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：