[其他]多滑环分裂励磁绕组同步发电机

说明书

多滑环分裂励磁绕组同步发电机

所属技术领域：电机工程

现有技术及发明背景：迄今为止现代同步发电机转子上的励磁绕组全部是不分裂的连续绕组，采用一对滑环引出。由于转子绝缘的限制，额定励磁电压对于汽轮发电机一般都在500伏以下，对于水轮发电机一般都在1000伏以下。随着单机容量的不断增长，励磁功率也不断增大。例如苏联克拉斯诺雅尔斯克水电站的590兆伏安机组，其励磁功率峰值已高达13600瓩；美国大古力水电站的615兆伏安机组，其励磁功率也高达11200瓩。由于转子绝缘的限制，励磁电压已难以再提高，因而励磁容量的增大只能靠增大励磁电流来实现。但是，励磁电流进一步增大，将带来一系列技术困难，特别是滑环及碳刷的温升限制。这个问题在大型发电机特别是汽轮发电机上尤为突出。所以现代大型汽轮发电机大都已被迫改用无刷旋转励磁机方案。但是采用无刷旋转励磁系统必须要增加励磁系统的惯性环节，这对于励磁调节系统的快速响应以至整个电力系统的稳定性能显然是非常不利的。随着电网的日趋扩大，远离负荷集中区的大型水电站及坑口火电站的开发，日益依赖于高压远距离输电，所带来的系统稳定问题，又特别需要发电机具有高顶值和快响应特性的励磁系统，这又必然要求进一步提高励磁系统的强励电压倍数。例如：苏联、加拿大等国，由于系统稳定的需要，顶值强励电压已提高到4到5倍额定励磁电压（相对于空载额定励磁电压约达8到10倍之多），同期调相机甚至高达7到8倍额定励磁电压（相对于空载额定励磁电压的大约15倍）。对于地域辽阔，水电及煤资源丰富的国家和地区，输电距离长，电网大而结构疏，联系弱。发电机采取高顶值快响应强励系统，肯定是必不可少的。而这首先也都受到了发电机转子绝缘和可控硅变流器励磁电源可调幅度的限制。为此，就必须寻求新的转子结构和新的励磁系统接线方式。基于这些出发点，特提出四环滑乃至多滑环分裂励磁绕组同步发电机及其励磁系统方案。

发明内容：

在传统的同步发电机的基础上，将转子的励磁绕组分裂为两组，分别引出到两对滑环上。对于汽轮发电机转子的励磁绕组可两边出线，转子两端各装一对滑环，相应转子大轴的长度当略有增长。对于水轮发电机转子的励磁绕组按N磁极和S磁极分裂为两组，单边出线，两对滑环均装于转子的上端。这些变化在工艺结构上并不复杂，很易实现。发电机的电磁参数、绝缘及机械结构，以及制造工艺等，均与传统的同步发电机相类同。

四滑环分裂励磁绕组同步发电机及其励磁系统的主接线如附图所示。图中（1）为发电机的定子，转子的两组分裂励磁绕组（2），通过两对滑环（3）经直流快速开关（8）与两组可控硅变流器（4）相间串接，再经过高值电阻（17）和（18）对称接地，使得整个励磁回路最高正常对地电位只有环路总电压的四分之一（当两组可控硅交流器（4）同时投入时），大大降低了转子励磁绕组的对地绝缘要求。关于发电机励磁系统，选用适合于大型水轮发电机的自并激方案，可控硅变流器（4）由接于发电机定子馈线上的三绕组整流变压器（5）供电。正常运行时，励磁电源可只投入一组可控硅变流器（4），与它相并接的旁路二极管（6）支路则应断开（该支路的开关（7）断开），而另一组可控硅变流器（4）处于备投状态，它的旁路二极管（6）支路应接入（该支路的开关（7）合上）。一旦需要强励，处于备投状态的可控硅变流（该支路的开关（7）合上）。一旦需要强励，处于备投状态的可控硅变流器（4）应立即自动投入。平时，两组变流器（4）又可互为备用，大大提高了励磁系统以至发电机的运行可靠性。

转子的快速灭磁及过电压保护采用可控硅二次换流人工过零的新型灭磁与过电压保护线路（该线路已同时申报职务专利）。它由可控硅开关（9）及低值电阻（10）组成可控硅换流开关支路；由电容（11）、小电感（12）和可控硅（13）组成换流电容支路；由氧化锌非线性电阻（15）和（16）以及二极管（14）组成非线性电阻灭磁及过电压保护支路。

本发明与传统的同步发电机相比，其主要优点是：

1.在传统的同步发电机转子工艺条件下，无需增强转子绝缘，即可提高整个励磁系统的励磁电压，从而可提高发电机的励磁功率，避免了增大励磁电流的办法所带来的一系列技术难题。

2.有利于实现高顶值快响应的强励特性，从而有利于系统稳定。

3.无需对可控硅进行深控，即可扩大励磁参数的调节范围，从而扩大了机组无功功率的调节范围。

4.可实现备励自动投入，提高发电机运行的可靠性。

5.提高了灭磁反电势，有利于实现接近于理想灭磁条件的快速灭磁。

综上分析，多滑环分裂励磁绕组同步发电机，在大型同步发电机的发展过程中，可能是一次较大的技术改进，具有一定的实用经济价值。