谐波磁势，从而也削弱谐波电势，使之接近正弦波。

交流绕组磁势（ν次波）F q ν = q F C ν k q ν其中，k q ν — 交流绕组ν次波的分布系数66sin νπνπν=k q ν = 1, k q ν = 3/π = 0.955ν = 3, k q ν = 2/π =0.637 ν = 5, k q ν = 3/(5π) = 0.191……以此类推，可见当ν不太大时，k q ν随ν的次数增加而明显衰减。

因此说，利用绕组的分布排列可有效地削弱谐波磁势，改善交流绕组磁势波形，使之接近正弦波。

§1-3 发电机转子结构 （P011）转子的构成：① 转轴； ② 磁极绕组； ③磁极绕组的电气连接件；④ 护环； ⑤ 中心环； ⑥ 风扇；⑦联轴器； ⑧ 阻尼系统等本节内容主要针对德州发电厂5号的660MW 机组转子结构特点加以介绍。