第二节 水轮发电机的基本结构与运行
一、类型
按照水电站水轮发电机组布置方式的不同，水轮发电机可分为立式（转轴与地面垂直）与卧式（转轴与地面平行）两种，如图2-4和图2-5所示。
图2-4 立式布置的水轮发电机
1—永磁发电机；2—副励磁机；3—主励磁机；4—发电机
图2-5 卧式布置的水轮发电机
1—发电机；2—主励磁机；3—副励磁机；4—永磁发电机
立式主要应用于大、中容量的水轮发电机。卧式一般多用于小容量水轮发电机和高速冲击式或低速贯流式水轮发电机。
立式水轮发电机，根据推力轴承位置又分为悬型和伞型两种。
悬型水轮发电机特点是推力轴承位于转子上面的上机架内或上机架上，如图2-6所示。它把整个转动部分悬挂起来，轴向推力通过定子机座传至基础。悬型结构适用于转速较高机组（一般在150r/min以上）。它的优点是：由于转子重心在推力轴承下面，机组运行的稳定性较好。因推力轴承在发电机层，因此安排维护等都较方便。悬型水轮发电机的缺点是：推力轴承承受机组转动部分的重量及全部水压力，由于定子机座直径较大，上机架势必增高以便保持一定的强度与刚度，这样，定子机座和上机架所用的钢材增加；另一方面是机组轴向长度增加，机组和厂房高度也需要相应增加。在悬型水轮发电机中，一般选用两个导轴承，如图2-6（a）、（b）所示，其中一个装在上机架内，称为上导轴承；另一个装在下机架内，称为下导轴承。如运行稳定性许可，悬型也可取消下导轴承，如图2-6（c）所示。
图2-6 悬型水轮发电机
（a）具有两个导轴承，推力在上导上面；（b）具有两个导轴承、推力在上导下面；（c）无下导轴承
伞型水轮发电机结构特点是推力轴承位于转子下方，布置在下机架内或水轮机顶盖上，如图2-7所示。轴向推力通过下机架或顶盖传至基础。它的优点是结构紧凑，能充分利用水轮机和发电机之间的有效空间，使机组和厂房高度相应降低。由于推力轴承位于承重的下机架上，且下机架所在机坑直径较小，在满足所需的强度和刚度情况下，下机架不必设计得很高，相应就减轻了机组重量，降低了造价。伞型水轮发电机的缺点是：由于转子重心在推力轴承上方，使机组运行的稳定性降低，所以只能用于较低转速（一般在150r/min以下），另外因机组高度降低使推力轴承的安装、维护等都变得困难。伞型水轮发电机根据轴承布置不同，又分为普通伞型、半伞型和全伞型三种。普通伞型具有上、下导轴承，如图2-7（a）所示；半伞型只有上导轴承而没有下导轴承，如图2-7（b）所示；全伞型只有下导轴承（布置在推力油槽内）而没有上导轴承，如图2-7（c）所示。
图2-7 伞型水轮发电机
（a）普通伞型；（b）半伞型；（c）全伞型
二、基本结构
水轮发电机普遍采用立式结构。立式水轮发电机主要由定子、转子、上机架、下机架、推力轴承、导轴承等部件组成。
1.定子
水轮发电机定子由机座、铁芯和绕组等部件组成，其断面图如图2-8所示。
（1）机座。定子机座是一个承重和受力部件，承受上机架荷重并传到基础，支承着铁芯、绕组、冷却器和盖板等部件，对悬吊型水轮发电机还承受整个机组转动部分重量（包括水推力），机座还承受径向力（磁拉力和铁芯热膨胀力）和切向力（正常和短路时引起的力）。因此，机座一般采用钢板焊接，须具有足够的刚度，防止定子变形和振动。
（2）定子铁芯。定子铁芯是定子的一个重要部件。它是磁路的主要组成部分并用以固定绕组。在发电机运行时，铁芯要受到机械力、热应力及电磁力的综合作用。由于铁芯中的磁通量是随着转子的旋转而交变的，为提高效率、减少铁芯涡流损耗，铁芯一般由0.35～0.5mm厚的两面涂有绝缘漆的扇形硅钢片叠压而成。空冷式发电机铁芯沿高度方向分成若干段，每段高40～45mm，段与段间以“工”字形衬条隔成通风沟，供通风散热之用。铁芯上、下端有齿压板，通过定子拉紧螺杆将叠片压紧。铁芯外圆有鸽尾槽，通过定位筋和托板将整个铁芯固定在机座的内侧。铁芯内圆有矩形嵌线槽，用以嵌放绕组。
图2-8 定子断面图
1—机座；2—铁芯；3—绕组
（3）定子绕组。定子绕组的主要作用是产生电势和输送电流。定子绕组是用扁铜线绕制而成，然后再在它的外面包上绝缘材料。
水轮发电机定子绕组主要采用圈式和条式两种。
圈式绕组，如图2-9所示。圈式绕组由若干匝组成，每一匝又可由多股绝缘铜线组成。圈式绕组的两个边分别嵌入定子槽内上下层，许多圈式绕组嵌入定子槽内后，按照一定的规律连接起来组成叠绕组。双层圈式绕组多用于中小型水轮发电机。
条式绕组如图2-10所示。水轮发电机普遍采用条式绕组。在定子铁芯槽中沿高度方向放两个线棒，嵌线后，用钎焊方式将线棒彼此连接起来，组成双层绕组。每个线棒由小截面的单根铜股线组成。线棒中的股线沿宽度方向布置两排，高度方向彼此间要进行换位，以降低涡流损耗和减小股线间温差。
2.转子
水轮发电机转子主要由主轴、转子支架、磁轭和磁极等部件组成，其纵剖面图如图2-11所示。
图2-9 定子叠绕组
图2-10 定子波绕组
图2-11 转子纵剖面图
1—主轴；2—轮辐；3—支臂；4—磁轭；5—端压板；6—风扇；7—磁极；8—制动板
（1）主轴。它是用来传递转矩，并承受转子部分的轴向力。通常用高强度钢整体锻成；或由铸造的法兰与锻造的轴筒拼焊而成。除小型发电机外，大、中型转子的主轴均作成空心的。
（2）转子支架。转子支架主要用于固定磁轭并传递扭矩。是把磁轭和转轴连接成一体的中间部件。正常运行时，转子支架要承受扭矩、磁极和磁轭的重力矩、自身的离心力以及热打键径向配合力的作用。对于支架与轴热套结构，还要承受热套引起的配合力作用。常用的转子支架有以下四种结构型式：①与磁轭圈合为一体的转子支架；②圆盘式转子支架；③整体铸造转子支架；④组合式转子支架。其中①用于中、小容量水轮发电机。这种转子支架由轮毂、辐板和磁轭圈三部分组成。整体铸造或由铸钢磁轭圈、轮毂与钢板组焊成。转子支架与轴之间靠键传递转矩。
（3）磁轭。磁轭也称轮环。它的作用是产生转动惯量和固定磁极，同时也是磁路的一部分。磁轭在运转时承受扭矩和磁极与磁轭本身离心力的作用。
磁轭结构有多种，小容量水轮发电机采用无支架磁轭结构。磁轭通过键或热套等方式与转轴连成一个整体。
（4）磁极。当直流励磁电流通入磁极线圈后就产生发电机磁场，因此磁极是产生磁场的部件。磁极由磁极铁芯、磁极线圈和阻尼绕组三部分组成。
磁极铁芯一般由1.5mm厚钢板冲片叠压而成。两端设有磁极压板，通过拉紧螺杆与冲片紧固成整体。磁极铁芯尾部为T形或鸽尾形，磁极铁芯尾部套入磁轭T形尾槽或鸽尾形槽内，借助于磁极键将磁极固定在磁轭上。
磁极绕组多采用裸扁铜排或铝排绕成，匝间用环氧玻璃上胶坯布作绝缘。极身（对地）绝缘采用云母烫包结构或由环氧玻璃布板加工而成。
阻尼绕组装在磁极极靴上，由阻尼铜条和两端的阻尼环组成。转子组装时，将各极之间的阻尼环用铜片制成软接头搭接成整体，形成纵横阻尼绕组。它的主要作用是当水轮发电机发生振荡时起阻尼作用，使发电机运行稳定。在不对称运行时，它能提高不对称负载的能力。
3.上机架与下机架
上、下机架由于机组的型式不同，可分为荷重机架及非荷重机架两种。悬吊型水轮发电机的荷重机架即为安装在定子上的上机架。而伞型水轮发电机的荷重机架即为安装于定子下面基础上的下机架（或安装在水轮机顶盖上的支持架）上。
4.推力轴承
推力轴承承受水轮发电机组转动部分全部重量及水推力，并把这些力传递给荷重机架。
推力轴承一般由推力头、镜板、推力瓦、轴承座及油槽等部件组成。
5.导轴承
导轴承主要由导轴承瓦、导轴承支柱螺栓、套筒、座圈和轴领等组成。
三、水轮发电机的型号及额定参数
1.型号
水轮发电机的型号表示和含义如下。
2.额定参数
（1）额定电压。指发电机正常运行时的线电压，单位为V。发电机的额定电压应比电力网及用电设备的额定电压高5%，以弥补线路上的电压损耗。如果电压过高，会增加发电机和用电设备的实际负荷功率，导致电机绕组和铁芯温度升高，引起绝缘老化，甚至造成绝缘击穿事故；电压过低则会影响供电质量。一般允许电压偏差范围为±5%。
（2）额定电流。指发电机在额定工况下运行时的线电流，单位为A。要求三相负荷力求平衡，三相不平衡度不超过20%，并且任何一相负荷电流都不能超过额定值。小型水轮发电机一般不要随意过载。在特殊情况下允许短时过载，但发电机温度不能超过限值。
（3）额定功率。指发电机在额定电压、额定电流和额定功率因数下连续运行时，允许输出的最大有功功率，单位为kW。
（4）额定频率。我国电力工业额定频率为50Hz。频率变化对电动机负载的影响最大，会间接影响工业产品的质量和生产效率。一般允许频率的变化为±0.5Hz。
（5）额定转速。同步发电机在额定工况运行时的转速称为额定转速，单位为r/min。具有不同磁极对数的发电机的额定转速可从式（2-1）求得。
（6）额定励磁电流。指发电机在额定功率时的转子励磁电流。发电机在额定空载时的励磁电流值称为空载励磁电流。
（7）飞逸转速。指水轮发电机能够承受而又不会造成转子任何部件受损或永久变形的最高转速，单位为r/min。“飞逸”一般发生在机组突然甩全部负荷而水轮机导水机构拒绝动作的情况下。混流式水轮发电机的最大飞逸转速是额定转速的1.8倍，轴流定桨式水轮发电机为2.4倍。
（8）额定温升。指发电机在额定负载和规定的工作条件下，定子绕组允许的最高温度与电机进风口处风温之差。发电机绕组绝缘采用不同耐热等级的材料，允许有不同的温升，温升超过额定值时会加速绝缘的老化，缩短使用寿命。
（9）绝缘耐热等级。指绝缘材料根据其耐热性能不同，分成若干等级，见表2-1。
表2-1 绝缘耐热等级和最高允许工作温度
此外，还有相数、额定功率因数、额定励磁电压、定子绕组接线法、重量等。
四、水轮发电机的励磁系统
中、小型水轮发电机常用的硅整流励磁系统如下。
图2-12 自并励可控硅静止励磁系统原理图
1.自并励可控硅静止励磁系统
图2-12所示为自并励可控硅静止励磁系统原理图。容量较小的水轮发电机大多采用这种励磁系统。励磁变压器T接在发电机机端，整流器U一般采用三相半控桥式，自动电压调节器AVR通过改变晶闸管的控制角实现励磁自动调节。它的主要优点是：简单、经济，其技术性能在很多方面能满足同步发电机的要求。主要缺点是：强励倍数不固定，随故障点距电源距离的变化而变化，发电机机端短路时，励磁会消失。
2.直流侧并联的自复励可控硅静止励磁系统
目前中小型同步发电机中广泛应用的直流侧并联自复励可控硅静止励磁系统如图2-13所示。
该励磁方式的励磁电源有：①电压源，由并连接于机端的励磁变压器供给；②电流源，由串连接于中性点或机端的功率变流器供给，均取自发电机本身，故称自复励。
这种直流侧并联复合的励磁方式，反应速度快，在发电机近端短路时能迅速强励，不易失磁。但这种励磁方式励磁变流器副边过电压问题比较严重，有些机组并网的稳定性较差。
图2-13 直流侧并联的自复励可控硅静止励磁系统
五、同步发电机的运行特性
同步发电机的运行特性是指发电机在转速不变的条件下，其电动势E、端电压U、电枢电流I、功率因数cosφ和励磁电流IE等之间的相互关系，主要是外特性和调节特性。
1.外特性
外特性是指发电机的转速为额定值nN，励磁电流IE和负载功率因数cosφ都为常数的条件下，发电机端电压U和负载电流I之间的关系。
图2-14 同步发电机的外特性曲线
外特性可用直接负载法测定。维持不同的功率因数可得到不同的外特性。图2-14为负载的功率因数不同时同步发电机的外特性曲线。在感性负载和纯电阻负载时，外特性曲线都是下降的，因为这时电枢反应均有去磁作用；有容性负载时，外特性曲线是上升的，因为这时电枢反应起增磁作用。所谓电枢反应，是指负载时电枢磁场对发电机主磁场的影响。从图中可以看出，为使在不同功率因数下，I=IN时均有U=UN，在感性负载（φ＞0，cosφ滞后）下要供给较大的励磁电流，此时发电机运行在“过励磁”状态，而在容性负载（φ＜0，cosφ超前）下可供给较小的励磁电流，此时发电机运行在“欠励磁”状态。功率因数cosφ=1时，发电机运行于“正常励磁”状态。
发电机运行时，负载从空载到额定负载，端电压的变化与额定电压的比值的百分数，称为同步发电机的电压调整率（或电压变化率），即
式中 E0——发电机的空载电势；
UN——发电机的额定电压。
电压调整率是表征发电机运行性能的重要数据之一。对汽轮发电机ΔU=30%～40%，对水轮发电机ΔU=18%～30%。
2.调节特性
运行中，当同步发电机的负载发生变化时，为了保持机端电压不变，必须同时适度地调节发电机的励磁电流。调节特性就是指额定转速时，保持端电压、功率因数不变的情况下，励磁电流与负载电流之间的关系曲线。图2-15为同步发电机的调节特性曲线。从图中可以看出，调节特性的变化趋势正好与外特性相反。在感性和纯电阻性负载下，随着负载电流的增加，为维持端电压恒定，必须适度地增加励磁电流；在容性负载下，则必须适度地减小励磁电流。
图2-15 同步发电机的调节特性曲线
根据调节特性曲线，可以确定在给定的负载变化范围内，维持端电压不变时，励磁电流的变化范围。电站运行人员可以根据调节特性曲线来调节发电机的励磁电流，或者使自动调整励磁装置满足上述调节特性的要求，以期得到良好的调压特性。
六、水轮发电机的运行监视
运行中的水轮发电机必须定期进行巡回检查（一般是1次/h），监视发电机运行情况，记录各仪表指示，写好运行日志。巡视中要精力集中，仔细观察，及时发现问题，以保证机组安全发电。定期巡回检查的内容如下。
1.温度监视
发电机的绕组、铁芯、轴承应经常监视温度。其值不能超过规定的数值，如果温度发生迅速或倾向性的变化（局部过热或突然升高），应及时停机检查并找出原因进行处理。
2.轴承油面监视
轴承油面应定期检查、经常监视，如油面高出正常油面，可能是由于油冷却器漏水引起；如果油面低于正常油面，可能是油槽漏油或是管路阀门没有关好引起。
3.振动与音响监视
发电机在运行中应定期测量振动和音响，所测数值应不超过规定数值，如果振动和音响发生变化（强烈振动，噪音和摆度显著加大）应停机检查并处理。
4.绝缘监视
应定期检查发电机绕组的绝缘电阻，如果发电机绝缘电阻发生显著变化，如异常下降、转子一点接地时，应停机检查和修理。
5.电流引出装置监视
应经常查看刷下火花、电刷工作情况（电刷和集电环接触情况、磨损量、电刷在刷握内移动灵活情况）和集电环的表面情况（有无烧伤、磨出沟槽、锈蚀或积垢等情况）。如发现异常情况应及时处理。
电刷磨损后应换同样牌号和同样尺寸的新电刷，为了使集电环的磨损程度均衡，每年应调换1～2次集电环的极性。
6.冷却器监视
冷却器应经常检查，如发现冷却器流量减少或堵塞，冷却后的空气或油温明显升高应及时处理。
发电机在运行中，推力轴承的油温应为20～40℃，导轴承的油温允许至45℃，对于温度过高，应用调节冷却水流量的办法使轴承各轴瓦和油的温差保持在20℃左右。当发电机启动时应注意轴承油槽内的温度不低于10℃，以免引起不容许的轴瓦热变形。停机时应关闭冷却器的进水阀门，对油冷却器而言是为避免引起轴瓦过分变形；对空气冷却器而言是为避免引起空气冷却器过分结露。
7.制动系统监视
经常检查制动器，尤其在每次起动前必须检查制动器系统是否正常。当制动系统不正常或在升启情况下（有压力），是不允许启动发电机。在停机24h以上再启动机组前，一般须用制动器顶起转子5～10mm，然后将制动器压力去掉使制动器的制动块返回到原来位置后再启动。