发电厂. 变电站电气部分（第五版）最新章节_林莉著

2.2 发电机、变压器的基本形式与参数

2.2.1 同步发电机的基本形式与参数

同步发电机的结构如图2.2所示。图2.2中，G为发电机的定子；W _r 为发电机的转子绕组，又称为励磁绕组；G _f 为发电机的转子的交流励磁电源，汽轮发电机一般为与主机同轴的交流发电机，水轮发电机一般为接于定子端口的励磁变压器；SCR为可控硅整流器，向转子提供直流励磁电流；AER为自动励磁调节器；S为电力系统。

发电机的转子绕组的中心线称为发电机的直轴，又称为d轴；与直轴正交的线称为交轴，又称为q轴。

同步发电机的励磁装置对转子绕组提供的励磁电流沿d轴生成穿过定、转子铁芯及其两者间气隙的磁场，当转子旋转时定子绕组切割该磁场生成电势称为同步电势，作为旋转相量该电势的相位超前d轴90°，与q轴重合，记为。

图2.2 同步发电机结构图

同步电势超前于机端电压的相位角可以计算发电机输出的功率，因此称为功率角，简称功角。如果略去发电机内部的功率损耗不计，隐极同步发电机输出有功与功角的关系式为：

式中 P _G ——发电机输出有功功率，MW;

——同步电势，kV;

U _G ——机端电压，kV;

x _d ——d轴同步电抗，Ω；

δ ——功率角，（°）。

式（2.1）称为隐极同步发电机的功-角特性。

图2.2中，AER整定发电机输出的无功与机端电压的关系，在额定电压附近区段，机端电压下降时，提高励磁电流，从而提高无功输出；反之，机端电压上升时，减小励磁电流，从而减小无功输出。

由于同步发电机的转子有独立的直流励磁电源，只能在同步转速下运行，才能使转子磁场与定子磁场同步旋转，保持功率角稳定，从而使转子与定子之间传递的功率保持稳定。转子离开同步速度称为失步，失步后不能回归同步称为同步发电机功角稳定性破坏。

目前按容量计，电力系统中同步发电机占绝对优势。

为提高运行可靠性，发电机与原动机一般直接（不经变速装置）连接。按原动机形式划分，现代电力系统中发电机的主要形式为汽轮发电机与水轮发电机。汽轮发电机的特点是转速很高，因为提高转速可以减小汽轮机的尺寸并提高效率。因此，大、中容量的汽轮发电机额定转速均为3000r/min。其极对数 p =1，并采用隐极形式。美国和日本电网频率为60Hz，其额定转速为3600r/min。特大容量（1200MW及以上容量）汽轮发电机和进气参数较低的核电站汽轮发电机可能做成两轴形式，为了提高末级蒸汽通过能力，必须加长末级叶片，为减小末级叶片材料应力将其转速降低为1500r/min。水轮发电机组按水轮机取得最佳效率选择转速。最佳转速与水头和流量有关，按下式确定，即

式中 n _T ——水机转速，r/min;

H ——水头，m;

P ——水机功率，MW;

n _r ——转速系数，与水机结构形式有关：水斗式：20~40r/min；轴流式：50~450r/min；转桨式：600~800r/min。

由于水电站的水头及流量由水文、地理条件确定，各站差异很大，因此水轮机组的转速范围很大，一般为50~1000r/min。大容量、低水头机组必然为低转速机组。同时，由于极对数只能为整数，因此可能有转速为非整数。

发电机的铭牌参数还有：定子额定电压 U _e ，定子额定电流 I _e ；转子励磁额定电压 U _L·e ，转子励磁额定电流 I _L·e ；发电机额定功率 P _e ，额定功率因数cos φ _e 及效率 η 。发电机定子额定电压包括下列等级：0.4、3.15、6.3、10.5、18、20、21和24kV。一般100MW及以下汽轮发电机的额定功率因数为0.8，即在额定条件下可发无功与视在功率的比值为0.6，与额定有功的比值为0.75。随着机组容量的增大，为限制机组尺寸而使转子励磁容量相对不足，因而其额定功率因数上升，即在额定条件下可发无功功率与额定有功功率的比值下降。160~500MW机组的额定功率因数为0.85，特大机组为0.85~0.9。

表2.2列出安装于三峡电站的ALSTOM公司700MW水轮发电机的主要参数。

表2.2 700MW水轮发电机参数

续表

2.2.2 异步发电机的类型式与参数

异步电机转子上没有独立的励磁装置提供励磁电流，它只能依靠转子与定子磁场的旋转速度不同步使转子绕组切割定子磁场而生成励磁电流，因此又称为感应电机。

异步电机的转差率定义为：

式中 ω _S ——定子磁场角速度，rad /s;

ω _r ——转子运动角速度（转子机械转速乘以极对数后的归算值）,rad /s。

s >0为发电状态， s <0为电动状态。

按转子绕组的结构不同，异步电机分为笼型转子与绕线型转子两种。中、大容量的笼型异步电机采用铜条插入转子槽内，再在两端焊上短路环，其结构十分简单而坚实，且价格低廉，十分经济耐用，因此，早已在工厂中得到了广泛的应用。绕线型异步电机在转子槽内嵌入由绝缘导线组成的三相绕组，出线端接入转子轴上的三个集电环，然后经电刷引出。

与笼型异步电机相比较，绕线型异步电机结构稍复杂，价格稍贵。但由于将转子绕组的三相端子引出，可在转子绕组中串入可调电阻提高电动机的启动转矩，或在运行中调节转速。

电阻调速的缺点是在改变转速的同时转差损耗也随之改变，即降低运行的经济性。随着变频技术的发展，在转子上引入交流电流励磁的变频调速方式取代了电阻调速方式。

双馈电机的缺电是增加了变频励磁系统，使价格显著提高，并使运行可靠性显著下降。统计表明，大容量同步发电机的故障中，励磁系统的故障占60%以上。

将机端电压、频率、冷却条件、输出有功和无功均为额定值的运行状态称为额定运行状态。在额定运行状态下，异步发电机转子的转速称为额定转速，其对应的转差率称为额定转差率，定义式为：

式中 ω _rN ——转子运动的额定角速度，rad /s;

ω ₀ ——同步角速度，rad /s。

异步发电机的额定电压与同步发电机相同，功率因数表示在额定运行状态下吸收的无功与视在功率的关系。例如，当额定功率因数为0.8时，表示在额定运行状态下吸收的无功与视在功率的比值为0.6，与有功的比值为0.75。

2.2.3 变压器的形式与参数及接线组别

（1）变压器的形式

由于发电厂经升压后将电能送入高压电网，然后经多层次降压分配到各基层用户，其中跨越的电压等级由0.4~1000kV，因此电力系统中变压器的安装容量远大于发电机的安装容量，前者为后者的7~8倍，并随电力系统电压的提高和用电区域的延伸而将进一步扩大到9~10倍。其中绝大多数为110kV及以下电压等级的变压器。

1）升压变压器与降压变压器

按高压侧功率流动的方向划分：用于送出功率的称为升压变压器；用于吸收功率的称为降压变压器。前者用于发电厂，后者用于供电公司。

2）三相变压器与单相变压器

按一个箱体内装的相数划分：三相装在一个箱体内称为三相变压器；一个箱体内只装一相的称为单相变压器。

电力系统中变压器大多为三相式。目前世界上使用的三相变压器的最大单台容量已超过1000MV·A。较之于同容量的单相变压器组，三相式变压器的金属材料消耗少20%~25%，运行电能损耗少12%~15%，且占地面积小，因此在可能的条件下应优先采用。当制造厂到发电厂、变电站的运输条件受限制需降低变压器的单台尺寸及质量时则需要使用单相式变压器。

3）双绕组变压器与单绕组变压器

每相仅有两级电压绕组的称为双绕组变压器，每相有三级电压绕组的则称三绕组变压器。当发电厂、变电站需要实施三级电压联络时一般使用三绕组变压器作为联络变压器，比加装专用的双绕组变压器进行联络可节约投资和占地。只有当向某级电压传输容量小于变压器总容量的15%时才使用很小容量的双绕组变压器实施联络才可能是合理的。

4）普通变压器与自耦变压器

同相绕组之间只有磁联系没有电气联接的变压器称为普通变压器；同相绕组之间既有磁联系又有电气联接的变压器称为自耦变压器。自耦变压器的优点是：当功率在有电气联系的两个绕组之间传输时，两个绕组的负载相等且都低于传输功率，绕组的负载与传输功率的比值称为型式系数 k _T 。型式系数 k _T 表示绕组的制造容量与传输容量的比值， k _T 越小制造容量越小。自耦变压器的缺点是：两个电压等级有共同的中性点，中性点必须接地。因此在我国500kV及以上电压等级中广泛采用。

5）分裂变压器

用两个50%容量的变压器代替一个大变压器，在低压侧解列（不并联）运行可以显著减小低压侧的短路电流。为了降低投资和占地，将两个小变压器做在一起：共用一个高压绕组，低压绕组分裂为两个容量为50%的绕组，称为分裂变压器，因此将其列入限流电器，在大容量的发电厂的自用电变压器及500kV及以上变电站的静止无功补偿器中得到广泛应用。

（2）变压器的参数

如图2.3所示为双绕组变压器的T型等效电路。

图2.3 双绕组变压器的T型等效电路

图2.3中，为1次侧电压，为1次侧电流；为向1次侧归算了的2次侧电压，为实际值的 k 倍（ k 为变压器一次绕组与二次绕组的匝数比），为向1次侧归算了的2次侧电流，为实际值的1 /k 倍；为励磁电流；（ R ₁ , X ₁ ）为1次侧绕组的电阻及漏电抗；（ R ₂ , X ₂ ）为向1次侧归算了的2次侧绕组电阻及漏电抗，为实际值的 k ² 倍；（ R ₀ , X ₀ ）为励磁电阻与电抗，电阻 R ₀ 反应铁芯的磁滞与涡流损耗，电抗 X ₀ 反应经铁芯穿过1、2次绕组的公共磁通（主磁通）在两个绕组中生成的反电势。

为简化计算，将T型电路中的励磁支路前移到端口，简化为只有两条并联支路的电路，称为Γ型等效电路，如图2.4所示。

图2.4 双绕组变压器的Γ型等效电路

图2.4中，电阻 R = R ₁ + R ₂ ，漏电抗 X = X ₁ + X ₂ 。

变压器的短路试验是一侧短路，另一侧由0升压使电流达额定电流 I _e ，得到电压与有功数据：①短路电压 U _d ;②短路损耗Δ P _d ；空载试验是一侧开路，另一侧由0升压至额定电压 U _e ，得到电流与有功数据：①空载电流 I ₀ ;②空载损耗Δ P ₀ 。

定义短路电压百分值与空载电流百分值为：

式中 U _e ——变压器的额定电压；

I _e ——变压器的额定电流。

U _d %有两个重要的物理意义：①表示变压器满载运行下的电压降落的百分值，从保证正常供电压质量方面考虑，希望 U _d %越小越好；②正比于短路电抗标幺值，在变压器容量确定的条件下， U _d %越大在常规单位下的电抗也越大，短路电流越小。因此，变压器制造规范规定随变压器容量的增大，短路电压百分值随之加大：10~35kV变压器为4~4.5,220~500kV变压器为12~14。

I ₀ %代表变压器的励磁无功损耗，随变压器电压和容量的增大而减小：10~35kV变压器为2~2.5,220~500kV变压器为0.5~0.3。

按Г型等值电路由双绕组变压器的4个试验数据可以算出4个阻抗参数，可用相电压与相电流的常规单位值计算，算式如下：

①略去励磁支路，由短路试验数据算漏抗支路的电阻与漏电抗：

由于短路试验输入变压器端口的电压很低（小于15%），加之励磁阻抗很大，使励磁支路电流相对于漏抗支路电流很小，因此可将励磁支路略去。

漏抗支路的阻抗算式为：

式中 z _d ——漏抗支路总阻抗；

R ——电阻；

X ——电抗。

见T型等效电路，可视归算后的两侧绕组的电阻及漏抗相等，可得（ R ₁ = R ₂ = R / 2），（ X ₁ = X ₂ = X/ 2）。

②由空载试验数据算励磁电阻与电抗：

式中 z ₀ ——励磁支路总阻抗；

R ₀ ——电阻；

X ₀ ——电抗。

见图2.5，普通三绕组变压器有两种结构：升压变压器结构和降压变压器结构。

两种结构的差别在于2、3绕组与1绕组的关系：升压结构中，低压绕组3靠近高压绕组1，在其等值电路中，1、3绕组之间的漏电抗最小（近似为零）,1、2绕组之间的漏电抗最大。降压结构中，中压绕组2靠近高压绕组1，在其等值电路中，1、2绕组之间的漏电抗最小（近似为零）,1、3绕组之间的漏电抗最大。

升压变压器用于发电厂升压变电站，发电机接于3绕组，便于发电机功率向高、中压电网传送；降压变压器用于供电公司的降压变电站，1绕组从高压电网受电，便于绝大部分的功率以“零阻抗”传向中压电网。

图2.5 普通三绕组变压器的结构

1—高压绕组；2—中压绕组；3—低压绕组；4—铁芯

如图2.6所示为三绕组变压器的等效电路。

图2.6 三绕组变压器的等效电路

图2.6中， R ₁ , R ₂ , R ₃ 为三级电压绕组的电阻； X ₁ , X ₂ , X ₃ 为三级电压绕组的漏电抗。

三绕组变压器的空载试验与双绕组变压器相同，同样可由Δ P ₀ 和 I ₀ %求出 R ₀ 和 X ₀ 。

三绕组变压器的短路试验是在两两绕组之间进行的，有3种组合：①1绕组加压，2绕组短路，3绕组开路，得出Δ P _d1-2 和 U _d1-2 %；②2绕组加压，3绕组短路，1绕组开路，得出Δ P _d2-3 和 U _d2-3 %；③3绕组加压，1绕组短路，2绕组开路，得出Δ P _d1-3 和 U _d1-3 %。

由于每一组短路损耗和短路电压都是两个绕组之和，因此将3组数据联立求解即可得出3个绕组的短路损耗（Δ P _d1 ,Δ P _d2 ,Δ P _d3 ）和短路电压的百分值（ U _d1 %, U _d2 %, U _d3 %）。继而求出3个绕组的电阻与漏电抗。算式为：

如图2.7所示为三绕组自耦变压器的原理性结构图。

图2.7 自耦三绕组变压器原理性结构图

由图2.7可见，自耦三绕组变压器同样有3个绕组（ W _S , W _C , W ₃ ）: W _S 为串联绕组， W _C 为公共绕组， W ₃ 为低压绕组。（ W _S + W _C ）组成高压绕组， W _C 为中压绕组， W ₃ 为低压绕组。

由图2.7可见，公共绕组 W _C 为1、2次侧共用，使1、2次侧有自耦关系。当功率在1、2次侧传送时， W _S 与 W _C 的负载均小于传输功率，绕组的制造容量可以减小，从而在制造上取得经济效益。定义型式系数与型式容量为：

式中 k _T ——型式系数；

S _T ——型式容量；

S _e ——额定容量；

（ U _1e , U _2e ）——高中压侧额定电压。

假定 W ₃ 开路，功率仅在1、2次侧传送，传输功率 S = U ₁ I ₁ = U ₂ I ₂ ，这时串联绕组与公共绕组承受的负荷量为：

式中 S _S ——串联绕阻承受的负荷量；

S _C ——公共绕阻承受的负荷量。

可见串联绕组因承受的电压（ U _S < U ₁ ），公共绕组因承受的电流（ I _C < I ₂ ），从而使承受的负荷量（ S _S = S _C = K _T S < S ）。

必须注意：自耦三绕组变压器的低压绕组 W ₃ 的制造容量不大于型式容量 S _e3 ≤ S _T ，因此在做与 W ₃ 相关的短路试验，不能达到变压器的额定电流时，制造厂标定短路数据需向额定电流归算。

自耦变压器与普通变压器相比较，具有以下特点：

①等效电路中高、中压之间的漏抗较小。

②高中压两侧只能接为星形，并必须将中性点直接接地，以避免高压侧单相接地时引起中压侧过电压而击穿。

图2.8绘出了自耦变压器高压侧单相接地时的电压相量图。

图2.8 自耦变压器高压侧单相接地电压相量图

图2.8中，自耦变压器中性点不接地， A ₁ 、 B ₁ 、 C ₁ 为高压侧的端口， A ₂ 、 B ₂ 、 C ₂ 为中压侧（即公共绕组）的端口。如果高压侧电网发生B相接地，中性点接地的变压器会自动切除，接地点 K 仍然保留在中性点不接地的电网中，这时中性点不接地的自耦变压器的中压侧 A ₂ 、 C ₂ 两相端口对地电压分别为 A ₂ K 与 C ₂ K ，远大于中压侧的相电压 A ₂ O 与 C ₂ O ，电压升高的倍数为：

式中 k _ovr ——过电压倍数；

k ₁₂ ——自耦变压器高、中压的额定电压比。

我国500kV及以上的变压器的特点是：①容量很大，例如500kV变压器大多为（3×250MV·A）三个单相变压器组成，高、中、低三个电压等级为（500/220/35kV）；②功率主要在高、中压绕组之间传输，低压侧只做无功补偿容量相对很小；③高、中压电网都是中性点直接接地电网，因此均采用单相自耦三绕组变压器。110kV与220kV则采用三相普通三绕组变压器。

（3）变压器的接线组别

1）变压器的接线组别的定义

变压器两侧绕组的接线形状和空载状态下出线的两个同名端口电压的相位关系称为变压器的接线组别。变压器的接线组别的表达方式是：

①绕组的接线形状：星形——Y，三角形——D。

②以原边端口（A,B）的电压为分针，副边同名端口（a,b）的电压为时针，得到的钟点数来表示，包括12点，11点和1点接线：12点接线表示两个同名端口电压副边与原边相位相同；11点表示两个同名端口电压副边超前于原边30 ° ;1点接线表示两个同名端口电压副边滞后于原边30 ° 。