发电机及主保护简介

发电机及主保护简介发电机是汽轮发电机组三大重要组成部分之一。一、发电机工作原理：在定子铁芯槽内沿定子铁芯内圆，每相隔120º分别安放着放有A、B、C三相并且线圈匝数相等的线圈，转子上有励磁绕组（也称转子绕组）R-L。通过电刷和滑环的滑动接触，将励磁系统产生的直流电引入转子励磁绕组，产生稳恒的磁场。当发电机转子被汽轮机转子带动以n1(3000转每分钟)速旋转时，定子绕组（也称电枢绕组）不断地切割磁力线，在定子线圈中产生感应电动势（感应电压），发电机和外面线路上的负载连接后输出电压。二、发动机的结构组成：发电机通常由定子、转子、端盖及轴承等部件构成。发电机定子的组成：发电机定子主要由机座、定子铁芯、定子绕组、端盖等部分组成。1）机座与端盖：机座是用钢板焊成的壳体结构，它的作用主要是支持和固定定子铁芯和定子绕组。此外，机座可以防止氢气泄漏和承受住氢气的爆炸力。在机壳和定子铁芯之间的空间是发电机通风（氢气）系统的一部分。由于发电机定子采用径向通风，将机壳和铁芯背部之间的空间沿轴向分隔成若干段，每段形成一个环形小风室，各小风室相互交替分为进风区和出风区。这些小室用管子相互连通，并能交替进行通风。氢气交替地通过铁芯的外侧和内侧，再集中起来通过冷却器，从而有效地防止热应力和局部过热。端盖是发电机密封的一个组成部分，为了安装、检修、拆装方便，端盖由水平分开的上、下两半构成，并设有端盖轴承。在端盖的合缝面上还设有密封沟，沟内充以密封胶以保证良好的气密。2）定子铁芯：定子铁芯是构成发电机磁路和固定定子绕组的重要部件。为了减少铁芯的磁滞和涡流损耗，定子铁芯采用导磁率高、损耗小、厚度为0.5mm的优质冷轧硅钢片冲制而成。每层硅钢片由数张扇形片组成一个圆形，每张扇形片都涂了耐高温的无机绝缘漆。冲片上冲有嵌放线圈的下线槽及放置槽楔用的鸽尾槽。扇形冲片利用定子定位筋定位，通过球墨铸铁压圈施压，夹紧成一个刚性圆柱形铁芯，用定位筋固定在内机座上。齿部是通过压圈内侧的非磁性压指来压紧。边段铁芯涂有粘接漆，在铁芯装压后加热，使其粘接成一个牢固的整体，进一步提高铁芯的刚度。3）定子绕组：定子绕组是由嵌入铁芯槽内的绝缘线棒在端部联结成的线圈，绕组端部为篮式结构，并且由引线环连接成固定的相带。采用连续式F级环氧粉云母绝缘系统，表面有防晕处理措施。轴向可沿支架滑销方向自由移动，减少由于负荷或工况变化而在定子绕组和支撑系统中引起的应力，满足机组调峰运行的要求。在负载运行条件下，定子绕组会产生自感应涡流损耗，为减少这种损耗，定子线棒采用了罗贝尔换位形式。所谓换位，就是在线棒编织时，让每根线棒沿轴向长度，分别处于槽内不同高度的位置，这样每根线棒的漏电抗相等，使每根导体内电流均匀，减少直线及端部的横向漏磁通在各股导体内产生的环流及附加损耗。定子线棒由矩形的空心和实心股线混合编织而成，定子绕组就是通过空心股线中的水介质来冷却的。定子线棒端部的所有股线均焊接到水电接头上，通过铜带将两根线棒水电接头焊在一起形成电气连接，构成一匝线圈；而所有空心股线中的冷却水通过水电接头的水路接至靠滑环端的汇流母管，并经绝缘引水管进入线圈。在发电机的集电环端设有一条进水母管；在汽机端部设有一条出水母管。冷却水流通道为单向型，即从集电环端流向汽机端。发电机转子：1）转子本体：发电机转子是由一根整体合金钢锻件加工而成，在转子本体上径向地开有许多纵向槽用于安装转子绕组，作为磁路。转子绕组在槽内由铝合金和钢槽楔紧固以抵御转子旋转所产生的离心力。这种磁性和非磁性两种槽楔的应用能够保证合理的分布磁通。这些槽楔均楔入了转子槽口处的鸽尾槽内。转子大齿上加工横向槽（即月牙槽），用于均衡大、小齿方向的刚度，以避免由于它们之间的较大差异而产生倍频振动。2）转子绕组：转子绕组由高强度含银铜线制成，具有较高的抗蠕变能力，从而提高了发电机承担调峰负荷的能力。为防止由于离心力的作用，对转子绕组端部产生破坏，转子线圈放入槽内后，槽口用铝合金槽楔和钢槽楔固紧，以抵御转子高速旋转产生的离心力。非磁性槽楔和磁性槽楔的应用，保证了合理的磁通分布。采用了高强度、非磁性合金钢锻件加工而成的护环，热套在转子本体两端，采用悬挂式嵌装，一端与转子本体热套配合，另一端为悬挂式。转子绕组与护环之间采用模压的绝缘环绝缘。为了隔开和支撑端部线圈，限制它们之间由于温差和离心力引起的位移，端部绕组间隔块放置了模压的环氧玻璃布绝缘块。转子槽衬用含云母、玻璃纤维等材料的复合绝缘压制而成，具有良好的绝缘性能和机械性能。槽衬内表面和端部护环绝缘内表面涂有低摩檫系数的干性滑移剂，使转子铜线在负荷及工况变化引起热胀冷缩时可沿轴向自由收缩，以满足发电机调峰运行的要求。3）转子引线和集电环：通过转子引线与集电环以及电刷装置，可以给发电机提供额定出力及强励时所需的励磁电流。转子电流通过电刷通入热套在转子外伸端的集电环，再通过与集电环相联接的径向和轴向导电螺杆传到转子绕组。导电螺杆用高强度和高导电率的铜合金制成。导电螺杆与转轴之间有密封结构以防漏氢。集电环用耐磨合金钢制成，是一对带沟槽的钢环，经绝缘后热套在转子轴上的。在集电环与转轴之间设有绝缘套筒。集电环上加工有轴向和径向通风孔。表面的螺旋沟可以改善电刷与集电环的接触状况，使电刷之间的电流分配均匀。两集电环间设有同轴离心式风扇以冷却集电环和电刷。4）护环、中心环、阻尼环：因为转子旋转时，转子线圈端部受到很大的离心力的作用，为了防止对转子线圈端部的破坏，采用了非磁性、高强度合金钢锻件加工而成的护环来保护转子线圈端部。护环分别装配在转子本体两端，与本体端热套配合，另一端热套在悬挂的中心环上。转子线圈与护环之间采用模压的绝缘环绝缘。为了隔开和支撑端部线圈，限制它们之间由于温差和离心力引起的位移，端部线圈间放置了模压的环氧玻璃布绝缘块。中心环对护环起着与转轴同心的作用，当转子旋转时，轴的挠度不会使护环受到交变应力作用而损伤。中心环还有防止转子线圈端部轴向位移的作用。为减少由于不平衡负荷产生的负序电流在转子上引起的发热，提高发电机承受不平衡负荷（负序电流和异步运行）的能力，采用了半阻尼绕组，在转子本体两端（护环下）设有阻尼绕组。该半阻尼绕组只在转子两端装梳齿状的用紫铜板制成的阻尼环，其梳齿伸进每个槽及大齿上阻尼槽的槽楔下，由槽楔压紧。阻尼电流通路是由护环、槽楔、阻尼铜条形成的阻尼系统。5）碳刷：碳刷是将励磁电流投入高速旋转的转子绕组的关键部件。为了能在发电机运行时安全、迅速地更换电刷，采用了盒式刷握结构。每次可换一组（4个）电刷。通入转子励磁电流的电刷是由天然石磨材料粘结制成。碳刷具有低的摩擦系数和自润滑作用。每个碳刷带有两柔性的铜引线（即刷辫）。采用恒压式弹簧径向地装在刷盒上，从而在电刷长度达到磨损极限之前没必要调整弹簧压力。弹簧的压力施加在碳刷中心线上，弹簧是一种螺旋式的，压力是恒定的。刷架采用左右分瓣把合结构，由导电环、刷座及风罩等部件组成，对地绝缘。电刷的更换：正常操作条件下，电刷磨损量在1000小时时为10－15mm，当电刷长度达到接近磨损极限时，电刷软导线处于几乎完全伸长的状态。因此，电刷运行一段时间应经常检查，密切注意，当发现电刷过短时应及时进行更换。发电机通风系统：高速汽轮发电机为了减少因离心力而产生的机械应力以及降低风摩耗，转子直径一般做得比较小，长度比较大，即采用细长的转子。特别是在3000转／分以上的大容量高速机组，由于材料强度的关系，转子直径受到严格的限制，一般不能超过1.2米。而转子本体的长度又受到临界速度的限制。当本体长度达到直径的6倍以上时,转子的第二临界速度将接近于电机的运转速度，运行中可能发生较大的振动。所以大型高速汽轮发电机转子的尺寸受到严格的限制。10万千瓦左右的空冷电机其转子尺寸已达到上述的极限尺寸,要再增大电机容量,只有靠增加电机的电磁负荷来实现。为此必须加强电机的冷却。所以5～10万千瓦以上的汽轮发电机都采用了冷却效果较好的氢冷或水冷技术。发电机以氢气作为主要冷却介质，采用径向多流式密闭循环通风方式运行，定子绕组采用单独的水冷却系统，而氢气冷却系统，包括风扇盒氢气冷却器完整地放置于发电机内部。1）定子通风系统：发电机定子铁芯沿轴向分为13个风区，6个进风区和7个出风区相间布置。装在转子上的两个轴流风扇（汽、励侧各一）将风分别鼓入气隙和铁芯背部，进入背部的气流沿铁芯径向风道冷却进风区铁芯后进入气隙；少部分风进入转子槽内风道，冷却转子绕组；其它大部分再折回铁芯，冷却出风区的铁芯，最后从机座风道进入冷却器；被冷却器冷却后的氢气进入风扇前再循环。这种交替进出的径向多流通风保证了发电机铁芯和绕组的均匀冷却，减少了结构件热应力和局部过热。为了防止风路的短路，常在定、转子之间气隙中冷热风区间的定子铁芯上加装气隙隔环，以避免由转子抛出的热风吸入转子再循环。2）转子通风系统：转子本体段的导体冷却采用的是“气隙取气”系统：在转子线棒凿了两排不同方向的斜流孔至槽底，于是，沿转子本体轴向就形成了若干个平行的斜流通道。通过这些通道，氢气交替的进入和流出转子绕组进风口的风斗，迫使冷却氢气与转子转速相匹配的速度通过斜流通道到达导体槽的底部，然后拐向另一侧同样沿斜流通道流出导体。从每个进风口鼓进的冷风是分成两条斜流通道向两个方向流进导体，同样，有两条出风通道汇流在一起从出风口流出进入气隙。3）氢气冷却器：为减少氢冷发电机的通风阻力和缩短风道，氢气冷却器安放在机座内的矩形框内。冷却器为四组，立放在发电机机座的四角。冷却器和机座间的密封垫结构既可以密封氢气，又可以在冷却器因温度变化胀缩时起到补偿作用，从而始终起到良好的密封作用。氢气冷却器的水箱结构保证了发电机在充氢的状态下，可以打开水箱清洗冷却水管，当冷却器水管从外部水管拆开后，氢气冷却器可以从发电机中抽出。图2－1发电机结构原理图图2－2发电机剖视图三、发电机的型号说明：QFSN-660-2-22BQ－汽轮机拖动F－发电机S－定子绕组水冷N－转子绕组氢内冷660－额定功率2－两极22－定子额定电压22KV。水氢氢冷却方式：定子线圈（包括定子引线）直接水冷、转子线圈直接氢冷（气隙取气方式），定子铁心氢冷。发电机采用密闭循环通风冷却，机座内部的氢气由装于转子两端的轴流式风扇驱动。集电环和电刷空气冷却，两集电环间设有离心式风扇。轴承为强迫润滑（由汽机润滑油系统供油）。发电机配有氢油水控制系统，以提供和控制发电机冷却用氢气，密封油和定子线圈冷却用水。四、发电机的分类：1、按冷却方式分为：水冷，空冷(就是自然冷却)，氢冷，复合冷却(水空冷水氢冷)。2、按励磁方式分为：自励和他励两种。自励分自并励和自复励，他励分为直流发电机供电和交流励磁机（变压后）供电两种。3、按同异步分：同步，异步发电机。同步发电机是转子转速与定子旋转磁场的转速相同的交流发电机。转子转速与定子旋转磁场的转速不相同的交流发电机叫异步发电机，如风力发电机。4、按中性点接地方式分为：采用不接地、经消弧线圈接地、经电阻或直接接地三种方式。发电机一般都接成星形，主要有两点好处。一是可消除高次谐波的存在；二是如果接成三角形的话，当内部故障或绕组接错造成三相不对称，此时就会产生环流，将发电机损坏。这里主要讲高次谐波危害，高次谐波中最主要的成分是三次谐波，它是以为槽与槽之间磁场的间断分布产生的。基波的一个周期相当于三次谐波的三个周期，也就是说，基波的360о相当于三次波的3×360о，这样，由于基波各差120о相位，对于三次波来说是3×120о=360о，角度差360о就相当于没有相位差，它们是同相的，因此，如果发电机接成三角形的话，就会产生环流，而接成星形则可以相互抵消。（1）、发电机中性点不接地方式:当发电机单相接地时,接地点仅流过系统另两相与发电机有电气联系的电容电流,当这个电流较小时,故障点的电弧常能自动熄灭,故可大大提高供电的可靠性。它主要缺点是内部过电压对相电压倍数较高。（2）、发电机中性点经消弧线圈接地:当发电机电容电流较大时,一般采用中性点经消弧线圈接地,这主要考虑接地电流大到一定程度时接地点电弧不能