熱電廠發電機結構工作原理,事故處理及案例分析

本課程主要學習內容發電廠電氣專業技術培訓四川化工職業技術學院同步發電機第一講基本教學要求1.理解同步電機的基本工作原理；2.掌握基本結構各部件的特點和作用；3.了解冷卻方式、掌握同步發電機的銘牌；4.知道同步發電機的勵磁方式及勵磁系統的作用與要求。本章重點和難點重點：1.同步發電機的主要結構和基本工作原理；2.主要結構部件特點和作用；3.勵磁系統的作用與要求。難點：1.同步發電機的基本工作原理；2.勵同步發電機的磁系統。第一講：同步發電機的基本工作原理和結構

同步電機是交流旋轉電機的一種,因其轉速恒等于同步速時而得名。現代發電廠中所發出的交流電能幾乎都是同步發電機的。對于有恒速要求的生產機械，可采用同步電動機作為動力，同步電機也可作為調相機用，向電力系統發出感性或容性無功功率，用于改善電力系統的功率因數及調整電網電壓。同步電機無論作發電機、電動機或調相機，其基本原理及結構是相同的，只是運行方式不同而已。本章基本要求：⒈同步發電機的基本工作原理；⒉同步發電機的基本結構；⒊同步發電機的銘牌數據。第一講：同步發電機的基本工作原理和結構第一節同步發電機的基本工作原理定子轉子滑環

同步發電機基本原理工作是根據電磁感應現象，即導體切割磁力線產生感應電動勢工作的。因此，同步發電機應有產生磁力線的磁場和切割該磁場的導體。一、基本結構模型，如圖所示:氣隙

圖中給出了最常用的轉場式同步發電機的結構模型，其定子鐵心的內圓均勻分布著定子槽，槽內嵌放著按一定規律排列的三相對稱交流繞組。這種同步電機的定子又稱為電樞，定子鐵心和繞組又稱為電樞鐵心和電樞繞組。1.定子2.轉子

轉子鐵心上裝有制成一定形狀的成對磁極，磁極上繞有勵磁繞組，當通過電刷和滑環通以直流電流時，將會在電機的氣隙中形成極性相間的分布磁場，稱為勵磁磁場(也稱主磁場、轉子磁場)。主磁場由N極出來經過氣隙、定子鐵芯，再經過氣隙進入S極而構成主磁路。如圖中虛線所示(圖中p=1)。3.氣隙

氣隙處于電樞內圓和轉子磁極之間，氣隙層的厚度和形狀對電機內部磁場的分布和同步電機的性能有重大影響。

除了轉場式同步電機外,還有轉樞式同步電機，其磁極安裝于定子上，而交流繞組分布于轉子表面的槽內，這種同步電機的轉子充當了電樞。二、同步發電機的工作原理

如圖所示，外部直流電源通過滑環向轉子提供直流勵磁電流，并產生磁場；原動機拖動發電機轉子以轉速n按圖示方向作恒向旋轉。

定子中三相繞組的導體依次切割磁力線，三相繞組便感應產生各相大小相等、相位彼此相差1200的交流電動勢。若氣隙磁通密度按正弦波分布，則三相繞組感應電動勢波形如圖所示，且相序為A→B→C。1.交變感應電動勢的產生每相感應電勢有效值:2.感應電勢的頻率

交流電動勢的頻率f可這樣確定:當轉子為1對極時，轉子旋轉一周，定子繞組中感應電動勢變化一個周期；當同步發電機具有p對極時，轉子旋轉一周，感應電動勢就交變p個周期；當轉子的轉速為每分鐘n轉時，則交變電動勢的頻率為:轉子的轉速(r/min)

由上式可知:同步發電機定子繞組感應電動勢的頻率取決于它的極對數p和轉子的轉速n。轉子轉速越高，定子繞組感應電勢E0的頻率越高。即n↑→f↑。可見，同步發電機極對數p一定時，轉速n與電樞電動勢的頻率f之間具有嚴格不變的關系。說明:

如果發電機作為電源單獨給負載供電，對電源頻率的要求并不十分嚴格，對原動機的轉速要求也不很嚴格。3.同步轉速

現代的發電機，絕大多數都是向大電網并網供電，這就對同步發電機的頻率要求嚴格了，我國電網頻率為50HZ，所以發電機發出的電動勢頻率也必須為50HZ，如果發電機的頻率與電網頻率不等將會造成嚴重事故。同步轉速從供電品質考慮，由眾多同步發電機并聯構成的交流電網的頻率應該是一個不變的值，這就要求發電機的頻率應該和電網的頻率一致。我國電網的頻率為50Hz，故有：要使得發電機供給電網50Hz的工頻電能，發電機的轉速必須為某些固定值，這些固定值稱為同步轉速。例如2極電機的同步轉速為3000r/min，4極電機的同步轉速為1500r/min，依次類推。只有運行于同步轉速，同步電機才能正常運行，這也是同步電機名稱的由來。同步電機的特點4.電磁過程

轉子沖轉到額定轉速,汽輪發電3000r/min

→轉子繞組加勵磁電流(直流)→產生旋轉磁場→定子繞組切割磁力線產生三相對稱感應電勢→發電機出線端三相對稱電壓。

5.電勢的調節

根據E0=4.44fNkw1Φ0

和If→Φ0可知，調節勵磁電流If，可改變磁通Φ0，從而改變定子繞組感應電勢E0。即If↑→E0↑；If↓→E0↓。6.相序

相序決定于轉子的轉向。從勵磁端看，汽輪發電機的轉向為逆時針方向。

同步發電機原理小結:外部直流電源通過滑環向轉子提供直流勵磁電流，并產生磁場；原動機拖動轉子旋轉，轉子磁極磁場切割三相定子繞組，感應三相交流電。第二節同步發電機的基本結構一、同步電機分類：旋轉電樞式：電樞旋轉，磁極固定，因電樞功率不易由滑動部分送出，只適于較小容量發電機，實用少。旋轉磁極式：磁極旋轉，電樞固定，電樞功率由靜止部分送出，可傳送較大功率，實用廣，是同步發電機的基本結構型式。同步電機旋轉磁極式隱極式轉子：不計齒槽時氣隙均勻；機械強度高，適用于高轉速；一般用于汽輪發電機；外形細長。凸極式轉子：氣隙不均勻，極弧下較小，極間較大；機械強度比隱極機低，適用于低轉速；一般用于水輪發電機，外形扁盤形。二、隱極同步發電機（只有臥式支撐）的基本結構汽輪發電機與直流勵磁機配套而成的汽輪發電機組結構圖1-定子機座2-定子鐵芯3-外殼4-吊起定子設備5-防水導水管6-定子繞組7-定子壓緊環8-外護板10-通風壁11-導風屏12-電刷架9-里護板13、14-電刷15-軸承座16-軸承襯17-油封口18-汽輪機的油封口19-基礎板20-轉子21-端線22-勵磁機一對極隱極式轉子示意圖1.隱極式轉子結構：主要由鐵芯、勵磁繞組、阻尼繞組、緊固件和風扇組成。它是汽輪發電機的重要部件，如圖所示。(1)轉子鐵芯

隱極式轉子鐵芯應具有良好的導磁性能，并能承受很大的離心力作用。隱極式轉子鐵芯通常與轉軸鍛造成一體，一般所用材料是具有高強度和導磁性能良好的含鉻、鎳和鉬的合金鋼。汽輪發電機的轉子鐵芯橫剖面如圖示:(a)輻射形排列(b)平形排列

隱極式轉子上沒有凸出的磁極，沿轉子鐵芯外圓表面銑出許多槽，槽中嵌放勵磁繞組。在轉子表面約1/3部分沒有開槽，構成所謂大齒，是磁極的中心區即主磁極。勵磁繞組通入勵磁電流后，沿轉子圓周也會出現N極和S極。汽輪發電機的轉子槽分類圖示:(2)勵磁繞組

勵磁繞組是由矩形的絕緣扁銅線繞成同心線圈，兩線圈邊分別放置在大齒兩側所開出的槽內，所有線圈串聯組成勵磁繞組，構成轉子的直流電路。勵磁繞組引出的兩個線端接在滑環上，并通過電刷與外電路直流電源相連接。注意:勵磁繞組的各線匝間需墊有絕緣材料，同時，線圈和鐵芯之間也需有可靠的“對地絕緣”。勵磁繞組放置在槽內后，需用非導磁材料、高強度的硬鋁或鋁青銅制成的槽楔來壓緊，如圖所示。轉子槽部剖面圖槽楔楔下墊條匝間絕緣扁銅線槽絕緣(3)阻尼繞組

某些大型汽輪發電機轉子上裝有阻尼繞組，它是一種短路繞組，由放在槽楔下的銅條和轉子兩端的銅環焊接成閉合回路。阻尼繞組的主要作用是:在同步發電機短路或不對稱運行時，利用其感應電流來削弱負序旋轉磁場的作用，以及同步發電機發生振蕩時起阻尼的作用，使振蕩衰減。嵌裝完勵磁繞組后的轉子勵磁繞組連接圖(4)緊固件

轉子緊固件包括護環和中心環。由于汽輪發電機轉速高，繞組端部受到很大的離心力，所以必須采用護環和中心環來可靠地固定，如圖所示。護環把轉子勵磁繞組的端部套緊，以防繞組端部甩出。中心環用來支持護環和防止轉子繞組端部的軸向位移。為了減少端部漏磁場，護環采用非導磁合金鋼材料。作用：保護轉子繞組端部(5)滑環

直流電流通過截止的正負極性的電刷、兩互相絕緣且套在轉軸上隨轉子轉動的滑環引入轉子勵磁繞組。(6)風扇

汽輪發電機的轉子細長，通風冷卻比較困難，故轉子的兩端一般裝有軸流式或離心式風扇，用以改善冷卻條件。隱極式轉子特點：在大容量高轉速汽輪發電機中，轉子圓周線速度極高，最大可達170米/秒。為了減小轉子本體及轉子上的各部件所承受的巨大離心力，大型汽輪發電機都做成細長的隱極式圓柱體轉子。考慮到轉子冷卻和強度方面的要求，隱極式轉子的結構和加工工藝較為復雜。轉子長度/直徑=2.0～6.5，且容量愈大比值愈大。滑環風扇2.隱極式定子結構：定子又稱為電樞，主要由定子鐵芯、定子繞組、機座、端蓋等部件組成。它是同步發電機用以產生三相交流電能，實現機械能與電能轉換的重要部件，如圖所示。(1)定子鐵芯

定子鐵芯是主磁路的一部分,嵌放定子繞組。一般由厚0.5mm或0.35mm的硅鋼片疊成，沿軸向疊成多段形式，每段疊片厚為30-60mm。各段疊片之間留有寬約10mm的通風槽，以改善定子鐵芯的散熱條件，如圖所示。

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，整個鐵芯固定在定子機座上，如圖所示。沿定子鐵芯內圓表面的槽內放置三相定子繞組。定子鐵芯壓緊(a)無磁性壓板(b)定子鐵芯剖面(2)定子繞組

汽輪發電機的定子繞組一般采用三相雙層短距疊繞組，Y連接或YY連接，構成定子三相交流電路。作用：產生感應電勢。(1)定子繞組(2)端部連接線(4)通風孔(3)機殼(5)機座

由于定子電流較大，每槽一般只嵌放兩個有效導體(線棒)，為減少渦流損耗，同時也為了減少繞組導體中集膚效應引起的附加損耗，每根導體常由許多相互絕緣的15mm2以下的扁銅線并聯多股線組成，在槽內線圈的直線部分還應進行編織換位，如圖所示。

三相定子繞組對鐵芯絕緣強度的要求，取決于電機額定電壓的高低。為了防止電暈，6.3kV及以上的定子繞組經絕緣處理后還要涂以半導體漆。定子的每一槽內放置上、下兩線圈邊，并墊以層間絕緣，線圈放入槽中，采用槽楔固定，如圖所示。剖面示意圖

為了能承受住突然短路等過渡過程產生的巨大的電磁力而引起的端部變形，以及正常運行時不致于產生較大的振動，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，如圖所示。定子繞組端部加工中的定子繞組水電接頭定子繞組水電接頭

(3)機座

機座是用來支撐和固定定子鐵芯和端蓋的，應有足夠的強度和剛度，機座與定子鐵芯之間需要留有適當的通風道，以利于電機的冷卻，如圖所示。定位筋

端蓋

(1)立式水輪發電機(2)臥式水輪發電機三、凸極同步發電機的基本結構

凸極同步電機通常分立式和臥式結構兩類，大中型容量的水輪發電機一般采用立式結構，如圖所示。

由于水輪機的轉速很低，為了得到額定頻率，發電機的極數就需要相應的增加，發電機的轉子直徑則需加大。在容量一定的情況下，發電機的總長度便可縮短，故水輪發電機的轉子長度L和定子內徑D之比為的0.125-0.07，如圖所示。

立式水輪發電機的結構又分為懸式和傘式兩種，如圖所示。懸式傘式懸式的推力軸承是安裝在轉子的上部，整個轉子懸吊在機架上，這種結構運行時穩定性較好，只適用于轉速較高的發電機(150r/min以上)。傘式的推力軸承是安裝轉子下部，整個轉子形同被撐開的雨傘，這種結構運行時穩定性較差，只適用于轉速較低的發電機(125r/min以下)，如圖所示。推力軸承1.定子

水輪發電機主要是由轉子、定子和機架和推力軸承等部件組成。由機座、定子鐵芯和定子繞組等主要部件組成。(1)機座

機座用來支撐定子鐵芯、軸承和端蓋等，并構成冷卻風路。直徑大于4m的機座可分成若干瓣，安裝時再拼接成一體。例:三峽左岸電站定子機座由定子鐵芯支撐環、20個垂直的斜元件、垂直筋板以及機座外壁等組成。機座分6瓣，現場組裝，如圖所示。(2)定子鐵芯

定子鐵芯的基本結構與汽輪機相同，大容量的水輪發電機定子鐵芯由扇形硅鋼片疊成，留有通風溝。沿鐵芯內圓表面的槽內放置三相定子繞組，并用槽楔壓緊。例:三峽左岸電站定子鐵芯由硅鋼片、齒壓板、壓指、壓緊螺栓等組成。硅鋼片厚度為0.5mm，兩面均涂有F級絕緣漆，疊成總高度為3130mm，共46段疊片堆，47個通風槽；鐵芯拉緊螺栓位于鐵芯疊片中部，用絕緣套管與鐵芯疊片絕緣，與傳統的位于鐵芯疊片尾部相比拉緊效果好，有利于防止疊片翹曲變形和運行過程中松動，如圖所示。(3)定子繞組

大中型水輪發電機的極數較多，定子繞組多采用雙層波繞組，可節省極間接線，并多采用分數槽繞組以便改善電動勢的波形。例:三峽左岸電站定子繞組設計為三相雙層波形繞組，每相5支路并聯，共1080根羅貝爾線棒組成。繞組輪換數為1—8—14，每極每相槽數為9/4，節距為13，如圖所示。由中心導體、水冷部件、主絕緣、電暈保護層等組成

羅貝爾線棒

兩種發電機采用的是羅貝爾360度換位線棒，線棒由中心導體、水冷部件、主絕緣、電暈保護層等組成。線棒結構簡介(1)ALSTOM發電機線棒中心導體部分由42根銅股線，單根銅股線表面噴有絕緣漆，層與層之間有一預浸漬環氧漆的墊條作為一層額外絕緣，以防層間短路。銅股線換位后留下的空隙用環氧云母膠填充，外面再加一層內部半導體防電暈保護層；

VGS發電機線棒中心導體部分由24根銅股線，線棒的股間絕緣采用玻璃纖維和優質云母材料。(2)ALSTOM發電機水冷部件由6根不銹鋼空心導管和2個水箱組成；VGS發電機水冷部件由6根銅空心導管，作為中心導體的一部分。(3)ALSTOM發電機線棒的主絕緣采用的是MICADURF級絕緣系統，它是由真空浸漬的合成樹脂絕緣帶和在無溶劑環氧樹脂中浸漬的高品質云母玻璃纖維帶組成。整根線棒由19層此絕緣帶連續半疊繞構成，形成后的線棒直線段主絕緣厚度為4.6mm，斜線段主絕緣厚度為3.7mm。VGS發電機線棒的主絕緣也采用的是MICADURF級絕緣系統，由優質云母和混合環氧樹脂組成主絕緣厚度為4.6mm。(4)ALSTOM發電機防電暈保護層分兩部分，線棒直線段是浸有半導體漆LL17的聚胺脂帶子纏繞，厚度約為0.15mm，表面接觸電阻變化范圍為0.8-8千歐/平方毫米，線棒端部彎曲段采用高阻防暈層，厚度約為0.9mm。ALSTOM發電機線棒結構

線棒直線段截面圖

線棒彎曲段截面圖2.轉子由轉軸、轉子支架、磁軛和磁極等主要部件組成。

轉軸一般采用高強度鋼鍛造而成。大中型轉子的轉軸是空心的，在用鋼量相同的情況下，強度可相應增加。(1)轉軸(2)磁極

磁極采用1-1.5mm厚的鋼板沖片疊成，在磁極的兩端面加上磁極壓板，用鉚釘鉚成整體。(3)勵磁繞組

勵磁繞組多采用絕緣扁銅線繞制而成，而后經浸膠熱處理，套在磁極上，如圖所示。(4)阻尼繞組

在水輪發電機中，極靴部位一般裝有阻尼繞組，用以減少并聯運行時轉子振蕩的振幅。整個阻尼繞組由插入極靴阻尼孔中的銅條和端部銅環焊接而成。某些中小型容量凸極同步發電機，磁極鐵芯是整體的，一般不另裝阻尼繞組。高品質云母玻璃纖維絕緣框極繞組支撐壓板T形尾磁極壓板極繞組端部極繞組(5)磁軛與轉子支架

磁軛由高強度經鈍化處理的冷軋薄鋼板組裝成的堅實結構，它是磁路的一部分，磁極固定在其圓柱表面。磁軛和轉子之間用轉子支架支撐著。轉子支架固定在轉軸上，轉子支架為圓盤式結構，在工地進行組裝焊接，且設有足夠數量的孔洞，以滿足發電機通風的要求和具有良好的導風性能。停機時，為了避免長時間低速損壞軸瓦，一般在磁軛底部裝有制動環。10MW水輪機轉子三峽左岸電站24MW發電機轉子在吊裝3.

軸承

水輪機發電機組的軸承有導軸承和推力軸承兩種。導軸承的作用是約束軸線位移和防止軸擺動，主要承受徑向力。推力軸承承受水輪發電機轉動部分(包括電機轉子和水輪)的全部重量及軸向水推力，是水輪發電機組關鍵部件。三、同步發電機的冷卻問題簡介

同步發電機在運行中產生各種損耗，這些損耗變為熱能使有關部件的溫度升高。溫升太高將加速電機絕緣材料老化，從而縮短電機的使用壽命，甚至危及電機的運行安全。所以改善發電機的冷卻條件，對提高發電機的輸出功率起著關鍵性的作用。

水輪發電機由于直徑大，軸向長度短，體積大，冷卻問題不突出。中小型汽輪發電機單位體積的發熱量較小，冷卻方式多采用風冷。

在中、小型電機中，都采用空氣作為冷卻介質。當電機的容量很大時，電機內部的損耗及發熱量迅速增加，冷卻問題顯得格外重要，此時必須加強通風或采用其他的冷卻方式。

對于大型汽輪發電機，發熱和冷卻問題就比較突出了。汽輪發電機直徑小、長度長，中部的熱量不易散出，需要采取提高冷卻效果的措施。

此外，純凈的水不但電導率低，化學性能穩定，流動性好，而且具有較高的導熱特性。目前，在更大容量的大型汽輪發電機廣泛采用轉子氫冷，定子水內冷，也有采用定、轉子水內冷的冷卻方式。雙水內冷電機的定、轉子的導線是空心的，起到導線內部直接冷卻的作用。例如采用空心導體（如圖），冷卻介質直接在導體中流通而把熱量帶走，這樣能更有效地降低電機的溫升，所采用的冷卻介質一般有氫氣及水等。

在大型汽輪發電機中，為了提高其冷卻效率，例50MW以上的汽輪發電機，冷卻介質用氫氣代替空氣。由于氫氣的導熱率較空氣大7倍，比重僅為空氣的1/14，故氫冷發電機損耗較小，冷卻效果較好。但氫氣與氧氣不能混合，若混合成一定比例時有爆炸的危險。因此，必須有一套控制設備來保證外界空氣不會滲入到電機內部，同時防止氫氣外泄和保持氫氣純度，就要采取密封措施，兩個軸伸端應有特殊的油封系統。除了熱源容量大以外，大型汽輪發電機的散熱比較困難是其另一個不利因素。電機容量大，必然體積也大。體積大增大了散熱表面是有利的，但同時帶來了散熱途徑增長的缺點，使電機內部溫度不均勻，容易發生局部過熱而燒壞電機。大型電機繞組電壓高，相應地定子組絕緣也就厚，絕緣材料的熱阻很大，又增加了散熱的困難。電機散熱一般主要靠對流作用，汽輪發電機軸向長度很長，空氣對流所受阻力大，空氣和轉子摩擦還要引起損耗，這些均增加r散熱的困難。為此，同步發電機特別是大容量汽輪發電機，必須有有效的冷卻系統，才能保證它正常運行。冷卻系統(1)同步發電機的冷卻介質有空氣、氫氣和水三種，按散熱方式主要分為外冷（表面冷卻）和內冷（直接冷卻發熱體），也有兩種兼用的方式。

(1)空氣冷卻空氣由轉子兩側的風扇吸人，通過所設計的風道后，排出機外，將熱量帶走。熱空氣經機外的空氣冷卻器冷卻后再送入機內重復利用。這樣的空氣封閉系統可以防止水分和灰塵等隨空氣進入機內，引起絕緣性能下降、風道堵塞等弊病。如圖所示為一機內通風系統的示意圖。冷卻系統(2)機內通風情況示意圖

1一進風區2一出風區3一繞組端接4一風扇5一轉子6—定子鐵心7一端蓋空冷方式結構簡單，運行維護都方便。但空氣的傳熱系數相對較小，冷卻效果不理想。此外，加大通風量來提高散熱作用，又會增大轉子風扇的鼓風損耗和空氣和轉子間的風摩擦損耗。因此，空冷汽輪發電機的容景最大不超過50MW。冷卻系統(3)(2)氫氣冷卻以氫氣代替空氣作為冷卻介質。其系統基本與空冷相同，但氫氣的導熱系數比空氣大6～7倍。用同樣體積氫氣和空氣，前者可帶走的熱量遠大于后者。氫氣比重較空氣輕十多倍，又可以大大減少通風和風摩擦損耗。此外，氫冷可防止絕緣材料氧化；氫氣不助燃，當機內發生短路故障時，不會引起火災。采取氫冷必須保持機內為正壓力，機內氫氣表壓力應為1.05×106Pa，以防止空氣滲入機內。因為氫氣和空氣混合是危險的，達到一定比例時可能發生爆炸。氫冷汽輪發電機容量可達50～150MW左右。(3)內冷上述為表面冷卻，而內冷是使冷卻介質直接接觸繞組導體，使導體的熱量不用再穿過絕緣層，就直接被介質帶走。這就大大提高了冷卻效果，改善了電機中最怕高溫的絕緣材料的工作條件。內冷的冷卻介質可以是氫氣，亦可以是水。現有電機所應用的冷卻介質中，以水的冷卻能力最強，約為空氣的50倍。內冷用氫氣作為介質時，可在繞組導體間夾置幾個內部通氫氣的管子。轉子氫內冷時，轉子繞組和槽楔上鉆有與槽底通風槽相通的小孔，氫氣自槽底通風槽進入，冷卻轉子導體后再由小孔徑向流入空氣隙。氫氣的流動性好，容易吹過細孔是其一大優點。當內冷用水作介質時，繞組采用空心導體，冷卻水沿著導體內孔流通，直接將導體熱量帶走。冷卻系統(4)定子繞組是靜止的，所以冷卻水系統比較簡單。繞組是帶電體，冷卻水必須通過一段絕緣水管才能引到繞組導體孔中去。下圖表示定子冷卻水進出的示意圖，冷卻水進入環形總進水管，經過絕緣水管和水電接頭分配到管形導體中去。流過繞組，冷卻水變熱后，同樣須經過水電接頭，絕緣水管匯集到環形總出水管，再從機內排出到機外冷卻器中，冷卻后再重復利用。冷卻系統(5)水內冷進出水原理圖及水電接頭圖

a）單邊進出水b）雙邊進出水c）二種水電接頭

1一空心導體2一水電接頭3一絕緣水管4一總出水管5一總進水管轉子繞組隨著轉子高速旋轉，它用水內冷就比較復雜。常用的進出水結構為中心孔進水、表面出水的方式。冷卻水經外部管道通過轉軸中心孔進入位于轉子上的環狀進水箱。冷卻水經水箱軸向孔洞、絕緣水管分配到轉子繞組的空心導體。冷卻導體后，冷卻水經同樣的絕緣水管進入出水箱，最后由離心力作用由水箱輻向孔匯集到出水支座排出機外。圖轉子進水結構的示意圖。轉子進水裝置1一轉子線圈2一護環3一中心環4一絕緣水管和進水管接頭5一木墊塊6—進水箱7—絕緣引水管8一轉軸9一小護環冷卻系統(6)定子鐵心如要采用水內冷，則可在鐵心疊片間設置幾處冷卻水管通以冷卻水以降低鐵心溫升。對冷卻水的水質有一定要求，一般未經處理的水，電導率較大含有雜質，不能作冷卻水用，否則將引起導體電解腐蝕；堵塞導體內孔，引起局部過熱等嚴重問題。在火電廠中汽輪機的凝結水水質較好，一般就用它作冷卻水。定、轉子均采用水內冷，稱為“雙水內汽”也稱為“水、水、空”冷卻方式，這種方式是我國于1958年首先研制成功的，其容量已制成125MW，200MW，300MW。有時為了避免轉子水內冷結構的復雜性，也采用定子繞組水內冷、轉子繞組氫內冷、機內用氫氣作介質進行表面冷卻的方式，稱為“水、氫、氫”冷卻方式，其容量可達300MW、600MW。水輪發電機由于直徑大，軸向長度短，冷卻條件較好，大都采用空氣表面冷卻方式。冷卻系統(7)定子水路

用冷凝水通入導線的內孔直接冷卻導線，較之空氣或氫氣冷卻的效果要好的多，導線的電流密度可大為提高。例如50MW空氣冷卻的汽輪發電機與100MW雙水內冷的汽輪發電機所用材料相近。轉子風斗第三節同步發電機的銘牌數據

在同步發電機的醒目部位裝有銘牌。電機的額定值標在銘牌上，主要有如下幾種。1.額定容量SN或額定功率PN

額定容量SN是指發電機在額定運行時出線端的額定視在功率，一般用kW（kVA）或MW（MVA）為單位；而額定功率PN是指發電機在額定運行時輸出的額定有功功率，一般用kW或MW為單位。對于同步調相機，則用出線端的額定無功功率來表示其容量，以kW（kvar）或MW（Mvar）為單位。2.額定電流IN

額定電流IN是指發電機在額定運行時流過三相定子繞組的線電流，單位為A或kA。3.額定電壓UN

額定電壓UN是指發電機在額定運行時三相定子繞組的線電壓，單位為V或kV。一、額定值4.額定功率因數cosψN

額定功率因數cosψN是指發電機在額定運行時的功率因數，即額定有功功率與額定視在功率之比，cosψN=PN/SN。電機銘牌上通常標有PN和cosψN或SN和cosψN。5.額定效率ηN額定效率ηN是指發電機額定運行時的效率。同步發電機額定值之間關系為：

銘牌上還標明同步發電機的型號和類型，下面介紹幾種同步發電機的型號。二、型號和類型1.氫冷汽輪發電機2.空冷水輪發電機例1：一臺汽輪發電機的型號為QFSN-300-2QF——汽輪發電機；SN——水內冷，表示發電機的冷卻方式為水氫氫；300——發電機輸出的額定有功功率，單位為MW；2——發電機的磁極個數。T——同步；S——水輪發電機，900定子鐵心外徑，單位為cm；135——定子鐵心長度，單位為cm；56——磁極個數。例2：一臺水輪發電機的型號為:TS—900/135—56例3:東方電機廠的QFSN-300-2型電機PN=300MW，UN=20kV，IN=10190A，cosφN=0.85，nN=3000r/min，fN=50HZ。3.同步電機的分類①按運行方式和功轉換方向：同步發電機同步電動機同步調相機②按結構分 旋轉磁極式旋轉電樞式(小容量)③按磁極的形狀分： 隱極機凸極機④按原動機的類別分：汽輪發電機水輪發電機柴油發電機燃汽輪發電機風力發電機汽輪發電機——轉速高、離心力大(p=1,p=2)——隱極式水輪發電機——轉速低、極數多——凸極式同步發電機的基本知識及結構思考題1、同步電機同所有旋轉電機一樣，其運行是可逆的，它即可作

，又可作

，還可作

，答:發電機運行

電動機運行

調相機運行2、同步發電機三相電動勢的相序由

決定，當磁極對數一定時，其感應電動勢的頻率由

決定。答:轉子的轉向

轉子轉速3、同步發電機主磁極的極對數一定時，其

與

之間有著嚴格不變的關系。答:感應電動勢的頻率

電機的轉速4、一臺同步發電機的電動勢頻率為50Hz，轉速為600r/min，其極對數為

。

（A）

2；

（B）

5；（C）

10；（D）

20；答:（B）5、同步發電機定子旋轉磁場具有的特點為

。（A）其磁極數和轉速與轉子同，但轉向不同；（B）其磁極數和轉向與轉子同，但轉速不同；（C）其轉速和轉向與轉子同，而磁極對數也同。答:（C）6、什么叫同步電機？它的頻率、極數和同步速之間有什么關系？答：同步電機是指轉子的轉速與定子旋轉磁場轉速相同的電機，即滿足以下關系

。7、如果將同步發電機的電樞置于轉子,而磁極固定不動,在原理上是否可以,為什么?答:從原理上可以,因為

=

。

由電磁感應原理知,只有電樞置于與磁極之間有相對運動(導體切割磁力線)便可在繞組(導體)中感應電動勢,它與電樞置于定子還是轉子和磁極置于轉子還是定子無關。一般大容量同步發電機均做成旋轉磁極式的，既把電樞置于定子，這便于電樞繞組引出高壓電壓大電流即大功率。8、如果將勵磁繞組所連接的集電環極性互換，即將原來接直電流的正極該為負極，是否會影響定子三相交流電動勢的相序？答:三相交流電動勢的相序由轉子轉向決定（與相序一致），而與其他因素無關，故集電環極性互換，不影響三相電動勢相序。思考題為什么同步電機不能有任意的轉速？如何從外形上區分汽輪發電機和水輪發電機？定子電樞繞組安排的基本要求——各相繞組感應電勢對稱。同步發電機的基本工作原理和結構小結(1)同步發電機是根據電磁感應定律這一基本原理工作的，在電力系統運行的同步發動機的轉速n和電力系統頻率f之間有嚴格不變的關系，即當電力系統頻率f一定時，同步發電機的轉速n=60f/p為一恒值。同步發動機的轉速n與極對數p成反比，這是引起水輪發動機和汽輪發動機極對數差異的根源。(2)同步發電機的發展方向是：單機容量不斷增大，冷卻方式、冷卻介質和電機所用材料也不斷得到改善。(3)凸極同步發電機與隱極同步發電機，由于原動機的轉數不同，極數差異也較大，因而結構上有各自的特點，如凸極同步發電機D/L值較大，隱極同步發電機D/L值較小。作業布置教材P162:

第一題、第二題、第三題發電機在運行過程中，由于外界、內部及誤操作原因，可能引起發電機各種故障或不正常狀態，常見的故障有以下幾種:(1)定子故障:繞組相間短路、匝間短路、單相接地等。

(2)轉子繞組故障:轉子兩點接地、轉子失去勵磁功能等。(3)異常故障（指發電機發生失磁、過電壓、過勵磁、過負荷、失步、頻率變化等事故中的任何一種造成保護裝置動作跳閘的故障）。(4)外部故障（指外部單相接地、兩相接地、兩相短路、三相短路、接地等故障）。注：外部故障范圍：指差動保護范圍內、發電機變壓器組差動保護范圍內的斷路器、電流互感器、電壓互感器、隔離開關、外部引線（封閉母線）等。其他方面的故障:發電機著火、發電機變成電動機運行、發電機漏水漏氫、發電機發生振蕩或失去同期、發電機非同期并列等。這些故障的發生導致發電機退出系統，更甚者燒毀某些設備，所以在日常運行維護時要特別小心，以免事故發生。第三講：發電機事故類型及故障處理理論故障現實運行中出現的問題

近年來我國電力工業發展非常迅速,一些在老電廠已基本解決了的問題,在新廠中卻頻繁迭出;一些故障修復后不久又再次發生;分析歷年的發電機事故示例,同一臺機不同時間、同樣事故的情況時有出現。上述現象說明在第一次分析故障原因時不徹底不完全,只解決了表面問題,沒有找到故障形成的關鍵因素?？梢?系統地研究發電機故障分析方法對保證機組安全運行、減少資源重復浪費是非常必要的。說明發電機組和輔助系統檢修存在問題發電機組和輔助系統檢修的傳統方法是采用定期檢查、維修的方式。雖然對降低設備故障率、保證系統的安全運行有一定作用,但因維修存在一定的盲目性而造成很大的浪費。盲目的根本原因:一是缺乏良好的工況監視,二是缺乏對設備進行系統而有效的診斷技術。鑒于此,國內的大部分電力公司和電廠正逐步由采用傳統的預防性維修過渡到狀態檢修,然收效不大。第三講：發電機的故障原因及事故處理第三講：發電機的故障原因及事故處理為了使我們對發電機的診斷系統化、科學化,彌補在線監測判據的不足。眾所周知,發電機系統是一個非常重要而復雜的系統。為了確保該系統的安全、穩定、經濟運行,世界各國都在積極開展發電機在線監測的研究。如發電機局部放電在線監測,發電機漏水在線監測,發電機過熱在線監測等等。研究故障分析的主要目的這些監測方法的研究雖取得了一定的成果,但至今仍未形成有效的診斷判據。其原因約有以下幾個方面。

發電機故障的復雜性發電機是一個復雜的系統。一些發電機的故障或故障趨勢是不可能簡單用盤表或監測儀器是否指示正常來反映,還需要專家的綜合分析。例如,發電機水冷系統滲水、漏水對水冷發電機的影響是非常大的,而現有監視儀表和監測裝置還不能完全檢測出這種狀況,不能判斷出是否真需要立即停機。解決這一問題需綜合經驗和知識,需靠專家通過分析水中含氫量的變化情況以及氫中含水量的變化與運行工況之間的關系才能有效解決。第三講：發電機的故障原因及事故處理2發電機故障分析第三講：發電機的故障原因及事故處理主要部件所用材料故障模式故障機理1轉子端部線圈冷拉銅錢或銅銀合金直流電阻大2發電機過熱匝間短路導線接觸不良;3通風不良;轉子水冷機組水流不暢;4制造工藝不良;負荷變化大;5頻繁啟動;有異物轉子槽部線圈同上過熱匝間短路6風道堵塞;銅導線毛刺刺破絕緣;銅線與匝間絕緣的7熱膨脹系數不同,無滑移層頻繁啟動造成故障轉子槽楔銅、鋁合金負序電流灼傷槽楔的搭接部位接觸不良,負序電流流經轉子本體表面轉子絕緣環氧玻璃絲層壓板接88地匝間短路轉子繞組對地絕緣或匝間絕緣損壞發電機轉子護環Mn、Cr合金護環表面出現裂紋、搭接面燒傷，機內濕度大及應力腐蝕,負序電流流經搭接面護環下扇形瓦環氧樹脂絕緣材料扇形瓦燒損兩層扇形瓦的接縫處重疊,扇形瓦下有異物,磨損導電螺釘硅銅漏氫或者漏水。9過熱燒損接地密封墊老化;檢修工藝不良;接觸不良;氫氣濕度大,在導電螺釘處積水,或密封墊絕緣損壞形成放電通路。第三講：發電機的故障原因及事故處理2發電機故障分析10(水冷)轉子內冷水流不暢造成轉子絕緣過熱,導致接地或匝間短路;11轉子槽內主絕緣有缺陷;12油污在護環下或槽口形成短路橋;13設計不當,通風不良,端部線圈變形;14層間墊條位移堵塞風道;15使用銅材料不當,經不住熱變形;16轉子風道堵塞,絕緣過熱;17轉子頻繁啟動,導線和絕緣的膨脹程度不在槽口造成匝間短路或接地,或在端部線圈之間短路或接地;18有異物磨損絕緣形成接地或短路(槽內或護環下面);19護環下絕緣扇形瓦有缺陷;20頻繁啟動使線匝疲勞斷裂,線圈過熱,燒損絕緣;21銅導線上有毛刺,刺破絕緣形成短路或接地;22因碳粉油污堆積,集電環接地;23勵磁回路故障(主要是指機外勵磁系統)2發電機故障分析第三講：發電機的故障原因及事故處理2發電機故障分析第三講：發電機的故障原因及事故處理

事故處理案例1

一起負序電流引起的發電機故障處理1．故障經過一臺3MW全冷凝式余熱汽輪發電機組(發電機電壓等級為6kV)在一次上級35kV變配電站外部架空供電線路斷線故障后，相間電壓降到5.5kV以下，Ubc和Uac較Uab更低，三相電流出現明顯不平衡，電壓和電流不停波動。通過調整不起作用。隨后發現，發電機軸承壓蓋上的油氣孔有油煙冒出，發電機周圍有燒焦氣味，立即實施破真空緊急停機，線路故障期間，機組并網運行時間約為13s。汽輪機惰走期間，機組轉速在2000～1200dmin曾出現一段較強振動，表明發電機轉子在轉子平衡或機械傳動方面出現問題。檢查發現發電機前后軸瓦的瓦面已燒傷和拖傷，發電機支撐軸頸表面出現劃傷痕跡。更換軸瓦并用百分表測量轉子中心軸A點的瓢偏度為0.06mm，大于標準值，判定轉子中心軸已出現一定變形彎曲。對發電機轉子進行抽芯檢查，發現發電機轉子兩端的護環(靠轉子接線端)表面有分散的因高溫.第三講：發電機的故障原因及事故處理3事故處理案例一起負序電流引起的發電機故障處理

故障分析電力系統發生三相不對稱短路或負荷三相不對稱時，在發電機定子繞組中就流過負序電流，負序電流感應出的倍頻電流會造成轉子端部、護環、槽鍥等部位局部灼傷，損壞發電機。綜合分析、判斷發電機燒傷原因是受外線斷線故障影響，出現三相負荷嚴重不對稱運行，導致負序電流產生并過負荷，在此狀態下，機組運行時間長達13s左右，最終造成發電機轉子燒傷第三講：發電機的故障原因及事故處理

事故處理案例1一起負序電流引起的發電機故障處理

故障分析電力系統發生三相不對稱短路或負荷三相不對稱時，在發電機定子繞組中就流過負序電流，負序電流感應出的倍頻電流會造成轉子端部、護環、槽鍥等部位局部灼傷，損壞發電機。綜合分析、判斷發電機燒傷原因是受外線斷線故障影響，出現三相負荷嚴重不對稱運行，導致負序電流產生并過負荷，在此狀態下，機組運行時間長達13s左右，最終造成發電機轉子燒傷第三講：發電機的故障原因及事故處理3事故處理案例一起負序電流引起的發電機故障處理

處理措施(1)修復發電機轉子。重新焊接繞組兩端接線，包扎絕緣。處理轉子中心軸偏離時，首先進行中心再定位，再加工前支撐軸面的軸頸(軸徑最終尺寸比原直徑減小lmm)。對發電機聯軸器的端面和外圓進行適當車加工，以滿足聯軸器中心對接安裝的要求。該發電機轉子最終通過了動平衡等各項試驗測試。第三講：發電機的故障原因及事故處理事故處理案例2韶關電廠一起直流勵磁機換向火花形成的原因分析及處理過程1．故障經過韶關電廠#4發電機直流勵磁機（型號：ZL-170，功率：170KW，電流：530A，激磁方式：自并激）運行中電刷和換向器之間出現換向火花，電刷滑入邊火舌拖出較長，并伴有火星飛越現象，運行人員采用更換過短電刷，調整彈簧壓力等方法進行處理，但火花程度并未見減輕，被迫將#4電機勵磁系統轉由備用勵磁機運行，后經多次分析、試驗、處理，才使問題得到了徹底解決。事故分析：發電機直流電機換向不好，在電刷和換向器之間引起火花，火花超過一定限度，將加速電刷和換向片的損壞，影響電機的正常工作。第三講：發電機的故障原因及事故處理

事故處理案例2直流電機換向火花形成的原因：直流電機運行時電刷和換向片間引起火花是換向不良的外征表象，引起火花的原因很多，大致可以分為電磁方面、機械方面、電化學方面三類原因。（1）.電磁原因：這是引起火花的重要原因，由于換向不良引起局部電刷電流密度過大，發生過熱現象，并引起火花，前已述及，延遲換向或超越換向均會產生火花。（2）.機械原因：當電機換向片偏心，某些換向片間的絕緣突出，電刷上的壓力不適當，電刷與換向器接觸不良而產生火花，各個刷握在換向器上分布不均都可能產生換向火花。（3）.電化學原因：電機正常工作時，由于電刷和換向器表面的水汽和氧在電流作用下電解在換向器表面形成一層氧化亞銅薄膜，這層薄膜的電阻很大，可以抑制換向電流，有利于換向，如電刷壓力過大，周圍缺乏水汽和氧都會使換向器表面的氧化膜遭到破壞或不能形成，就容易產生火花。韶關電廠一起直流勵磁機換向火花形成的原因分析及處理過程第三講：發電機的故障原因及事故處理

事故處理案例2區分直流勵磁機換向火花產生的原因前已提及，引起直流電機換向不良的原因是多方面的，但不同換向不良的因素卻在電機運行時表現出同相的故障征象，所以直流電機換向火花的處理是一項很復雜的工作，如果不首先找出換向火花形成的主要原因，不找出故障問題之所在，各種原因混淆不清，就會浪費時間和人力，不能使故障得到及時排除。首先對#4發電機直流勵磁機換向器表面進行了仔細檢查，換向器表面沒有生成條痕燒痕和槽痕，表面氧化膜呈灰色，色調均勻，這說明換向器表面狀態是正常的，因此就排除了電化學原因產生換向火花。由于火花產生的電磁原因中電抗電勢er與換向電勢ek起決定作用，而er主要跟電機主極磁場、電樞繞組的制造尺寸和電機轉速有關，而ek主要跟電機的換向極磁通有關，以上各量一般情況下是固定不變的，因此由電磁原因引起的換向火花當電機的工作條件和負載條件改變時，火花的大小和亮度也隨著有明顯的改變，而由機械原因引起的換向火花在電機工作狀態和負載條件改變時，火花反應不敏感。根據以上分析，即可區分#4發電機直流勵磁機是由電磁原因還是由機械原因造成的換向火花。當#4發電機直流勵磁機帶一定負載工作時，我們對負載電流在允許范圍內進行了大幅度的增加和減少的調整，并同時觀察換向火花的變化情況，結果是火花基本保持原樣不變，并具有一定的穩定性，由此可判斷換向火花是由機械性原因引起的。韶關電廠#4發電機直流勵磁機換向火花形成的原因分析及處理過程第三講：發電機的故障原因及事故處理

事故處理案例2換向火花的處理過程①#4發電機組第一次停運時的檢查處理工作a.更換全部刷握。檢查發現部分刷握有生銹及飛弧引起的損壞現象，壓力彈簧也有部分變形，導致了施加于電刷上的壓力下降或加壓不均，影響了電刷與換向器的滑動接觸，因此對全部刷握進行了更換。b.更換全部電刷。選用比電阻較大的電刷，可以增加換向回路的總電阻，從而改善換向性能，因此將全部電刷由D172型更換為比電阻較大的D202型石墨電刷。c.等分調整電刷刷距。用軟皮尺沿換向器表面對刷距重新進行測量等分，并根據測量結果對四組電刷刷桿進行仔細調整，使各組電刷等距分布。韶關電廠#4發電機直流勵磁機換向火花形成的原因分析及處理過程第三講：發電機的故障原因及事故處理

事故處理案例2換向火花的處理過程d.確定電刷幾何中性線位置。確定電刷幾何中性線位置方法如圖5所示。圖5確定電刷幾何中性線提起全部電刷，并把刷架附近的換向片標上記號，并在電機主極上加一勵磁電源，用一開關瞬時合上和切斷勵磁電源，同時用毫伏表依次測量相隔一個極距的兩換向片，當毫伏表讀數為最小時，這一位置即為電刷中性線位置，并將四組電刷順電機轉向整體調整至已確定的電刷中性線位置。韶關電廠#4發電機直流勵磁機換向火花形成的原因分析及處理過程經上述處理后，#4發電機開機時直流勵磁機空載和正常負載時電刷均未出現火花，負載時對電流進行大幅調整，也未出現火花。故障處理完畢電廠電氣系統控制系統（ECS）第7講發電廠電氣自動化構成發電廠電氣自動化系統或產品可以分成以下幾個主要部分：

1發變組保護：含發電機保護、變壓器（含主變、高廠變、高備變）保護，在大中型機組中，通常以發電機－變壓器組保護或發電機－變壓器－線路組保護的形式出現。

2發電機勵磁調節系統（AVR）：含勵磁調節裝置、功率單元、機端變等.

3發電廠升壓站網絡監控系統（NCS）：含高壓線路保護、母線保護、低壓線路保護測控裝置、后臺監控系統、“五防”、RTU等。

4發電廠廠用電氣自動化系統（ECS）：含廠用中壓6KV/10KV和低壓400V系統的保護測控裝置、安全自動裝置、網絡通信及后臺監控應用系統。電廠電氣系統控制系統（ECS）ECS的概念：電氣監控管理系統（ElectricControlSystem），是將原來的DCS系統中的電氣部分獨立出來進行專業管理，實現廠用電中低壓電氣系統的保護、測量、控制、分析等綜合功能。協調發電廠熱控與電氣自動化的同步發展，全面提高發電廠的自動化水平和廠用控制管理水平，保證發電廠運行的安全性和可靠性，增強發電廠在當前電力市場經濟運行的優勢和競爭能力。作為DCS的一個子集，為SIS（廠級監控系統）和MIS（電廠管理信息系統）提供更為豐富的信息。ECS是應電力系統自動化水平的進一步提高而提出的。

ECS是發電廠自動化領域近年來興起的一個新的熱點。發電廠分散控制系統（DCS）側重于熱工系統的監控，ECS側重于發電廠電氣系統的監控；與發電廠網絡監控系統（NCS）側重于發電廠接入電網部分的電氣監控相對比，ECS側重于發電廠內部，實現廠用電中低壓電氣系統的保護、測量、計量、控制、分析等綜合功能。。與DCSNCS的差別電廠電氣系統控制系統（ECS）發展的趨勢傳統DCS技術應用于廠用電氣自動化系統時，存在著以下的障礙：

①

在電氣自動化系統中，電氣系統的電流電壓等早已實現了直接交流采樣，精度高、速度快、數字化；而DCS對電壓電流等需要通過變送器轉換后接入DCS，二次接線復雜，造價高，抗干擾性能差；

②

電氣暫態過程快，繼電保護、廠用電快速切換等通常要求處理的時間為毫秒級，而DCS的反應時間通常為秒級。

③

DCS是論“點”收費的，對一個信息“點”，如溫度、壓力或電流量，一方面需要提供一路專用電纜芯，上萬個點就要上萬路芯線，既耗費大量控制電纜，又浪費大量空間、施工時間；另一方面，在DCS設備中，設備卡件也是按“點”收費。而電氣自動化系統中，一根通信電纜可以傳送成百上千個“點”。