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第一篇 电气一次系统

第一章 发电机、励磁系统及其运行

第一节 汽轮发电机基本工作原理与结构
1.1 同步电机的基本特点
同步电机的基本特点：同步电机转子的转速恒等于定子旋转磁场的同步转速，它和电网频率之间严格遵守下式的关系；
（1-1-1）
――转子的转速（圈/分钟）；
——定子旋转磁场的转速；
——转子的极对数；
——频率；
同步电机即由此得名。我国工业频率规定为＝50Hz，而电机极对数户是整数，因
此，对某一台同步电机其转速总为一固定值，例如：二极同步电机的转速为3000r／min，四极同步电机的转速为1500r／min，依此类推。
同步电机主要用来作为产生三相交流电的发电机，现代工农业所用的交流电能几乎
全由同步电机供给，所以同步电机的作用和价值是极其重要的。
同步电机和其他所有电机一样，从原理上讲也是可逆的，它不仅可以作为发电机运行，也可以作为电动机运行。
同步电机的另一种特殊运行方式为同步调相机，或称同步补偿机，专门用来向电网发送
送滞后无功功率，以改善电网的功率因数。
1.2 同步电机的基本工作原理
同步电机主要分定子和转子两部分。一般同步电机的定子(又称电枢)与异步电机的定子相同，在定子铁心内腔均匀冲槽，槽中嵌放对称三相绕组。同步电机的转子结构与异步电机转子完全不同，如图1-1所示，图中定子只画出d相的两个等效集中绕组。转子为凸极式。

图1-1 同步电机结构原理图

同步电机的转子由铁心和励磁绕组构成．励磁绕组靠外接直流电源供给励磁电流。当励磁绕组中流过直流电流后，产生磁极磁场或称为励磁磁场，原动机拖动转子旋转时，主磁场同转子一起旋转，就得到一个机械旋转磁场，该磁场对定子发生相对运动，在定子绕组中感应出三相对称的交流电势。由于定子三相对称绕组在空间相差120电角度，因此三相电势也在时间上相差120电角度，分别用表示．则
（1-1-2）
——为定子绕组中最大电势；
如果同步发电机接上负载，就有三相电流流过，这时同步发电机将机械能转换为电
能。接入电网的同步发电机，在一定条件下也可作电动机运行，这时同步电动机便将电旋
转变为机械能。

1.3 同步电机的构造特点
现代同步电机绝大部分都是做成电枢固定而磁场旋转的，称为转场式，如有特殊要求
时，可作为转枢式，如交流励磁机。
在旋转磁极式的同步电机中，按磁极的形状又可分为隐极式和凸极式两种，如图1-2
所示。

图1-2 同步电机的基本型式
1一定子： 2一凸极转子， 3一隐极转子； 4一滑环

在固定的电源频率下，采用哪一种形式的转子和电机的转速有关。对于用汽轮机拖动
的同步发电机，由于汽轮机转速较高(如 ＝l，转子直径为1米时转子圆周的线速度就达到157m／sec)，要求有足够的机械强度，所以转子磁极宜作成隐极式，这种电机通常称为汽轮发电机。对于用水轮机拖动的发电机，由于水轮机转速较低，因而要求有较多的磁极，转子宜作成凸极式，凸极式的转子在结构和加工工艺上都比隐极式的简单，这种电机通常称为水轮发电机。
无论是汽轮发电机还是水轮发电机，它们都含有共同的三个部分，即：定子、转子和气
隙。依靠转子磁场旋转，在定于绕组中产生电磁感应，实现能量转换。
由于同步电机的励磁功率是由直流电源供给的，不像异步电机那样由电网供给无功励磁功率；同时为了满足同步电机运行性能的要求，电机应具有较大的气隙。按容量大小不同，气隙长度约在0.5～8cm范围内。而异步电机气隙较小，其长度很少有超过0.3cm
同步电机的定子铁心和绕组就其结构原理而言，与异步电机没有本质的区别，只是由于同步电机容量大，电压高，因而要求一些特殊的通风冷却和绝缘结构以及专门的加工工艺。
1.4汽轮发电机的特点
本教材主要介绍汽轮发电机的特点。
汽轮发电机是以汽轮机为原动机的同步发电机，其基本结构为隐极式。因为隐极式转子适合高速旋转，而提高转速可以提高发电机的组的效率、减小尺寸并降低造价，所以汽轮发电机大多都做成具有最高转速的两极结构。
汽轮发电机的主要结构部件有定子、转子、端盖和轴承等，简介如下：
1.定子
定子由铁心、绕组、机座以及若干紧固连接件构成。
定子铁心一般采用含硅量极高的无取向冷轧硅钢片分组叠压而成，整个铁心用拉紧螺杆和非导磁端压板压紧成整体后固定在机座上。
定子机座为钢板焊接结构，用于支撑定子铁心，并构成所需的通风路径，因此要求它由足够的刚度和强度。
定子绕组一般采用双层短距叠绕形式，由于绕组的电压都设计得很高，因此对绝缘材料和绝缘结构有特殊的要求，此外，为了限制电流密度，绕组导体得截面都比较大，但出于减少涡流损耗方面得考虑，每根导体由多股扁铜线并联而成，而且每股铜线在槽内的位置不固定，并且采用特殊的循环换位方式，使电流密度分布趋于平均。
2.转子
转子的主要部件有铁心、励磁绕组、护环、中心环和滑环等。由于受离心力限制，转子直径最多为1.5m，但最大线速度却已高达266 m/s。
转子铁心（也称转子本体），是汽轮发电机最关键的部件之一，既是转子磁极的主体，也是巨大离心力的受体，因此要求它兼备高导磁性能和高机械性强度，因此一般采用铬镍钼合金锻制而成，并与转轴锻为一个整体。在铁心表面上，以主极轴线为对称中心，1/3极距宽度范围内不开槽，形象称之为“大齿”，另2/3极距宽度（对称轴两侧各1/3）内均匀铣制开口式平行槽，用于安放励磁绕组（见图1-3），励磁绕组通入直流电时，就在大齿上形成N极和S极，大齿的正中就是磁极的中心。由于转速高，为避免产生过大的离心力，转子直径受到一定限制，一般不超过一米，为了提高单机容量，只能增加转子的长度，因此汽轮发电机的转于是一个细而长的园柱体，现代汽轮发电机的定子内径D与转子长度L之比约为D／L≈0.17—0.5。

图1-3两极汽轮发电机转子开槽情况示意图
励磁绕组，采用同心式线圈结构，由特制扁铜线绕制而成，同时绕组的绝缘亦要求高可靠性。
护环、中心环和滑环。护环为一金属圆筒，共两只，用于保护励磁绕组的两个端部，使之不会因为离心力作用而甩出，故要求采用高强度非导磁合金钢制成。中心环用于支持护环并阻止励磁绕组的轴向移动。滑环装在转轴上，实现励磁绕组与励磁电源的连接，一方经引线接励磁绕组，另一方则经电刷接励磁电源。
3.端盖和轴承
端盖将电机两端封盖起来，与机座、定子铁心和转子一道构成电机的内通风系统，多由非导磁硅铝合金浇铸而成。轴承需要承受巨大的转子重量和离心力，故采用油膜润滑的座式结构，并配有油循环系统。
第二节 发电机励磁系统
2.1 概述
同步电机运行时，必须在励磁绕组中通入直流电流，建立励磁磁场，相应地，将供应给励磁电流的整个装置称为励磁系统。
励磁系统是同步电机的重要组成部分，并且可分为两大类：一类是采用直流发电机供给励磁电流，另一类则是通过整流装置将交流电流变成直流电流以满足需要。下面对几种常用的励磁系统作简要介绍。由于在励磁系统中励磁功率单元往往起主导作用，因此下面着重分析励磁功率单元
2.2直流励磁机励磁系统
直流励磁机励磁系统是过去常用的一种励磁方式。直流励磁机大多与发电机同轴，它是靠剩磁来建立电压的。由于它是靠机械整流子换向整流的，当励磁电流过大时，换向就很困难，所以这种方式只能在10万kW以下中小容量机组中采用。
2.3交流励磁机励磁系统
目前，容量在100MW以上的同步发电机组都普遍采用交流励磁机励磁系统，同步发电机的励磁机也是一台交流同步发电机，其输出电压经大功率整流器整流后供给发电机转子。交流励磁机励磁系统的核心设备是励磁机，它的频率、电压等参数是根据需要特殊设计的，其频率一般为100Hz或更高。
交流励磁机励磁系统根据励磁机电源整流方式及整流器状态的不同又可分为以下几种：
(一)他励交流励磁机励磁系统
他励交流励磁机励磁系统是指交流励磁机备有他励电源——中频副励磁机或永磁副励磁机。在此励磁系统中，交流励磁机经硅整流器供给发电机励磁，其中硅整流器可以是静止的也可以是旋转的，因此又可分下列二种方式。
1．交流励磁机静止整流器励磁系统
如图1-6所示的励磁自动控制系统是由与主机同轴的交流励磁机、中频副励磁机和调节器等组成。在这个系统中，发电机G的励磁电流由频率为100Hz的交流励磁机AE经硅整流器VSR供给，交流励磁机的励磁电流由晶闸管可控整流器供给，其电源由副励磁机提供。副励磁机是自励式中频交流发电机，用自励恒压调节器保持其端电压恒定。由于副励磁机的起励电压较高，不能象直流励磁机那样能依靠剩磁起励，所以在机组起动时必须外加起励电源，直到副励磁机的输出电压足以使自励恒压调节器正常工作时，起励电源方可退出。在此励磁系统中，励磁调节器控制晶闸管元件的控制角，来改变交流励磁机的励磁电流，达到控制发电机励磁的目的。

图1-6 他励交流励磁机励磁系统原理接线

这种励磁系统的性能和特点如下：
(1)交流励磁机和副励磁机与发电机同轴是独立的励磁屯源，不受电网干扰，可靠性高。
(2)交流励磁机时间常数较大，为了提高励磁系统快速响应，励磁机转子采用叠片结构，以减小其时间常数和因整流器换相引起的涡流损耗，频率采用100Hz或150Hz。因为100Hz叠片式转子与相同尺寸的50Hz实心转子相比，励磁机时间常数可减小约一半。交流副励磁机频率为400~500Hz。
(3)同轴交流励磁机、副励磁机，加长了发电机主轴的长度，使厂房长度增加，因此,造价较高。
(4)仍有转动部件需要一定的维护工作量。
(5)一旦副励磁机或自励恒压调节器发生故障，均可导致发电机组失磁。如果采用永磁发电机作为副励磁机，不但可以简化调节设备，而且励磁系统的可靠性也可大为提高。

2．交流励磁机旋转整流器励磁系统(无刷励磁)
图1-6所示的交流励磁机励磁系统是国内运行经验最丰富的一种系统。它有一个薄弱环节——滑环。滑环是一种滑动接触元件、随着发电机容量的增大，转子电流也相应增大，这给滑环的正常运行和维护带来了困难。为了提高励磁系统的可靠性，就必须设法取消滑环，使整个励磁系统都无滑动接触元件，即所谓无刷励磁系统。
图1-7是无刷励磁系统的原理接线图。它的副励磁机是永磁发电机，其磁极是旋转的，电枢是静止的，而交流励磁机正好相反。交流励磁机电枢、硅整流元件、发电机的励磁绕组都在同一根轴上旋转，所以它们之间不需要任何滑环与电刷等接触元件，这就实现了无刷励磁。

图1-7无刷励磁系统的原理接线图
无刷励磁系统没有滑环与炭刷等滑动接触部件，转子电流不再受解除部件技术条件限制，因此特别适合于大容量发电机组。此种励磁系统的性能和特点为：
(1)无炭刷和滑环，维护工作量可大为减少。
(2)发电机励磁由励磁机独立供电，供电可靠性高。并且由于无刷，整个励磁系统可靠性更高。
(3)发电机励磁控制是通过调节交流励磁机的励磁实现的，因而励磁系统的响应速度较慢。为提高其响应速度，除前述励磁机转子采用叠片结构外，还采用减小绕组电感取消极面阻尼绕组等措施。另外，在发电机励磁控制策略上还采取相应措施——增加励磁机励磁绕组顶值电压，引入转子电压深度负反馈以减小励磁机的等值时间常数。
(4)发电机转子及其励磁电路都随轴旋转，因此在转子回路中不能接入灭磁设备，发电机转子回路无法实现直接灭磁，也无法实现对励磁系统的常规检测(如转子电流、电压，转子绝缘，熔断器熔断信号等)，必须采用特殊的测试方法。
(5)要求旋转整流器和快速熔断器等有良好的机械性能，能承受高速旋转的离心力。
(6)因为没有接触部件的磨损，所以也就没有炭粉和铜末引起的对电机绕组的污染，故电机的绝缘寿命较长。
(二)自励交流励磁机励磁系统
自励直流励磁机一样，自励交流励磁机的励磁电源也是从本机直接获得的，所不同直流励磁机为了调整电压需用一个磁场电阻；而自励交流励磁机为了维持其端电压则改用了可控整流元件。
1．自励交流励磁机静止可控整流器励磁系统
这种励磁方式的原理如图1-8所示。发电机G的励磁电流由交流励磁机AE经晶闸管整流装置VS供给。交流励磁机的励磁一般采用晶闸管自励恒压方式。励磁调节器AVR

图1-8 自励交流励磁机静止可控整流器励磁接线
直接控制晶闸管整流装置。采用半导体励磁调节器及晶闸管整流装置，其时间常数很小，与图1-6的励磁方式相比，励磁调节的快速性较好。但本励磁方式中，励磁机的容量要比图1-6中的要大，因为它的额定工作电压必须满足强励顶值电压的要求，而在图1-7中，励磁机额定工作电压远小于顶值电压，只有在强励情况下才短时达到顶值电压。因此，晶闸管励磁的励磁机容量要比硅整流励磁的大得多。
2．自励交流励磁机静止整流器励磁系统
这一励磁系统原理接线如图1-9所示。发电机C的励磁电流由交流励磁机AE经硅整流装置VS供给，半导体型励磁调节器控制晶闸管整流装置VS，以达到调节发电机励磁的目的。这种励磁方式与图1-8励磁方式相比其响应速度较慢，因为在这里还增加了交流

图1-9 自励交流励磁机静止整流器励磁接线
励磁机自励回路环节，使动态响应速度受到影响。交流励磁机自并励方式使励磁系统结构大为简化，是汽轮发电机常用的励磁方式。
2.4静止励磁系统(发电机自并励系统)
静止励磁系统(发电机自并励系统)中发电机的励磁电源不用励磁机，而由机端励磁变压器供给整流装置。这类励磁装置采用大功率晶闸管元件，没有转动部分，故称静止励磁系统。由于励磁电源是发电机本身提供，故又称为发电机自并励系统。 静止励磁系统如图1－10所示。它由机端励磁变压器供电给整流器电源，经三相全控整流桥直接控制发电机的励磁。它具有明显的优点，被推荐用于大型发电机组，特别是水轮发电机组。国外某些公司把这种方式列为大型机组的定型励磁方式。我国已在一些机组上以及引进的一些大型机组上，采用静止励磁方式。
静止励磁系统的主要优点是：
(1)励磁系统接线和设备比较简单，无转动部分，维护费用省，可靠性高。
(2)不需要同轴励磁机，可缩短主轴长度，这样可减少基建投资。
(3)直接用晶闸管控制转子电压，可获得很快的励磁电压响应速度，可近似认为具有阶跃函数那样的响应速度。
(4)由发电机机端取得励磁能量。机端电压与机组转速的一次方成正比，故静止励磁系统输出的励磁电压与机组转速的一次方成比例。而同轴励磁机励磁系统输出的励磁电压与转速的平方成正比。这样，当机组甩负荷时静态励磁系统机组的过电压就低。
对于静止励磁系统，人们曾有过两点疑虑：
(1)静止励磁系统的顶值电压受发电机端和系统侧故障的影响，在发电机近端三相短
路而切除时间又较长的情况下，不能及时提供足够的励磁，以致影响电力系统的暂态稳定。
(2)由于短路电流的迅速衰减，带时限的继电保护是否能正确动作。
国内外的分析研究和试验表明，静止励磁系统的缺点并非原先设想的那么严重。对于大、中容量机组，由于其转子时间常数较大，转子电流要在短路0.5s后才显著衰减。因此，在短路刚开始的0.5s之内静态励磁方式与他励方式的励磁电流是很接近的，只是在短路0.5s后，才有明显差异。考虑到高压电网中重要设备的主保证动作时间都在0.1s之内，且都设双重保护，因此没有必要担心。至于接在地区网络的发电机，由于短路电流衰减快，继电保护的配合较复杂，要采取一定的技术措施以保证其正确动作。
静态励磁系统特别适宜用于发电机与系统间有升压变压器的单元接线中。由于发电机引出线采用封闭母线，机端电压引出线故障的可能性极小，设计时只需考虑在变压器高压侧三相短路时励磁系统有足够的电压即可。
发电机励磁系统采用上海汽轮发电机有限公司成套提供的由ABB公司生产的Q5S－O／U25l－S6000型发电机静止自并励励磁系统。主要由机端励磁变压器、可控硅整流装置、 自动电压调节器(AVR)、灭磁与过电压侏护装置和启励装置等组成。自动电压调节器选用数字式，采用“主／备”冗余方式，且能相互自动跟踪并具有“自动”、“手动”控制方式和低励及过励限制和电力系统稳定器(P然)等保护装置。励磁变压器采用三相干式变压器，励磁系统的起励方式采用交流380V厂用电源起励。发电机进行短路试验时，可以临时从6kV工作段备用回路引接电源。
整流装置接线为三相全控桥，可进行逆变灭磁。发电机正常灭磁采用逆变灭磁方式。可控硅整流桥并联支路数为3路，当功率整流装置的一个支路退出运行时，能满足1．1
倍额定励磁电流连续运行和强励的要求。整流装置的每个功率元件都设有快速熔断器保护， 以便及时切除短路故障电流，并发出熔断信号。
可控硅整流屏、灭磁、过电压保护和启励装置屏、自动电压调节屏等布置在汽轮机房9．5米与6kV配电室毗邻的励磁小室内。励磁变压器布置在汽机房6．9米层。

第三节 发电机的冷却系统
3.1 发电机的冷却
发电机的发热部件，主要是定子绕组、定子铁芯(磁滞与涡流损耗)和转子绕组。必须采用高效的冷却措施，使这些部件发出的热量散发出去，保证发电机各部分温度不超过允许值。
目前用以大型发电机冷却的介质有氢气、水和油。它们的冷却能力都比空气强。
在发电机冷却系统中，冷却介质可以按不同的方式组合。对于容量600MW的汽轮发电其定、转子绕组都采用内冷方式。按定、转子绕组和铁芯的冷却介质的不同组合，600MW汽轮发电机的冷却方式主要有以下几种：
1） 全氢冷：定、转子绕组采用氢内冷，定子铁心采用氢冷。
2） 水氢氢冷：定子绕组水内冷，转子绕组采用氢内冷，定子铁心采用氢冷。
3） 水水氢冷：定子绕组水内冷，转子绕组采用水内冷，定子铁心采用氢冷。
汽轮发电机结构与冷却方式密切相关。国内外生产的600MW汽轮发电机大部分为水氢氢冷却方式，也有全氢冷或全水冷等型式。国内电厂装设或正在计划装设的，以及国产的600MW汽轮发电机都为水氢氢冷却方式，因此将主要介绍这种型式的汽轮发电机。
3.2 水氢氢冷600MW汽轮发电机的通风系统
下面介绍几种典型的600MW水氢氢冷汽轮发电机的通风冷却系统。
一、半轴向通风的冷却系统
定子铁芯和转子绕组都采用半轴向通风的冷却系统。此种通风系统如图1-11所示。冷却器5置于电机中部，经冷却器冷却后的冷氢，由汽端(即汽轮机侧的发电机端部)风扇4迫使其分成两路。其中一路直接进入汽端铁芯2和转子绕组轴向冷却风道，另一路经机壳上的风道送至励端(即发电机的励磁机侧)进入铁芯和转子绕组的另一半轴向冷却风道。汽励两端进入铁芯和转子绕组的氢气都从铁芯中段径向风道排出。排出的热氢再进入冷却器，这就完成了机内氢气的循环冷却功效。

图1-11 石洞口二电厂水氢氢冷汽轮发电机通风系统
1一机壳，2－铁芯，3－定子绕组，4－风扇：5－冷却器
这种发电机冷却结构在石洞口二电厂的进口机组美国ABB公司生产的600MW发电机上采用，意大利ANSALDO公司等厂家也采用。
二、定子铁芯轴向通风和转子绕组半轴向通风的冷却系统
平圩电厂600MW水氢氢冷汽轮发电机(引进美国WH公司技术)采用这种冷却系统。其通风冷却结构类似图1-12所示(平圩电厂发电机的两组立式氢气冷却器布置在发电机汽端两侧)。风路由转子护环6外汽端的五级轴流式高压头风扇5抽的热氢，首先进入设置在汽端的冷却器4，冷却器出来的冷风分为两路：一路经铁芯背部流到励端水母管2，一部分进入定子铁芯3的全轴向通风道，在汽端排出，另一部分进入转子绕组1的端部和轴向风道，分别在转子本体端部排气槽和转子中部径向排至气隙；另一路冷风转弯经风路隔板和汽端端盖间的风路进入汽端转子绕组端部和轴向风道，分别在转子本体端排气槽和转子中部径向排至气隙、铁芯的轴向出风和转子的气隙出风(热氢)都被高压头风扇抽出再进入冷却器，完成氢气机内循环冷却功效。为防止励端风路短路，在励端铁芯端部的气隙处设有气隙隔环。
汽端
励端

图1-12 定子铁芯轴向和转子绕组半轴向通风冷却系统
l一转子绕组；2一励端水母管，3一定子铁芯；4一冷却器；5-风扇；6一转子护环
三、定子铁芯径向通风和转手绕组气隙取气斜流通风的冷却系统
这种通风系统也称为定、转子耦合的径向多流式通风系统。
山东邹县电厂日立公司产的600MW水氢氢冷汽轮发电机的通风系统如图1-13所示。子铁芯径向通风冷却，转子绕组采用气隙取气双排斜流通风(一风斗二路)冷却方式。定子铁芯和转子绕组采用“五进六出”相对应的通风结构，即沿发电机轴向长度分为五个进风区和六个出风区，进出风区交替布置。机座内设有四个冷却器，分别布置在励端和汽端两侧。经冷却器冷却后出来的冷氢，由汽端和励端的风扇送到各个进风区，冷却定子铁芯和转子绕组后都经铁芯的径向风道排向出风区，再进入冷却器，完成机内氢气循环冷却功效。

图1-13日立公司生产600MW水氢氢冷汽轮发电机的通风系统
采用这种通风冷却方式的发电机，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(或定、转子上)加装气隙隔环，以避免由转子抛出的热风吸入转子再循环。图1-14为一种具有气隙隔环的转子斜流内冷通风结构。

图1-14 具有气隙隔环的转子斜流内冷通风结构
l一转子隔环：2一定子隔环；3一定子轴向隔板
优化设计的国产QFSN—600—2YH型水氢氢冷汽轮发电机，定、转子沿轴向有11个风区，为带有气隙隔环的“五进六出”的定、转子径向耦合的多路(流)通风系统。东方电机厂生产的(采用GE技术)和北仑港电厂的(日东芝产—GE技术)600MW汽轮发电机，则是采用带有气隙隔环的“六进七出”的多路通风结构，定、转子沿轴向共有13个风区。
3.3 发电机的氢气系统
一、氢气系统的主要特性
大容量水氢氢冷汽轮发电机，为冷却定子铁芯和转子绕组，要求建立一套专门的供气系统。这种系统应能保证给发电机充氢和补漏氢，自动地监视和保持电机内氢气的额定压力、规定的纯度以及冷却器冷端的氢温。
各种不同型号的汽轮发电机，供气系统基本上相同，其主要特性如下。
(1)氢气由中央制氢站或储氢躏提供。
(2)输氢管道上设置有自动氢压调节阀保持机内为额定氢压。当机内氢气溶于密封回油被带走而使氢压下降或机内氢气纯度下降需要进行排污换气时，可通过调节阀自动补氢。
(3)设置一只氢气干燥器，以除去机内氢气中的水分，保持机内氢气干燥和纯度。
(4)设置一套气体纯度分析仪及气体纯度计，以监视氢气的纯度。有的系统中可能专设
一套换气分析仪和换气纯度计，专门用于监视换气的完成情况。
(5)在发电机充氢或置换氢气的过程中，采用二氧化碳(或氮气)作为中间介质，用简接方法完成，以防止机内形成空气与氢气混合的易爆炸气体。
图1-15为邹县电厂600MW水氢氢冷汽轮发电机(日立公司产品)的供气系统简图
气系统的设计参数为：
机内氢压(调节阀出口压力)为414kPa(表虚)；
机内氢气纯度为98％；
机内冷端温度为46'C；
发电机壳容积为117m3；
漏氢量<19m3／d，预期13m3／d。
从中央氢气罐来的氢气经减压至650kPa，通过压力调节阀使压力保持在414Pa后进入发电机。
氢气干燥器4接在发电机的通风回路中，一侧与机内高压风区相连接，另一侧与机内低压风区相连接，利用风扇压差连续不断地将小流量氢通过干燥器干燥。干燥剂采硅胶，受潮后呈粉红色，加热去潮后又恢复呈蓝色。干燥器有体内再生功能，干燥剂吸潮失效后，可通过干燥器内的电热元件对其进行加温排湿?再生时先进行阀门切换，关闭H2的进出通道，开启至真空泵(在油密封系统中)阀门排除湿气，投入加热器，电热元件自动控制温度在130—150℃范围之内。借风扇两侧压力差使机内全部气体在一天内能通过干燥器3～4次为宜。
氢气纯度分析仪5是利用每一种气体有其独自的导热性(在单位时间内通过单位空间的

图1-15 日立公司600MW发电机供气系统简图
l一发电机壳，2一布Hz母管：3一布凹2母管，4一氢气干燥器；
5一氢气纯度分析仪；6一氢 气纯度计，7一气体温度计，8一气体压力指示器，
9—H2气体压力调节阀，10－至真空泵(在密封泊系统)；11一减压阀；
12--排气控制阀；13一换气分析仪；14--换气纯度计
热量)来测量气体纯度的。当一种气体与另一种气体混合时，混合气体的导热性与气体混合比成正比变化。再按热一电变化原理可测量气体的纯度。它由一个检测器(分析仪)和一个指示仪表组成，用以指示氢气的纯度(仪表指示的是氢气占的百分数，指示范围为85％～100％)，并在氢气纯度低至90％时发出报警。分析仪入口经滤网接至电机内高压风区，其出口经用于分析仪的流量计接至电机内低压风区，靠出入口间压差使气体连续通过检测分析仪，并迅速显示氢气纯度的变化。
进入和排出发电机壳的氢气管道(布H2母管2)装在发电机上部。进入和排出二氧化的管道(布C02母管3)装在机壳内下部。为了防止氢气和空气混合成易爆炸的气体，置换程中采用二氧化碳作为中间过渡气体。本系统在排气通道上专设换气分析仪13及换气纯度14。纯度计为双读数指示，分别指示CO2中的空气纯度和CO2中的H2纯度，指示范围为 0％～100％，用以监视置换的完成情况。
充氢时，先将二氧化碳从机壳下部针道(布CO2母管3)送入机内，迫使空气从机壳上部布H2母管2经排气控制阀12及换气分析仪13排向厂外大气，用换气分析仪监视二氧化碳的含量，当二氧化碳含量超过日5％以上时，可认为置换空气结束。然后，再通过机内上部布H2母管向机内充氢，使二氧化碳从机内下部(布CO2母管)经排气控制阀及换气分析仪排向大气，监视H2的含量，当H2的含量达到90％时便可停止充氢，开机达到额定转速时，换气分析析仪上指示氢的含量将会升至96.5％，运行后可自动维持到98％以上。
驱氢时，先将氢气压力降到0.01～0.04MPa，再向机内充二氧化碳，待二氧化碳含量达95％以上时停止。所有与发电机连接的氢气管道阀门都应关闭，以防氢气漏入机内。然后再用干燥的空气从电机一端吹入，从另一端吹出，两小时后方可打开端盖。
本系统中还可利用油密封系统中的真空泵抽去留在容器内的不可燃气体。如果
气体是易燃的，则需应用CO2或N2。这样的气体小心地进行换气。
二、几个电厂的氢气系统特点
平圩电厂、北仑港电厂1＃机、石洞口二电厂是华东地区较早装设600MW水氢发电机的电厂。三个电厂的氢气系统以及前面所述邹县电厂的氢气系统都基本一致为平圩电厂的氢气系统图，可与前图1-15对比，两图中的主要差别是严圩电厂系统发电机工况监视仪13并示出了检漏水管路及液位继电器17。

图1-16 西屋600MW电机氢系统(干圩电厂)
l－发电机机壳，2－定于出线盒，3－布H2母管；4-布CO2母管15一供CO2母管，6－供H2母管，7－来自CO2气站，8一来自制氢站19一补氢干燥器，10一供定子水箱，11－补氢压力调节阀， 12一气体纯度仪鼓风机门，13一发电机工况监视仪，14一连续干燥器，15一再生用鼓风机，16－三 通切换阀，17一液位继电器，
这几个电厂的氢气系统的在线监测仪表，除了常规的压力表、温度表、流量表外，还有下列特殊仪表，并各电厂有所不同。 ．
1．置换气体过程中的监视仪表
平圩电厂设有一只气体纯度测试仪，其表头为一指针式仪表，表面刻度中间为“空气”点，此点右半部为CO2纯度百分数刻度，左半部为H2纯度百分数刻度。因此既可指示运行中发电机内氢气纯度，又可在置换过程中指示CO2的纯度。该表实际上是一只气体密度表，利用气体密度与气体成分呈函数关系进行指示。传感器是一只恒速的微型鼓风机和一只微压变送器。鼓风机可以从发电机壳的顶部或底部取气，其排气再送回机壳底部或顶部，这样可以在置换过程中有选择地在顶部或底部取样。鼓风机所产生的压差(进出口风压差)与气体密度、风机几何尺寸及转速有关，当特定的鼓风机在恒速运行时，其压差直接反映气体的密度。该表与发电机本身的风扇所产生的压力和机壳内的气体静压无关，因此，即使在盘车转速下甚至在静止状态下仍能有效指示气体的纯度。
2．氢气纯度表
三个电厂均有在线的氢气纯度表，有的与置换纯度表合用(如子圩电厂)，有的为专(如邹县电厂等)。此外，还有测量电机风扇前后的压差表，利用压差来推算氢气的纯度。北仑港电厂和石洞口第二电厂还配有氢中含氧仪。
3．露点仪——测氢气湿度
北仑港电厂和石洞口第二电厂均配有在线氢气露点仪，用露点的高低来反应氢气的含量。露点仪的标度为0～100℃，说明氢气湿度小于4.8g／m3才有指示(露点温度为0℃时，气体的含湿量为4.8g／m3。露点温度越高，则气体含湿量越大)。平圩电厂没有露点仪，而用湿球温度计手工采样测取相对湿度，精确度差.
4．氢气干燥器
各电厂的氢气系统中均设有氢气干燥器，干燥剂为硅胶(平圩用活性铝),利用电机风扇压差连续不断地将小流量氢气通过干燥器，以保持电机内氢气干燥。
平圩电厂的干燥剂是利用变色原理宋辨别是否失效。石洞口第二电厂是利用干燥器出口氢气的露点指示来辨别干燥剂是否失效。失效后的干燥剂均是利用体内电加热和鼓入空气湿气排向大气(需进行管路阀门切换)。在干燥器及其系统再生时也要防止空气与氢气的混、石洞口第二电厂仍利用CO2置换的办法，北仑港利用抽真空的办法，而平圩电厂的氢气系则无置换手段。
为了保持停机时机内气体的干燥，石洞口第二电厂还在利用氢气系统中设置有专用的鼓风机，使电机内的气体通过干燥器进行干燥处理。
5．补氢装置
平圩电厂的自动补氢装置是一只膜式压力调节阀，以背压来调节其开度，精度较低。北仑港电厂采用PI调节器调节补氢电磁阀的开度。石洞口第二电厂的自动补氢电磁阀具有指示，能记录一定时间内补入发电机内的氢气流量。当补氢量超过3m3／d时发出报警，以便及时查漏。
三个电厂的氢气系统特点见表1－1

平圩电厂
北仑港电厂
石洞口第二电厂
冷却方式
水－氢－氢
水－氢－氢
水－氢－氢
工作氢压
0.525
0.414
0.465
漏H2考核(m3／d)
13.4
18
9
补H2方式
压力自动
自动
自动（测量控制）
H2纯度
>97%
>99.99%
含O2<3ppm
H2露点（℃）
<-9.5
-54
-20~-80
制H2设备出力(m3／h)
10
12
6
储H2容量（m3)
6×1.3
12×1.3
6×1.7
储H2罐压力（MPa)
1.5
16.45
16.8
表1－1平圩、北仑港、石洞口三个电厂的氢气系统特点
三、氢气纯度与分析仪
(一)氢气纯度要求
氢气是易燃易爆性气体. 在密闭容器中，当氢气与空气混合，氢的含量为4％～75％,即形成易爆炸的混合气体。
我国发电机运行规程规定：“一般要求发电机内氢气纯度保持在96％以上，低于此值时，应进行排污”。国外大容量氢冷(包括水氢氢冷)发电机，如600MW水氢氢冷汽轮发电机要求机内的氢气纯度不低于97％或98％。
大容量氢冷发电机内要求保持高纯度的氢气，其主要目的是提高发电的效率，从经济方面考虑。因为氢气混入空气或纯度下降时，混合气体的密度随氢气纯度的下降而增大，使发电机的通风摩擦损耗也随着氢气纯度的下降而上升。据美国G．E公司介绍，一台运行氢压为0.5Pa、容量为907MW的氢冷发电机，其氢气纯度从98％降到95％时，摩擦和通风损耗大约增加32％，即相当于损失685kW。一般情况下，当机壳内的氢气压力不变时，氢气纯度每降低1％，其通风摩擦损耗约增加11％。
我国发电机运行规程又规定：“当氢气纯度降低到92％或者气体系统中的氧气超过2％时，必须立即进行排污”。这说明运行的氢气纯度在92％～96％之间时，除对效率有所影响外，并无严重危害。当然，长期运行在这个氢气纯度范围是不经济的，所以又规定了一个必须立即排污的下限。
发电机运行中氢气纯度下降的主要原因，是密封瓦的氢侧回油带入溶解于油的空气，或密封油箱的油位过低时又从主油箱的补充油中混入空气。
氢气纯度降低，其中的有害杂质主要是水分和空气的氧。在干燥的氢气中，含氧量的多少也可反映氢气的纯度。故有的发电机氢气系统中，通过对含氧量的监视来监视氢气的纯度，一般要求氢气中的含氧量低于2％。对于大容量发电机，由于氢气纯度要求更高，故要求其氢气中的含氧量更低，小于1％。
(二)AH-H2型H2气体分析仪
AH-H2型H2气体分析仪，是日立公司600MW汽轮发电机氢气系统中配置的，用于测量气体纯度(与CO2或空气混合的氢气纯度)，其精确度在土1.5％以内。
测量气体纯度的原理是：每一种气体有其独自的导热性，当一种气体与另一种气体混合时，混合气体的导热性按混合比成正比变化，再利用热电变化原理即可测量气体的浓度。
H2气体分析仪结构原理如图1-17所示，电桥由测量室、标准室、固定电阻A和B及平衡调节电阻C组成。
测量室元件的内侧是用导热性能很好的金属(铜)制造的，在其中央有热丝(铂丝)，热丝用绝缘材料固定。标准室与测量室的结构相同，标准气体封闭在标准室内。

使用时，先向测量室送入与封闭在标准室内的气体，相同的气体，使电桥平衡。然后，当受测量气体被引入测量室时，热丝的温度改变，这便破坏了电桥的平衡，产生不平衡电压，由指示器示出。由于此不平衡电压是与受测量气体中氢气的混合比成正比，那么，通过观察指示器便能确定混合比。

图1-17 H2气体分析仪结构原理 图1-18 热化学式氧气分析器原理图
A、B一固定电阻，c一于衡调节电阻
(三)氢气中合氧量的监测
含氧量的监测方法有：燃烧法、吸收法、热化学式分析器测定法、铜氨溶液比色法、黄磷发光法、泵电池法、色谱法前三种方法适用于常量分析，分析洗涤器出口的氢气纯度；后几种方法用于氧的微量测定经过纯化处理后氢气中的微量氧。下面介绍两种较常用的方法。
1．热化学式氧气分析器测定法
H2气体中含氧时，在触媒(活性钯)的催化作用下，会发生化学反应，并放出482.34kJ的热量。在氢气中含少量氧的情况下，以恒定测量供气时，单位时间内反应产生的热量与含氧量成正比，通过反应热量(温度)的测定，即可知道气体中的含氧量。
含氧量监测仪采用两个通气容器(玻璃管)上绕有铂丝的热电阻元件和两个固定电阻组成的电桥，来测量反应所产生的热量(温度)。工作臂RG管内装有颗粒状的活性钯触媒，而另一管RB内却装有同样体积的非活性颗粒作为电桥的参比臂。当被测气体含有氧时，在活性钯触媒作用下，氢氧反应放出热量，工作臂的温度将随着氧含量的变化而变化，电桥中的铂丝电阻也随着变化，使电桥产生新的不平衡电位，用电位差计指出，即可测出气体中的含氧量。
热化学式氧气分析器为固定式，可连续自动分析、指示和记录电解氢中的含氧量，测量范围为0％～1％和0％～0.5％，精度等级分别为5％和10％。
2．原电池式微量氧分析器
工作原理：选择具有较大电极电位差的两种不同金属做电极，放在水溶液中，组成一个简单的原电池。氧在正极上还原为羟基(OH”)并从外电路取得电子，负极在产生氧化的程中向外电路输出电子。接通外电路后，低值负载电阻上便有电流流通，电流的大小随氧浓度变化。在氧浓度很低时，电流与含氧量(浓度)成正比，故测出原电池回路中的电流值，即可知气样中的含氧量<浓度)。
用于测量气体中微量氧的仪器，其测量元件是一只对氧敏感的银－铅碱性原电池。正电极(Ag)和负电极(Pb)放在KOH溶液中构成。
原电池式微量氧分析器，检测气体中微量氧含量的最小量程可达0～10ppm。精度一般为