水轮发电机运行与技术问答.docx

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水轮发电机运行与技术问答

水电站机电设备运行与技术问答

水轮发电机部分

1、立式水轮发电机由那些主要部件组成？

其结构特点是什么？

答：

水轮发电机一般由转子、定子、上机架、下机架、推力轴承、导轴承、空气冷却器、励磁机及永磁机等主要部件组成。

其中转子和定子是产生电磁作用的主要部件，其他部件仅起支持或辅助作用。

转子由主轴、转子支架、磁轭（轮环）和磁极等部件组成；定子由机座、铁芯和绕组等部件组成。

由于电站的水头有限，水压力小，故转速不可能很高，一般在100-300r/min左右，很难超过750r/min。

与汽轮发电机相比，转速较低，由于转速低，要获得50Hz的电能，发电机转子的磁极较多。

同时，为了避免产生几倍于正常水压的水击现象而要求导叶关闭时间较长，但又要防止机组转速上升过高，因此要求转子具有较大的重量和结构尺寸，使之有较大的惰性。

此外，为减少占地面积，降低厂房造价，大中型水轮发电机一般采用立轴。

总之，水轮发电机的特点是转速低、磁极多、转子为凸极式、结构尺寸和重量都较大，大中型机组多采用立式。

2、水轮发电机铭牌上标示的型号、容量、电压、电流、转速、温升等都是什么意义？

答：

标示的型号是以定子铁芯外径、磁极个数及额定容量等用一定的格式排列来表示的；而标示的容量、电压、电流、转速、温升等都是该台发电机的额定值。

即能保证发电机正常连续运行的最大限值，在此额定数据下运行时，发电机的寿命可以达到预期的年限。

（1）额定电压：

长用符号Ue表示，系指发电机在正常运行时长期安全工作的最高的定子绕组的线电压，单位是kV。

（2）额定电流：

常用符号Ie表示，系指发电机正常连续运行的最大工作电流。

就是说，当发电机其他各量都在额定情况下时，发电机以此电流值运行，其定子绕组的温升不会超过允许的范围，单位是Ka。

（3）额定容量：

常用符号Pe表示，指发电机在额定运行情况下，输出的有功功率，单位是kW，它与额定电压和额定电流的关系为：

Pe=√3UeIecosφe

Cosφe发电机的额定功率因数，一般取0.85。

此外，额定容量也可以用发电机的视在功率（KVA）表示。

（4）额定转速：

常用符号ne表示，指转子在正常运行时的转速，单位为r/min，在一定的磁极数及频率下运行，转子的转速就是同步转速，即

ne=60fe/p

fe电压的额定频率，我国规定为50Hz

p磁极对数

（5）额定温升：

常用符号T表示，指发电机某部分的最高温度与额定入口风温的差值，额定温升的确定，与发电机绝缘等级以及测量温度的方法有关，我国规定的额定入口风温为40℃。

3、同步发电机的“同步”是什么意义？

同步电机的工作状态怎样？

答：

发电机的定子和转子之间的空隙叫做气隙，电机运行时，在气隙里有定子和转子两个磁场，当发电机三相定子绕组中定子电流产生的旋转磁场与转子以同速度、同方向旋转时，称为“同步”。

由于水轮机带动的发电机转子转速n总是等于定子旋转磁场的同步转速n1的，故叫同步发电机。

在同步发电机中，一个是转子绕组流过的直流电流产生的转子磁场，一个是定子三相绕组流过对称的三相交流电流时合成产生的定子磁场，他们都是旋转的，所以叫旋转磁场，这两个旋转的磁场，转子在前，定子在后。

在调相机或同步电动机中，定子的旋转磁场在前，转子的在后，与发电机相反。

4、发电机定子的三相绕组一般为什么都接成星形接线？

答：

在发电机定子绕组中的电势，除有50Hz的基波外，还有高次谐波，其中三次谐波占主要成分，而三次谐波EA3、EB3、EC3是同相位的；如果将发电机定子绕组接成三角形接线，三角形接线中的三个三次谐波电势是相加的，这样，有一个三次谐波电流i3在绕组内流动，就会产生额外损耗并使定子绕组发热，这是我们不希望的。

而采用星形接线就可以消除这个弊病，在星形接线中，因为三次谐波电势都同时背向中性点或指向中性点，电流不能构成回路，所以三次谐波电流i3流不通，虽然定子绕组中有三次谐波电势的存在，但在线电势中，他们相互抵消，例如EAB3=EA3-EB3=0，所以，发电机一般都接成星形接线。

5、什么叫力率？

力率的进相和迟相是怎么回事？

进相运行有什么不良影响？

答：

常把水轮发电机的功率因数称之为力率。

发电机通常即发有功，也发无功，把这种运行状态称为力率迟相，或称为滞后，此时发电机送出一定感性的无功功率，从表盘上看，有功和无功电力表都是正的，即电流滞后电压。

另外，常把送出有功，吸收无功，这种运行状态称为力率进相，也称超前，即电流超前电压。

此时发电机送出一定容性的无功功率，从表盘上看，有功电力指示表为正，而无功电力指示表为负。

将力率迟相变为力率进相，或反方向变化时，只要调节发电机的励磁电流就可以了。

一般发电机都在力率迟相状态下运行。

有时，由于操作不当或其他原因，使发电机励磁电流大减，就会发生进相运行，吸收系统中大量无功，造成电压降低，也降低了稳定水平，严重时可能造成稳定性破坏事故，对发电机本身讲，端部漏磁增加引起发热。

6、同步发电机常用的特性曲线有那些？

各有什么用处？

答：

发电机常用的特性曲线有：

（1）空载特性曲线：

用来求发电机的电压变化率、未饱和的同步电抗值等参数，在实际工作中，还可以用来判断励磁绕组及定子铁芯有无故障。

（2）短路特性曲线：

用来求取同步发电机的重要参数，饱和的同步电抗与短路比，以及判断励磁绕组有无匝间短路等故障。

（3）负载特性曲线：

反映发电机电压与励磁电流之间的关系。

（4）外特性曲线：

用来分析发电机运行中电压波动情况，借以提出对自动调节励磁装置调节范围的要求。

（5）调节特性曲线：

可以使运行人员了解某一功率因数，定子电流到多少而不使励磁电流超过规定值并能维持额定电压。

利用这些曲线可以使电力系统无功功率分配更加合理。

7、水轮发电机运行时为什么会发热？

答：

水轮发电机从水轮机获得的机械功率，不可能全部变成电功率输出，在水轮发电机的内部总有一部分损耗，主要损耗有铁损耗、铜损耗、机械损耗及附加损耗4部分，可使效率降低1%-2%，对一台100MW的水轮发电机，就意味着损失1000-2000KW的功率，这个损耗引起水轮发电机发热。

（1）铁损耗是指定子铁芯中的磁滞损失和涡流损失；

（2）铜损耗包括定子绕组和励磁绕组中有电流时产生的功率损耗；

（3）机械损耗包括轴承及电刷的摩擦损耗和通风及风摩损耗；

（4）附加损耗主要包括定子绕组中电流的集肤效应产生的附加铜损耗、齿和槽所引起的脉动损耗，高次谐波磁通在定子、转子表面产生的铁损耗等。

8、发电机为什么要装设空冷器？

答：

发电机运行中，由于有电流和磁场的存在，必定会产生铁损和铜损，这种损耗以热的形式传给绕组和铁芯，如不把热量散发出去，轻则使绕组温度升高，电阻增大，降低发电机的效率，重则会使发电机的绕组和铁芯绝缘烧毁引起发电机着火，所以必须装设空气冷却器，使发电机内的热风经冷却器变成冷风，其热量由冷却水带走，从而降低发电机内部温度，保证发电机在额定温度下运行。

9、水轮发电机的允许温度受其内部那些材料的限制？

为什么？

答：

发电机的出力受允许温度的限制，而限制发电机允许温度的就是包缠着线棒的绝缘材料，绝缘材料都有一个适当的最高允许工作温度，在此温度内，它可以长期安全工作；若超过此温度，绝缘材料就会迅速老化，不再适用。

按绝缘材料的耐热程度可分为：

Y、A、E、B、F、H和C级，各自的最高允许工作温度为：

耐热等级YAEBFHC

最高允许工作温度℃90105120130155180180以上

当然，温度高，并不见得绝缘立即毁坏，它首先表现出来的是绝缘的各种基本特性恶化，如绝缘电阻降低、击穿电场强度降低、机械强度也降低等。

尤其在较长时间的高温作用下，绝缘加速老化，当受到电动力作用时，容易开裂、破碎，以至丧失绝缘能力，所以，运行温度愈高，其绝缘材料的寿命愈短。

目前，大中型水轮发电机中，用得最多的是B级绝缘，其材料为B级胶云母带，叫黑绝缘；另外一种环氧玻璃粉云母带，俗称黄绝缘，耐热能力为130℃。

因此，电气运行规程规定：

发电机定子绕组的温度一般不得超过90℃，最高不应超过120℃，转子绕组最高温度不应超过130℃。

注意，这是对B级绝缘，电阻测温法而言。

10、空冷发电机的入口风温变化对发电机运行有什么影响？

答：

发电机的额定容量与额定入口风温相对应，我国规定的额定入口风温是40℃。

发电机因入口风温的变化所引起的出力允许值的变化，应以线圈和铁芯的温度不超过允许值为准，当入口风温超过额定值时，如果定子、转子绕组和铁芯线圈温度未超过规定标准，可以不降低发电机出力；如果超过了标准，则应减少定子、转子绕组的电流，使温度降低到规定的数值。

当入口风温低于额定值时，定子、转子的电流可以大于额定值，但只能增大到定子、转子绕组和定子铁芯温度达到允许温度为止。

所以说，入口风温的高低，直接影响发电机的出力。

为什么入口风温与发电机的出力有那么大的关系？

因为发电机的铁芯和绕组的温度与入口温度及铜、铁损耗有关系。

而铜损耗跟定子绕组中通过的电流的平方成正比，铁损耗跟铁芯中磁通密度的平方或电压成正比，损耗增大，温升提高。

铁芯和绕组的最高允许温度是一个即定值，因此入口风温和允许温升之和不能超过这个允许温度。

故入口风温高，允许温升就要小。

一般发电机的电压变化很小，温升和电流有关，如果允许温升要求小时。

电流就要降低。

反之，入口风温低，电流就要增大。

一般，要求发电机入口风温为40℃，否则冷却条件恶化，出力就要大大降低。

若入口风温降低，可提高发电机的出力，但入口风温降低过大也有副作用。

表现在：

（1）易结露，使绝缘电阻降低。

（2）使铜线的温升过高，会因热胀伸长过多，造成绝缘裂损。

（3）绝缘变脆，容易损坏。

因此要求密闭式通风冷却的发电机其入口风温，一般不应低于15-20℃；采用敞开式通风的发电机，冷却空气入口温度不得低于5℃。

在运行中应该认真监视发电机进出口风温。

为了避免绝缘过热老化，冷却气体进口风温不应超过50℃，出口温度不应超过75℃，一般冷却气体的温升为25-30℃左右，如果冷却气体的温升显著提高，则说明此时发电机的冷却系统工作不正

常，应查明原因，加以消除。

11、水轮发电机出口和进口风的温差发生变化的原因有那些？

答：

发电机进出口风的温差，与空气带走的热量和空气量、冷却水的水量和水温、空气冷却器的传热效果，发电机内部的损耗等因素有关。

在同一负荷下，若出现出进口风的温差显著增大，说明发电机的内部损耗增加，或者冷却系统不正。

前者可能是定子绕组某一并联支路（如焊头）断开；股间绝缘损坏；铁芯出现局部高温等。

后者可能是冷却水量减少；冷却管堵塞；阀门失灵，芯子掉落；散热管外壁污秽或内壁结垢；进出冷却气体有局部短路等。

12、在发电机运行中应监视那些内容？

当其中某些参数超过限制时，如何进行调整？

答：

发电机实际运行中应监视的参数有发电机各部分的温度、端电压、频率、功率因数、负荷和绝缘电阻等。

值班人员在发现发电机端电压、负荷、功率因数值超过运行规程规定值时，应设法进行调整。

但在调整某个参数时，应防止其他参数超过允许的数值。

例如，当发电机电压过低时，可以增加励磁电流来提高电压，但同时无功负荷也会增加，因此定子电流增大，这时应注意不可使发电机的定子和转子电流超过允许值。

当发电机电压太高时，则应减小励磁电流，降低发电机无功负荷，这时又要注意功率因数不应超过规定值。

又如当发电机功率因数过高时，应增加发电机的励磁电流，但注意不得使定子及转子电流超过允许值，否则应降低发电机的有功负荷。

13、电力系统的电压、频率为什么会波动？

答：

当电力系统无功功率失去供需平衡时就会出现电压变动的现象。

无功功率不足，会使电压降低，无功功率过剩会使电压升高。

当电力系统有功功率失去平衡时会使频率变动，同时也会使电压变动。

有功功率不足时会使频率降低，有功功率过剩会使频率、电压升高。

在事故情况下，或负荷无