电气主要设备原理、结构及作用1

电气培训讲义

电厂主要电气设备原理、结构及作用

●        火力发电厂的主要设备：

发供电系统主要设备包括输煤系统、锅炉、汽轮机、发电机、变压器、输电线路和送配电设备系统等。

●        电厂电气系统的组成：

   电气系统由发电机、升压变压器、高压配电装置、厂用变压器及厂用配电装置等组成。发电机发出的电能一部分供发电厂继续运行的厂用电，另一部分通过升压变压器和配电装置源源不断地输入电网。

l        汽轮发电机

  是以汽轮机为原动机的三相交流发电机。它由发电机本体、励磁系统及冷却系统组成。

1.同步发电机的工作原理：原理演示图另见。

同步发电机是利用电磁感应原理将机械能装换成电能的。

 · 主磁场的建立：励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁场，即建立起主磁场。 
　 · 载流导体：三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势或者感应电流的载体。 
　 · 切割运动：原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。 
　 · 交变电势的产生：由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。通过引出线，即可提供交流电源。
　 · 感应电势 有效值：每相感应电势的有效值为
　 · 感应电势 频率： 感应电势的频率决定于同步电机的转速n 和极对数p ，即 
　 · 交变性与对称性：由于旋转磁场极性相间，使得感应电势的极性交变；由于电枢绕组的对称性，保证了感应电势的三相对称性。

2.同步发电机的类型：

1）、按原动机的类别，同步发电机可分为汽轮发电机、水轮发电机、染汽轮发电机及柴油发电机等。

2）、按冷却介质，可分为空气冷却、氢气冷却和水冷却等。

3）、按主轴安装方式，可分为卧式安装和立式安装等。

4）、按本体结构，可分为旋转电枢式和旋转磁极式等。

3、同步发电机的主要技术数据

为使发电机按设计技术条件运行，在发电机出厂时都在其铭牌上标注出额定技术数据。主要有：

1）、额定容量（或额定功率）。额定容量是指发电机在设计技术条件下运行时输出的视在功率，用KV.A或MV.A表示；额定功率时指发电机输出的有功功率，用KW或MW表示。

2）、额定定子电压。指发电机在设计技术条件下运行时，定子绕组出线端的线电压，用KV表示。

3）、额定定子电流。指发电机定子绕组出现的额定线电流，单位为A。

4）、额定功率因数。指发电机在额定功率下运行时，定子电压和定子电流之间允许的相角差的余弦值，即cosφ值。

5）、额定转速。指正常运行时发电机的转速，用r/min(每分钟转数)表示。我国生产的汽轮发电机转速均为3000r/min。

6）、额定频率。我国电网的额定频率为50Hz（即每秒50周）。

7）、额定励磁电压。指发电机励磁电流达到额定值时，额定出力运行在稳定温度时的励磁电压。

8）、额定励磁电流。指发电机在额定出力时，转子绕组通过的励磁电流，用A或KA表示。

9）、额定温度。指发电机在额定功率运转时的最高允许温度（℃）。

10）、效率。指发电机输出与输入能量之比百分值，一般额定效率在93%～98%之间。

4．同步发电机结构模型原理，演示图另见。
　 ·同步发电机和其它类型的旋转电机一样，由固定的定子和可旋转的转子两大部分组成。定子部分主要由定子铁芯和绕组组成，分为A、B、C三相，各相绕组均匀地分布在定子槽中，转子部分由转子铁芯和励磁绕组组成，绕组通以直流电，建立发电机的磁场。当转子由原动机（如汽轮机）带动旋转时，产生旋转磁场，定子绕组（导线）切割转子磁场的磁力线，就在定子绕组上感应出电动势，当定子绕组接通用电设备时，定子绕组中即产生三相电流，发出电能。

　 ·图15.1给出了最常用的转场式同步发电机的结构模型，其定子铁心的内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌放着按一定规律排列的三相对称交流绕组。这种同步电机的定子又称为电枢，定子铁心和绕组又称为电枢铁心和电枢绕组。 
　 ·转子铁心上装有制成一定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流时，将会在电机的气隙中形成极性相间的分布磁场，称为励磁磁场(也称主磁场、转子磁场)。 
　 ·气隙处于电枢内圆和转子磁极之间，气隙层的厚度和形状对电机内部磁场的分布和同步电机的性能有重大影响。 
　 · 除了转场式同步电机外,还有转枢式同步电机，其磁极安装于定子上，而交流绕组分布于转子表面的槽内，这种同步电机的转子充当了电枢。图中用AX、BY、CZ三个在空间错开120电角度分布的线圈代表三相对称交流绕组。

5.同步发电机的结构，主要是由原动机的特性决定的。如汽轮发电机，由于转速高达3000r/min,故极对数少，转子采用隐极式，卧式安装。（上湾三期的空冷发电机的结构将在下节课专门介绍）。

6．同步发电机同步转速 ：
　 ·同步转速 从供电品质考虑，由众多同步发电机并联构成的交流电网的频率应该是一个不变的值，这就要求发电机的频率应该和电网的频率一致。我国电网的频率为50Hz ，故有：

　 ·要使得发电机供给电网50Hz的工频电能，发电机的转速必须为某些固定值，这些固定值称为同步转速。例如2极电机的同步转速为3000r/min，4极电机的同步转速为1500r/min，依次类推。只有运行于同步转速，同步电机才能正常运行，这也是同步电机名称的由来。

7.同步发电机的励磁系统

7．1主要励磁方式：

通常都是根据励磁电源分类，主要分为四种励磁方式：

1）、直流励磁机励磁方式；

2）、交流励磁机静止硅整流器励磁方式；

3）、交流励磁机旋转硅整流器励磁方式（无刷）；

4）、静止励磁方式。其中最具代表性的是自并励励磁方式。

7.2无刷励磁与自并励的比较

7．3同步发电机励磁系统的作用

1）、从发电厂角度讲：调节发电机电压，调节发电机无功功率，多台发电机无功功率分配，安全可靠运行。

2）、从电力系统角度讲：提高系统的静态稳定性，提高系统的静态稳定性，改善系统的电压稳定性，二次电压控制，安全可靠运行

3）、励磁系统的构成：自动电压调节器AVR，励磁电源，整流器，灭磁与转子过电压保护。

7、发电机的并列：

  发电机升压至空载额定电压时，可用准同期法进行手动和自动并列。并列操作前，必须投入同期装置。

发电机并列条件：

1）、待并发电机的电压与系统电压必须相等或近似相等；

2）、待并发电机的频率与系统频率相等；

3）、待并发电机的相位角与系统相序、相位相同；

l        变压器

1.      分类：按绕组数目分有：双绕组变压器；三绕组变压器；自耦变压器。

按冷却介质来分：可分为油浸式变压器、干式变压器、（空气冷却式）以及水冷式变压器。

2.      原理及作用：变压器是一种静止电器，它利用电磁感应原理；把一种电压、电流的交流电能、变成为同频率的另一种电压、电流的交流电能。原理演示另见。

3．结构：主要部件是铁芯和绕组。铁芯是变压器中耦合磁通的主磁路，应采用磁导率高、磁滞和涡流损耗小的铁磁性材料；绕组是变压器传递交流电能的电路部分，常用包有绝缘材料的铜或铝导线绕制而成。（详细结构情况将在下节课专门介绍）。

4．变压器主要附件：

①储油柜（油枕）：隔膜式储油柜利用柜内隔膜将变压器油和大气隔离，这样可防止油老化和吸收水分，因而保证了变压器油的绝缘强度。

②吸湿器：用于由于负荷或环境温度的变化而使变压器内油体积发生涨缩，迫使储油柜内的气体通过吸湿器产生呼吸，以消除空气中的杂物和潮气，保持变压器内变压器油的绝缘强度。

吸湿器由螺栓、法兰盘、玻璃管、硅胶、螺杆、座、罩、变压器油等组成。

硅胶在干燥的状态下呈蓝色，吸收潮气后呈粉红色。在使用过程中，应经常监视吸湿器中的硅胶是否变色，变压器油是否过脏或者因蒸发而使油面低于油面线。

③压力释放阀：压力释放阀是油浸式变压器内部过压力保护装置，可以避免变压器邮箱变形或爆裂。

④电阻测温计：电阻测温计是用来在中央控制室距离指示变压器油温度超过规定值时报警用。

⑤调压装置：

⑴、无励磁调压。无励磁调压指切换分接头时，必须在变压器不带电的情况下进行切换。

⑵、有载调压。有载调压是用有载分接开关，在保证不切断负载电流的情况下由一个分接头切换到另一个分接头。

4、变压器的额定技术数据

1）、额定容量S_N。在额定使用条件下，对变压器施加的是额定电压、额定频率，输出的是额定电流，温升也不超过极限值时变压器的容量叫额定容量，用表示S_N表示。额定容量的单位为KV.A。对三相变压器而言，额定容量为三相额定容量之和。

   对双绕组变压器，其额定容量以变压器每个绕组的容量表示；而对于三绕组变压器，变压器的额定容量指高压绕组的容量，中压或低压绕组的容量可以等于或小于变压器的额定容量。

2）、额定电压U_1N、U_2N。在三相变压器中，如果没有特殊说明，额定电压都是指线电压。根据变压器绝缘强度、铁心饱和的限制和允许温升所规定的远方电压值叫做原方额定电压，用U_1N表示，单位为KV。变压器在空载（调压开关接在额定分接头上）时的副方电压叫做副方额定电压，用U_2N表示，单位KV。为了适应电网电压变化的需要，变压器高压侧一般都安装有供调压用的分接头。

3）、额定电流I_1N、I_2N。在额定电压和额定环境温度使用条件下，变压器原方输入的电流叫做原方额定电流，用I_1N表示，单位为A。变压器副方输出的电流叫做副方额定电流，用I_2N表示，单位为A。在三相变压器中，如果没有特殊说明，额定电流都是指线电流。

4）、阻抗电压U_K（%）。阻抗电压又称短路电压。对双绕组变压器来说，当一个绕组被短接时，在另一个绕组中为产生额定电流所需要施加的电压称为阻抗电压或称为短路电压，阻抗电压常以额定电压的百分数来表示，即用符号U_K（%）表示。阻抗电压U_K（%）是变压器的重要技术参数，如两台变压器能否并联运行，其条件之一就是它们的短路电压是否相等，也是计算短路电流的依据。

5）、短路损耗△P_K。对双绕组变压器来说，当以额定电流通过变压器的一个绕组，而另一个绕组短接时变压器所消耗的功率叫短路损耗，用△P_K表示，单位为KW。短路损耗主要是由变压器绕组的电阻引起的，故又称为铜耗。

6）、空载电流I₀（%）。当用额定电压施加于变压器的一个绕组上，而其余绕组均为开路时，变压器所通过电流的三项算术平均值叫变压器的空载电流，空载电流常用额定电流的百分数表示，即用符号I₀（%）表示。

7）、空载损耗△