發(fā)電機結(jié)構(gòu)知識講解
發(fā)電機結(jié)構(gòu)介紹
1 發(fā)電機基本構(gòu)成
汽輪發(fā)電機主要由定子、轉(zhuǎn)子、端蓋和軸承等部件組成。
2 發(fā)電機冷卻方式
發(fā)電機的發(fā)熱部件，主要是定子繞組、定子鐵芯(磁滯與渦流損耗)和轉(zhuǎn)子繞組。必須采用高效的冷卻措施，使這些部件所發(fā)出的熱量散發(fā)除去，以使發(fā)電機各部分溫度不超過允許值。
發(fā)電機采用水-氫-氫冷卻方式，即發(fā)電機定子繞組及引線是水內(nèi)冷，發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組是氫內(nèi)冷，轉(zhuǎn)子本體及定子鐵芯是氫冷。為此，發(fā)電機還設(shè)有定子水冷系統(tǒng)，發(fā)電機氫冷系統(tǒng)和為防止氫氣從軸封漏出的密封油系統(tǒng)。
3 發(fā)電機定子
發(fā)電機定子主要由機座、定子鐵芯、定子繞組、端蓋等部分組成。
1)機座與端蓋
機座是用鋼板焊成的殼體結(jié)構(gòu)，它的作用主要是支持和固定定子鐵芯和定子繞組。此外，機座可以防止氫氣泄漏和承受住氫氣的爆炸力。
在機殼和定子鐵芯之間的空間是發(fā)電機通風(fēng)(氫氣)系統(tǒng)的一部分。由于發(fā)電機定子采用徑向通風(fēng)，將機殼和鐵芯背部之間的空間沿軸向分隔成若干段，每段形成一個環(huán)形小風(fēng)室，各小風(fēng)室相互交替分為進風(fēng)區(qū)和出風(fēng)區(qū)。這些小室用管子相互連通，并能交替進行通風(fēng)。氫氣交替地通過鐵芯的外側(cè)和內(nèi)側(cè)，再集中起來通過冷卻器，從而有效地防止熱應(yīng)力和局部過熱。
端蓋是發(fā)電機密封的一個組成部分，結(jié)構(gòu)如圖所示。為了安裝、檢修、拆裝方便，端蓋由水平分開的上下兩半構(gòu)成，并設(shè)有端蓋軸承。在端蓋的合縫面上還設(shè)有密封溝，溝內(nèi)充以密封膠以保證良好的氣密。
軸瓦采用橢圓式水平中分面結(jié)構(gòu)，軸瓦外園的球面形狀保證了軸承有自調(diào)心的作用。
在轉(zhuǎn)軸穿過端蓋處的氫氣密封是依靠油密封的油膜來保證。密封瓦為銅合金制成，內(nèi)圓與軸間有間隙，裝在端蓋內(nèi)圓處的密封座內(nèi)。密封瓦分成四塊，在徑向和軸向均有卡緊彈簧箍緊，盡管密封瓦在徑向可以隨軸一起浮動，但在密封座上下均有銷子可以防止它切向轉(zhuǎn)動。密封油經(jīng)密封座和密封瓦的油腔流入瓦和軸之間的間隙沿徑向形成油膜以防止氫氣外泄。
在滑環(huán)端軸承及油密封設(shè)有對地絕緣以防止軸電流損傷轉(zhuǎn)軸。
2)機座隔振——定子彈性支撐
為了減低由于轉(zhuǎn)子磁通對定子鐵芯的磁拉力引起的雙頻振動，以及短路等其它因數(shù)引起的定子鐵芯振動對機座和基礎(chǔ)的影響，在定子鐵芯和機座之間采用臥式彈性隔振結(jié)構(gòu)。
彈性隔振結(jié)構(gòu)形式如左圖所示：在定位筋的背部裝彈簧板，彈簧板通過墊塊，用螺栓固定在定位筋的背部，彈簧板中部與機座內(nèi)的隔板相連，構(gòu)成彈性隔振結(jié)構(gòu)。
3)定子鐵芯
定子鐵芯是構(gòu)成發(fā)電機磁路和固定定子繞組的重要部件。為了減少鐵芯的磁滯和渦流損耗，定子鐵芯采用導(dǎo)磁率高、損耗小、厚度為0.5mm的優(yōu)質(zhì)冷軋硅鋼片沖制而成。每層硅鋼片由數(shù)張扇形片組成一個圓形，每張扇形片都涂了耐高溫的無機絕緣漆。沖片上沖有嵌放線圈的下線槽及放置槽楔用的鴿尾槽。扇形沖片利用定子定位筋定位，通過球墨鑄鐵壓圈施壓，夾緊成一個剛性圓柱形鐵芯，用定位筋固定在內(nèi)機座上。齒部是通過壓圈內(nèi)側(cè)的非磁性壓指來壓緊。邊段鐵芯涂有粘接漆，在鐵芯裝壓后加熱，使其粘接成一個牢固的整體，進一步提高鐵芯的剛度。
為了減少端部漏磁通在壓圈和邊段鐵芯中引起的發(fā)熱，和在端部鐵芯中的附加電氣損耗，在壓圈上裝有全銅屏蔽;邊端鐵芯為階梯狀以增加鐵芯內(nèi)園與轉(zhuǎn)子之間的氣隙;并在齒上沖有小槽。
轉(zhuǎn)子繞組端部存在大量的漏磁通,另外,發(fā)電機運行時定子繞組在鐵芯端部也產(chǎn)生大量的漏磁通,這些漏磁通主要是垂直進入端部定子鐵芯,從而感應(yīng)出垂直于軸向的渦流,引起鐵芯端部過熱.發(fā)電機在欠勵條件下運行時,定子繞組會產(chǎn)生更多的漏磁通, 使鐵芯端部過熱更為嚴(yán)重。為了減少端部漏磁通在壓圈和邊段鐵芯中引起的發(fā)熱和在端部鐵芯中的附加電氣損耗,上海電機公司采取了以下措施:
a)鐵芯端部設(shè)計成階梯狀
鐵芯孔兩端逐漸放大,這可以防止轉(zhuǎn)子漏磁通量過多聚集在定子鐵芯端部,而且可以使部分漏磁通轉(zhuǎn)變成垂直于定子軸線的徑向磁通,從而減少損耗降低端部過熱。
b)在轉(zhuǎn)子線圈端部采用非磁性護環(huán)。
通過勵磁繞組護環(huán)的去磁作用,增加了漏磁通的磁阻,從而減少了轉(zhuǎn)子端部漏磁通對定子鐵芯的影響。
c)在鐵芯端部表面,采用一塊銅防護板,既所謂的電屏蔽環(huán)
采用電屏蔽的目的是防止端部大部分軸向漏磁通穿過鐵芯。因為鐵芯端部采用階梯形后，壓圈處的漏磁會有所增加,利用漏磁通能在銅防護板內(nèi)產(chǎn)生的大量渦流,此渦流的方向?qū)⒆柚孤┐磐ù┻^。而銅與用作鐵芯端片的石墨鑄鐵相比,電阻率只有約1/5,根據(jù)磁穿透深度定律,損耗降到大約1/2,而且銅的導(dǎo)熱系數(shù)是石墨鑄鐵的5倍,因而,銅防護板不會出現(xiàn)過熱。
d)鐵芯端部壓圈和鐵芯端板(壓指)采用高電阻率、低導(dǎo)磁率材料
這種材料增大了銅防護板和鐵芯間的磁阻，使漏磁通不易穿過鐵芯，高電阻率又使該部位渦流減小，故此部件也不會過熱。
e)在鐵芯端部扇形體上開槽
由于在鐵芯端部扇形齒部開槽隙，使得渦流流動面積減少了約1/2，于是渦流損耗減小了約3/4。
f)冷卻風(fēng)系統(tǒng)中，加強對端部的冷卻。
4)定子繞組
定子繞組的端部結(jié)構(gòu)如下圖所示，它是由嵌入鐵芯槽內(nèi)的絕緣線棒在端部聯(lián)結(jié)成的線圈，繞組端部為籃式結(jié)構(gòu)，并且由引線環(huán)連接成固定的相帶。采用連續(xù)式F級環(huán)氧粉云母絕緣系統(tǒng)，表面有防暈處理措施。
在負載運行條件下，定子繞組會產(chǎn)生自感應(yīng)渦流損耗，為減少這種損耗，定子線棒采用了羅貝爾換位形式。所謂換位，就是在線棒編織時，讓每根線棒沿軸向長度，分別處于槽內(nèi)不同高度的位置，這樣每根線棒的漏電抗相等，使每根導(dǎo)體內(nèi)電流均勻，減少直線及端部的橫向漏磁通在各股導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的環(huán)流及附加損耗。
定子線棒由矩形的空心和實心股線混合編織而成，定子繞組就是通過空心股線中的水介質(zhì)來冷卻的。定子線棒端部的所有股線均焊接到水電接頭上，通過銅帶將兩根線棒水電接頭焊在一起形成電氣連接，構(gòu)成一匝線圈;而所有空心股線中的冷卻水通過水電接頭的水路接至靠滑環(huán)端的匯流母管，并經(jīng)絕緣引水管進入線圈。在發(fā)電機的集電環(huán)端設(shè)有一條進水母管;在汽機端部設(shè)有一條出水母管。冷卻水流通道為單向型，即從集電環(huán)端流向汽機端。
匯流母管是直接接地的，從線圈到匯流母管間的連接是采用單個加強型絕緣管，這種絕緣管設(shè)計上能夠受發(fā)電機的運行電壓，這就保證了線圈的對地絕緣。但對于這種結(jié)構(gòu)，測量線圈絕緣卻是不方便的。
定子線棒在槽內(nèi)的固定如上圖所示，它有良好的固定：側(cè)面有半導(dǎo)體彈性波紋板，徑向還用帶斜度的槽楔組合固定。定子繞組端部設(shè)有特殊的支撐系統(tǒng)，用浸膠滌玻繩幫扎固定在由玻璃鋼支架和綁環(huán)組成的端部固定件上，幫扎固定后進行烘焙固化，使整個端部在徑向和周向上為剛性固定，確保端部固有頻率遠離倍頻，避免運行中發(fā)生共振。軸向可沿支架滑銷方向，隨負載或工況變化而自由地移動，大大減少了由于負載或工況變化在繞組和支撐系統(tǒng)引起的應(yīng)力，提高了機組運行的可靠性及滿足機組調(diào)峰運行的要求。
5)發(fā)電機出線
發(fā)電機各相和中性點出線均通過集電環(huán)端機座下部出線罩引出機座，在出線罩與定子外機座之間放置有密封墊以維持氣密性。出線罩板采用非磁性材料以減少定子電流產(chǎn)生的渦流損耗。出線罩板下方開有排泄孔以防止引線周圍積存油或水。
定子出線及氫冷回路如上圖所示。定子出線通過高壓絕緣套管穿出機殼外，套管由整體的陶瓷和銅導(dǎo)電桿組成，導(dǎo)電桿兩端鍍銀。過渡引線及出線套管均采用氫氣內(nèi)冷，套管上裝有電流互感器供測量和保護用。
6)測溫元件和出線板
a)熱電阻
在定子繞組的每一相的最熱點埋設(shè)有檢溫計(R.T.D)，測量繞組的溫度。而線棒溫度，采用每個槽內(nèi)上下層線棒間埋置的電阻檢溫計來測量。鐵芯溫度用埋置的熱電偶測量。此外，在冷卻器的進風(fēng)區(qū)埋設(shè)有電阻檢溫計，以測量冷卻器的進出風(fēng)溫。
所有機內(nèi)的檢溫計均通過機座下部的接線端子板引出。
b)熱電偶
由于發(fā)電機在欠勵運行時，定子端部部件的溫度會很高，這些部位均埋設(shè)熱電偶以測量溫度。
在定子壓圈，銅屏蔽和鐵芯邊端齒部測量部位所安裝的熱電偶是銅-康熱電偶，其傳感部件焊在測點位置。
定子線圈出水溫度，采用布置在出水接頭上的熱電偶測量。
軸瓦溫度采用埋置在鎢金下的熱電偶測量。
熱電偶的股線和保護套之間的間隙用陶瓷物質(zhì)填充，使股線與外層空氣隔絕，并可避免熱電偶在空氣中和高溫下被腐蝕。
熱電偶引線(玻璃絲包股線)被引至測溫端子箱的出線板上。
4.發(fā)電機轉(zhuǎn)子
1)轉(zhuǎn)子本體
發(fā)電機轉(zhuǎn)子是由一根整體合金鋼鍛件加工而成，在轉(zhuǎn)子本體上徑向地開有許多縱向槽用于安裝轉(zhuǎn)子繞組, 同時作為磁路。轉(zhuǎn)子繞組在槽內(nèi)由鋁合金和鋼槽楔緊固以抵御離心力。這種磁性和非磁性兩種槽楔的應(yīng)用能夠保證合理的磁通分布。這些槽楔均楔入了轉(zhuǎn)子槽口處的鴿尾槽內(nèi)。
轉(zhuǎn)子大齒上加工橫向槽(即月牙槽)，用于均衡大、小齒方向的剛度，以避免由于它們之間的較大差異而產(chǎn)生倍頻振動。
如上圖所示，為減少由于不平衡負荷產(chǎn)生的負序電流在轉(zhuǎn)子上引起的發(fā)熱，提高發(fā)電機承受不平衡負荷(負序電流和異步運行)的能力，采用了半阻尼繞組，在轉(zhuǎn)子本體兩端(護環(huán)下)設(shè)有阻尼繞組。該半阻尼繞組只在轉(zhuǎn)子兩端裝梳齒狀的用紫銅板制成的阻尼環(huán)，其梳齒伸進每個槽及大齒上阻尼槽的槽楔下，由槽楔壓緊。阻尼電流通路是由護環(huán)、槽楔、阻尼銅條形成的阻尼系統(tǒng)。
2)轉(zhuǎn)子繞組
轉(zhuǎn)子繞組由高強度含銀銅線制成，具有較高的抗蠕變能力，從而提高了發(fā)電機承擔(dān)調(diào)峰負荷的能力。
為防止由于離心力的作用，對轉(zhuǎn)子繞組端部產(chǎn)生破壞，轉(zhuǎn)子線圈放入槽內(nèi)后，槽口用鋁合金槽楔和鋼槽楔固緊，以抵御轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力。非磁性槽楔和磁性槽楔的應(yīng)用，保證了合理的磁通分布。采用了高強度、非磁性合金鋼鍛件加工而成的護環(huán)，熱套在轉(zhuǎn)子本體兩端，采用懸掛式嵌裝，一端與轉(zhuǎn)子本體熱套配合，另一端為懸掛式。轉(zhuǎn)子繞組與護環(huán)之間采用模壓的絕緣環(huán)絕緣。為了隔開和支撐端部線圈，限制它們之間由于溫差和離心力引起的位移，端部繞組間隔塊放置了模壓的環(huán)氧玻璃布絕緣塊。
轉(zhuǎn)子槽襯用含云母、玻璃纖維等材料的復(fù)合絕緣壓制而成，具有良好的絕緣性能和機械性能。
3)轉(zhuǎn)子引線和集電環(huán)
通過轉(zhuǎn)子引線與集電環(huán)以及電刷裝置，可以給發(fā)電機提供額定出力及強勵時所需的勵磁電流。
轉(zhuǎn)子電流通過電刷通入熱套在轉(zhuǎn)子外伸端的集電環(huán)，再通過與集電環(huán)相聯(lián)接的徑向和軸向?qū)щ娐輻U傳到轉(zhuǎn)子繞組。導(dǎo)電螺桿用高強度和高導(dǎo)電率的銅合金制成。導(dǎo)電螺桿與轉(zhuǎn)軸之間有密封結(jié)構(gòu)以防漏氫。
集電環(huán)用耐磨合金鋼制成，是一對帶溝槽的鋼環(huán)，經(jīng)絕緣后熱套在轉(zhuǎn)子軸上的。在集電環(huán)與轉(zhuǎn)軸之間設(shè)有絕緣套筒。
集電環(huán)上加工有軸向和徑向通風(fēng)孔。表面的螺旋構(gòu)可以改善電刷與集電環(huán)的接觸狀況，使電刷之間的電流分配均勻。兩集電環(huán)間設(shè)有風(fēng)扇以冷卻滑環(huán)和電刷。
4)碳刷
為了能在發(fā)電機運行時安全、迅速地更換電刷，采用了盒式刷握結(jié)構(gòu)。每次可換一組(4個)電刷。
通入轉(zhuǎn)子勵磁電流的電刷是由天然石磨材料粘結(jié)制成。碳刷具有低的摩擦系數(shù)和自潤滑作用。每個碳刷帶有兩柔性的銅引線(即刷辮)。采用恒壓式盤簧徑向地裝在刷盒上，從而在電刷長度達到磨損極限之前沒必要調(diào)整彈簧壓力。彈簧的壓力施加在碳刷中心線上，彈簧是一種螺旋式的，壓力是恒定的。
刷架采用左右分瓣把合結(jié)構(gòu)，由導(dǎo)電環(huán)、刷座及風(fēng)罩等部件組成，對地絕緣。
電刷的更換：正常操作條件下，電刷磨損量在1000小時時為10-15mm，當(dāng)電刷長度達到接近磨損極限時，電刷軟導(dǎo)線處于幾乎完全伸長的狀態(tài)。因此，在電刷上標(biāo)有一條磨損極限，如果電刷磨損超過這條線，將不能繼續(xù)使用，需進行更換。
5.發(fā)電機通風(fēng)系統(tǒng)
發(fā)電機以氫氣作為主要冷卻介質(zhì)，采用徑向多流式密閉循環(huán)通風(fēng)方式運行，定子繞組采用單獨的水冷卻系統(tǒng)，而氫氣冷卻系統(tǒng)，包括風(fēng)扇盒氫氣冷卻器完整地置于發(fā)電機內(nèi)部。
發(fā)電機通風(fēng)系統(tǒng)如上圖所示，采用徑向多流式密閉循環(huán)通風(fēng)。
1)定子通風(fēng)系統(tǒng)
發(fā)電機定子鐵芯沿軸向分為13個風(fēng)區(qū)，6個進風(fēng)區(qū)和7個出風(fēng)區(qū)相間布置。裝在轉(zhuǎn)子上地兩個軸流風(fēng)扇(汽、勵側(cè)各一)將風(fēng)分別鼓入氣隙和鐵芯背部，進入背部的氣流沿鐵芯徑向風(fēng)道冷卻進風(fēng)區(qū)鐵芯后進入氣隙;少部分風(fēng)進入轉(zhuǎn)子槽內(nèi)風(fēng)道，冷卻轉(zhuǎn)子繞組;其它大部分再折回鐵芯，冷卻出風(fēng)區(qū)的鐵芯，最后從機座風(fēng)道進入冷卻器;被冷卻器冷卻后的氫氣進入風(fēng)扇前再循環(huán)。這種交替進出的徑向多流通風(fēng)保證了發(fā)電機鐵芯和繞組的均勻冷卻，減少了結(jié)構(gòu)件熱應(yīng)力和局部過熱。
為了防止風(fēng)路的短路，常在定轉(zhuǎn)子之間氣隙中冷熱風(fēng)區(qū)間的定子鐵芯上加裝氣隙隔環(huán)，以避免由轉(zhuǎn)子拋出的熱風(fēng)吸入轉(zhuǎn)子再循環(huán)。
2)轉(zhuǎn)子通風(fēng)系統(tǒng)
轉(zhuǎn)子通風(fēng)冷卻方式如上圖所示，分為下種兩種情況：
轉(zhuǎn)子本體段的導(dǎo)體冷卻采用的是“氣隙取氣”系統(tǒng)：在轉(zhuǎn)子線棒鑿了兩排不同方向的斜流孔至槽底，于是，沿轉(zhuǎn)子本體軸向就形成了若干個平行的斜流通道。通過這些通道，冷卻用氫氣交替的進入和流出轉(zhuǎn)子繞組進風(fēng)口的風(fēng)斗，迫使冷卻氫氣以與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相匹配的速度通過斜流通道到達導(dǎo)體槽的底部，然后拐向另一側(cè)同樣沿斜流通道流出導(dǎo)體。從每個進風(fēng)口鼓進的冷風(fēng)是分成兩條斜流通道向兩個方向流進導(dǎo)體，同樣，有兩條出風(fēng)通道匯流在一起從出風(fēng)口流出進入氣隙。因此，每個通道從平行線棒縱向切面看成“V”形，而垂直線棒橫斷面投視圖為“U”形。
由于任何數(shù)量的斜流段都可以沿軸向排列，因而轉(zhuǎn)子繞組的這種結(jié)構(gòu)設(shè)計方式與轉(zhuǎn)子長度無關(guān)，具有很方便的靈活性。發(fā)電機共分成13個風(fēng)區(qū)(6進7出)，每個風(fēng)區(qū)有8個通道，共81個通風(fēng)道，。轉(zhuǎn)子通氫冷卻通風(fēng)孔個數(shù)：進風(fēng)區(qū)：一個槽里面有48個孔，共有32個槽，合計32×48=1536個。出風(fēng)區(qū)：一個槽里面有56個孔，共有32個槽，合計32×56=1792個。用于端部冷卻：每一段為4個孔，兩端共8個孔。沿轉(zhuǎn)子長度方向，高溫出風(fēng)區(qū)和低溫進風(fēng)區(qū)交替分布。同時定子的進出風(fēng)區(qū)與轉(zhuǎn)子的進風(fēng)區(qū)相匹配，并采用靜止擋風(fēng)板以限制熱風(fēng)在轉(zhuǎn)子中的再循環(huán)，另外，從定子流進氣隙的氣流量比進入轉(zhuǎn)子的氣流量大，進一步降低轉(zhuǎn)子熱氣量的再循環(huán)。因此轉(zhuǎn)子銅線溫度比較均勻。
對于轉(zhuǎn)子兩端繞組，斜流氣隙取氣系統(tǒng)所冷卻不到的部分，冷卻氣體由風(fēng)扇壓迫進入護環(huán)下的軸向風(fēng)道(第7個進風(fēng)區(qū))，然后從本體端部由徑向風(fēng)道進入氣隙。
3)氫氣冷卻器
為減少氫冷發(fā)電機的通風(fēng)阻力和縮短風(fēng)道，氫氣冷卻器安放在機座內(nèi)的矩形框內(nèi)。冷卻器為四組，立放在發(fā)電機兩端的兩側(cè)。
冷卻器和機座間的密封墊結(jié)構(gòu)既可以密封氫氣，又可以在冷卻器因溫度變化脹縮時起到補償作用，從而始終起到良好的密封作用。
氫氣冷卻器的水箱結(jié)構(gòu)保證了發(fā)電機在充氫的狀態(tài)下，可以打開水箱清洗冷卻水管，當(dāng)冷卻器水管從外部水管拆開后，冷卻器可以從發(fā)電機中抽出。
氫氣冷卻器的容量能滿足以下運行條件：
(1)5%的冷卻水管堵塞時，發(fā)電機可以在額定出力下連續(xù)運行。
(2)一組氫氣冷卻器推出運行時，允許發(fā)電機帶80%負荷連續(xù)運行。
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