第1章 发电机及其辅助系统.doc

第1章 发电机及其辅助系统

1.1 发电机
1.1.1 发电机参数
发电机，如图1-1及图1-2所示，它基本上由三大部份组成：定子机座及端盖、转子及发电机励磁系统。发电机励磁机，它直接悬挂安装在发电机机座的尾端，为发电机转子磁场励磁绕组提供直流电源。
发电机定子，转子及励磁机被具有一定压力的循环冷却氢气所冷却。冷却氢气是由安装在发电机转子两端的螺浆式风扇（轴流式风扇）产生循环。并且被水平安装在发电机定子机座顶部的四个冷却器和切向安装在励磁机顶部的两个冷却器所冷却。一方面，发电机为具有一定氢气压力的气体冷却，同时定子绕组为水内冷却。另一方面，在发电机轴伸两端，氢气必须严格地密封，以免泄漏，引起发电机定子机座爆炸。因此，要求增设一系列的辅助装置。它包括在发电机两端为防止静止部分和旋转部分之间氢气泄漏的装置，即发电机密封油系统；发电机定子绕组供水系统，即定子线棒内直接冷却的去离子水供水系统；供气系统，它包括正常运行的供给氢气以及为了发电机充氢所采用的中间置换介质二氧化碳（CO2）气体。
发电机机座，它直接安装在基础台板上，发电机出线端子盒安装在定子励端下部，并且与发电机定子组成一个密闭体。
发电机机座端盖，它位于定子机座的两端，包括轴承和密封油系统。密封油系统其目的在于防止氢气从机座泄漏。轴承，它通过来自主供油系统的润滑油，润滑和支撑转子。同样地，励磁机也有一个安装在励磁机前端的密封油系统。值得提出的是汽轮机轴承润滑油系统，它必须考虑发电机轴颈轴承润滑油的供油及氢气密封。
最后，发电机必须具备全套的测量仪表，以监测发电机的运行状况，并向主控室发送测量和报警信号，为发电机系统提供各种保护，诸如发电机差动保护、发电机不对称负载和过负载保护等等。
1.1.1.1 发电机额定参数
额定功率 Pn =677 MW
额定功率因数 COSj =0.9
额定电压 Un =19 kV
额定电流 In =22.858 kA
额定氢气压力 P =4 bar.g
（它能够达到P=4.5bar，以满足较高的冷却水温和超出力运行，详见运行容量图No 38T-3984-A）
型式 271-606
额定转速 3000 rpm
超速 3600 rpm

图1-1

图1-2
有功功率 667 MW
功率因数 0.9
视在功率 755.22MW
额定电压 19 kV
电压波动 ±5%
额定电流 22.858 kA
极数 2
频率 50 Hz
绝缘等级 F
冷却水温度 29°C
励磁系统 TKJ 91/42
冷却型式
冷却介质 氢气
铁芯冷却 氢气
定子绕组冷却 去离子水
转子绕组冷却 氢气
出线端子冷却 去离子水
正常负荷状态
定子温升 25 K
转子温升 65 K
氢气压力 4 bar
去离子水温升 38°C
功率 667 MW
非正常负荷状态
单冷却器运行 640 MW
稳态负序电流I2/In 10%
瞬态负序电流(I2/In)·t 9 S
1.1.1.2 尺寸
外形尺寸
机座长度 11583 mm
包括励磁机总长度 13940 mm
总宽度 3950 mm
沿组合平面宽度 3118 mm
机座外形高度 4185 mm
铁芯
铁芯外径 2710 mm
铁芯内径 1406 mm
铁芯迭片长度 6060 mm
铁芯有效长度 5537 mm
转子
联轴器之间的总长度 12415 mm
轴承跨度 10700 mm
护环外径 1270 mm
转子本体直径 1180 mm
风扇外径 1316 mm
转子本体长度 6210 mm
1.1.1.3 质量
包括励磁机的发电机总安装质量 380 吨
定子 258 吨
机座 73 吨
铁芯 164 吨
压板 8.068 吨
绕组铜重 10.920 吨
绝缘和槽楔 1.391 吨
转子 70 吨
护环 1.743 吨
端子盒 6.0 吨
轴承装配 17.50 吨
冷却器总重
冷却器底板 2.43 吨
1.1.1.4 运行特性
视在功率 752.22 MW
短路比KCC 0.515
电抗
直轴同步电抗(未饱和值) Xd =215%
直轴同步电抗( 饱和值) Xds =196.6%
直轴瞬变电抗(未饱和值) X¢d =34%
直轴瞬变电抗( 饱和值) X¢ds =29.6%
直轴超瞬变电抗(未饱和值) X¢¢d =23%
直轴超瞬变电抗( 饱和值) X¢¢ds =19.6%
横轴同步电抗 (未饱和值) Xq =208%
横轴超瞬变电抗(未饱和值) X¢¢q =26%
横轴超瞬变电抗( 饱和值) X¢¢qs =21.6%
负序电抗(未饱和值) Xi =24%
负序电抗( 饱和值) Xis =20.6%
零序电抗(未饱和值) Xo =7%
电枢漏电抗 Xs =17%
电阻(75C)
定子相电阻 0.00113 欧
转子电阻 0.102 欧
直轴时间常数
直轴开路瞬变时间常数 T¢d0 =5.6 S
定子电枢短路时间常数 Ta =0.24 S
瞬变短路时间常数 T¢d =0.88 S
超瞬变短路时间常数 T¢¢d =0.028 S
接地电容
定子每相电容 0.33 微法
1.1.1.5 特性曲线
空载特性曲线 图1-4（或图38T-3984-B）
短路特性曲线 图1-4（或图38T-3984-B）
V形曲线 图1-5（或图38T-3984-C）
功率曲线 图1-6（或图38T-3984-D1）
效率曲线 图1-7（或图38T-3984-H1）
特性曲线 图1-3（或图38T-3984-A）

图1-3

图1-4

图1-5

图1-6

图1-7
1.1.1.6 定子特性
机座
型式
密闭型式
铁芯
矽钢片叠片铁芯
型式 M6X
厚度 0.35 mm
槽型
型式 开口槽
数目 42
定位筋支撑型式
固定点数目 22
柔性系统 焊接纵向弹性定位筋
弹性定位筋数目 22
绕组
绕组结构
型式 罗贝尔线圈
并联支路数 2
导体特性
每槽导体数 2
每线棒空心导体数 6
每线棒实心导体数 12
股线宽度 8.5 mm
冷却水循环通道宽度 6.3 mm
空心股线高度 3.9 mm
实心股线高度 1.8 mm
冷却水循环通道高度 1.7 mm
每槽铜线截面积 1701 mm2
绝缘和槽楔
股线绝缘厚度 0.25 mm
线棒绝缘
材料 Isotenax
平均厚度 5.3 mm
槽楔和垫条
层间垫条材料 STF VM EM2
槽底垫条材料 RBTHD
槽楔 环氧玻璃纤维
槽口垫条材料 STF VM E2
防电晕保护
槽内 导电漆
槽口端部 半导体导电漆
水箱及集水管，汇流管
对线棒联结的水箱盒
数目 168
材料 铜
汇流管
数目 2
位置 1-TE-10TE
材料 Z2CND-17-12
水箱及汇流管的联结
材料 聚四氟乙烯
爬电距离 750及917 mm
电气联结
线棒间 铜
相间及汇流排 铜
功能特性
最大磁感强度
空载
气隙磁密 0.99 T
齿磁密 2.03 T
额定值
气隙磁密 1.08 T
齿磁密 2.10 T
额定负荷时槽负荷 22858 A
额定负荷时电流密度 9.9 A/mm2
定子水路
汇流管入口水压 1.9 bars
通过空心股线水速 1.4 m/s
额定负荷时定子水出口温度 65°C
额定负荷时定子水出口温升 26°C
端子盒 氢冷
1.1.1.7 转子特性
金属特性
锰钢
σ0.002 722N/mm2
σm 900 N/mm2
40%
转子槽形
槽宽 45.5 mm
包括通风付槽深度 164 mm
付槽深度 50 mm
非绕组槽形
槽数 10
宽度 45.5 mm
深度 45 mm
轴内径
直径 133 mm
平衡装置
绕组特性
转子绕组槽数 28
每极匝数 63
每槽股线数目 型式1 2
型式2 16
股线特性
形状 矩形
转子股线尺寸
型式1 39.5*6.59 mm
型式2 43.0*6.05 mm
每槽铜线截面积
型式1 422 mm2
型式2 3537.6 mm2
绝缘及槽楔
股线绝缘 玻璃纤维树脂
厚度 0.6 mm
上层包扎绝缘带
材料 表面涂敷DTEX的EPOXY玻璃纤维布树脂
厚度 8.6 mm
槽部对地绝缘
材料
厚度 1.14 mm
护环下面
材料 在内表面为酚醛叠压石棉纤维板制成
环氧玻璃布叠压板并在其表面涂敷PTFE
转子槽楔
绕组槽
材料 挤压铝合金
433 N/mm2
绝对温度
100°C 395 N/mm2
150°C 240 N/mm2
非绕组槽
材料 挤压铝合金
护环
材料 锻钢18% Mn
18% Cr
装配方法 弹性环
风扇
数目 2（每端2个）
型式 轴流式
端盖轴承特性
轴颈轴承 椭园轴承
直径 530 mm
轴颈宽度 395 mm
油量 780 L/min
损耗 310 kW
轴颈轴承巴氏合金最大温升 95°C
轴承油密封
型式
数目 2
氢测轴承直径间隙 0.14 mm
空侧轴承直径间隙 0.06 mm
油量（经一个轴最大油量） 51.5 L/min
1.1.1.8 励磁系统特性
励磁机 旋转二极管氢冷
型式 TKJ-9142
额定转速 3000 rpm
过速 3666 rpm
功率因数 0.9
视在功率 2389 kVA
额定电压 498 V
额定电流 4138 A
最大升限电压 1096 V
频率 250 Hz
极数 2
绝缘等级 F

1.1.2 发电机定子
发电机定子是静止部分，它固定在基础台板上。它的基本组成或称为有效部分，主要由定子绕组（1）和磁路铁芯（2）组成。它将由发电机转子（3）提供的机械能转化为电能，并且能保证将其传输到外部。
发电机定子铁芯和绕组装配固定在机座上，并且安装在混凝土浇注的基础上。整个定子为发电机内部冷却气体形成风路，并且支撑端盖（5）（轴承和油密封等等）和氢冷却器（6）。
见图1-8。
1.2.2.1 定子机座
定子机座
定子机座是一个金属构件，它包括定子铁芯和定子绕组，二者均在制造厂装配完成，使之成为整体发送。定子机座是由一系列钢板组合而成.它采用电焊拼接而成为一个圆柱体机壳，且与沿定子机座两侧的支撑地脚焊接而成。机座采用一系列的垂直于轴线的环型金属板焊接而成，以增加机座刚度，同时以支撑定子铁芯。机座由具有轴向分区的冷却风路组成。轴向分区的冷却风路设计成以保证冷却氢气通向发电机各部份的最优分布。机座的两端有厚凸缘板，以支撑轴端轴承件。整个定子机座以及它的焊接件必须设计成密封性，并经制造厂的气密和水压试验。
定子机座，它同样包括水平安装在机座顶部的氢气冷却器分隔室，并且定子机座必须设计成能够承受所有的各种应力。（运输，瞬变应力等）
出线端子盒
出线端子盒安装在励端定子机座下端。它是由一些非磁性焊接钢板组成。在端子盒的底部有六个出孔，六条发电机出线端子装配其上，端子盒被氢气冷却。端子盒采用螺栓连接方式固定。定子机座与端子盒之间采用密封垫片密封，要求承受氢气压力密封要求，并且在事故情况下，它要求易于装拆。端子盒出线端的密封，或高压端子将在后面介绍。
冷却器延伸端
· 冷却器延伸端是由制造厂焊接组成，并且借助于滑动槽的方法支撑冷却器。
· 冷却器水箱是冷却器延伸端外端的接口，它也要求气体密封。
定子机座的内部设计应是当退出一个冷却器时产生最小的影响。这使冷却器在发电机降低负荷运行时，能够对它一个一个地进行清理。每个集水盘安装在最低点位置，该点能使冷却水能在漏水事故时收集积液。
定子冷却器
1. 氢气冷却器
热氢气通过气体与水的热交换被冷却。氢冷却器结构示为图1-9。
冷却器一般由几个构件组成，每个冷却器系统基本上由下列组件组成：
·（水箱盖）底盘支架
· 冷却器管束和端部冷却器壁
· 供水系统和监测
为了便于清扫冷却器管而不拆除冷却器，冷却器水箱能够在发电机运行时打开。基于此，在冷却器和定子机座冷却器分隔室中，它必须正确完全的密封，并要求它们之间能够允许不同的热膨胀。
冷却器支架是由水箱轮廓形式组成的金属框架，它起支撑端管壁，如同两个平行于气体流动的金属管壁一样，起导向流动作用。冷却器支架的内侧是一系列中间管壁，它起支撑冷却管作用。冷却器支架允许冷却器移运和起吊，而不附加任何工具，并将它附着在发电机定子机座的内侧。冷却器支架采用防锈漆保护。
3．冷却管束和管壁
冷却器装配的有效部份是由一系列运行时垂直于气体流动方向的翼形管束组成。冷却管翼形可采用：
· 绕簧式。
· 套片式。
对于两这种情况，冷却管翅翼形是采用高传导热系数的金属制成。每个冷却管的端部涨管进入冷却器管端盖金属薄板（4）。冷却器管端盖对于进入到冷
4．冷却器供水
在每个端管壁上，水箱盖（1）和集水箱（2）被固定。在水箱盖（1）进水，出水管口安装有与之相联的进水管（8）及出水管（9）装配。在水箱盖内壁，隔水墙（分隔板）将水箱盖分隔成若干空腔。在出水管的水箱盖简单地被端管

图1-8
1.定子绕组 2.磁路铁芯 3.转子 4.机座 5.轴承 6.冷却器 7.基础台板

图1-9
1.进水箱盖 2.出水箱盖 3.水箱隔板 4.端管壁 5.排气管 6.冷却管束 7.底盘支架8.进水管 9.出水管 10.进水流 11.出水流 12.气体循环 13.疏水管14.冷却器支架

却器的水提供均匀的分布。壁所密闭罩住。该冷却器系统在冷却管内部提供多通道水流系统，使热交换效率最优，减少内部温差。由于冷却器被水平放置于发电机座内，安装在每个水箱上下端位置的限位塞将指示水箱内充满水后的水位，它能排出冷却器内的空气以及允许排水等。在水箱盖的内腔表面采用含沥青漆涂敷，并且外表面复盖防锈漆。
5．冷却器密封
· 氢气回路与外部空气的密封。
图1-10表示定子机座与冷却器之间的密封系统，面对冷却管壁的一面被加工成光滑的平面，在每个管壁和金属框架（3）之间放置橡胶密闭垫，采用压条（5）和密封垫（6）将橡胶密封垫压缩入迷宫内。将框架（3）用螺栓固定在冷却器延伸板上（1），并且采用密封垫（7）提供密封。当允许不同另部件之间移动时，该系统在冷却器及冷却器延伸板之间维持完全的密封
· 氢气回路和水系统回路之间的密封
这里，密封来自于每个冷却管的高质量的密封，它由制造厂的工艺保证质量。密封同样来自于在冷却管端壁里涨管工艺，无论冷却水对氢气和氢气对冷却水的泄漏，均采用冷却器制造厂的水压试验所保证。
· 冷却水回路与环境周围空气之间的密封。
这个密封是由放置在冷却管端壁和水箱盖之间的平板密封垫所维持，然后在二者之间采用适当的压紧。
6．在发电机中冷却器的位置
· 见图1-11给出冷却器在发电机中冷却器的位置。冷却器，它被水平安放在发电机里，来自供水系统的进水，它对角线地放置于发电机的两端。
· 冷却器被放置在定子机座的上部，并且相对于定子轴线对称地放置。
· 冷却器被对称地放置在氢气回路里。
· 冷却气在水系统回路采用并联结构。
1.1.2.2 定子铁芯
定子铁芯是定子有效部分之一，分为四个部分介绍：
· 磁路铁芯
· 定子铁芯与机座的固定
· 铁芯压板的轴向分段
· 定子铁芯的冷却
此外，尚有定子铁芯监测仪表将在后述介绍。
定子铁芯
定子铁芯是采用特殊的晶粒定向导磁性矽钢片，即冷轧硅钢片叠压而成。这种冷轧硅钢片，它具有低损耗和高导磁率的特性，并在其上面敷盖特殊的绝

图1-10
1.冷却器框架 2.冷却管壁 3.金属框架 4.橡胶密封垫 5.压紧条 6.密封条 7.橡胶条

图1-11
1.定子机座 2.热氢气流动方向 3.冷氢气流动方向 4.出水管 5.进水管 6.汽端 7.励端
8.冷却器 9.冷却器

缘漆，每片将采用包含胶质硅酸盐的油性漆薄膜复盖作绝缘。这种叠片具有一系列的优点。
· 由于最大的磁导率是沿磁通路径方向，于是定子磁轭的高度能够减少，这将允许减小定子结构设计尺寸。
· 使定子轭中的磁压降大大地降低。
· 使整个定子铁芯中的损耗比普通矽钢片的铁芯要小得多。
· 在矽钢片两个外表面上复盖的保护漆能够承受300℃以上的温度，并且能够增强主绝缘性能。
定子铁芯叠压是由许多冲片铁芯段（1）叠压而成，每段铁芯厚度为几厘米，在每段铁芯内，相邻叠片之间错开叠压联结。采用径向通风沟（2）分隔铁芯段，氢气通过径向通风沟流动，以冷却定子铁芯。
在定子铁芯两端的首末段铁芯采用特殊的增强绝缘。
在通风沟上的定子通风槽钢采用非磁性材料。
除了径向磁通以外，端部铁芯同样承受端部漏磁通的影响，端部漏磁通的轴向分量在很小的励磁电流时会增加，特别当电机运行于吸收电感性负荷时，即进相运行时，更为突出。
为了防止过高的温升，由于这种端部漏磁通引起的附加损耗需要在定子铁芯端部进行一系列的特殊的设计：
· 为了减小端部漏磁通的影响，并且为了减小冷却氢气进入空气隙的阻力，定子铁芯端部设计成阶梯形，即沿径向铁芯高度逐级减小。
· 端部铁芯叠片采用胶粘合。
· 为了减小在定子铁芯的涡流，在端部铁芯矽钢片齿部分切开一个窄条小槽，直到槽底部。
铁芯每张叠片的外边缘上，冲制两个鸽尾槽，该鸽尾槽供将定子铁芯固定在弹性鸽尾筋上，并沿定子机座内侧均匀分布。见图1-12。
柔性支撑系统
在运行时，两极发电机定子铁芯承受与转子同步速度相同的椭圆形的径向振动，产生4节支振动模态。为了减小径向振动对定子机座，端部结构以及基础的影响，定子铁芯叠压是依靠固定在定子机座上的弹性定位筋叠压而成。
每根定位筋（1）焊接在定位筋托块（6）上，定位筋托块本身焊接在弹性筋（2）上，同时弹性定位筋又焊接在定子机座环板（3）上，这种弹性定位筋设计提供了定子铁芯和机座之间的隔振系统。
这种柔性支撑系统设计，不仅仅允许由磁极吸引和膨胀引起的径向位移，而且允许由正常或故障转矩产生的切向位移。这种位移当然是相对于固定的定子机座，在定子铁芯和机座之间的阻尼必须保证铁芯和机座振动足够小。
在定位筋内侧有鸽尾筋，定子铁芯叠压固定在鸽尾筋上。见图1-13。
定子铁芯压板——磁屏蔽环
· 定子铁芯压板

图1-12
1.标准叠片铁芯段 2.通风沟