摘要：目前一批采用全空氣冷卻方式的700MW級水輪發電機已在中國投入運行，由此使水輪發電機產品的發展上了一個新的台階。本文以三峽右岸全空冷水輪發電機為例，對700MW級全空冷水輪發電機的設計運行特點及研究工作進行一定的總結。

　　關鍵詞:水輪發電機，空冷技術，推力軸承

　　1 前言

　　水力資源屬清潔的可再生能源，是發電設備的首選資源。隨著世界經濟的發展與能源需求的增加，建設大型水力發電廠仍是一個時期內的主要方向。大型凸極水輪發電機作為水力發電的主要設備，也經曆了長期不斷的技術進步和發展。

　　目前，中國55～75萬千瓦水輪發電機機組有100多台，70萬千瓦以上容量的機組60多台，從2005年到2020年,每年新增水電裝機達1000萬千瓦以上，是以往5倍的規模。

 
　　圖1 中國188体育官网app 近十年規劃圖

　　對大容量水輪發電機，冷卻技術是設計中的關鍵問題。目前水輪發電機的冷卻方式大致有三種，即全空氣冷卻方式、定子水內冷冷卻方式、及蒸發冷卻方式。

　　空氣冷卻方式在電機內部隻采用空氣作為冷卻介質，通過空氣的流通實現電機整體的降溫冷卻。此時，所需要的輔助設備為空水冷卻器。水內冷冷卻方式定子線棒要采用部分內部通水的空心股線導體，借助於水的流動帶走定子的一部分損耗。輔助設備除常規的空水冷卻器外，尚需要一套複雜的水處理及循環係統，以降低冷卻水的導電性並驅動水的運動。蒸發冷卻方式采用類似於水冷的定子線棒建立一套冷卻介質的蒸發冷卻係統以帶走定子的部分熱量。蒸發冷卻係統的介質不導電，同時無需借助泵類設備驅動介質的循環。

　　三種冷卻方式的對比如表1所示。從表1可見，空氣冷卻方式電機的體積略大，但與係統複雜程度結合考慮已無足輕重。因而空氣冷卻方式如果能夠實現的話，即成為水電廠方麵的首選。我國自哈爾濱電機廠有限責任公司在三峽右岸電廠756MW水輪發電機上實現空氣冷卻方式後，後續的７００ＭＷ級水輪發電機在招標上無一例外地全部要求采用空氣冷卻方式。

	電機體積	係統情況	運行維護量	運行可靠性
空氣冷卻方式	大	簡單	小	高
水內冷冷卻方式	小	很複雜	很大	低
蒸發冷卻方式	小	複雜	大	中

　　從運行部門的角度考慮，空氣冷卻方式是大容量水輪發電機的首選。全空冷發電機需重點解決定子線棒的溫升問題、定子線棒軸向溫度分布均勻度問題和由發熱引起的機械應力、定子鐵心熱膨脹及翹曲問題。哈爾濱電機廠有限責任公司為三峽右岸電廠等研製的一批700MW級全空冷水輪發電機對上述問題獲得了圓滿的解決。本文以三峽右岸756 MW水輪發電機為例，對大型全空冷水輪發電機的設計與運行技術進行了闡述。

　　2 電磁設計特點

　　全空冷發電機需重點解決定子線棒的溫升分布和由發熱引起的機械應力、鐵心熱膨脹及翹曲問題。因而在發電機的設計上，需要通過參數的優化，盡可能控製熱負荷，降低定子溫升，以減少定子鐵芯的熱膨脹量。同時還要在方案設計上采取一些措施。

　　三峽右岸發電機的主要技術參數如表2所示。

表2 三峽右岸發電機主要參數

　　發電機在詳細電磁計算的基礎上，定子線圈采用不完全換位代替360°換位，以減少線圈端部漏磁場引起的附加損耗、降低股線間溫差，同時還可以提高定子線圈壽命。

　　定子鐵芯材料采用高質量、高導磁率、低損耗、無時效、機械性能優良的優質冷軋薄矽鋼片50H250，在磁通密度等於1T時單位損耗不大於1.05W/Kg，以降低定子鐵芯發熱。定子鐵芯的安裝上采用穿心螺杆加蝶形彈簧壓緊，同時在鐵芯兩端用環氧膠粘接。穿心螺杆的設計布置要確保定子鐵芯單位壓力大於1.7MPa，使定子鐵芯成為一個牢固的整體，防止發電機定子鐵芯翹曲。

　　勵磁刷架采用一體式雙路導流結構（已申報專利），該結構既能保證勵磁電纜在一端集中接線，布置方便，又能使電流從導電環中部流入，保證各電刷的電流盡量均勻，從而解決了較大勵磁電流條件下的集電環碳刷的打火問題。

　　定子機座采用斜立筋結構，使定子鐵芯的徑向膨脹力被機座斜筋的周向變形所吸收，避免發電機定子鐵芯由於受機座的擠壓而產生翹曲現象。

　　轉子采用錯縫式旋轉擋風板結構（已申報專利），不僅對磁極極間的冷卻風形成有效的遮擋，而且有效地保證了磁極極間連接的絕緣距離。

　　3 冷卻係統的設計及分析

　　隨著容量的增大，發電機的冷卻難度越來越大，對三峽840MVA這樣大容量的機組，國際上尚無空冷方案的先例。對700MW級水輪發電機組，一般都采用水冷方案。

　　對三峽右岸水輪發電機來說，由於轉子外緣周速較高，其轉子自身產生的冷卻風量已能夠滿足通風散熱的需要。因此，可采用雙路徑向無風扇端部回風密閉自循環全空冷冷卻方式。冷卻空氣借助於轉子支架、磁軛、磁極旋轉產生的風扇作用，流入轉子支架進口，經磁軛風溝、磁極極間、氣隙、定子徑向風溝流出，冷卻氣體攜帶發電機的損耗熱經定子鐵心背部彙集到冷卻器，與冷卻水熱交換散去熱量後，重新分上、下兩路經定子線圈端部進入轉子支架，構成密閉自循環通風係統。圖2為通風係統結構示意圖。研究工作針對700MW級水輪發電機進行了通風模擬試驗。三峽右岸水輪發電機的通風模型與真機的比例選擇為1：6。通風模型本體設計是基於相似原理，並考慮相似法則的放寬原則來進行的。流體與模型實體邊界麵的材料特性盡可能做到與真機一致或接近，其通風溝采用與真機材料、結構相同的通風槽片，並采用與真機相同的疊片方式，以提高試驗研究的準確度。 

 

　　圖2 三峽右岸發電機總裝配及通風係統示意圖

　　試驗證明，模型的轉速與風量成線性關係（見圖4），說明各試驗工況處在自模擬區內，采用模型試驗進行真機的通風係統研究是可行的、有效的。表3給出了模型試驗推算的電機總風量、通風損耗與設計計算的發電機總風量、通風損耗的對比。
 
　　圖3三峽右岸空冷發電機的通風試驗模型
 
　　圖4模型中總風量與轉子轉速的關係曲線

　　圖5為對各轉速下模型風溝風速的測試結果，反映了所設計方案發電機各段風溝風速也是比較均勻的。由此可以保證發電機定子線棒溫升分布的均勻性。

　　

表3總風量和通風損耗對比

     
　　圖5 在模型上獲得的定子通風溝風速分布

　　三峽右岸水輪發電機的全空冷冷卻方案是在模擬試驗結果與真機計算結果比較研究的基礎上確定的。係統的理論與實驗研究證明，700MW級水輪發電機采用全空氣冷卻方式是可行的。圖6為采用三維溫度場數值計算獲得的三峽右岸水輪發電機定子線棒溫度分布。
 
　　圖6最大負荷連續運行時定子線棒溫度分布的計算結果

　　4 定子絕緣結構及設計特點

　　開發高性能的絕緣材料並設計合理的絕緣結構對發電機的設計是十分重要的。對於空冷發電機，絕緣係統除電氣和機械性能以外，耐熱性也至關重要，直接影響到發電機的散熱性能與運行可靠性。
主絕緣技術方麵，在原F級桐馬環氧粉雲母帶體係的基礎上，研製了高電壓場強環氧玻璃粉雲母帶，顯著地提高了電氣性能，同時它的機械性能和耐熱性能也十分優異。三峽機組的設計工作場強達到了2.51kV/mm。

　　定子導線角部電場分布的不均勻性是線棒發生絕緣擊穿的根本原因。為此，哈電公司設計了絕緣內部導線等電位層的特殊結構，這種結構由半導體材料組成，經過大量的試驗和工藝摸索，發現塗漆是最簡便可行的方法，易於控製，其中半導體等電位層的阻值均勻性是關鍵之處。

　　三峽右岸發電機采用的一次成型防暈結構具有機械強度高，耐磨性能好，防暈層電阻係數的熱穩定性能好等優點。在防暈技術上，三峽右岸發電機的繞組端部采用三段防暈結構，該線棒可以獨立進行耐電壓試驗，運行效果十分理想。

　　在繞組固定結構上分別采用了定子槽內的矽橡膠、繞組端部的軟端箍固定結構、敞開式絕緣盒的固定、磁極機身的絕緣固定和無托板結構等等，這都是與普通機組區別較大的地方。經過實際運行效果證明，這些都是成功的設計方案。

　　5 推力軸承的設計方案

　　三峽水輪發電機推力軸承負荷很高，達5560t，因而製造難度很大。在設計上，推力軸承和下導軸承為複合軸承，共同放置在下導推力油槽內。推力瓦為小支柱簇雙層瓦，采用長支柱螺絲加托盤的支撐形式，並采用自泵瓦油槽外循環結構。

　　5.1 推力軸承的的性能分析

　　推力軸承的結構型式見圖7，軸承有推力瓦（薄瓦）和托瓦（厚瓦）兩層，之間布置了一係列直徑不等的小支柱，在托瓦底部有一小托盤，軸承瓦通過托盤支撐在一個長支柱上麵，長支柱可以通過螺紋調整高程。
 
　　圖 7 三峽巴氏合金瓦推力軸承

　　由於小支柱簇將推力瓦和托瓦分開，循環油可以在托瓦和推力瓦之間自由流動，推力瓦中的不均勻溫度分布對托瓦的影響極小，托瓦溫度沿軸向、徑向和周向基本上是均勻的，托瓦的熱變形很小，托瓦在支柱壓力作用下，主要產生彈性變形。推力瓦由於厚度很小，通過調整小支柱的直徑，可以使瓦麵在油膜壓力和溫度聯合作用下的熱彈變形控製在較小的範圍。

　　三峽推力軸承的實測溫度分布見圖8和圖9，推力瓦麵溫度35~71℃，托瓦麵溫度32~34℃。圖10同時給出了軸承溫度分布的三維溫度場數值計算結果和應力變形的三維數值計算結果。可見托瓦溫度基本上是均勻的，由此使瓦的熱變形影響降低。推力瓦瓦麵沿徑向微凹，而鏡板麵沿徑向是微凸的。瓦麵的微凹使鏡板麵微凸對軸承性能的影響相對降低，這就是所謂進一步優化小支柱彈性的結果，可抵消鏡板的大部分變形。

　　5.2 下導推力軸承的油循環係統

　　推力軸承和下導軸承所產生損耗由循環油帶出油槽，而循環油的動力由導瓦泵形成。導軸承瓦塊為自泵瓦，機組轉動時推力頭鏡板外緣將油帶入導瓦泵油腔，流向集油環管。集油環管將熱油排出油槽，經外部冷卻器冷卻後回到軸承下方的冷油集油環管，將冷油分散向上流向瓦塊。由於沒有其他的密封元件及引起表麵摩擦的部件，因此不會產生額外的損耗。
表4給出了自泵瓦的設計參數。

 
　　圖8 推力瓦麵下5mm溫度分布
 
　　圖9 托瓦麵下15mm溫度分布

     
　　圖10 瓦溫度分布和瓦變形
 
　　圖11自泵瓦及導瓦泵外循環係統示意圖

　　圖中：1—集油管  2—熱油流 3—承載油膜

　　4—熱交換器 5—泵油腔  6—冷油流

表4 三峽自泵瓦設計參數

　　三峽水輪發電機推力軸承采用小支柱簇雙層瓦、導瓦自泵油外循環等水輪發電機推力軸承新型結構，這些新型結構在推力軸承的推力台試驗和真機的運行中體現出優越的性能，保證了機組的正常運行。

　　6 瞬態過程的受力分析

　　6.1 故障短路電流

　　借助於軟件SIMSEN，可對三峽右岸水輪發電機的各種短路故障進行仿真研究。圖12為三峽右岸水輪發電機負載情況下發生不同突然短路時定子電流的計算波形。
 
　　(a) 三相短路
 
　　(b) 兩相短路
 
　　(c) 單相對中性點短路

　　圖12  三峽右岸水輪發電機短路電流的計算結果

　　6.2 銅環引線的受力

　　根據短路電流的峰值，采用解析法可以對定子的銅環引線受力進行計算分析, 。銅環上受力最大的位置如圖13所示。
  

　　圖13 銅環引線示意圖

　　從受力情況考慮，三峽右岸水輪發電機最嚴重的短路故障為三相短路，短路電流的最大值為289093A（最大容量方案）。三相短路情況下銅環引線的受力如表5所示。由於所計算的是銅環引線受力最大的情況，各條銅環中的電流取相同方向（表中力的正負號表示銅環的引線受力的方向）。

表5  各層銅環單位長度上受到的力（N/m）

　　6.3 定子線棒槽內受力

　　三相短路時槽部線棒的受力的計算結果如表6所示。

表6  突然短路時定子槽部線棒的受力
受力類型    單位長度受力
（kgf/cm）
上層線棒受力    101.51
下層線棒受力    135.34

　　6.4 定子繞組端部電動力

　　定子繞組端部電動力的計算是采用引進軟件ABBFED進行的。計算分析表明，120°誤同期時定子繞組端部電動力最大，為13082.02N。
 

　　圖14 120°誤同期的定子電流

　　圖14為120°誤同期時定子電流的初始波形，圖15為在此工況下定子線棒的三維受力情況。
 
　　圖15 120°誤同期的定子端部電動力

　　7 發電機的運行及試驗分析

　　由於水頭的原因，三峽右岸全空冷水輪發電機的運行功率最高隻達到了600MW。但運行的結果已顯示了發電機優秀的性能。表7為運行溫度的試驗情況。

表7 實測電機溫升

　　發電機線電壓的波形畸變率為0.26%、電話諧波因數為0.20%。

　　由空載短路試驗得到額定工況下直軸同步電抗 不飽和值為1.129、飽和值為0.939；短路比SCR為1.065。三相突然短路試驗測得的發電機瞬態參數分別為 為0.280、 為0.235，直軸瞬態短路時間常數 為1.45s，直軸超瞬態短路時間常數 為0.085s，電樞短路時間常數Ta為0.32s。

　　發電機在輸出500MW功率的效率為98.58%、輸出600MW功率時的效率為98.68%。發電機的實際運行效果非常令人滿意。

　　8 結論及展望

　　目前，國內三峽右岸、龍灘等電站一批700MW級全空冷水輪發電機已經投入運行，並獲得了良好的運行效果和經驗。通過對設計運行工作的全麵總結獲得了如下的結論：

　　（1）通過電磁方案的優化設計，700MW級水輪發電機采用全空氣冷卻方案是可以實現的。

　　（2）700MW級全空冷水輪發電機采用雙路密閉自循環端部回風的通風方式，可以實現風量的均勻分布，保證機組的安全運行

　　（3）主絕緣方麵，所研製的高電壓場強環氧玻璃粉雲母帶，具有優越的電氣性能、機械性能和耐熱性能，在700MW級全空冷發電機上獲得了成功的應用。

　　（4）大型高負荷水輪發電機軸承采用小支柱簇雙層瓦、導瓦自泵油外循環的新型結構，在推力軸承的試驗台和真機的運行中體現出優越的性能，可以保證機組的正常運行。

　　（3）瞬態過程相關結構件的受力分析為提高電機的抗衝擊能力提供了依據，保證了大容量機組的運行可靠性。

　　三峽右岸水輪發電機最大容量為840MVA，是迄今世界最大的全空冷水輪發電機。三峽全空冷水輪發電機的投運，帶動了同類產品采用全空冷方案的信心。目前，國內市場上擬投入的700MW級水輪發電機幾乎都準備采用全空冷技術。

　　700MW級全空冷水輪發電機的研製成功，進一步拓展了水電產品的發展思路。今後更大容量水輪發電機的開發應該首先考慮全空冷發電機的可能性。這需要在電磁方案優化的基礎上，進行冷卻係統、轉子剛強度、絕緣技術及安裝工藝等方麵深入、係統的研究。

　　參考文獻

[1].    Gu Guobiao, Xiong Nan. The Development of Evaporation-cooling Technology For Large Generator in China. Proceedings of the Third Chinese 
International Conference “Electrical Machines” (CICEM’99), International Academic 
Publisher, Xi’an, P. R. China. August,1996
[2].    Daniel Schafer et al. Investigations into a 6000t Thrust Bearing with Teflon 
Layer or Babbitt Layer for the Three Gorges Units. Proceedings of the Fifth International 
conference “Electric Machines and System”, Shenyang, P. R. China. August, 2001, Vol. I.
[3].    Wu Zhongde, et al. Analysis of Thermoelastic Hydrodynamic Lubrication Performance
 of Thrust Bearings for Large Hydrogenerators [J]. Tribology. 21(2)(2001).
[4].    Sun Yutian, Tang Renyuan, et al. The calculation of EMF waveform of synchronous 
machines by time dependent field simulation. Electromagnetic field problems and 
applications(ICEF’96). International Academic Publisher, 1996.
[5].    Sun Yutian. Parameter Calculation for salient-pole synchronous machines. International Conference “Electrical Machines and 
Applications”, Harbin, P. R. China.  August, 1996.
[6].    李廣德. 大型水輪發電機定子三維溫度場計算. 大電機技術.2002年第2期

 
　　孫玉田簡介：

　　孫玉田，男，1963年5月生，1987年7月畢業於哈爾濱電工學院，獲碩士學位；1998年6月畢業於沈陽工業大學，獲博士學位。現為哈爾濱電機廠有限責任公司副總設計師，哈爾濱大電機研究所電機研究室主任。長期從事大型水火電、交直流電機方麵的科研開發工作。社會兼職包括國際大電網會議（CIGRE/A1-06）委員，國際計算磁學學會（ICS）會員，中國電工技術學會國際電磁場計算會議聯絡辦公室委員會委員，全國風力機械標準化技術委員會（SAC/TC50）委員。
, r>表5  各層銅環單位長度上受到的力（N/m）

　　6.3 定子線棒槽內受力

　　三相短路時槽部線棒的受力的計算結果如表6所示。

表6  突然短路時定子槽部線棒的受力
受力類型    單位長度受力
（kgf/cm）
上層線棒受力    101.51
下層線棒受力    135.34

　　6.4 定子繞組端部電動力

　　定子繞組端部電動力的計算是采用引進軟件ABBFED進行的。計算分析表明，120°誤同期時定子繞組端部電動力最大，為13082.02N。
 

　　圖14 120°誤同期的定子電流

　　圖14為120°誤同期時定子電流的初始波形，圖15為在此工況下定子線棒的三維受力情況。
 
　　圖15 120°誤同期的定子端部電動力

　　7 發電機的運行及試驗分析

, 　　由於水頭的原因，三峽右岸全空冷水輪發電機的運行功率最高隻達到了600MW。但運行的結果已顯示了發電機優秀的性能。表7為運行溫度的試驗情況。

表7 實測電機溫升

　　發電機線電壓的波形畸變率為0.26%、電話諧波因數為0.20%。

　　由空載短路試驗得到額定工況下直軸同步電抗 不飽和值為1.129、飽和值為0.939；短路比SCR為1.065。三相突然短路試驗測得的發電機瞬態參數分別為 為0.280、 為0.235，直軸瞬態短路時間常數 為1.45s，直軸超瞬態短路時間常數 為0.085s，電樞短路時間常數Ta為0.32s。

　　發電機在輸出500MW功率的效率為98.58%、輸出600MW功率時的效率為98.68%。發電機的實際運行效果非常令人滿意。

　　8 結論及展望

　　目前，國內三峽右岸、龍灘等電站一批700MW級全空冷水輪發電機已經投入運行，並獲得了良好的運行效果和經驗。通過對設計運行工作的全麵總結獲得了如下的結論：

　　（1）通過電磁方案的優化設計，700MW級水輪發電機采用全空氣冷卻方案是可以實現的。

　　（2）700MW級全空冷水輪發電機采用雙路密閉自循環端部回風的通風方式，可以實現風量的均勻分布，保證機組的安全運行

　　（3）主絕緣方麵，所研製的高電壓場強環氧玻璃粉雲母帶，具有優越的電氣性能、機械性能和耐熱性能，在700MW級全空冷發電機上獲得了成功的應用。

　　（4）大型高負荷水輪發電機軸承采用小支柱簇雙層瓦、導瓦自泵油外循環的新型結構，在推力軸承的試驗台和真機的運行中體現出優越的性能，可以保證機組的正常運行。

　　（3）瞬態過程相關結構件的受力分析為提高電機的抗衝擊能力提供了依據，保證了大容量機組的運行可靠性。

　　三峽右岸水輪發電機最大容量為840MVA，是迄今世界最大的全空冷水輪發電機。三峽全空冷水輪發電機的投運，帶動了同類產品采用全空冷方案的信心。目前，國內市場上擬投入的700MW級水輪發電機幾乎都準備采用全空冷技術。

　　700MW級全空冷水輪發電機的研製成功，進一步拓展了水電產品的發展思路。今後更大容量水輪發電機的開發應該首先考慮全空冷發電機的可能性。這需要在電磁方案優化的基礎上，進行冷卻係統、轉子剛強度、絕緣技術及安裝工藝等方麵深入、係統的研究。

　　參考文獻

[1].    Gu Guobiao, Xiong Nan. The Development of Evaporation-cooling Technology For Large Generator in China. Proceedings of the Third Chinese 
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Publisher, Xi’an, P. R. China. August,1996
[2].    Daniel Schafer et al. Investigations into a 6000t Thrust Bearing with Teflon 
Layer or Babbitt Layer for the Three Gorges Units. Proceedings of the Fifth International 
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[3].    Wu Zhongde, et al. Analysis of Thermoelastic Hydrodynamic Lubrication Performance
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[4].    Sun Yutian, Tang Renyuan, et al. The calculation of EMF waveform of synchronous 
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[5].    Sun Yutian. Parameter Calculation for salient-pole synchronous machines. International Conference “Electrical Machines and 
Applications”, Harbin, P. R. China.  August, 1996.
[6].    李廣德. 大型水輪發電機定子三維溫度場計算. 大電機技術.2002年第2期

 
　　孫玉田簡介：

　　孫玉田，男，1963年5月生，1987年7月畢業於哈爾濱電工學院，獲碩士學位；1998年6月畢業於沈陽工業大學，獲博士學位。現為哈爾濱電機廠有限責任公司副總設計師，哈爾濱大電機研究所電機研究室主任。長期從事大型水火電、交直流電機方麵的科研開發工作。社會兼職包括國際大電網會議（CIGRE/A1-06）委員，國際計算磁學學會（ICS）會員，中國電工技術學會國際電磁場計算會議聯絡辦公室委員會委員，全國風力機械標準化技術委員會（SAC/TC50）委員。
, 。銅環上受力最大的位置如圖13所示。
  

　　圖13 銅環引線示意圖

　　從受力情況考慮，三峽右岸水輪發電機最嚴重的短路故障為三相短路，短路電流的最大值為289093A（最大容量方案）。三相短路情況下銅環引線的受力如表5所示。由於所計算的是銅環引線受力最大的情況，各條銅環中的電流取相同方向（表中力的正負號表示銅環的引線受力的方向）。

表5  各層銅環單位長度上受到的力（N/m）

　　6.3 定子線棒槽內受力

　　三相短路時槽部線棒的受力的計算結果如表6所示。

表6  突然短路時定子槽部線棒的受力
受力類型    單位長度受力
（kgf/cm）
上層線棒受力    101.51
下層線棒受力    135.34

　　6.4 定子繞組端部電動力

　　定子繞組端部電動力的計算是采用引進軟件ABBFED進行的。計算分析表明，120°誤同期時定子繞組端部電動力最大，為13082.02N。
 

　　圖14 120°誤同期的定子電流

　　圖14為120°誤同期時定子電流的初始波形，圖15為在此工況下定子線棒的三維受力情況。
 
　　圖15 120°誤同期的定子端部電動力

　　7 發電機的運行及試驗分析

　　由於水頭的原因，三峽右岸全空冷水輪發電機的運行功率最高隻達到了600MW。但運行的結果已顯示了發電機優秀的性能。表7為運行溫度的試驗情況。

表7 實測電機溫升

　　發電機線電壓的波形畸變率為0.26%、電話諧波因數為0.20%。

　　由空載短路試驗得到額定工況下直軸同步電抗 不飽和值為1.129、飽和值為0.939；短路比SCR為1.065。三相突然短路試驗測得的發電機瞬態參數分別為 為0.280、 為0.235，直軸瞬態短路時間常數 為1.45s，直軸超瞬態短路時間常數 為0.085s，電樞短路時間常數Ta為0.32s。

　　發電機在輸出500MW功率的效率為98.58%、輸出600MW功率時的效率為98.68%。發電機的實際運行效果非常令人滿意。

　　8 結論及展望

　　目前，國內三峽右岸、龍灘等電站一批700MW級全空冷水輪發電機已經投入運行，並獲得了良好的運行效果和經驗。通過對設計運行工作的全麵總結獲得了如下的結論：

　　（1）通過電磁方案的優化設計，700MW級水輪發電機采用全空氣冷卻方案是可以實現的。

　　（2）700MW級全空冷水輪發電機采用雙路密閉自循環端部回風的通風方式，可以實現風量的均勻分布，保證機組的安全運行

　　（3）主絕緣方麵，所研製的高電壓場強環氧玻璃粉雲母帶，具有優越的電氣性能、機械性能和耐熱性能，在700MW級全空冷發電機上獲得了成功的應用。

　　（4）大型高負荷水輪發電機軸承采用小支柱簇雙層瓦、導瓦自泵油外循環的新型結構，在推力軸承的試驗台和真機的運行中體現出優越的性能，可以保證機組的正常運行。

　　（3）瞬態過程相關結構件的受力分析為提高電機的抗衝擊能力提供了依據，保證了大容量機組的運行可靠性。

　　三峽右岸水輪發電機最大容量為840MVA，是迄今世界最大的全空冷水輪發電機。三峽全空冷水輪發電機的投運，帶動了同類產品采用全空冷方案的信心。目前，國內市場上擬投入的700MW級水輪發電機幾乎都準備采用全空冷技術。

　　700MW級全空冷水輪發電機的研製成功，進一步拓展了水電產品的發展思路。今後更大容量水輪發電機的開發應該首先考慮全空冷發電機的可能性。這需要在電磁方案優化的基礎上，進行冷卻係統、轉子剛強度、絕緣技術及安裝工藝等方麵深入、係統的研究。

　　參考文獻

[1].    Gu Guobiao, Xiong Nan. The Development of Evaporation-cooling Technology For Large Generator in China. Proceedings of the Third Chinese 
International Conference “Electrical Machines” (CICEM’99), International Academic 
Publisher, Xi’an, P. R. China. August,1996
[2].    Daniel Schafer et al. Investigations into a 6000t Thrust Bearing with Teflon 
Layer or Babbitt Layer for the Three Gorges Units. Proceedings of the Fifth International 
conference “Electric Machines and System”, Shenyang, P. R. China. August, 2001, Vol. I.
[3].    Wu Zhongde, et al. Analysis of Thermoelastic Hydrodynamic Lubrication Performance
 of Thrust Bearings for Large Hydrogenerators [J]. Tribology. 21(2)(2001).
[4].    Sun Yutian, Tang Renyuan, et al. The calculation of EMF waveform of synchronous 
machines by time dependent field simulation. Electromagnetic field problems and 
applications(ICEF’96). International Academic Publisher, 1996.
[5].    Sun Yutian. Parameter Calculation for salient-pole synchronous machines. International Conference “Electrical Machines and 
Applications”, Harbin, P. R. China.  August, 1996.
[6].    李廣德. 大型水輪發電機定子三維溫度場計算. 大電機技術.2002年第2期

 
　　孫玉田簡介：

　　孫玉田，男，1963年5月生，1987年7月畢業於哈爾濱電工學院，獲碩士學位；1998年6月畢業於沈陽工業大學，獲博士學位。現為哈爾濱電機廠有限責任公司副總設計師，哈爾濱大電機研究所電機研究室主任。長期從事大型水火電、交直流電機方麵的科研開發工作。社會兼職包括國際大電網會議（CIGRE/A1-06）委員，國際計算磁學學會（ICS）會員，中國電工技術學會國際電磁場計算會議聯絡辦公室委員會委員，全國風力機械標準化技術委員會（SAC/TC50）委員。
, r>表5  各層銅環單位長度上受到的力（N/m）

　　6.3 定子線棒槽內受力

　　三相短路時槽部線棒的受力的計算結果如表6所示。

表6  突然短路時定子槽部線棒的受力
受力類型    單位長度受力
（kgf/cm）
上層線棒受力    101.51
下層線棒受力    135.34

　　6.4 定子繞組端部電動力

　　定子繞組端部電動力的計算是采用引進軟件ABBFED進行的。計算分析表明，120°誤同期時定子繞組端部電動力最大，為13082.02N。
 

　　圖14 120°誤同期的定子電流

　　圖14為120°誤同期時定子電流的初始波形，圖15為在此工況下定子線棒的三維受力情況。
 
　　圖15 120°誤同期的定子端部電動力

　　7 發電機的運行及試驗分析

, 　　由於水頭的原因，三峽右岸全空冷水輪發電機的運行功率最高隻達到了600MW。但運行的結果已顯示了發電機優秀的性能。表7為運行溫度的試驗情況。

表7 實測電機溫升

　　發電機線電壓的波形畸變率為0.26%、電話諧波因數為0.20%。

　　由空載短路試驗得到額定工況下直軸同步電抗 不飽和值為1.129、飽和值為0.939；短路比SCR為1.065。三相突然短路試驗測得的發電機瞬態參數分別為 為0.280、 為0.235，直軸瞬態短路時間常數 為1.45s，直軸超瞬態短路時間常數 為0.085s，電樞短路時間常數Ta為0.32s。

　　發電機在輸出500MW功率的效率為98.58%、輸出600MW功率時的效率為98.68%。發電機的實際運行效果非常令人滿意。

　　8 結論及展望

　　目前，國內三峽右岸、龍灘等電站一批700MW級全空冷水輪發電機已經投入運行，並獲得了良好的運行效果和經驗。通過對設計運行工作的全麵總結獲得了如下的結論：

　　（1）通過電磁方案的優化設計，700MW級水輪發電機采用全空氣冷卻方案是可以實現的。

　　（2）700MW級全空冷水輪發電機采用雙路密閉自循環端部回風的通風方式，可以實現風量的均勻分布，保證機組的安全運行

　　（3）主絕緣方麵，所研製的高電壓場強環氧玻璃粉雲母帶，具有優越的電氣性能、機械性能和耐熱性能，在700MW級全空冷發電機上獲得了成功的應用。

　　（4）大型高負荷水輪發電機軸承采用小支柱簇雙層瓦、導瓦自泵油外循環的新型結構，在推力軸承的試驗台和真機的運行中體現出優越的性能，可以保證機組的正常運行。

　　（3）瞬態過程相關結構件的受力分析為提高電機的抗衝擊能力提供了依據，保證了大容量機組的運行可靠性。

　　三峽右岸水輪發電機最大容量為840MVA，是迄今世界最大的全空冷水輪發電機。三峽全空冷水輪發電機的投運，帶動了同類產品采用全空冷方案的信心。目前，國內市場上擬投入的700MW級水輪發電機幾乎都準備采用全空冷技術。

　　700MW級全空冷水輪發電機的研製成功，進一步拓展了水電產品的發展思路。今後更大容量水輪發電機的開發應該首先考慮全空冷發電機的可能性。這需要在電磁方案優化的基礎上，進行冷卻係統、轉子剛強度、絕緣技術及安裝工藝等方麵深入、係統的研究。

　　參考文獻

[1].    Gu Guobiao, Xiong Nan. The Development of Evaporation-cooling Technology For Large Generator in China. Proceedings of the Third Chinese 
International Conference “Electrical Machines” (CICEM’99), International Academic 
Publisher, Xi’an, P. R. China. August,1996
[2].    Daniel Schafer et al. Investigations into a 6000t Thrust Bearing with Teflon 
Layer or Babbitt Layer for the Three Gorges Units. Proceedings of the Fifth International 
conference “Electric Machines and System”, Shenyang, P. R. China. August, 2001, Vol. I.
[3].    Wu Zhongde, et al. Analysis of Thermoelastic Hydrodynamic Lubrication Performance
 of Thrust Bearings for Large Hydrogenerators [J]. Tribology. 21(2)(2001).
[4].    Sun Yutian, Tang Renyuan, et al. The calculation of EMF waveform of synchronous 
machines by time dependent field simulation. Electromagnetic field problems and 
applications(ICEF’96). International Academic Publisher, 1996.
[5].    Sun Yutian. Parameter Calculation for salient-pole synchronous machines. International Conference “Electrical Machines and 
Applications”, Harbin, P. R. China.  August, 1996.
[6].    李廣德. 大型水輪發電機定子三維溫度場計算. 大電機技術.2002年第2期

 
　　孫玉田簡介：

　　孫玉田，男，1963年5月生，1987年7月畢業於哈爾濱電工學院，獲碩士學位；1998年6月畢業於沈陽工業大學，獲博士學位。現為哈爾濱電機廠有限責任公司副總設計師，哈爾濱大電機研究所電機研究室主任。長期從事大型水火電、交直流電機方麵的科研開發工作。社會兼職包括國際大電網會議（CIGRE/A1-06）委員，國際計算磁學學會（ICS）會員，中國電工技術學會國際電磁場計算會議聯絡辦公室委員會委員，全國風力機械標準化技術委員會（SAC/TC50）委員。