第三章 水輪發(fā)電機運行與維護

第一節(jié) 發(fā)電機概述

一、發(fā)電機類型

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

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

立式水輪發(fā)電機，根據(jù)推力軸承位置又分為懸式和傘式兩種。

懸式水輪發(fā)電機特點是推力軸承位于轉(zhuǎn)子上面的上機架內(nèi)或上機架上，如圖3-3所示。它把整個轉(zhuǎn)動部分懸掛起來，軸向推力通過定子機座傳至基礎(chǔ)。懸式結(jié)構(gòu)適用于轉(zhuǎn)速較高機組（一般在150r/min以上）。它的優(yōu)點是：由于轉(zhuǎn)子重心在推力軸承下面，機組運行的穩(wěn)定性較好。因推力軸承在發(fā)電機層，因此安排維護等都較方便。懸式水輪發(fā)電機的缺點是：推力軸承承受機組轉(zhuǎn)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(yīng)增加。在懸式水輪發(fā)電機中，一般選用兩個導(dǎo)軸承，如圖3-3（a）、（b）所示，其中一個裝在上機架內(nèi)，稱為上導(dǎo)軸承；另一個裝在下機架內(nèi)，稱為下導(dǎo)軸承。如運行穩(wěn)定性許可，懸式也可取消下導(dǎo)軸承，如圖3-3（c）所示。

傘式水輪發(fā)電機結(jié)構(gòu)特點是推力軸承位于轉(zhuǎn)子下方，布置在下機架內(nèi)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(chǔ)。它的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊，能充分利用水輪機和發(fā)電機之間的有效空間，使機組和廠房高度相應(yīng)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(shè)計得很高，相應(yīng)就減輕了機組重量，降低了造價。傘式水輪發(fā)電機的缺點是：由于轉(zhuǎn)子重心在推力軸承上方，使機組運行的穩(wěn)定性降低，所以只能用于較低轉(zhuǎn)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(fā)電機根據(jù)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(dǎo)軸承，如圖3-4（a）所示；半傘式只有上導(dǎo)軸承而沒有下導(dǎo)軸承，如圖3-4（c）所示；全傘式只有下導(dǎo)軸承（布置在推力油槽內(nèi)）而沒有上導(dǎo)軸承，如圖3-4（b）所示。

二、發(fā)電機型號及基本參數(shù)

（一）型號

水輪發(fā)電機的型號表示和含義如下。

（二） 基本參數(shù)

1.額定電壓

額定電壓指發(fā)電機正常運行時的線電壓，單位為kV。發(fā)電機的額定電壓應(yīng)比電力網(wǎng)及用電設(shè)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(fā)電機和用電設(shè)備的實際負荷功率，導(dǎo)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(zhì)量。一般允許電壓偏差范圍為±5%。

2.額定電流

額定電流指發(fā)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(fā)電機一般不要隨意過載。在特殊情況下允許短時過載，但發(fā)電機溫度不能超過限值。

3.額定功率

額定功率指發(fā)電機在額定電壓、額定電流和額定功率因數(shù)下連續(xù)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(yè)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(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。對于電力系統(tǒng)而言，小電網(wǎng)一般允許頻率的變化為±0.5Hz，大電網(wǎng)一般允許頻率的變化為±0.2Hz。

5.額定轉(zhuǎn)速

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

式中 n——額定轉(zhuǎn)速；

f——額定頻率；

p——磁極對數(shù)。

6.額定勵磁電流

額定勵磁電流指發(fā)電機在額定功率時的轉(zhuǎn)子勵磁電流。發(fā)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(zhuǎn)速

飛逸轉(zhuǎn)速指水輪發(fā)電機能夠承受而又不會造成轉(zhuǎn)子任何部件受損或永久變形的最高轉(zhuǎn)速，單位為r/min?！帮w逸”一般發(fā)生在機組突然甩全部負荷而水輪機導(dǎo)水機構(gòu)拒絕動作的情況下?；炝魇剿啺l(fā)電機的最大飛逸轉(zhuǎn)速是額定轉(zhuǎn)速的1.8倍，軸流定槳式水輪發(fā)電機為2.4倍。

8.額定溫升

額定溫升指發(fā)電機在額定負載和規(guī)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(fā)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(jù)其耐熱性能不同，分成若干等級，見表3-1。

此外，還有相數(shù)、額定功率因數(shù)、額定勵磁電壓、定子繞組接線法、重量等。

三、發(fā)電機主要結(jié)構(gòu)

水輪發(fā)電機普遍采用立式結(jié)構(gòu)。立式水輪發(fā)電機主要由定子、轉(zhuǎn)子、上機架、下機架、推力軸承、導(dǎo)軸承等部件組成。

（一）定子

水輪發(fā)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(chǔ)，支承著鐵芯、繞組、冷卻器和蓋板等部件，對懸吊式水輪發(fā)電機還承受整個機組轉(zhuǎn)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(fā)電機運行時，鐵芯要受到機械力、熱應(yīng)力及電磁力的綜合作用。由于鐵芯中的磁通量是隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)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?？绽涫桨l(fā)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(nèi)側(cè)。鐵芯內(nèi)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(chǎn)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(zhuǎn)子

水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子主要由主軸、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩，并承受轉(zhuǎn)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(fā)電機外，大、中型轉(zhuǎn)子的主軸均作成空心的。

2.轉(zhuǎn)子支架

轉(zhuǎn)子支架主要用于固定磁軛并傳遞扭矩。是把磁軛和轉(zhuǎn)軸連接成一體的中間部件。正常運行時，轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，還要承受熱套引起的配合力作用。常用的轉(zhuǎn)子支架有以下四種結(jié)構(gòu)型式：①與磁軛圈合為一體的轉(zhuǎn)子支架；②圓盤式轉(zhuǎn)子支架；③整體鑄造轉(zhuǎn)子支架；④組合式轉(zhuǎn)子支架。其中型式①用于中、小容量水輪發(fā)電機。這種轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子支架與軸之間靠鍵傳遞轉(zhuǎn)矩。

3.磁軛

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

磁軛結(jié)構(gòu)有多種，小容量水輪發(fā)電機采用無支架磁軛結(jié)構(gòu)。磁軛通過鍵或熱套等方式與轉(zhuǎn)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(chǎn)生發(fā)電機磁場，因此磁極是產(chǎn)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(shè)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(nèi)，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(fā)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(fā)電機的荷重機架即為安裝于定子下面基礎(chǔ)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(fā)電機組轉(zhuǎn)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(dǎo)軸承

導(dǎo)軸承主要由導(dǎo)軸承瓦、導(dǎo)軸承支柱螺栓、套筒、座圈和軸領(lǐng)等組成。