21发电机结构及冷却

第一节600MW发电机的结构和冷却系统1.1600MW发电机的技术参数1.2发电机的冷却1.3发电机定子的结构特点1.4发电机转子的结构特点1.5水氢氢冷600MW发电机的通风系统1.6发电机密封油系统1.7发电机氢气系统1.8发电机定子绕组水冷系统1.9发电机的测温及工况监视设备1.1600MW发电机的技术参数一.发电机概述1.同步发电机的功能将原动机上的动能通过发电机转子与定子间的磁场耦合作用，转换到定子绕组上变成电能。2.同步发电机的分类（1）按照原动机的不同，可以分为：柴油发电机燃气轮发电机汽轮发电机水轮发电机水轮发电机和柴油发电机转速较低，极数较多，多采用凸极式转子；汽轮发电机和燃气轮发电机转速很高，采用隐极式转子。水轮发电机组、燃气轮机组启动迅速，宜承担电力系统峰荷；火电机组及核电机组（均为汽轮发电机）不能快速启动，只宜于承担系统基荷。按照冷却介质的不同，可分为：还可分为：水冷却氢气冷却空气冷却与导线接触）内冷式（冷却介质直接接与导线接触）外冷式（冷却介质不直3.发电机单机容量不断增长，300MW、600MW已成为主力机组，部分电厂已有1000MW机组投运。优点：（1）可降低发电机的造价和材料消耗量。800MW机组比500MW机组单位成本降低17％；600MW材料消耗只有100MW机组的60％。（2）可降低电厂基建安装费。200MW100％；500MW85％。（3）可降低运行费用。运行人数、厂用电电力系统大机组的单机容量应与系统总容量相匹配，合理比例如下表。系统容量（MW）大机组经济容量系统容量小于10001000～10000大于100004～66～10约≥10％华中、华东、东北和华北四大区域电网电力系统容量均超过40000MW，故适于装置300～600MW以上的单机容量。发电机的单机功率：nl2iDKABPK为常数；A为定子绕组线负荷，A/mm；为气隙磁通密度，T；为定子内径，m；n为额定转速，r/min；l为定子铁心有效长度，m。BiDK与n不可能大幅提高。增大则转子直径增大，会使转子受到很大的离心力，特别是轴中心孔受到的应力最大，故受到转子材料的机械强度限制。转子本体最大直径1.25m。iD转子长度和直径的比例不能过大，否则刚度不够，挠度太大，使气隙不均匀，产生不平衡的磁拉力。35.6Dl大型汽轮发电机：目前硅钢片最大磁密只能达2T，气隙磁密不能超过1T，否则会过度饱和。综上，只有通过冷却技术的发展来提高线负荷A，才有较大的可能。几十年来，冷却介质由空气到氢气，又发展到水，使发电机的单机容量大幅上升。冷却介质相对比热相对密度吸热能力体积流量相对吸热量散热能力流速（m/s）相对散热系数空气氢气水114.354.1610.211000110.0513208304021584当定、转子均采用氢表冷时，汽轮发电机单机极限容量只能达100MW；转子氢内冷、定子氢表冷可达250MW；转、定子绕组均为氢内冷时，可达1000MW；目前普遍采用的是转子绕组采用氢内冷、定子铁心采用氢表冷、定子绕组为水冷（简称水氢氢冷却）方式，单机极限容量可达1200MW。超导化：定子绕组采用常导材料导电，转子绕组采用超导材料。超导励磁绕组能产生高于常导励磁绕组所能产生的气隙磁通密度，而不需定子、转子铁心的存在，定子电枢绕组可做成无巢气隙绕组，去掉了铁齿，定子的空间利用率及线负荷都大大提高，单机容量提高3倍，达3600MW。二.600MW发电机技术参数引进型和国产化型600MW汽轮发电机：额定电压多为20kV和24kV，功率因数都为0.9，效率在98.7%以上，短路比都不小于0.5，定子绕组连接法都为YY结构，冷却方式都为水氢氢。(1)额定容量(或额定功率)。额定容量是指发电机在设计技术条件下运行输出的视在功率，用kVA或MVA表示；额定功率是指发电机输出的有功功率，用kW或MW表示。(2)额定定子电压是指发电机在设计技术条件下运行时,定子绕组出线端的线电压，用kV表示。我国生产的300MW和600MW汽轮发电机组额定定子电压以20kV为主；水轮发电机额定容量为130~300MVA时，额定电压15.75kV，额定容量为300MVA以上时，额定电压为18kV及以上，长江三峡700MW水力发电机组额定电压为20kV。(3)额定定子电流。指发电机定子绕组出线的额定线电流，单位为A。(4)额定功率因数(cosφ)。指发电机在额定功率下运行时，定子电压和定子电流之间允许的相角差的余弦值。300MW汽轮发电机组的额定功率因数为0.85，600MW汽轮发电机组的额定功率因数为0.9；水轮发电机额定功率大于125MVA但不超过350MVA时功率因数，不低于0.85，额定功率大于350MVA时功率因数不低于0.9。(5)额定转速。指正常运行时发电机的转速，用r/min(每分钟转数)表示。我国生产的汽轮发电机转速均为3000r/min，水轮发电机转速不超过500r/min，国产550MW水轮发电机转速为142.9r/min，长江三峡700MW水轮发电机转速75r/min。(6)额定频率。我国电网的额定频率为50Hz(即每秒50周)。(7)额定励磁电流。指发电机在额定出力时，转子绕组通过的励磁电流，用A或kA表示。(8)额定励磁电压。指发电机励磁电流达到额定值时，额定出力运行在稳定温度时的励磁电压。(9)绝缘等级。绝缘等级是按电动机绕组所用的绝缘材料在使用时容许的极限温度来分级的。所谓极限温度是指电机绝缘结构中最热点的最高容许温度。绝缘等级AEBFH极限温度(ºC)105120130155180(10)效率。指发电机输出与输入能量之百分比，一般额定效率在93%～98%之间，300MW和600MW大型汽轮发电机组在98%以上，水轮机效率要比汽轮机低，长江三峡700MW水轮发电机最高效率达95%。发电机在运行过程中存在着各种损耗，主要是铁损(铁芯中磁场变化所产生的磁滞和涡流损耗)、铜损(铜导线中流过电流在导线电阻上所产生的热损耗)和机械损耗(转子和风扇旋转时轴承部分的摩擦所产生的损耗)。国产300MW汽轮发电机效率达到98.8%，其余1.2%的损耗竟有3600kW之巨，这样大的损耗功率在发电机内部变为热量，由于大容量汽轮发电机定—转子细长，热量不易散出，所以发电机的散热冷却就成为限制大容量发电机容量提高的主要因素。不断改进发电机的冷却技术，提高冷却效果，是大容量发电机制造中一个十分重要的问题。汽轮发电机的冷却方式按冷却介质的不同通常分为空气冷却(风扇通风)、氢气冷却和水冷却等三种类型。目前，除25MW及以下的小机组采用空气冷却外，50MW及以上的汽轮发电机广泛采用氢冷和水冷技术。1.2发电机组的冷却生产厂上海电机厂东方电机厂哈尔滨电机厂型号QFSN—600—2型QFSN—600—2型QFSN—600—2型额定功率(MW)600600600额定电压(kV)202020额定电流(A)192451910519245额定功率因数0.90.90.9额定转速(r/min)300030003000额定励磁电流/电压(A/V)4900/5003587/3935069/417冷却方式水氢氢水氢氢水氢氢效率(%)98.8598.8798.7国产600MW汽轮发电机主要参数一、冷却方式简介1.空气冷却空气冷却是以空气为冷却介质，用风扇将冷空气送入机内，经发电机内部的风道，对发热部件进行冷却，吸热后的热空气排出机外，经空气冷却器冷却后，再送入机内。为提高冷却效果，汽轮发电机常采用轴向分段等多流式通风系统。2.氢气冷却(外冷)对大、中容量的汽轮发电机，采用氢气作介质对发电机的部件进行冷却，又称氢外冷。氢外冷发电机的冷却系统的构成与空气冷却系统基本相同，只是将氢气冷却器装在发电机机壳内，以减少氢气的用量。因为氢气的导热系数比空气大6.7倍，所以冷却效果更好；氢气的密度比空气小14.5倍，故风阻和摩擦损耗仅为空气冷却的1/7左右；如果将同一台汽轮发电机由空气冷却改为氢气冷却(外冷)后，转子温升下降一半左右，容量可提高20%～25%。采用氢气冷却，可避免绝缘材料与氧气接触，从而可增加绝缘材料的稳定性。在采用氢气冷却时，需采取措施防止氢气泄漏及空气进入发电机内，否则，造成空气和氢气混合易引起爆炸。3.氢内冷冷却介质氢直接接触绕组导体的冷却方式称为氢内冷方式。这种冷却方式可使绝缘导体的热量直接由冷却介质带走，可大大提高冷却效果。转子绕组采用氢内冷时，绕组槽楔上钻有与槽底通风槽相对的小孔，氢气可以自槽底通风槽进入，冷却转子导体后，再由小孔按轴向流入空气隙。定子绕组采用氢内冷时，一般采用轴向通风方式，线棒内有不锈钢管的通风管，端部做成喇叭状的进风口，使氢气从与绕组直接接触的通风管流过，将绕组导线上的热量直接带走。定子、转子均采用氢内冷的汽轮发电机容量可制成200MW以上。4.水内冷汽轮发电机的水内冷方式，就是以凝结水(蒸馏水)作为冷却介质直接冷却绕组导体。由于水的冷却能力是空气的50倍，这就大大改善了冷却效果，明显降低了绕组温升，从而可大幅度提高发电机出力。水内冷机组的定子线棒内有空心铜质或不锈钢质的通水管，在定子机壁上装有两个空心钢管制成的圆环，称为集水环，作为发电机定子绕组冷却水的总进出水管。集水环与线棒用绝缘软管连接，构成机内冷却水通路，再由集水环与机外冷却水系统的进出水管相连，即是定子水内冷方式。发电机转子水内冷方式，是冷却水由发电机大轴的专用进水孔进入到分水箱后，经绝缘软管进入励磁绕组线束中央的空心铜管，然后再经过相连的水箱排出机外。定子、转子均采用水内冷的发电机，称为“双水内冷”发电机，容量可提高到300MW以上。目前大型汽轮发电机，广泛采用定子绕组水内冷；转子绕组氢内冷；通风系统(转子表面及定子铁芯的冷却)采用氢气冷却，简称水—氢—氢冷却方式，其容量已达1200MW。水轮发电机由于转速低，转子直径较大长度较小，所以水轮发电机的冷却更容易。大容量的水轮发电机常用的冷却方式有：密闭循环空气冷却方式、水内冷冷却方式和蒸发冷却方式。目前，利用空气作为冷却介质对定子、转子绕组以及定子铁芯表面进行冷却，仍然是水轮发电机的主要冷却方式。在大、中型水轮发电机中，采用用空气冷却器冷却的密闭循环空气冷却方式。冷却发电机后的热空气，经过通入冷却水的空气冷却器冷却后，再重新进入发电机中。二、汽轮发电机的典型冷却系统常见汽轮发电机冷却方式与容量关系，见下表注：SD―上海电机厂；HD―哈尔滨电机厂；BZD―北京重型电机厂。国产300MW、600MW汽轮发电机的典型冷却方式是水—氢—氢方式，即定子绕组是水内冷式、转子绕组是氢内冷式、定子铁芯是氢外冷方式。而现今，空冷发电机容量已达400MW以上，蒸发冷却技术也已应用到发电机中。定子绕组的线棒内设有空心铜管或不锈钢管制成的通水管。与两端的集水环用绝缘软管连接，构成机内冷却水通路，再由集水环与机外冷却水系统的水管相连，即构成定子绕组的水内冷方式。绕组线棒中导体的热量由与其并排布置的冷水管带出线棒，达到直接冷却绕组导线的目的。1.水内冷式定子绕组的冷却2.定子铁芯氢气循环冷却系统(氢外冷)国产300MW、600MW汽轮发电机定子铁芯的冷却是由氢气径向通风方式冷却的，国产300MW发电机氢气循环示意图如图所示。由图可见，定子铁芯沿轴向交替分成9个风区(段)，其中4个冷风区，用C表示，风向由机壳流向转子；5个热风区，用H表示，风向由转子流向机壳，国产600MW汽轮发电机与此类似，只是冷热风区增加到11~13个。在上图中用箭头示出了氢气的循环路径，经氢气冷却器冷却后的氢气(冷风)，从磁极两端的风扇沿轴向进入定子各冷风区(C)，再沿定子铁芯外圆四周径向流向内圆，进入转子与定子间的气隙。冷风区(C)正对转子的进风斗，将风兜入转子再斜流到相邻的出风斗，经气隙和铁芯段间的通风沟流到热风区(H)，再经定子机座外圆的风道汇集，流向发电机两端的氢气冷却器。定子铁芯与转子间氢气的流向如右图所示。3.氢内冷式转子绕组的冷却氢内冷转子是指氢气对转子绕组