第三章 水輪發電機運行與維護

第一節 發電機概述

一、發電機類型

按照水電站水輪發電機組布置方式的不同，水輪發電機可分為立式（轉軸與地面垂直）與臥式（轉軸與地面平行）兩種，如圖3-1和圖3-2所示。

立式主要應用于大、中容量的水輪發電機。臥式一般多用于小容量水輪發電機和高速沖擊式或低速貫流式水輪發電機。

立式水輪發電機，根據推力軸承位置又分為懸式和傘式兩種。

懸式水輪發電機特點是推力軸承位于轉子上面的上機架內或上機架上，如圖3-3所示。它把整個轉動部分懸掛起來，軸向推力通過定子機座傳至基礎。懸式結構適用于轉速較高機組（一般在150r/min以上）。它的優點是：由于轉子重心在推力軸承下面，機組運行的穩定性較好。因推力軸承在發電機層，因此安排維護等都較方便。懸式水輪發電機的缺點是：推力軸承承受機組轉動部分的重量及全部水壓力，由于定子機座直徑較大，上機架勢必增高以便保持一定的強度與剛度，這樣，定子機座和上機架所用的鋼材增加；另一方面是機組軸向長度增加，機組和廠房高度也需要相應增加。在懸式水輪發電機中，一般選用兩個導軸承，如圖3-3（a）、（b）所示，其中一個裝在上機架內，稱為上導軸承；另一個裝在下機架內，稱為下導軸承。如運行穩定性許可，懸式也可取消下導軸承，如圖3-3（c）所示。

傘式水輪發電機結構特點是推力軸承位于轉子下方，布置在下機架內或水輪機頂蓋上，如圖3-4所示。軸向推力通過下機架或頂蓋傳至基礎。它的優點是結構緊湊，能充分利用水輪機和發電機之間的有效空間，使機組和廠房高度相應降低。由于推力軸承位于承重的下機架上，且下機架所在機坑直徑較小，在滿足所需的強度和剛度情況下，下機架不必設計得很高，相應就減輕了機組重量，降低了造價。傘式水輪發電機的缺點是：由于轉子重心在推力軸承上方，使機組運行的穩定性降低，所以只能用于較低轉速（一般在150r/min以下），另外因機組高度降低使推力軸承的安裝、維護等都變得困難。傘式水輪發電機根據軸承布置不同，又分為普通傘式、半傘式和全傘式三種。普通傘式具有上、下導軸承，如圖3-4（a）所示；半傘式只有上導軸承而沒有下導軸承，如圖3-4（c）所示；全傘式只有下導軸承（布置在推力油槽內）而沒有上導軸承，如圖3-4（b）所示。

二、發電機型號及基本參數

（一）型號

水輪發電機的型號表示和含義如下。

（二） 基本參數

1.額定電壓

額定電壓指發電機正常運行時的線電壓，單位為kV。發電機的額定電壓應比電力網及用電設備的額定電壓高5%，以彌補線路上的電壓損耗。如果電壓過高，會增加發電機和用電設備的實際負荷功率，導致電機繞組和鐵芯溫度升高，引起絕緣老化，甚至造成絕緣擊穿事故；電壓過低則會影響供電質量。一般允許電壓偏差范圍為±5%。

2.額定電流

額定電流指發電機在額定工況下運行時的線電流，單位為A。要求三相負荷力求平衡，三相不平衡度不超過20%，并且任何一相負荷電流都不能超過額定值。小型水輪發電機一般不要隨意過載。在特殊情況下允許短時過載，但發電機溫度不能超過限值。

3.額定功率

額定功率指發電機在額定電壓、額定電流和額定功率因數下連續運行時，允許輸出的最大有功功率，單位為kW。

4.額定頻率

我國電力工業額定頻率為50Hz。頻率變化對電動機負載的影響最大，會間接影響工業產品的質量和生產效率。對于電力系統而言，小電網一般允許頻率的變化為±0.5Hz，大電網一般允許頻率的變化為±0.2Hz。

5.額定轉速

同步發電機在額定工況運行時的轉速稱為額定轉速，單位為r/min。具有不同磁極對數的發電機的額定轉速可從以下公式求得。

式中 n——額定轉速；

f——額定頻率；

p——磁極對數。

6.額定勵磁電流

額定勵磁電流指發電機在額定功率時的轉子勵磁電流。發電機在額定空載時的勵磁電流值稱為空載勵磁電流。

7.飛逸轉速

飛逸轉速指水輪發電機能夠承受而又不會造成轉子任何部件受損或永久變形的最高轉速，單位為r/min。“飛逸”一般發生在機組突然甩全部負荷而水輪機導水機構拒絕動作的情況下。混流式水輪發電機的最大飛逸轉速是額定轉速的1.8倍，軸流定槳式水輪發電機為2.4倍。

8.額定溫升

額定溫升指發電機在額定負載和規定的工作條件下，定子繞組允許的最高溫度與電機進風口處風溫之差。發電機繞組絕緣采用不同耐熱等級的材料，允許有不同的溫升，溫升超過額定值時會加速絕緣的老化，縮短使用壽命。

9.絕緣耐熱等級

絕緣耐熱等級指絕緣材料根據其耐熱性能不同，分成若干等級，見表3-1。

此外，還有相數、額定功率因數、額定勵磁電壓、定子繞組接線法、重量等。

三、發電機主要結構

水輪發電機普遍采用立式結構。立式水輪發電機主要由定子、轉子、上機架、下機架、推力軸承、導軸承等部件組成。

（一）定子

水輪發電機定子由機座、鐵芯和繞組等部件組成，其斷面圖如圖3-5所示。

1.機座

定子機座是一個承重和受力部件，承受上機架荷重并傳到基礎，支承著鐵芯、繞組、冷卻器和蓋板等部件，對懸吊式水輪發電機還承受整個機組轉動部分重量（包括水推力），機座還承受徑向力（磁拉力和鐵芯熱膨脹力）和切向力（正常和短路時引起的力）。因此，機座一般采用鋼板焊接，須具有足夠的剛度，防止定子變形和振動。

2.定子鐵芯

定子鐵芯是定子的一個重要部件。它是磁路的主要組成部分并用以固定繞組。在發電機運行時，鐵芯要受到機械力、熱應力及電磁力的綜合作用。由于鐵芯中的磁通量是隨著轉子的旋轉而交變的，為提高效率、減少鐵芯渦流損耗，鐵芯一般由0.35～0.5mm厚的兩面涂有絕緣漆的扇形硅鋼片疊壓而成。空冷式發電機鐵芯沿高度方向分成若干段，每段高40～45mm，段與段間以工字形襯條隔成通風溝，供通風散熱之用。鐵芯上、下端有齒壓板，通過定子拉緊螺桿將疊片壓緊。鐵芯外圓有鴿尾槽，通過定位筋和托板將整個鐵芯固定在機座的內側。鐵芯內圓有矩形嵌線槽，用以嵌放繞組。

3.定子繞組

定子繞組的主要作用是產生電勢和輸送電流。定子繞組是用扁銅線繞制而成，然后再在它的外面包上絕緣材料。

（二）轉子

水輪發電機轉子主要由主軸、轉子支架、磁軛和磁極等部件組成，其縱剖面圖如圖3-6所示。

1.主軸

它是用來傳遞轉矩，并承受轉子部分的軸向力。通常用高強度鋼整體鍛成；或由鑄造的法蘭與鍛造的軸筒拼焊而成。除小型發電機外，大、中型轉子的主軸均作成空心的。

2.轉子支架

轉子支架主要用于固定磁軛并傳遞扭矩。是把磁軛和轉軸連接成一體的中間部件。正常運行時，轉子支架要承受扭矩、磁極和磁軛的重力矩、自身的離心力以及熱打鍵徑向配合力的作用。對于支架與軸熱套結構，還要承受熱套引起的配合力作用。常用的轉子支架有以下四種結構型式：①與磁軛圈合為一體的轉子支架；②圓盤式轉子支架；③整體鑄造轉子支架；④組合式轉子支架。其中型式①用于中、小容量水輪發電機。這種轉子支架由輪轂、輻板和磁軛圈三部分組成。整體鑄造或由鑄鋼磁軛圈、輪轂與鋼板組焊成。轉子支架與軸之間靠鍵傳遞轉矩。

3.磁軛

磁軛也稱輪環。它的作用是產生轉動慣量和固定磁極，同時也是磁路的一部分。磁軛在運轉時承受扭矩和磁極與磁軛本身離心力的作用。

磁軛結構有多種，小容量水輪發電機采用無支架磁軛結構。磁軛通過鍵或熱套等方式與轉軸連成一個整體。

4.磁極

當直流勵磁電流通入磁極線圈后就產生發電機磁場，因此磁極是產生磁場的部件。磁極由磁極鐵芯、磁極線圈和阻尼繞組三部分組成。

磁極鐵芯一般由1.5mm厚鋼板沖片疊壓而成。兩端設有磁極壓板，通過拉緊螺桿與沖片緊固成整體。磁極鐵芯尾部為T形或鴿尾形，磁極鐵芯尾部套入磁軛T形尾槽或鴿尾形槽內，借助于磁極鍵將磁極固定在磁軛上。

（三）上機架與下機架

上、下機架由于機組的型式不同，可分為荷重機架及非荷重機架兩種。懸吊式水輪發電機的荷重機架即為安裝在定子上的上機架。而傘式水輪發電機的荷重機架即為安裝于定子下面基礎上的下機架（或安裝在水輪機頂蓋上的支持架）上。

（四）推力軸承

推力軸承承受水輪發電機組轉動部分全部重量及水推力，并把這些力傳遞給荷重機架。一般由推力頭、鏡板、推力瓦、軸承座及油槽等部件組成。

（五）導軸承

導軸承主要由導軸承瓦、導軸承支柱螺栓、套筒、座圈和軸領等組成。