水轮发电机基本知识介绍

水轮发电机基本知识介绍
一. 关于发电机电磁设计
水轮发电机电磁设计的任务是按给定的容量、电压、相数、频率、功率因数、转速等额定值和其他技术要求来确定发电机的有效部分尺寸、电磁负荷、绕组数据及性能参数等。

水轮发电机电气参数的选择，主要依据电力系统对电站电气参数和主接线的要求，同时根据《水轮发电机基本技术条件》、《导体和电器设备选择设计技术规定》等相关规范来选择，当然也要根据具体电站的要求。

在电磁设计过程中考核的几个主要参数：磁密，定、转子线圈温升，短路比，主要电抗，效率，飞轮力矩。

二. 电磁设计需要输入的基本技术数据
（一）额定容量、有功功率、无功功率和功率因数的关系
Φ--发电机输出电流在时间相位上滞后于电压的相位角
额定容量S=√3U N I N =22Q P
有功功率P=√3U N I N cos φ=S ·cos φ
无功功率Q=√3U N I N sin φ=S ·sin φ
cos φ= S
P （二）发电机的电磁计算需要具备以下基本的额定数据：
功率/容量，功率因数，电压，转速（极数），频率，相数，飞轮力矩（转运惯量）
1. 额定容量（视在功率）或者额定功率（有功功率）
S=φ
cos P （kV A / MV A ） P=水轮机额定出力×发电机效率 （kW / MW ）
发电机的容量大小更直接反映发电机的发电能力。

有功功率结合功率因数才能完整反映发电机的输出功率能力。

2. 额定功率因数cos φ
发电机有功功率一定时，cos φ的减小，可以提高电力系统稳定运行的功率极限，提高发电机的稳定运行水平；同时由于增大了发电机的容量，发电机造价也增加。

相反，提高额定功率因数，可以提高发电机有效材料的利用率，并可提高发电机的效率。

近年来由于电力系统容量的增加，系统装设同步调相机和电力电容器来改善其功率因数，以及远距离超高压输电系统使线路对地电容增大，发电机采用快速励磁系统提高稳定性，使发电机额定功率因数有可能提高。

取值：0.8，0.85，0.875，0.9，国内大容量多取0.85~0.9，国外发达国家多取0.9~0.95。

灯泡式水轮发电机由于受结构尺寸限制，功率因数较一般水轮发电机的取值高，以减小气隙长度，提高通风冷却效果。

(1) 一般水轮发电机
GB/T7894-2009 水轮发电机基本技术条件：
《水电站机电设计手册-电气一次》：
(2) 灯泡贯流式发电机
JB/T7071-2005 灯泡式水轮发电机基本技术条件：
3.额定电压U N
额定电压的选取需综合考虑对发电机的技术经济指标，对发电机断路器开断容量，对母线、变压器低压线圈，对近区负荷的供电电压及其输配电设备的投资运行费等因素的影响。

对发电机而言，一般来说，额定电压选得低，电机消耗的绝缘材料和有效材料（硅钢片、铜）可相应减少；但并非越低越好。

灯泡式水轮发电机安装在水下流道内，因密封不良或停机检修时，线圈绝缘容易受潮而引起绝缘性能下降。

为安全可靠运行，发电机额定电压选择比一般水轮发电机低。

同时由于灯泡式水轮发电机外径受到限制，比一般水轮发电机外径小得多，提高端电压会使铁心加长，造成发电机制造、通风等方面的困难。

灯泡式发电机额定电压与额定容量的关系可参考下表选择。

4.额定转速n N
5. 额定频率 f =50Hz
多数美洲国家采用60Hz
6. 发电机极数 2p= N
n f 60×2 三. 发电机主要性能参数
1. 短路比
是指同步发电机在空载额定电压所对应的励磁电流I f0下三相稳态短路时的短路电流I k0与额定电流I N 之比。

也等于产生空载额定电压和额定短路电流所需的励磁电流之比。

Kc=N
k I I 0 短路比小，负载变化时发电机的电压变化较大，并联运行时发电机的稳定度较差。

增大气隙可减小同步电抗X d ，使短路比增大，电机性能变好，但励磁电动势和转子用铜量增大，造价增高。

随着单机容量的增大，为提高材料利用率，希望短路比有所降低。

短路比是根据电站输电距离、负荷变化情况等因素提出的。

短路比大，可提高发电机在系统运行的静态稳定，发电机的充电容量也相应增大。

水轮发电机的短路比一般为0.9~1.3。

对于要求电压变化率很小或充电容量较大的电机，可采用较高数值。

2. 电抗及时间常数
进行稳态分析时需要的参数：定子绕组漏抗X σ，直轴电枢反应电抗X ad ，交轴电枢反应电抗X aq ，直轴同步电抗X d ，交轴同步电抗X q 等；
进行瞬变状态分析时需要的参数：直轴瞬变电抗X d ’，直轴超瞬变电抗X d ”，交轴超瞬变电抗X q ”，定子绕组开路时励磁绕组的时间常数T d0’，定子绕组短路时励磁绕组的时间常数T d ’，定子绕组及励磁绕组短路时直轴阻尼绕组的时间常数T d ”，励磁绕组短路时定子绕组的时间常数T a 等；
进行不对称负载运行状态分析时需要的参数：负序电抗X 2，零序电抗X 0等。

(1) X d --反应发电机静态稳定运行的能力，影响发电机的过载能力，X d 小，静过载系数（发电机可能输出的最大电磁功率与额定电磁功率之比）。

计算发电机滞后运行情况（常规工况）时，采用饱和值；在调相运行和充电运行时采用不饱和值。

(2) X d ’--发电机发生三相短路后，在自动电压调节器的调节下能够稳定运行的能力，影
响暂态稳定。

发电机额定运行或小波动运行时，为不饱和值，三相短路时为饱和值。

(3) X d”--发电机端口的三相短路电流周期分量与X d”成反比。

对电抗、短路比及时间常数的具体取值，标准中未见有规定。

在GB/T7894-2009中只提到：交、直轴超瞬态电抗（不饱和值）之比（X q”/X d”）一般为0.98~1.25。

《水电站机电设计手册-电气一次》：
发电机主要电抗参数及其影响见下表：
水轮发电机主要参数的典型值（不饱和值）：
3.飞轮力矩GD2
直接影响到发电机在甩负荷时的速度上升率和系统负荷突变时发电机的运行稳定性，因此它对电力系统的暂态过程和动态稳定也有很大影响。

当水轮发电机组的部分负荷被切除时，水轮机的驱动转矩与发电机的电磁转矩一时失去平衡，机组的转速上升，此时GD2越大，机组转速变化率越小，电力系统运行的稳定性就越高。

但是GD2过大，使发电机重量增加，导致成本的提高。

GD2由水轮机的调节保证计算确定。

4.机械（或惯性）时间常数
表示在发电机额定转矩作用下，把转子从静止状态加速到额定转速所需要的时间。

与飞轮力矩成正比。

储能时间常数H：国外一些厂家习惯用储能常数（或能量系数）表示发电机转子储存的能量，其表达式为：
H=((5.479/1000)*J*(N_N^2))/P_N
H：单位为s，kW.s/kVA
J：转动惯量tm^2，=1/4*GD^2
N_N：转速rpm
P_N：容量kVA
5.调相容量及充电容量
(1) 发电机的运行状态
当电网或原动机偶然发生微小扰动时，若在扰动消失后发电机能自行回复到原运行状态稳定运行，则称发电机是静态稳定的；反之，就是不稳定的。

当发电机带感性负载时，电枢反应具有去磁作用，这时为了维持发电机端电压恒定，就必须增大励磁电流，以补偿电枢反应的影响。

因此，无功功率的调节依赖于励磁电流的变化。

在原动机输入功率不变，即发电机输出功率P恒定时，改变励磁电流将引起同步电机定子电流大小和相位的变化。

将cosφ=1时的励磁电流定义为“正常励磁”值（点），此时发电机输出纯有功功率，定子电流最小，且与端电压同相位。

发电机“过励”状态：从“正常励磁”点开始，励磁电流增大，cosφ减小，定子电流增大，并滞后于端电压，发电机输出滞后无功功率（感性无功）；
发电机“欠励”状态：从“正常励磁”点逐步减小励磁电流，cosφ减小，定子电流变大，并超前于端电压，发电机向电网输出超前的无功功率（容性无功），或者说吸收滞后的无功功率。

滞(迟)相运行：发电机在过励状态下，既向系统输送有功功率又输送感性无功功率。

这是发电机的工作常态。

进相运行：发电机在欠励状态下，向系统输送容性的无功功率和部分有功功率。

由于发电机进相运行时处于欠励状态，为保证进相运行的安全，机组的千伏安出力应经试验分析确定。

SL321-2005：进相深度为0.95时应能长期运行（即cosφ=0.95超前）。

充电运行：发电机投入空载高压长距离输电系统运行，即不发出有功功率，只
向系统输出容性无功功率，是进相运行的一种方式。

调相运行：发电机工作在电动机状态，不发出有功功率，只向系统输出感性无功功率，发电机处于过励状态。

(2) 调相容量
水轮发电机作调相运行时的容量按转子励磁绕组的允许温升确定，通常范围为
(0.6~0.75) SN。

(3) 充电容量
发电机端电压为额定电压时，发电机带电容性负载运行最大可能吸收的系统无功功率的容量。

6.效率
四. 发电机结构型式
1.立式：
(1)立轴悬式：推力轴承位于转子上部，适用于中高速机组。

优点：机组径向机械稳定性好，轴承损耗较小，维护检修方便。

(2)立轴伞式：推力轴承位于转子下部，全伞，半伞，中低速大容量采用。

优点：结构紧凑，机组总高度比悬式低；可减轻定子和负重机架重量，从而可减轻发电机总重量，
缺点：推力轴承直径较大，轴承损耗比悬式大。

2.卧式：两轴承，三轴承
3.灯泡贯流式
4.轴伸贯流式
五.通风系统
1.开启式自通风：1000kV A及以下
2.管道式通风：1000～4000kV A
3.密闭自循环通风冷却
4.密闭强迫循环通风冷却：灯泡贯流式机组
六.发电机设计中需注意的一些要求
1.高海拔地区的定子线圈防晕；
2.直径较大的定子铁心为防止热胀冷缩引起的变形所采取的措施；
3.制动器采用两腔结构还是油气分离的三腔结构，制动块的材料是否要求无石棉；
4.转速较高或轴承直径较大的轴承防油雾措施。

5.关于定子铁心的穿心螺杆
6.关于弹性金属塑料瓦
（厂家资料，供参考）。