发电公司电气专业培训教材(上)

发电公司电气专业培训教材
（上）
第一部分：三相交流发电机
第一节发电机的工作原理与构成
一、三相交流发电机的工作原理
发电机是根据电磁感应原理来工作的，能把机械能转换为电能的旋转电机，在火电厂中，用汽轮机作为发电机的原动机，整个机组叫汽轮发电机组，其中的交流发电机称之为汽轮发电机，那么汽轮发电机是怎样发出的电能？根据电磁感应原理，只要导体切割磁场，在导体中就会产生感应电动势，也就是说，不管是导体运动还是磁场运动，只要是导体与磁场之间有相对运动，导体切割了磁力线，就会在导体中产生感应电动势。

在工程实际应用中，发电机制造厂家适当选择了转子磁极的形状，使得在励磁绕组中流过电流后，发电机定转子之间气隙中的磁感应强度大致按正弦规律分布，当汽轮机带动发电机转子旋转时，就得到了一个在空间旋转的磁场，此旋转磁场与静止不动的三相定子绕组就发生相对运动，在三相定子绕组中感应出正弦交流电动势，由于三相定子绕组在制造时，其每相绕组在空间的位置是对称的，因此感应出的电动势也是对称的，我们在工程实际中，按照三相电路中的连接方法，把定子绕组接成星形后，再与负载接通，在感应电动势的作用下，电路中就出现电流，向负载输出电能。

二、三相交流发电机的构成
从总体结构上来看，三相交流发电机都是由建立磁场的转子和产生电动势的定子的两大部分组成的，转子由导电的转子绕组与建立磁场并增强磁场强度的转子铁芯构成，定子由导电的定子绕组与导磁的定子铁芯构成，发电机的定子绕组与转子绕组构成了发电机的电路部分，发电机的定子铁芯与转子铁芯构成了发电机的磁路部分，发电机定子与转子之间，彼此没有电和机械的直接联系，发电机定子与转子磁路之间通过磁力线相联系，利用磁的联系传递能量、转换能量。

三、三相交流发电机频率与转速的关系
交流电动势每秒钟变化的次数称之为交流电的频率，而交流电动势是由转子磁场感应出来的，发电机转子是由汽轮机拖动进行旋转的，显然发电机转子磁场要是只有一对磁极，当转子磁场旋转一周时，定子绕组中的感应电动势就要交变一次。

那么按照这个原理，具有P对磁极的转子磁场旋转一周时，定子绕组中的感应电动势就要交变P次。

转子磁场每分种旋转N转，电动势每分钟交变PN次，于是发电机转速与交变电势的频率有以下关系：f＝PN/60 由于汽轮机在高转速下运行是比较经济的，规定为每分钟为3000转，汽轮机发电机转子磁极为一对极，即两极电机，从以上叙述可知，发电机转子每分钟旋转3000转，极对数为一对极，那么发电机每秒钟电势交变50次。

即交流电的频率为50周/秒，也称之为50Hz或工频（我国的规定）。

第二节WX21Z—085LLT 150MW发电机结构及规范一、WX21Z—085LLT 150MW发电机型号及主要技术参数
主要技术参数
名称单位参数
型号WX21Z-085LLT
额定容量Sn MV A 176
额定功率Pn MW 150
额定功率因数COSφn 0.85
定子额定电压Un KV 15.75
定子额定电流In A 6469
频率fn 50
转速ｒ／ｍｉｎ3000
额定励磁电压V 248
额定励磁电流 A 1344
定子线圈接线Y
冷却方式循环密闭式空气冷却
励磁方式静止可控硅励磁
定子线圈绝缘等级 F
转子线圈绝缘等级 F
定子铁芯绝缘等级 F
定子线圈极限温度℃120
WX21Z—085LLT 150MW发电机空冷系统构成
该型号发电机为空冷、自通风的两极隐极式转子电机，具有含空气－水热交换器（空冷器）的封闭冷却回路，空冷器位于发电机下部的基础里，发电机有两条对称于发电机中心的空冷回路，冷却空气由发电机转子两端风扇打入，一部分冷却空气进入转子线圈端部区域，冷却转子绕组端部，然后进入气隙，一部分冷却空气直接进入气隙，在此处与来自转子端部线圈的冷却空气汇合，然后冷却转子本体表面，另一部分冷却空气对定子线圈端部冷却后，沿轴向风道进入机座中部，冷却铁芯和绕组后，进入气隙，再冷却转子本体中部。

然后与前两部分冷却空气汇合，经过定子铁芯中的径向通风道冷却定子绕组和铁芯后回到空气冷却器，经冷却后，再回到风扇，形成循环。

定子绕组采用间接冷却方式，热流经槽壁，从绕组绝缘传至铁芯，由流经铁芯径向通风道的冷却空气冷却铁芯，发电机机座作为业子通风风道，使空气不仅通过气隙而且通过铁芯外圆进入各段铁芯，以使轴向温度均匀分布。

转子导体中风路是冷风从护环板和转轴之间吹进转子，进入转子绕组端部风腔，在槽入风口处冷风进入转子空心导体，在导体中，这部分冷风分成两部分，一部分冷风通过槽中的空心导体到达转子中心部位，从那里穿过空心导体和槽楔上的径向孔进入气隙。

另一部分冷风通过绕组端部空心导体，到达磁极轴线部分，从那里它由空心导体内
排出，最后通过转子本体端部的月牙槽进入气隙。

注：发电机转子绕组是含银空芯导线制成，绕组上有进、出风口（内部冷却）发电机绝缘材料制造为F级，运行中按B级考核标准执行。

发电机测温装置
发电机的测温装置主要用于温度等检测以保证安全运行，WX21Z —085LLT 150MW发电机所配测量装置分述如下。

1、定子温度测量：定子绕组中有6个PT100电阻测温元件，围绕圆
周平均分布，放置在绕组层间，用于遥测各点的温度。

2、冷空气温度测量：在发电机冷风道里安装有两只PT100电阻温度
测温元件，用于遥测温度，两只带电接点温度计，用于现场监测温度。

3、热空气温度测量：在发是热风道里安装有两只PT100电阻温度测
温元件，用于遥测温度，两只带电接点温度计，用于现场监测温度。

4、轴承温度测量：每个轴承出油口处装有带电接点的指针式温度
计，用于现场监测温度。

空冷发电机出入口温度规定
发电机的入口风温最高不得超过40℃、出口风温最高不得超过90℃、发电机两侧入口风温差不超过3℃出、入口风温差不超过50℃，上述温度都做入电气与汽机DCS画面中，使用PT100电阻埋入发电机内部进行测温共有六个测点，沿发电机圆周分布。

（PT—铂电阻，0℃时铂的电阻值为100Ω，测量误差为±3℃，测温范围0℃—300℃）在
DCS画面上以棒状图显示温度，同时棒状图以不同的颜色来提醒值班员注意温度的变化趋势，红色及绿色分别代表温度高、及温度正常。

发电机空冷器共有6组，进水量420T/H，进水温度不超过33℃，出水温度不超过38℃。

二、WX21Z—085LLT 150MW发电机特殊部分
由山东济南发电设备厂按阿尔斯通技术标准制造的150MW发电机组与国产机组略有不同，现分别介绍如下。

1、发电机本体两端装设有空气滤清器：因该型号发电机为循环密闭空冷式发电机组，但实际上整个空气冷却系统，不可能做的非常严密，在风扇的出风区，空气就会泄漏到发电机外部，在风扇的进风区空气就会被从发电机外部吸入，为防止含有灰尘及水分的空气补入发电机内部，以保证发电机安全运行，在发电机运行中应定期对空气滤清器进行检查和清洗。

2、发电机励端冷却风道：在发电机励端即正负极滑环下方装设有冷却风道，该风道与室处相通在发电机正常运行时对发电机滑环及碳刷进行冷却。

3、发电机励端接轴碳刷：传统的发电机为了避免轴电流对发电机的危害，通常在发电机的汽侧装有接轴碳刷，但该型号发电机在汽侧装有传统的接轴碳刷，而在励端还装设有一套阻容碳刷接轴装置，其作用有以下两方面：A、因汽端接轴碳刷的工作环境相对比较恶劣，高温、油雾的影响，有可能使汽端接轴碳刷接地失效，因而在发电机的励端安装一套阻容碳刷接轴装置。

B、静态励磁系统给转子实际上提供的直
流电源是一个脉动直流，由于转子绕组存在电容效应，这样在发电机轴上将感应出30V—80V的轴电压，而阻容接轴碳刷能将此电压抑制在3V以下的安全范围内。

发电机滑环及碳刷系统
滑环也称集电环，分为正负两个环，为了缩短的支撑点间的距离和减小滑环直径及圆周速度，滑环都装在发电机励磁侧的轴承外侧。

通常负滑环靠发电机侧，正滑环靠励侧，励磁电流由静止的电刷通过旋转的滑环注入转子绕组，电刷和滑环是滑动接触。

正负极滑环上各装设碳刷5组，每组3块。

共计30块碳刷。

励磁电流通过滑环和电刷装置传输到发电机转子绕组，开槽的滑环和用于冷却的滑环风扇位于发电机非驱动端，冷却空气经过冷却风道从室外吸入，对滑环和电刷进行冷却，电刷装置由电刷支架、带导电板环、导风板、罩、电刷装配、引出线、轴封圈、阻容接地装置等部分组成。

电刷的数量由励磁电流决定，但每个插入式提刷装置上应有三块电刷，通过改变提刷装置的数量以满足励磁电流的要求。

正负极滑环上各装设碳刷5组，每组3块，共计30块碳刷。

当电刷达到应用极限前应取出并更换，磨损极限为电刷的红顶指示接近刷握的最低点，为了防止电刷顶端悬挂在刷握上，电刷在达到磨损最低极限前必须保留几毫米并将电刷取出，绝对不能等到零点时再取出。

发电机运行中更换滑环电刷的注意事项
1、在同一时间内只允许一个人在一个极上操作。

2、必须穿绝缘鞋或站在绝缘胶垫上。

3、戴上护目眼镜以防粉粒飞出。

4、不要接触发电机的其它部件。

5、每次只能拉出或插入一个提刷装置，更换其中的电刷，并将其插
入回去。

6、应在励磁电流低的时候操作。

7、遵守安规中的相关规定。

发电机运行中更换接地电刷的注意事项
WX21Z—085LLT 150MW发电机励端有两块接轴接地电刷，汽端有两块接轴接地电刷，接地电刷一般在停机时更换，若在运行过程中更换此电刷，一次只能取出一只电刷以保持转子与地电压相同。

1、在同一时间内只允许一个人在一端上操作。

2、不要接触发电机的其它部件。

3、必须穿绝缘鞋或站在绝缘胶垫上。

4、戴上护目眼镜以防粉粒飞出。

5、每次只能更换一块电刷，更换后将其插回。

6、遵守安规中的相关规定。

碳刷的负温度特性
是指随碳刷本体温度的升高，接触电阻反而减小，当温度升至80℃—100℃时，接触电阻最小，当超过100℃时，接触电阻反而增大。

由于碳刷的负温度特性，要求其均流特性要好。

在发电机刚投运和连续运行10天之内，要特别注意碳刷的运行温度和对其的检查。

规定：滑环的运行温度不超过120℃，每100小时磨损不超过3MM。

日常运行中，
要求连续运行温度不超过85℃—90℃。

碳刷温度的测量：1）测量刷辫与碳刷的温度、2）测量刷握的温度、3）测量滑环与碳刷结合面的温度、4）测量正负极滑环的温度。

碳刷的维护：换碳刷时，因使励磁电流尽量小，因正负极滑环相很近，要注意防止正、负极短路，调整碳刷时，温度高的碳刷说明通过的电流大，应调整温度低的碳刷，温度低说明其通过的电流小，接触不良或其他原因引起，应仔细检查处理，每次更换的碳刷最多不超过总数的1/3。

第三节发电机静态励磁系统
发电机静态励磁系统（参考EXC—9000型）
发电机励磁系统的主要任务是向发电机的励磁绕组提供一个可调的直流电流，以满足发电机正常运行的需要。

无论在稳定运行或暂态过程中，同步发电机运行状态在很大程度上与励磁有关。

对发电机的励磁进行的调节和控制，不仅可以保证发电机运行的可靠性和稳定性，而且可以提高发电机及其电力系统的技术经济指标。

WX21Z—085LLT 150MW发电机采用的是静态励磁方式，也称为机端自并励励磁系统，指的是发电机出口处装设有一台降压的励磁变压器通过晶闸管向发电机提供受控的励磁电流，其显著特点是整个励磁装置中没有旋转的励磁机部分，电源来自静止的变压器所以又称为静态励磁系统。

这种系统没有转动部分，励磁系统接线相对简单，维护简单，造价低，而且是一种高起始响应系统。

但这种系统也有缺点，当发生发电机机端短路时，励磁电压会严重下降，以至完全消失。

实
际证明，在短路开始的0.5S内，静态励磁与它励方式的励磁能力是很接近的，只是在短路0.5S以后才明显下降。

因此，只要发变组装设了动作时间小于0.5S的快速保护，就能满足静态励磁系统的要求。

自动励磁调节器概述
自动励磁调节器是发电机励磁控制系统中的控制设备，其基本任务是检测和综合励磁控制系统运行状态的信息，即发电机的端电压、静子电流、转子电流、有功功率、无功功率、发电机频率等，并产生相应的控制信号，控制励磁功率单元的输出，以达到自动调节励磁、满足发电机及系统安全稳定运行的需要。

自动励磁系统主要作用分析
1、控制发电机机端电压
在系统正常运行条件下，励磁调节系统供给同步发电机所需要的励磁功率，根据不同的负荷情况，自动调节励磁电流，以维持机端或系统某点电压在给定水平上。

根据发电机的外特性曲线可知，造成发电机空载电势与端电压差值的主要原因是负荷电流中无功电流的大小，如果发电机的励磁电流保持不变时，当负荷的无功电流越大时，端电压降低也越严重，发电机的外特性曲线就是保持发电机转速不变，发电机的负载和负载功率因数为常数的情况下，发电机端电压随负载变化的曲线。

我们所说的负载一共可以分为三类，即电感性负载、电容性负载、电阻性负载，发电机在接带这三种不同的负载时所对应的外特性曲线是不一样的，容性负载的增大使发电机端电压上升，而阻性和感性负载的增大使发电机端电压下降。

从电力系统实际情况来看，
负载都是阻性与感性的一种综合，当发电机接带这种综合负载时，发电机电枢反应的结果是将发电机气隙磁场削弱并扭曲，这就必然会使发电机的感应电势减小，因而使发电机的端电压降低，就必须增加转子励磁电流以增强主磁场，从而补偿由于电枢反应引起气隙磁场被削弱的程度。

2、控制无功功率分配
发电机输出的无功功率和励磁电流有关，调节励磁可改变发电机输出的无功功率。

在实际运行中，改变励磁会使端电压和输出无功功率都发生变化，但端电压变化较小，而输出的无功功率会有较大的变化。

控制并联运行的发电机之间的无功功率分配是励磁系统的重要功能，通过控制励磁调节器的调差单元，可保证并联运行发电机组的无功功率得到合理分配。

调差率的定义是自动励磁调节器的调差单元投入，电压给定固定不变，发电机的功率因数为零的情况下，当发电机的无功负荷从零变化到额定值时，用发电机额定电压百分数表示的机端电压变化率。

发电机端电压的调差率反映了在自动励磁调节器的作用下发电机端电压随发电机无功输出的变化，有三种调差特性，一是无调差特性、二是正调压特性、三是负调压特性。

两台或两台以上发电机并联运行，若都为无差特性，则无功功率分配不稳定，是随机的，或者一台发电机电压高，另外一台发电机电压低，而无功功率由电压低的发电机承担。

一台有差和一台无差的发电机并联运行，则或者两台承担的无功功率相同，无功功率变化由有差特性的发电机承担，或人工调节无差发电机励磁电流，改变其工作点。

两台或两台以上发电机
并联运行时，按调差系数大小分配无功功率，调差系数小的分配到的无功功率多，调差系数大的分配到的无功功率少。

3、在正常和事故情况下能提高系统的静稳和动稳
根据发电机的功角特性可知，发电机在功角特性曲线上升段运行时，发电机是稳定的，在功角特性曲线下降段运行发电机是不稳定的，所以说发电机的静稳极限是功角为90度，如果励磁系统具有按电压偏差调节的励磁调节器，发电机运行在功角特性曲线上升段的某一点上，若励磁电流不变，当发电机的负荷电流增加时，即发电机的功角增大，而发电机的端电压要减小一些，这时发电机的自动励磁调节器将增加励磁电流，使发电机的静稳工作点将过渡到波幅较高的一条功角特性曲线上，同理，当功角再增大时，励磁调节器又增加发电机的励磁电流，发电机的静稳工作点又将过渡到波幅更高的一条功角曲线上，自动励磁调节器按电压偏差调节的放大倍数越大，发电机维持机端电压的能力越强，发电机电势增加越大，功角特性曲线波幅越高，发电机的稳定极限功角就越大。

由上可知，性能优良的励磁系统改善了实际的运行功率特性，提高了功率输送极限，而且扩大了稳定区，使发电机能在功角大于90度的区段运行，我们通常把这一区段称为人工稳定区。

4、励磁调节系统对动稳的影响。

为了提高静态稳定特性，希望自动励磁电压调节器具有较大的放大倍数，然而高放大倍数，高起始响应的励磁调节器在某些情况下容易产生负阻尼，使系统的动态特性变坏，使系统发生振荡的可能性增加，
所谓负阻尼，就是说当发电机功角增大时，即功角增大，则相应的制动转距也应增大以减小振幅，可是由于励磁系统的相位滞后，励磁调节器反而产生了（减小制动转距）的相反作用，这样就使得振幅增大，也就是说由于发电机功角的变化引起发电机反馈电压的变化，而发电机电磁转距的变化滞后于反馈电压的变化，所以产生了负阻尼转距分量，如果负阻尼转距大于机组的自然阻尼和电枢反应去磁效应产生的正阻尼作用，则机组就会产生振荡。

用Pss装置来解决这一问题。

（见后）
静态励磁系统中关于强行励磁的问题
强励：当电力系统由于发生短路事故，造成系统电压下降，这时发电机的励磁系统能在极短的时间内，将发电机的励磁电流增大到一定数值，以保证发电机并列运行的稳定性，同时也是提高电力系统稳定最经济、最有效的手段这之一。

励磁系统强励性能的主要指标有：
1、励磁顶值电压倍数（即励磁电压强励倍数）它是指强励期间励磁功率单元可能提供的最高输出电压与发电机额定励磁电压之比。

强励倍数高，可使发电机电势升高，有利于系统稳定。

2、励磁系统电压响应时间或励磁电压响应比。

电压响应时间是指在发电机励磁电压为额定励磁电压时，从施加阶跃信号起至励磁电压达到最大励磁电压与额定电压之差的95％所花费的时间。

励磁系统电压响应时间等于或小于0.1S的励磁系统称为高起始响应的励磁系统，静态励磁系统就属于高起始响应的励磁系统。

静态励磁系统概述
1．静态励磁系统的组成：由机端励磁变、大功率晶闸管构成励磁功率单元部分，它的作用是向发电机转子绕组提供直流励磁电源。

由机端TV、TA、励磁变副边TA、转子电压、转子电流、等电气反馈量与微机装置共同构成励磁调节部分，它的作用是根据发电机的不同运行工况，自动的调节励磁功率单元输出励磁电流的大小，以保证发电机安全稳定运行。

2、静态励磁系统的工作原理：大型发电机在启动时，由于转子剩磁小，发电机自建压困难，所以需要借助外部启励电源对发电机转子线圈提供初始励磁电流，使发电机静子电压升至一定水平后，机端励磁变低压侧输出的交流电，通过晶闸管整流后向发电机提供正常的直流励磁电流，而启励电源自动退出工作，这时A VR根据设置好的运行方式控制晶闸管导通角的大小，而自动的调节发电机励磁电流的大小，保证发电机的端电压的给定运行水平。

3、静态励磁系统中的名词及术语解释
晶闸管：晶闸管是一种大功率的整流元件，它的整流电压可以控制，当供给整流电路的交流电压一定时，输出电压能够均匀调节，它是一个具有三个极的半导体器件。

分别是阳极、阴极、和控制极，在整流电路中，晶闸管阳极、阴极在承受正向电压的时间内，在控制极加上触发脉冲，这时晶闸管将交流电整流为直流电输出，如果改变控制极触发脉冲的输入时刻，即改变晶闸管控制角的大小，在负载上可以得到不同数值的直流电压。

在静态励磁系统中我们把晶闸管也称之为功
率柜，一般一台发电机设有两台输出电流完全相同的功率柜，而满足不同的运行工况即单柜满足额定，双柜满足强励。

功率柜是静态励磁系统中的核心元件之一，它能否稳定运行决定发电机能否稳定运行，150MW发电机额定励磁电流是1344A，在正常情况下两台功率柜并联运行，平均分配励磁电流，晶闸管的结温不应超过115度，这种大功率的晶闸管都设有冷却系统，每个功率柜设有两组风机对其进行吹风冷却。

整流：交流变直流。

即AC—DC
逆变：直流变交流。

即DC—AC
A VR：自动励磁（恒电压）调节装置的英文缩写。

FCR：手动励磁（恒电流）调节装置的英文缩写。

灭磁：将发电机转子绕组中的残余磁场能量转换为其它形式的能量消耗掉。

4、发电机静态励磁系统图
5、静态劢磁系统中各TV 、TA 及各功能装置的作用：
1TV 、3TV —给A VR （两套）提供电压反馈量，是有功功率、无功功率计算的依据。

励磁变 + -
转
子
线圈 启励电源 TA 分流器
机端TA的作用：给A VR提供电流反馈量，是有功功率、功功率计算的依据，同时也是防误逆变的依据
励磁变副边CT的作用：给A VR提供一个电流反馈量，是过励、欠励、强励判据之一。

BOD板：检测出发电机转子绕组正向过电压时，给可控硅跨接器中晶闸管的控制极一个触发脉冲，让其导通。

过电压检测器：它能反应出发电机转子绕组正向及反向过电压，并将这一信号上传装置及DCS系统报警。

可控硅跨接器：在转子绕组发生正、反向过电压时，导通晶闸管或二极管，将转子绕组磁场能量消耗在灭磁电阻上，主要作用是1、灭磁。

2、防护转子绕组过电压。

它由BOD检测板、正向晶闸管、反向二极管、耗能电阻、过电压动作检测器共同构成，请参照静态励磁系统图。

起励装置：给发电机提供一个初始的励磁电源，使发电机定子绕组建压。

由发电厂的直流系统或交流系统整流后供电。

5S内建压至额定电压的10%（静子），起励装置自动退出。

励磁电流：给A VR提供一个励磁电流的反馈量，作为恒电流调节的依据，同时也是过励、欠励、强励的辅助判据。

同步变的作用：1、给A VR装置提供24V装置电源，2、当晶闸管具备导通条件时，提供移相触发信号，即提供控制脉冲与晶闸管整流桥电源同步。

电力系统稳定器（PSS）的作用：并列运行的发电机在小干拢下发生的频率0.2 —2.5H Z范围内的持续振荡现象叫低频振荡。

低频振荡产生的。